智能輪椅的研究與探索

肖 蕊，張 穎

（1.上海健康醫(yī)學(xué)院 護(hù)理與健康管理學(xué)院，上海201318；2.上海健康醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，上海201318）

引言

本文對智能輪椅的核心問題進(jìn)行了分析，指出了智能輪椅涉及的各項(xiàng)技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了簡明描述。在智能輪椅的整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建中，有許多細(xì)節(jié)問題值得關(guān)注，也是智能輪椅能否真正面向廣大用戶的關(guān)鍵。它對傳統(tǒng)的輪椅進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的多種操控模式和自動(dòng)避障等功能，改進(jìn)其所存在的成本高、功耗大、續(xù)航能力差等問題，適合作為商業(yè)產(chǎn)品投放于市場。

1 研究目的

隨著中國老齡化進(jìn)程的加快，每個(gè)家庭都有一兩個(gè)甚至以上的老年人，同時(shí)也受到上個(gè)世紀(jì)獨(dú)生子女政策的影響，中青年逐漸兼顧不了照顧老年人的重?fù)?dān)，因此智能輪椅的需求量會(huì)越來越大。將目前常見的普通輪椅改為可調(diào)節(jié)智能輪椅可以方便老年人的生活，有效解決傷殘病人的治療與康復(fù)，滿足病人需求。除了年老體弱不方便走動(dòng)的，還有受傷、殘疾人、孕婦等行動(dòng)不便的人群也可以使用。另外，除了滿足家庭需要，醫(yī)院也可以使用：輸液室里面的靠背椅也可以用它來替代，使用時(shí)可將其輪子固定，病人輸液時(shí)間長的話可以打開后躺在上面休息。對于看護(hù)的家人來說，也可以作為陪護(hù)床來使用，既方便也不占用太大的空間，又能使病人和家屬得到更好的休息利于康復(fù)。

智能輪椅為殘疾人、老年人、行動(dòng)障礙人士等弱勢群體帶來了便捷生活與自主生活的可能和希望。不僅僅生理上幫助患者解決基本生活需求，更注重患者心理上的體驗(yàn)感，減少患者因生理障礙而產(chǎn)生的負(fù)面情緒，為這些弱勢群體帶來了福音。

2 智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

自1986 年英國開始研制出第一輛智能輪椅以來，許多國家投入較多資金研究智能輪椅，如德國烏爾姆大學(xué)MAID（老年人及殘疾人助聽器）項(xiàng)目，它是在一個(gè)商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上研制出了輪椅機(jī)器人，該輪椅機(jī)器人在公共場所擁有大量乘客的環(huán)境中，能夠自動(dòng)識別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，甚至還能提醒擋路的行人讓開道路。[1-2]

我國智能輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距，但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國外先進(jìn)水平的智能輪椅。[3]研究單位有中科院自動(dòng)化所、上海交通大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)等。

中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了一種多模態(tài)智能輪椅，具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互；[4]上海交通大學(xué)成功為四肢全部喪失功能的殘疾者設(shè)計(jì)的配備聲納、紅外、攝像頭等多種傳感器，多種工作模式的智能輪椅。[5]但是目前智能輪椅在實(shí)驗(yàn)室還是少量定制，并沒有真正產(chǎn)業(yè)化，所以在研究上仍有許多空間。

控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、人機(jī)接口是組成智能輪椅的三個(gè)主要部分?？刂葡到y(tǒng)主要是根據(jù)外界具體環(huán)境狀況來進(jìn)行實(shí)時(shí)感知以及決策，按照規(guī)劃的結(jié)果來實(shí)施安全且平滑的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)適當(dāng)?shù)膶σ苿?dòng)速度進(jìn)行調(diào)整，具有反應(yīng)速度快的優(yōu)勢，能夠?qū)?shí)時(shí)性要求進(jìn)行充分滿足?？刂葡到y(tǒng)可采用自主模式、半自動(dòng)模式、手動(dòng)模式來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)航系統(tǒng)主要是智能輪椅上的導(dǎo)航技術(shù)利用傳感器檢測環(huán)境信息，創(chuàng)建環(huán)境空間模型，對輪椅的具體位置及方向進(jìn)行獲取，進(jìn)而對運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行有效的規(guī)劃，對運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，同時(shí)對運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，導(dǎo)航具有交互性及安全性的特點(diǎn)。人機(jī)交互技術(shù)是智能輪椅技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，設(shè)計(jì)者對人機(jī)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要把用戶的身體狀況、心理狀況、認(rèn)知能力等進(jìn)行綜合全面考慮，對自身的不足進(jìn)行改善與彌補(bǔ)，將主動(dòng)性充分發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)用戶和智能輪椅之間的完美合作，這就需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)人機(jī)接口時(shí)，要把握好人性化、多樣化的原則。

近幾年來，我國智能輪椅的研究取得了很大的進(jìn)步，但是仍需要不斷的努力，逐步突破初期開發(fā)的狀態(tài)。目前，智能輪椅的研究基本上仍停留在實(shí)驗(yàn)室、展臺、少數(shù)定做的狀態(tài)中，并未進(jìn)入大批量生產(chǎn)的階段，智能輪椅的研究與發(fā)展空間還是非常大的，在研究與發(fā)展的過程中，要把握以下原則。首先是自然化與智能化原則，現(xiàn)階段，輪椅用戶主要是簡單控制輪椅的狀態(tài)，沒有實(shí)現(xiàn)自然交互的目標(biāo)以及智能化的目標(biāo)。在接下來的研究中，必須要借助更多的人機(jī)交互接口來實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)的綜合應(yīng)用，對控制算法進(jìn)行不斷優(yōu)化，人機(jī)之間的溝通與交流更加充分。其次，人性化和安全性原則，在日后的研究與探索中，要對行動(dòng)不便的用戶的實(shí)際需求進(jìn)行充分全面的考慮，創(chuàng)建有效的安全保障系統(tǒng)，比如說，在空間狹小的環(huán)境中進(jìn)行停放、自動(dòng)避障、自動(dòng)停放、目標(biāo)跟隨等，實(shí)現(xiàn)多種控制器的融合，提高系統(tǒng)在未知環(huán)境中的適應(yīng)性，做出快速反應(yīng)，盡量避免發(fā)生危險(xiǎn)，積極尋找最優(yōu)行進(jìn)路線。最后，產(chǎn)品化和模塊化原則，現(xiàn)階段，智能輪椅中包含的很多算法是不成熟的，這就需要對高精度的硬件設(shè)施產(chǎn)生依賴，無形之中增加了成本投入。如果想要實(shí)現(xiàn)智能輪椅生產(chǎn)的批量化，形成產(chǎn)業(yè)鏈，必須要對運(yùn)算的速度以及精度進(jìn)行全面提升，同時(shí)提高控制行為的可靠度，減少硬件設(shè)備方面的支出，促進(jìn)性價(jià)比的提高。與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能輪椅不同功能的模塊化，不同的模塊對應(yīng)不同的功能，為不同的用戶配置個(gè)性化的智能輪椅。

在經(jīng)濟(jì)與科技快速發(fā)展的背景下，智能輪椅將實(shí)現(xiàn)安全可靠性的逐步提升，從功能來看，也將越來越豐富、全面，在未來的研究與探索中，智能輪椅會(huì)實(shí)現(xiàn)類型的多樣化以及價(jià)格的合理化，為行動(dòng)不便的群體提供便利，提高其生活質(zhì)量，造福于智能輪椅的使用者。

3 研究內(nèi)容

我們小組初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級控制，如簡單的運(yùn)動(dòng)，速度控制及避障等。隨著查閱文獻(xiàn)和深入思考，將大量機(jī)器人技術(shù)用于輪椅，智能輪椅在簡單低效的基礎(chǔ)上，有更好的適應(yīng)性和自主性，獨(dú)有的語音識別功能，大大增加了使用者與輪椅之間交互的方式，使輪椅的功能更加全面高效，保證了使用期間的通訊功能。在此基礎(chǔ)上，改善了輪椅的色彩單調(diào)性，在外觀上給人以舒適感和美感。結(jié)構(gòu)簡潔，結(jié)實(shí)輕巧，外形符合人體工學(xué)，并且選擇硬度較高的材料，保證輪椅在使用過程中的安全性能。智能輪椅是將智能機(jī)器人應(yīng)用于普通輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括機(jī)器視覺，機(jī)器聽覺及機(jī)器人導(dǎo)航和定位控制系統(tǒng)。[6]

隨著智能輪椅的出現(xiàn)，路徑規(guī)劃問題也同時(shí)產(chǎn)生，在研究智能輪椅的過程中，社會(huì)各界都對路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了高度關(guān)注。特別是在智能化水平提升以及硬件設(shè)備水平提升的基礎(chǔ)上，智能輪椅的路徑規(guī)劃問題受到了更高的重視?？茖W(xué)合理的路徑規(guī)劃是保障輪椅安全行進(jìn)的前提條件。傳統(tǒng)輪椅通過人為方式來掌握輪椅行進(jìn)的方向，而智能輪椅可以實(shí)現(xiàn)輪椅的自主性運(yùn)動(dòng)，使用者的生活質(zhì)量得到顯著提升。智能輪椅對行進(jìn)路線的規(guī)劃并不是按照人的意識來進(jìn)行的，而是根據(jù)其內(nèi)部的路線規(guī)劃系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)避障礙物的。在相關(guān)路徑得到有效規(guī)劃后，智能輪椅就會(huì)根據(jù)制定好的路徑來實(shí)施運(yùn)動(dòng)，對智能輪椅的安全性進(jìn)行保障。在規(guī)劃智能輪椅路徑時(shí)，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合用戶的反饋與建議來對現(xiàn)有的問題進(jìn)行有效處理。通常情況下，智能輪椅會(huì)通過超聲傳感器來規(guī)劃路徑問題，超聲傳感器利用超聲波來有效的識別障礙物，實(shí)現(xiàn)用戶對智能輪椅的正確使用。老年人及殘障人士的出行及運(yùn)動(dòng)需要借助智能輪椅，可以說，智能輪椅對他們具有十分重要的意義。目前，智能化輪椅基本上都是一體化智能設(shè)備，如果說在后期來二次優(yōu)化路徑問題，實(shí)現(xiàn)難度是非常大的，所以，相關(guān)設(shè)計(jì)人員及技術(shù)人員要更加重視路徑規(guī)劃的優(yōu)化問題。

智能輪椅的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：（1）安裝有語音交互及操控系統(tǒng)，既可以增加使用者與網(wǎng)絡(luò)、外界的通訊功能，又可以隨時(shí)控制其功能狀態(tài)；（2）在遇到斜坡、樓梯等障礙時(shí)，可以通過聲控來啟動(dòng)其避障功能或改變其前進(jìn)、后退的速度和方向等；（3）久坐僵直難耐時(shí)，患者可以通過聲控來調(diào)節(jié)輪椅角度，角度可以隨意調(diào)節(jié)，決定是調(diào)換成斜靠背式或者平躺式，不僅僅適合老年患者、癱瘓等殘障人士，更加適合上肢功能障礙的患者。

4 創(chuàng)業(yè)愿景

隨著建設(shè)創(chuàng)新型國家進(jìn)程的不斷推進(jìn)，《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要》的出臺，提升大學(xué)生創(chuàng)新能力建設(shè)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的要求進(jìn)一步提高到當(dāng)前大學(xué)生培養(yǎng)的日程。[7]現(xiàn)如今是一個(gè)創(chuàng)新的年代，未來社會(huì)迫切需要具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的人才，大學(xué)生占據(jù)高等教育的主導(dǎo)地位，是社會(huì)向前發(fā)展的動(dòng)力，需要號召大學(xué)生積極響應(yīng)，與新時(shí)代發(fā)展要求相適應(yīng)。一方面大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)有利于激發(fā)學(xué)生的潛能，激進(jìn)他們的好奇心，然后通過觀察周圍的事物結(jié)合新時(shí)代的發(fā)展要求來開發(fā)創(chuàng)新新鮮的東西，并且實(shí)現(xiàn)自身的自我價(jià)值。另一方面，從心理上講，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)可以使自己建立更大的自信，對未來充滿期待與信心，不畏懼困難；從理論技術(shù)上講，可以使大學(xué)生學(xué)到很多基礎(chǔ)的理論知識，并且建立更加豐富的理論基礎(chǔ)。然而大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)還存在很多不足的地方。由于大學(xué)生缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，難免無法做到完美的決策，并且大學(xué)生資金來源短缺，很難建立起核心的價(jià)值體系。

柏丁兮等的研究表明：創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是順應(yīng)國家時(shí)代發(fā)展的需求，在護(hù)理領(lǐng)域中，從實(shí)踐教學(xué)著手，開展護(hù)理技能操作的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式有著重要意義。[8]護(hù)理學(xué)本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育還需要不斷改進(jìn)和完善，讓學(xué)生成為符合時(shí)代發(fā)展的復(fù)合型人才，而不是將自己的發(fā)展固定在專業(yè)護(hù)理的唯一定位上。而在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)+背景下，進(jìn)行“理論、實(shí)踐、實(shí)戰(zhàn)”三位一體教育，需要老師在創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)中做到：理論、實(shí)踐、實(shí)戰(zhàn)的綜合性戰(zhàn)略，利用這樣的模式切實(shí)提高護(hù)理專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)能力。[9]隨著市場經(jīng)濟(jì)在我國的進(jìn)一步深入發(fā)展，政策的導(dǎo)向會(huì)對大學(xué)生創(chuàng)業(yè)帶來更加有利的因素。開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展成才，促進(jìn)高校轉(zhuǎn)變教育思想觀念、改革人才培養(yǎng)模式，有助于培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才。