自平衡室内无障碍智能助行器操控设计研究

田 园，许晓云，韩雪晶，宣伯凯

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

0 引言

目前为行走功能障碍者设计的室内移动工具有轮椅、代步车、护理床等，主要依靠他人推拉的方式运动，或采用方向盘、手柄、按键等方式控制其运动.上述各类操控方式均存在着一些缺陷，如：不易学习、操作复杂、操作费时费力、容易误操作、存在安全隐患等.

首先，室内无障碍智能助行器是为下肢残障者以及老年性疾病等行走功能障碍者设计的室内智能代步工具.其用户人群属于弱势群体，行动不便、内心敏感，非常需要生理和心理上的辅助.所以，他们需要一种易用、高效、安全、舒适的无障碍室内智能助行器.其次，室内助行器的使用环境主要为家庭、疗养院、医院等室内环境，与室外环境相比，空间窄小、障碍物多、直行距离短、转向多.需要更加灵活、高效、合理的运动操控方式.本文主要研究自平衡控制方式在室内无障碍智能助行器运动操控设计中的应用.

1 自平衡控制系统在室内移动系统中的应用

1.1 自平衡控制系统在室内移动系统中的可应用性分析

自平衡控制方式是：以内置的陀螺仪来判断助行器所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动电机来实现运动的效果.其中，陀螺仪是一种利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，以及利用其他原理制成的角运动检测装置.最早用于航海导航，后来在航空和航天事业中也得到广泛的应用.此外，该技术正在向日常民用产品领域迈进，如手机等移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）通过动作感应控制游戏等，又如本田的自平衡U3-X独轮车.由此可见，该技术已非常成熟，具有很高的可实现性和可靠性（图1，图2）.

图1 本田的自平衡U3-X独轮车Fig.1 Self-balancing U3-Xunicycle of Honda's

图2 手机的动作感应游戏Fig.2 Motion-sensingga mesinphone

图3 为带有自平衡系统的助行器在坡度为 的路面上行驶的动力学分析模型.假设某时刻系统相对竖直方向有一倾角，且在轮上施加一顺时针方向的力矩 =0，使其沿坡面向上加速滚动，由于惯性，车身将有可能不绕车轴 发生转动，而只发生平动.此时，路面对车轮的静摩擦力0为临界驱动力.忽略空气阻力和车轮滚动阻力，可以得到0和0具有以下关系1：

其中：0为临界驱动力矩；0为临界驱动力；2为车轮质量； 为车轮半径.对于 =0时的临界驱动力0，文献 [4]给出了其表达式，即

其中：1为车身 (包括驾驶员)质量.当 ≠0时0具有更一般的形式，即

式 (2)是式 (3)在 =0时的特殊情况.将式 (3)代入 (1)，得

若使 gt;0，车身将绕轮轴 逆时针转动，最终回到竖直位置.

1.2 自平衡控制系统在室内移动系统应用中的特点

目前国内外在无障碍助行器研究领域，已研发出许多先进的操控系统，但效果却不尽如人意.操纵杆控制方式指示方向明确简单，是电动轮椅的标准配置，因此在多数智能代步器上都仍然保留了这一人机接口.但是在使用者手部存在病理性颤动的情况下，采用普通操纵杆将无法正常地操纵轮椅.而触摸屏、菜单等方式虽然运动方向明确、控制较精确，但其缺点是不够灵活、操作较为复杂.语音控制、呼吸控制等方式易受环境和个体差异干扰，信号识别的准确性很低.

图3 自平衡系统受力分析Fig.3 The force analysis of self-balancing system

而自平衡控制方式可以较好地克服以上缺点，具有如下特点：

1）可以快速、灵敏地感应到用户发出的信号，并发出指令；

2）无需手柄、方向盘、按键等复杂操作附件；

3）操控直观，易于理解.

2 基于自平衡的助行器用户重心操控方式设计

2.1 用户重心操控方式设计

2.1.1 用户重心操控方式原理

用户重心操控方式是一种完全解放双手的操控方式.只依靠用户身体重心的偏移，对室内智能助行器进行运动操控（如图4）.

运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（Dynam ic Stabilization）的基本原理上，也就是助行器本身的自动平衡能力.内置的陀螺仪检测重心的变化产生的倾角，基于传感器数据，智能助行器内部计算机辨别出用户的运动方向和速度，通过驱动控制机体可作出与人体重心倾斜相对应的反应，达到平稳又不失敏捷的动作，实现仅凭借身体重心的移动就可自由移动的简易操作.

图4 用户重心操控助行器Fig.4 Center of gravity manipulation walker

假设我们以助行器上的用户与车辆的总体重心纵轴作为参考线.当这条轴往前倾斜时，助行器上的内置电动马达会产生往前的力量，一方面平衡人与车往前倾倒的扭矩，一方面产生让车辆前进的加速度，相反的，当陀螺仪发现驾驶人的重心往后倾时，也会产生向后的力量达到平衡效果.如图5所示，助行器加速度的方向与用户身体及车的重心的倾斜方向一致，可以起到加速或减速的作用.因此，驾驶人只要改变自己身体的倾角，助行器就会根据倾斜的方向前进或后退，而速度则与驾驶人身体倾斜的程度呈正相关.

2.1.2 重心倾角测量与轮椅控制

综合考虑安全性、传感器价格、检测有效性、传感器反应速度及其推广等各方面因素,采用单个陀螺仪来检测车体平台的运行姿态.传统的陀螺仪主要用于测量角位移，而MEMS陀螺仪可以测量以度每秒为单位的角速度，包含角度、角速度的综合运动信息.本课题采用的是村田NEC-03陀螺仪（如图6所示）.

陀螺仪传感器将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号.传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化.而村田NEC-03陀螺仪的工作原理是利用科里奥利力--旋转物体在有径向运动时所受到的切向力（如图7所示）.在径向没有运动的物体是不会引起科里奥利力的.当一个被驱动的物体不断反复做径向运动或者震荡时，与它的科里奥利力就会不断地在它的横坐标反复变化，并可能引起运动物体在横向产生轻微震荡，其相位角度与驱动力的角度相差90°.

村田NEC-03陀螺仪具有2个不同方向的电容板，并且是可移动的.径向的电容板得到相应的震荡电压后会驱使物体向径向运动，横向的电容板是用来测量当物体运动时产生的科里奥利力所引发的电容变化.利用科里奥利力正比于角速度的原理，通过电容的变化准确得出角速度的大小.

MEMS陀螺仪测得的是电压值，利用公式 (5)将电信号转换为角速度信号，然后利用公式 (6)对其积分就可得角度.

图5 用户重心操控方式示意图Fig.5 Usage of center of gravity manipulation walker

行进过程中，用户可以将自己的身体重心往左右倾斜，利用自身重量所产生、与车身纵轴垂直的分量，作为转弯时的向心力而达到转向的目的.或由中央微处理器发布指令，使助行器左右车轮产生转速差，例如当用户向右转时，左轮的转速会比右轮快，达到向右转的效果（如图8）.必要时，甚至可以做出一侧轮向前一侧轮向后的动作，达到原地转向的效果，因此大幅提升其在室内狭小环境移动的机动性.

用户常常需要为达到舒适性而调整身体姿态，此时虽然重心发生了偏移，但并不意味着要立刻发出操控指令.设置运动感应开关，利用微处理器对用户行为的反馈数据进行分析和判断以发出准确的指令，在一定倾角范围内保持平衡.

图6 村田NEC-03陀螺仪Fig.6 Murata NEC-03 gyro sensor

2.1.3 助行器操控安全性设计

操控安全性设计.安全方面的设计包括3个方面：1）国家规定电动轮椅的行走速度不能超过8 km/h，而正常人平均步行速度在5～7 km/h左右，因此速度设计为4～8 km/h，基本处于低速状态.用户可以随时调整自己的坐姿重心，以控制运动的速度和方向.即使出现操控错误，也可以立即发现并纠正，可以满足"少犯错"的要求.由于该产品用户是残障者和老年人，自我调整和救助的能力很低，所以不仅需要"少犯错"，还需要在"犯错"时不会造成不可挽救的后果.2）提高微处理器对用户的行为反馈的数据进行分析和判断的能力，防止对用户的非指令性行为产生误判断，增加准确性和可靠性.3）增加安全带等保护装置，提高安全性，可以以大量的安全实验作为依据，设计配套的警告系统和安全保护系统.

2.2 用户重心操控方式的优势

2.2.1 用户重心操控方式与人

下肢残障者以及老年性疾病等行走功能障碍者，均属于弱势群体，行动不便、内心敏感，非常需要生理和心理上的辅助.障碍室内智能助行器是以人为中心的产品，因此，它的操控系统并不是设计的自主性越高越好，而是应该考虑到使用者的身体特点，有效地补偿其不足，充分发挥其主动性.需要考虑使用者的生理特点以及在各种情况下的心理反应，以实现助行器与使用者之间的和谐合作机制.

基于自平衡的用户重心操控方式具有如下优点：

1）易用性：用户很容易能学习掌握如何使用产品，且在隔一段时间（几天或几个月）后，再次使用，不需学习就能自如操作.该操控方式简单直观，非常适合老年人等学习、接收能力不强的用户.用户只要稍加观摩或试验，即可迅速掌握使用要领.

且其操作时的行为模式和人的本能是很接近的：当人在希望快速前进时，上身会主动前倾；希望减速时，会上身重心后移；后退行走时，头部会后仰；左右转弯时，身体会侧倾.

日本著名产品设计师，家用电器和日用杂物设计品牌"±0"的创始人深泽直人首次提出的一种设计理念，"无意识设计"（WithoutThought）又称为"直觉设计"，即："将无意识的行动转化为可见之物".基于自平衡的用户重心操控方式设计，很好地诠释了该设计理念，将行走功能障碍者的直觉转化为行动.

2）高效性：使用有效且高效，不仅能很快实现预期目标，还能解放双手.该操控方式灵活简便，只需身体重心稍加偏移，就能够很快实现对方向、速度的控制，使用户顺利完成室内移动.传统的操控方式，无论是方向盘、手柄、按键或触摸屏，都需要用户用手进行操作.而此操控方式不占用双手，用户可以同时完成持物等其他动作，提高行为效率.

2.2.2 用户重心操控方式与环境

无障碍室内智能助行器的使用环境主要为家庭、疗养院、医院等室内环境，与室外环境相比，具有空间窄小、障碍物多、直行距离短、转弯多等特点.该操控系统灵活便利，在运动的开始及终止、方向控制、速度控制三个方面快捷灵活，都十分适合室内环境，可以保障其对室内环境的安全性，避免用户及助行器与环境发生冲突.

3 用户重心操控方式设计研究的意义

用户重心操控方式设计研究，具有如下意义：

1）用户可以借助此操控方式，在室内自如移动，进行普通人可以完成的室内移动形式，达到“行走”的目的；

2）帮助用户改善生活方式、提高生活质量、树立自信心.用户可以简单轻松地使用这种基于用户重心操控方式的无障碍室内智能助行器，无需特殊的技能训练，即可自由移动同时，手部还可以持物、工作，如抱着宠物、端着杯子等；

3）无需依靠手部进行操作，扩大受益人群.该操控方式无需依靠手部进行操作，所以部分失去手部功能的残疾者或手部功能严重退化的老年人也可使用，扩大受益人群；

4）减轻护理者负担，促进家庭与社会的和谐发展.通过这种操控方式，用户可以自主移动助行器，并独立完成更多的动作，为护理者减轻负担.有利于减轻家庭以及医院、疗养院等社会性单位的负担，促进其和谐发展.

4 结语

本文基于自平衡控制系统的特点，将其应用到无障碍室内智能助行器设计中，设计了用户重心操控方式，并分析其特征，论证其符合用户及使用环境要求.

在以后的研究工作中,还要考虑到用户的无意识行为及环境因素的影响来完善控制策略.平衡控制系统将逐步应用到各种无障碍室内智能助行器运动操控方式设计中，并随着陀螺仪技术及机电一体化的发展得到进一步发展；用户指令行为判别更准确，安全性更高，成本更低.

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