云汉智能轮椅项目研究分析

王梦芯 尹晶晶 毕瑞楷 张新杰

摘 要：随着中国人口的增长，行动不便的老年人或残疾人等特殊人群的数量也在不断增加，市场中专门针对特殊人群的商品需求也在相应增加。传统轮椅由于笨重不灵敏且功能不完善，导致使用舒适度降低。针对上述问题，研究人员结合先进科技，将头戴式重力感应装置与智能电动轮椅相结合，研发出舒适度更好、使用更便捷、操作更简单的智能轮椅。文章围绕智能轮椅发展现状和设计特点进行了阐述和分析，以期推动智能轮椅的研发，方便特殊人群的日常生活，提高生活幸福感。

关键词：特殊人群;重力感应;智能轮椅

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）08-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.017

1 智能轮椅发展现状

1.1 研究背景

传统轮椅是手推式的，比较消耗操作者的体力，老弱群体使用不便。为了解决这一难题，1986年，英国科学家将传感器与传统轮椅相结合，研制电动轮椅，智能轮椅应运而生。目前，世界上很多国家在智能轮椅技术研究中加大投入，力求满足特殊人群的日常生活需求，为其提供更加直观的帮助。在早期研究中，轮椅功能一般是简单运动、速度控制和避障等低水平控制，随着机器人控制技术的发展，大量的移动机器人技术被应用于轮椅上。智能轮椅在更现实的基础上具有更好的交互性、自主性和适应性[1]。

国外智能轮椅的发展是十分迅速的，国外智能轮椅产业也具有其独特的发展特点。在大多数智能轮椅研究中，麻省理工大学智能实验室研发的半自助式智能轮椅配备有计算机处理器、传感器，能够进行人机交互操作，硬件模块采用TINMAN2，利用霍尔传感器作为开关使用和光线侦查传感器进行导航[2]。

我国对智能轮椅的研究起步较晚但备受瞩目，技术指标接近国外智能轮椅的先进水平，并具有自身特点。2011年，孙东元提出使用FREESCALE 8位微处理器控制的智能轮椅，双电机协调控制方案，能够实现电流补偿和保护功能。牛凤英利用传感器和控制器实现智能轮椅的各个方向的自主避障，虽然外形结构简单，但是功能比较强大。中科院对智能轮椅的技术研发也有了突破性进展，该智能轮椅具有视觉导航功能、语音导航功能，使用者可以通过语音控制轮椅行进，并添加了3G无线通信系统，看护人员可以远程查看使用者情況。

1.2 研究目的

随着我国老龄化进程的加快以及特殊群体轮椅需求量的增加，将目前常见的普通轮椅改为可调节的智能轮椅，可以方便使用者的生活，有效解决使用者的治疗与康复，满足他们的需求。

除了满足家庭需求，医院也可以使用。例如，输液室里面的靠背椅也可以用它替代，使用时可将其轮子固定，病人输液时间长的话可以打开后躺在上面休息。对于看护病人的家属来说，可以作为陪护床使用，方便使用还不占用太多空间，又能使病人和家属得到更好的休息。智能轮椅为残疾人、老年人、行动障碍人士等群体带来了便捷生活与自主生活的可能和希望。不仅在生理上帮助患者解决难题，更注重患者心理上的体验感，减少患者因生理障碍而产生的负面情绪[3]。

2 云汉智能轮椅设计及运行模式

2.1 产品简介

云汉智能轮椅是主要针对残疾人群定制的个性化轮椅，对传统轮椅进行改良，与重力感应装置相结合，让无法自主使用轮椅的残疾人群灵活使用，帮助弱势群体在生活和因自身情况产生的消极情感各方面得到慰藉。从产品的制成、运送、使用到售后全程监控，对于用户进行一对一辅导，售后人员对接用户问题，打响品牌形象，在日常生活方面开展公司附属业务，形成线上售卖、线下售后的绿色生态服务，方便用户购买以及解决问题。

2.2 设计亮点

2.2.1 外形设计

研究初期，轮椅的功能都是基于普遍的轮椅外形进行设计改良，改善了轮椅的色彩单调性，在外观上给人以舒适感和美感。结构简洁，结实轻巧，外形符合人体工学，并且选择硬度较高的材料，保证轮椅在使用过程中的安全性能[4]。

研究中期进行产品实践时发现，对于智能轮椅的结构空间没有对特定人群使用时不同生理机能结构的转变而进行改良，这主要体现在传统轮椅的座椅结构和腿部盛放空间结构上。例如，在户外使用者一般乘坐的轮椅对比于正常人的身高来说，高度要低很多，这造成了用户很大的心理压力，可能会产生自卑紧张、焦虑等负面心理。云汉智能轮椅的设计初衷是帮助弱势群体改变他们的生活，现状包括环境因素造成的心理压力。而轮椅过大、过高也会造成出行不便，在外形设计上最终根据人体工学的研究以及弱势群体中可能受到环境因素的各方面影响最终敲定，轮椅设计为可调节高度的类型，帮助使用者减轻环境因素所造成的心理负担。

研究后期，敲定云汉智能轮椅的外形，在外观上做到简洁大方，以明艳色彩相益，在视觉上赋予一种美感，并在使用体验中也根据弱势群体的实际需要进行相应的细节调整，使整体外形符合用户需求。

2.2.2 控制系统设计

根据其主要功能，主要分为功能设计、功能研究、模拟改进三方面。

功能设计：通过增添重力感应功能设置，使传统轮椅从人工推力转化为自主调整方向和自主推力，使身体存在一定障碍的弱势群体能够通过对智能轮椅的控制实现正常出行。

功能研究：考虑到轮椅使用者有不同程度的使用限制，智能轮椅基于此情况，增添了比较实用的重力感应器功能，运用新型金属感应器技术，通过对弹性敏感元件的储能功能建立电触点。实现人体想要改变轮椅方向或者实现轮椅升降速度等多种功能时，通过使用者肢体语言传达的信息调整轮椅状态[5]。

模拟改进：智能轮椅设计中，由于使用者习惯不同，重力感应器的弹性敏感程度存在误差，会造成安全隐患。在此基础上采取保护措施，消除使用者的安全隐患，并且调整重力感应器弹力敏感程度之间的弹力数据结构，通过比较弹力数据限度与使用者在轮椅上所用身体语言，调整改进使用者头部倾斜程度与重力感应器之间相关阈值，做到有效预测。设置改进系统，让使用者可以根据自己的需求改进数据角度数值。

2.3 重力感应传感器的应用

应用目标：使头戴式重力感应与传统电动轮椅完美契合，为无法自主使用轮椅的用户提供便捷。

应用过程：与传统轮椅相比，增添了重力感应器功能，重力感应器是一种新型属传感器技术，它采用弹性敏感元件制成位移器，与采用弹性敏感元件制成的储能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。通过固定在人体头部的重力感应器检测头部倾斜角度，将重力感应器检测到的倾斜角度与预设的倾斜角阈值进行比较，当检测到的倾斜角度大于预设的倾斜角阈值时，则判断为用户想要前进的方向，并在用户大腿根防护处设置电力开关，以免意外启动对用户造成伤害。

3 总结与展望

经过多年的研究发展，智能轮椅的研究取得了很大的进展，功能不断丰富，安全可靠性不断提高，得到越来越多的关注，但是仍存在着安全保障系统不够完善、人机交互不够自然等问题需要解决。由于重力感应器和智能轮椅的品类过多，研究实践中不能进行大量的对比测试，且这部分测验国内外研究成果较少，造成了一些理论和实践上的不足。产品很具有创新性，且产品定位居于前沿，也是未来发展的趋势。云汉智能轮椅尚处在研究发展阶段，但是涉及技术要求很高，在实际的使用过程中是否有局限性还需要进一步研究说明。随着科技和社会的不断发展，相信智能轮椅的各项功能会更加完善，真正服务于人们的生活。

参考文献

[1] 曹晓红，潘虹，白飞飞.智能轮椅的系统结构研究[J].计算机产品与流通，2019（5）：120.

[2] 曲振波，王飞，张宏扬.智能轮椅的发展与设计趋势探析[J].工业设计，2020（12）：113-114.

[3] 田英，佘阳，黎铸新，等.一种多功能越障轮椅的结构设计与仿真分析[J].机电工程技术，2020，49（7）：7-10.

[4] 张志浩，张鹏，李丹丹，等.一种智能轮椅的结构设计与研究[J].信息记录材料，2019，20（10）：54-56.

[5] 林明标，莫金海.基于安卓手机的无线重力感应控制智能小车[J].计算机测量与控制，2015，23（4）：1175-1178.