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目前市面上的智能轮椅的类型较多,涉及机器人技术、信息技术等众多的技术领域,所应用的关键技术可以分为如下几类。
1、机器人手臂技术
在机械臂的设计过程中,需要考虑多种因素,如重量、拆卸方便、互换性、工作空间、承载能力、速度、能源以及价格等。同安装在工作站上的手臂比较起来,安装在轮椅上的手臂需要更轻一些才能具有良好的操纵性能。因此,设计时需要把重量作为第一要素。辅助性手臂最主要的运动就是旋转,也有一些带有可伸缩的基架用来拓展更大的工作空间。为了增加手爪的灵活性,一般在手臂末端设计3个回转自由度。由于不需要拿过重的物体,所以机器臂的有效载荷一般比较小,从0.5-2kg。除了电机驱动的机械手臂,也出现了气动肌肉手臂,具有结构简单、紧凑和节能等特点。嵌入式手臂将驱动器、控制器都集成到手臂内,实现了模块化,是主要的手臂形式。开放式手臂控制器是当前另外一个研究热点。
2、人机接口技术
用户在使用智能轮椅过程中需要不断地与机器人沟通,人机接口的灵活、简便易用是智能轮椅高效运行的基础。操纵杆和功能键盘是最常用的接口形式;平板显示器和触摸屏可以采用菜单方式操作,同时还可以显示机器人的反馈信息;语音接口有普适性,但是成本较高,还不能实现完整的自然语言交流。针对有语言障碍的用户还出现了以摄像机监测头部、眼睛和手的动作、位置来判断意图并形成控制命令的接口方式。穿在身上的触觉服可以测量身体的姿态变化,判断用户意图。测量手臂或脖颈等部位的肌电信号也能用来作为驱动命令。鹰眼系统通过测量眼电压来确定眼睛和颅骨的相对位置,用户通过移动头部或眼睛来移动屏幕上的光标选择操作项目。通常一个智能轮椅系统需要同时设计多个人机接口方式以方便选用。
3、移动机器人技术
智能轮椅是在移动机器人技术的基础上发展起来的,也需要实现自主定位、导航和路径规划任务,所以需要借鉴和发展移动机器人的相关技术,其中传感器信息融合技术和导航技术对智能轮椅来讲又有其特殊性。智能轮椅除了带有各种环境感知传感器以外还携带有人机接口用的各种传感器。因而对这些数据的更准确的融合和综合分析是智能轮椅做出正确决策的基础。近年来提出许多传感器信息融合算法,如基于人工神经网络、贝叶斯估计、人工智能等信息处理算法等,能够比较完整地反映环境特征和识别用户指令,提高智能轮椅运动能力和精度。导航系统用来引导智能轮椅的运动。导航的方法很多,包括基于航标导航、基于地图导航、基于传感器导航和基于视觉导航。导航系统通常是由其中的一种或几种方式结合起来构成。导航系统通过各种传感器检测环境信息,建立环境模型,确定轮椅的位置和方向,然后规划出安全有效运动路径。对于智能轮椅的导航还可以将操作者的经验和自主导航技术相结合,实现在狭小、复杂环境下更灵活的运动能力。
4、机器人系统的集成及通信技术
智能轮椅系统是将多个执行器、多种类型的传感器集成在一起,因而系统集成的安全性和可靠性尤为重要。另外还要求系统有良好的扩展能力。控制器局域网络总线因成本低,数据传输速度快,具有可靠的错误处理和检错机制等优点,已被应用到一些智能轮椅系统中。目前的聪明家居概念也预示着将来的智能轮椅需要与许多家居设备相互通信,进一步拓展实用功能,所以智能轮椅的通信技术也要走向规范化。
5、人体监测系统
智能轮椅系统在增加了老年人和残疾人独立生活能力的同时,也增加了他们在没有医护人员和家属照料下出现异常情况的可能,为此系统需要集成人体监测模块。该模块能够监测使用者的体温、血压、脉搏、异常出汗及心电图等,通过远程通讯网络将这些信息传送到医院的中心站和亲人的电脑、手机中,遇到紧急情况时可以通过无线拨号的方式打电话报警。
