智能轮椅的设计及发展战略

摘要：本文具体阐述了智能轮椅研究过程中的若干关键技术，对自主式沿墙行走型智能轮椅进行设计和研究，最后对未来研究智能轮椅的市场发展趋势进行展望，对后续智能轮椅的设计研究提出了几点建议，具有良好的应用价值。

关键词：智能轮椅;沿墙行走;模糊控制;关键技术

一、智能轮椅研究的关键技术

智能轮椅一般由以下三个部分组成：控制系统、导航系统、人机接口。

（一）控制系统，负责对外界环境状况做出实时感知和决策，根据规划结果完成平滑、安全的运动，并适时提高移动速度，有足够快的反应能力，满足实时性要求。采用手动模式、半自动模式和自主模式。

（二）导航系统，智能轮椅的导航技术通过传感器检测环境信息，建立环境空间模型，获取轮椅的位置和方向，規划出安全有效的运动路径，实时调整运动路径，并自主实现路径跟踪，导航兼具安全性和交互性。

（三）人机接口，智能轮椅关键技术之一就是人机交互技术。在设计人机接口的过程中应将用户身体情况、认知能力和心理反应作为不可或缺的中心部分纳入考虑，弥补自身不足，充分发挥主动性，以实现轮椅与用户之间最佳的合作方式，这就需要设计出更人性化和多样性的人机接口。

二、自主式沿墙行走控制型智能轮椅的设计

自主导航是现代智能轮椅所具有的基本功能之一，将使用者安全送到目的地，并在行进过程中躲避障碍物，避免碰撞。复杂地形状况，需要用户高精度的操控，但对于肢体活动不便的轮椅使用者，这是一项极其困难的挑战。之前的研究中，沿墙行走的设计都是跟随单边墙面行走，若将两边墙壁一起考虑进去设计控制器，将极大提高安全系数。自主式沿墙行走型智能轮椅，代替传统操控轮椅有着广阔的发展前景。可利用嵌入式控制技术，提供安全且精密的控制，以传感器为基础，并结合沿墙走的自动行驶系统，确保轮椅能处于左右两边墙面的中线上行驶，并能因墙距的宽窄变化，进行速度上的调整，两墙距越宽速度越快，反之亦然。

加入激光测距仪用来扫描环境参数，通过一系列计算实现控制轮椅的动作，确保轮椅始终行驶在两墙间的中线上。在控制器设计方面，除了利用PID及模糊控制为基础，设计实现两个独立的前进速度和转向速度的控制器外，为了能节省传统模糊控制的调整时间，采用加入学习法则后具有适应性机制的自组模糊控制器（SOFC），针对每一条模糊规则的输出值，提供补偿控制量，来修正每条规则，通过补偿机制操作后，使得控制器能因为各种未知环境，不断修正模糊规则库，以达到更为平滑的控制。考虑传统定义的规则数目过多，运算时间加长，提出单一输入自组模糊控制器，可大幅度降低模糊控制规则数量，并结合适应性机制以提升因缩减规则数量导致所丧失的功能。整体系统具有以下功能：

（一）动态侦测未知环境提供沿墙行走的距离信息

（二）因墙距的宽窄变化，提供速度上的调整

（三）模仿人类思维的模糊逻辑实现控制，提供稳定且平滑的操作

（四）加入适应性，使控制器能适应当下环境，增加其性能

（五）具有预防碰撞的紧急停车功能

在走廊及窄巷的环境下，保证导航系统的功能性和可靠性，具有良好的智能避障功能，稳定且安全的操作，设计得更加人性化，提高适用性和交互性，并透过所收集的数据信息，协助分析控制器在不同环境下的性能，更加灵活智能，整个控制系统运行稳定，实时性高，续航时间长，为行动弱势人群，提供一个安全便利的智能操作平台。

三、未来发展趋势与建议

我国对智能轮椅的研究有了很大的进展，但仍处于初期开发阶段，停留在实验室、展台或是少数定做，并没有进入大批量生产阶段，所以仍有许多发展空间。

（一）自然化和智能化。目前用户仍处于对轮椅进行简单控制的阶段，未达到完全自然交互和智能化的目标。未来需要利用更多人机交互接口相结合，综合应用智能技术，优化控制算法，人机之间更充分地进行交流和沟通。

（二）人性化和安全性。未来应充分考虑行动不便者的需求，构建完善的安全保障系统，如避障、在狭窄的环境中停放、自动暂停以及跟随目标等，融合多种控制器，提升系统对未知环境的适应性，快速做出反应，尽可能避免危险的发生并找出一条最佳的行进路线。

（三）产品化和模块化。目前许多算法不够成熟，导致必须依赖高精度的硬件设施，成本相对就会提高。若是将智能轮椅批量生产，成为一条产业链，必须提高算法的运算速度和准确度，以及执行控制行为的可靠度，才能降低硬件设备的支出，提高性价比。同时，将智能轮椅的各项功能模块化，每个模块对应一种功能，以便为不同的用户配置最合适的轮椅。

随着社会的发展和科技的进步，智能轮椅的安全可靠性将不断提高，功能将更为丰富多样，相信在不远的将来会有更多类型且价格适中的智能轮椅，提升行动不便者的生活质量，为我国广大的残疾人士和老年人造福。

参考文献：

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作者简介：李航（1995-），北京工业大学2017届研究生，硕士学历，所学专业为工业设计工程，研究方向为交互设计。