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随着社会老龄化进程的加快以及由于各种疾病、工伤、交通事故等原因造成下肢损伤的人数的增加,为老年人和残疾人提供性能优越的代步工具已成为整个社会重点关注的问题之一。智能轮椅作为一种服务机器人,具有自主导航、避障、人机对话以及提供特种服务等多种功能,可以大大提高老年人和残疾人的日常生活和工作质量,使他们重新获得生活自理能力和融入社会成为可能。目前,世界各国的研究者都在广泛开展智能轮椅相关技术的研究。
作为机器人技术的一种应用平台,智能轮椅上融合了机器人研究领域的多种技术,包括运动控制、机器视觉、模式识别、多传感器信息融合以及人机交互等等。经过20多年的研究和开发,智能轮椅的交互性、自主性以及安全性都得到了很大的发展。
智能轮椅是以人为中心的控制系统,因此,智能轮椅的控制系统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,有效地补偿他/她的不足,充分发挥他/她的主动性。这就决定了智能轮椅人机接口的多样性。人机接口的设计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,以实现轮椅与使用者之间的和谐合作机制。下面对几种人机接口方式进行一下介绍。
(1) 操纵杆控制。该方式指示方向明确简单,是电动轮椅的标准配置,因此在多数智能轮椅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。针对这样的情况,不少研究者进一步开发了“智能”操纵杆。有研究者针对病理性手部颤动的使用者,利用模糊逻辑的方法去除使用者操纵过程中的手部颤动。
(2) 按键、触摸屏、菜单控制。这些方式一般是将轮椅的方向控制分为4个或8个方向的按键。其好处是轮椅运动方向明确、控制较精确,而缺点是不够灵活。
(3)语音控制。利用口令识别和语音合成技术,实现使用者与轮椅的语音对话以及对轮椅运动的控制。目前所使用的语音命令是离散的,只能进行简单的方向命令控制,还无法实现真正意义上的语言对话,而且在环境嘈杂的情况下语音命令的识别率往往会急剧下降。
(4)呼吸控制。使用者可以通过在一个压力开关上吹气以激活期望的输出从而实现对轮椅的控制。通过差动气流传感器检测输入的呼吸气流的强度和方向,输出经过处理和编码后的控制命令传送到导航模块。根据传感器信号的强度控制轮椅的移动速度,根据气流的方向控制轮椅的角速度。
(5)头部控制。头部运动是能够指示方向的一个很自然的方式,可以直接用来替代操纵杆保持相似的控制,且这种方式给那些高度脊椎损伤和运动神经疾病的病人带来独立控制的可能性。在头部安装倾斜传感器并利用无线技术实现了基于头部动作的远程轮椅运动控制;使用一个四象限光感器,根据每一象限光电流的相对比例确定头部的位置;通过摄像头检测眼睛尾部与脸的边缘距离的变化来判定头部运动。
(6)手势控制。通过手势的指向来获取控制信息。使用者带上特定颜色的手套,控制系统通过CCD摄像头获得图像信息并将手部区域分隔出来,以判断使用者的手势,进而将手势指令转化为驱动指令,达到控制轮椅运动的目的。
(7)生物信号控制。包括通过检测机动电流,脑动电流,眼动电流判断使用者的行使意图,并进而控制轮椅相应的运动。研究者利用探测位于颈部两侧的肩胛提肌的肌动电流捕捉使用者肩膀的动作,以控制轮椅的前进、左转、右转运动。另外还有则通过使用者在思维时的脑电波变化判断其行驶意图,以达到用思维控制轮椅运动的目的。最新在智能轮椅上投入使用的鹰眼系统则是通过在眼部周围放置电极来感知眼球的运动,确定人的视线,以实时地控制轮椅的角速度和线速度。