基于物联网技术的智能电动轮椅创新研究

王柏睿　陈恒广　高静仪　张潇旭　王辉

【摘  要】 随着我国老龄化程度不断加剧，以及疾病和车祸造成的下肢残疾患者数量逐年增多，对轮椅的需求也在不断增加。不同年龄段的人对轮椅功能的需求各有不同。为了解决传统轮椅功能单一的问题，本团队设计了一款基于物联网技术的多功能智能电动轮椅。通过综合运用虚拟终端、北斗导航、数据脱敏、云海结合等技术，团队打造了一款适用于各类人群的智能电动轮椅。这款轮椅可以实时监测用户的生命体征，智能调节座椅，利用北斗卫星系统进行导航，并实现智能灯光调节。希望让更多的残障人士能够享受到时代带来的便利和红利。

【关键词】 物联网技术；智能电动轮椅；虚拟终端；生命体征监测

一、智能轮椅的国内研究现状

随着科技水平的持续发展，各行业正朝着智能化方向迈进。自1986年英国科研人员研制出第一辆智能轮椅以来，各国开始重视智能轮椅的研发，改善残障人士的生活质量。然而，由于各国科技水平参差不齐，智能轮椅的研究方向也各有不同，涌现出了各种功能和样式的智能轮椅。这推动了智能轮椅领域的不断发展，丰富了相关学术知识，多样化的智能轮椅能更有效地满足用户需求，减轻他们的生活压力，成为社会残障人士的福音。

我国在智能轮椅领域的研究相对西方国家较晚，与西方国家相比，智能化技术的发展水平还有一定差距。然而，近年来，我国政府开始注重智能康养模块的发展，大量资金和精力投入到智能轮椅的研发中，智能轮椅研发呈现多点突破的局面，出现了一些与国外水平相当的智能轮椅，如中科院自动化所研发的多模态交互智能轮椅、上海交通大学的多功能智能轮椅等。这些具有代表性的智能轮椅，标志着我国智能轮椅研发取得了重要进展。

二、智能电动轮椅的创新点

（一）“智行星”App

1. 功能介绍

在现今快节奏的生活中，轮椅使用者的家人很难全天候陪伴在他们身边，因此很难及时了解他们的情况。本产品以鸿蒙系统为灵感，构建了一个面向5G物联网的全场景分布式操作系统，建立了一个虚拟终端互联的环境。通过这个系统，輪椅使用者、家属以及健康管理和医疗机构可以有机地联系在一起，并实现数据的同步和共享。这样一来，可以减轻使用者家属的担忧和顾虑。

2. 相关技术及优点

（1）系统采用分布式架构，且配备微内核系统对分布式结构提供支持。拥有公共通信平台、分布式数据管理、分布式调度能力等等。可以在不同终端轻松实现互联互通，多个设备协同运作，且使用延时引擎及其高性能通信技术保证高效率的数据处理能力。

（2）采用数据加密技术、数据失真技术、差分隐私技术等多种技术，对用户的数据进行智能分级与分类，进一步对数据进行脱敏保护，保障用户的隐私及权益。

（3）采用“云海结合”的物联网结构体系，对数据进行智能存储、计算及脱敏处理，具有良好的扩展性，既满足前端实时交互，又满足全球物体的互联互动。

3. 可能存在的问题

（1）各数据脱敏算法成熟度不同，算法之间可能存在逻辑错误等问题，导致数据恢复的时候出现错误。

（2）家属客户端手机电量不足导致关机、特殊情况如信号基站出现问题等导致数据上传及共享出现延时或中断。

（3）可能会出现不明确或不合理的智能分类，导致对无关数据进行脱敏，致使服务器运行负荷增大且存在重要数据泄露的风险。

（二）轮椅的智能调节及按摩功能

1. 设计想法及功能介绍

使用轮椅的人群大多不能自主活动，长期坐着可能导致胃肠道蠕动减慢、消化系统功能下降、下肢静脉栓塞、肌肉萎缩、机械性损伤等健康问题，同时也会增加心脑血管疾病的风险。因此，长期使用轮椅的人可能会面临健康状况逐渐恶化的问题。

为了缓解轮椅使用者因长时间坐着而可能遭受的痛苦，本团队设计了一款智能轮椅，配备了智能调节、智能按摩和电动座椅记忆功能，可以及时提醒使用者调整体位，改善坐姿。

2. 相关技术及优点

（1）座椅采用人体工学设计，并分成独立的区域，通过电子操控系统控制不同区域的按摩强度，以防止久坐导致身体功能障碍。

（2）座椅能够根据用户的身形自动调节至适宜的角度，确保用户舒适，同时配备压力监测功能，每两小时提示用户变换体位，降低压力性损伤的风险。

（3）在轮椅通电时，座椅会自动开启通风加热功能，并可在控制面板上调节档位，以防止天气寒冷或使用时间过长导致用户不适。当座椅压力传感器未检测到压力或生命体征时，系统会在10分钟后自动关闭功能，以降低能耗并保证轮椅的续航能力。

3. 可能存在的问题

（1）压力传感器灵敏度过高或者过低导致座椅无法正常监测到用户，进而影响功能的正常使用。

（2）不同用户的身高体型不相等，可能会导致按摩部位偏离，进而无法达到预期效果。

（三）轮椅的实时定位、导航及智能避障功能

1. 设计及功能介绍

使用轮椅的人因行动不便、道路状况不明确以及无障碍通道缺失等问题，面临着出行的困难。这些问题会导致他们逐渐放弃外出的想法。为了解决这些出行问题以及相关的心理困扰，本团队拟设计一款智能导航系统，能够实时定位轮椅的位置、监测道路情况并快速处理信息，为使用者提供最佳的出行路线，从而减少他们对出行的担忧。

2. 相关技术及优点

（1）结合基于北斗卫星导航的全局路径规划、基于障碍物密度的自适应动态窗口局部路径规划算法以及根据C-V2X的特性设计的轮椅主动避障系统，既保证了轮椅导航的质量和稳定性，又提高了用户出行的安全性。

（2）引入基于图优化的Cartographer算法进行轮椅的定位，并在轮椅四周配置多个传感器，大幅提高轮椅定位精准度的同时，也可全方位监测盲区情况。

（3）在现有导航算法基础上进行改进，优化导航的“最短距离算法”，以提升用户的出行体验感。例如，利用花授粉算法结合Q-learning的初始化以加速收敛速度，以及改进基于Q-learning的DWA算法以增强全局导航性能等。

（4）行驶时通过最优控制算法、PID路径跟踪算法、预瞄控制算法等对各种路况进行实时感知并迅速做出决策。根据局部规划的结果向使用者发出驾驶指令，系统还能识别用户未及时避让的前方障碍并进行智能介入操控驾驶，以确保用户在保证舒适度的前提下平稳安全地操作轮椅。

3. 可能存在的问题

改进的算法之间可能存在互不兼容的情况，而且在不同情况下，各算法所体现的优势点可能存在较大的差异，这可能会导致导航功能出现问题。因此，导航设计仍然存在一定的改进空间，需要进一步优化和调整算法以提高其整体性能和相互协调性。

（四）轮椅的实时生命体征监测及警报功能

1. 功能介绍

为了降低因看护不当或者看护不及时导致意外发生的风险，本产品在轮椅上配置了基于多普勒雷达的非接触式生命体征监测装置，用于实时监测使用者的身体情况。一旦监测到使用者的身体状况异常，系统将立即通过“智行星”App将相关信息以及轮椅的定位信息直观地传送至家属的手机端和附近的医疗机构。这样可以极大程度地确保患者在“黄金抢救期”内得到及时治疗，同时让家属能够即时了解情况。

2. 相关技术及优点

（1）非接触式生命体征监测装置能够弥补接触式监测装置的局限性，因为它不需要使用电极或其他装置接触使用者的身体，它可以在任何场景内对使用者的生命体征进行监测。此外，生物雷达监测时不受环境温度、热物体和光照等因素的影响，能够极大程度降低监测数据的误差。

（2）生物雷达技术利用微波电路实现传感器功能，具有穿透性强的特点，可以监测除生命体征之外的其他生理信息，例如心肺内部活动、血流情况和肠蠕动情况等。

（3）生物雷达技术适用于CMOS等工艺集成化设计的要求，具备实现小型化、高集成度、低功耗和低成本系统的潜力。

（4）监测数据可以实时上传至平台，具有传输速度快、时延低、能耗低、系统吞吐量大和与大型设备连接速度快等高性能特点。使用者、家属以及医疗机构可以随时了解使用者的身体状况，这对疾病的预防和治疗都具有极大的帮助，同时也能提高使用者在身体出现异常时的救援成功率。

3. 可能存在的问题

（1）生物雷达对被监测对象的运动感应非常敏感，然而环境中的其他运动物体可能会产生相同频率的位移信号，导致检测结果存在误差，而且简单的滤波技术难以有效去除这些杂波。

（2）在接收生物雷达信号的过程中，受到波频丢失等外界因素的干扰，从而降低了最终接收信号的准确性。

（3）呼吸的第三和第四谐波有时会干扰正常心跳信号的频谱，因此分离和提取心肺呼吸信号变得困难。

（五）轮椅的IQ.Light（智能灯光调节系统）功能

1. 功能介绍

夜间出行时，由于可视度大幅降低，出行的风险增加。对使用轮椅的人来说，夜间出行的危险性更高。IQ.Light系统由传感器组件、传输通路、处理器和执行机构组成。它可以根据夜间路况和天气情况自动开启和调节灯光，并且能够识别当前的天气状况，以开启适合的灯光模式，从而提高夜间行驶时的可见度，显著增强轮椅使用者夜间出行的安全性。

2. 相关技术及优点

（1）IQ.Light系统能够根据前置雷达、转弯角度以及轮椅的行驶速度智能地调节灯光模式。同时，根据不同的天气和车辆情况，自动调节前照灯的光束模式，轻松实现智能照明。

（2）在AFS系统的基础上，配备了ABS系统，通过前兆雷达监测对向来车和行人，轮椅行车电脑实时计算并智能调节光型。这样做不仅保证了最佳可见度，还防止了对向来车和行人产生眩目感，从而提高了驾驶安全性。

（3）在AFS系统的基础上增设了弯道照明模式，包括C（基础近光照明模式）、V（城市道路近光照明模式）、E（高速道路近光照明模式）、W（恶劣天气近光照明模式）。这些模式能够轻松实现对弯道内侧盲区的照明。

（4）全自动化的智能调节灯光系统可以提高轮椅使用者行车中的注意力，避免因调换灯光模式而分散注意力导致交通事故的发生。

3. 可能存在的问题

（1）IQ.Light的构成要素复杂，需要多个软硬件协同工作才能正常运行，对技术要求较高，因此制造及维护成本相对较高。

（2）灯组复杂的工作原理及機械结构可能会增加失效的风险，也有可能因高温烧坏灯泡，灯组无法发挥最佳性能。

三、结语

随着时代的发展和科技的进步，轮椅的功能不再局限于坐立。庞大的用户群体及各种各样的功能需求使得多功能电动轮椅的市场前景十分广阔。本团队设计了一款集多功能于一体的智能化电动轮椅，旨在让更多需要使用轮椅的人群融入社会生活。希望能有更多的人加入创新和研发智能化电动轮椅的行列，让更多的人从中受益。

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*山东省大学生创新训练项目“智行星——智能电动轮椅引领者”（项目编号：S202313006115）。