智能電動輪椅的關鍵技術分析

孟楠，方敏，袁浩森，梁源康，姜揚

（哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

根據聯合國2022 年發布的公告，全球65歲及以上的人口數量至2050 年可增至16 億。智能輪椅是將智能機器人技術應用于電動輪椅，結合計算機、人體工程學等相關領域的研究，實現機器視覺、主動避障、多傳感器融合，涉及到了機械、計算機、電控、各類傳感器等技術，目的在于為日益增多的老年人及殘障人士提供更安全合理的出行方式。本文探討智能輪椅技術國內外研究現狀，介紹爬樓運動控制、健康監測、主動避障等系統組成，提出相關設計方向。

1 研究現狀

1）國內研究。中國科學院自動化研究所于2000 年研制了一種具有視覺和口令導航功能并能與人進行語音交互的機器人輪椅[1]，此項研究高度重視了智能輪椅人機控制界面的設計，使人能通過語音控制輪椅自由行走，輪椅可以實現簡單的人機對話功能，并成功研制了中國第一臺智能輪椅樣機，從功能上來說，一般通過機械機構手動或電動實現，功能相對簡單，智能化內容尚欠缺。主要考慮患者休息與“行走”功能的結合，目前的國內研究多集中在簡單組合的初級功能上，主要使用對象為醫用或病患。

2）國外研究。德國烏爾姆大學在商用輪椅基礎上研制了輪椅機器人MAID[2]，在人流擁擠的公共場所實現了自動識別和判斷障礙后自動采取繞行動作，如圖1 所示。麻省理工智能實驗室的智能輪椅威爾斯利[3]為半自主式機器人輪椅，配備有計算機控制和傳感器，安裝Macintosh 筆記本電腦用于人機界面交互。系統有兩種級別的控制：高級方向指令和低級計算機控制路線，用戶擁有最高控制級別。輪椅系統提供低級控制，避障和保證正確的運動方向；用戶和輪椅之間的人機界面提供高級控制，如圖2 所示。

圖1 輪椅機器人MAID

圖2 輪椅機器人威爾斯利

2 關鍵技術分析

智能電動輪椅設計由爬樓運動控制系統、健康監測系統、主動避障系統組成。

2.1 爬樓運動控制系統

現有爬梯方式主要為：行星輪式、履帶式和步進支撐式。

1）星輪式爬樓輪椅。是一種特殊的輪椅設計，可以通過特定的機構實現爬樓功能。該機構由若干個小輪構成，均勻分布在“Y”型或“十”字形系桿上。在平地行走時，每個小輪都可以繞自己的軸線自由旋轉，在平坦地面上移動。需爬樓時，小輪的工作方式發生改變，隨著系桿繞中心軸進行公轉運動。通過這種公轉運動，小輪可以協同工作，使得輪椅能夠克服樓梯的高度差，實現爬樓功能。

2）履帶式爬梯輪椅。2014 年首次發布于《物理醫學與康復名詞》第一版的輪椅設計。在電動輪椅的基礎上加裝了電控履帶裝置，以實現多種功能，包括爬樓梯、平地行駛和通過崎嶇路面，其優點包括良好的著地性能、防滑性、耐磨損性和平穩性等。履帶在各種地面條件下都能提供穩定的支撐和牢固的抓地力，不易打滑，具有較高的耐磨損能力。履帶式爬梯輪椅最重要的特點是其能夠爬升陡峭的樓梯。最大爬梯坡度可達45°。

3）步進支撐式爬樓輪椅。具有近百年歷史的爬樓輪椅設計，在國外得到廣泛應用。經過不斷的演變和改良，已成為所有形式爬樓輪椅中安全性較高、但傳動機構較為復雜的一種，其原理是模仿人體爬樓的動作方式。采用了兩套支撐裝置，交替提供支撐，以實現上下樓梯的功能。步進支撐式爬樓輪椅的設計考慮到了安全性，并通過模仿人體爬樓的動作方式，使用者能夠相對穩定地上下樓梯。然而，由于其復雜的傳動機構，需要較高的技術要求和精密的工程設計。因此，在實際應用中受到一定的限制，特別是在成本和可用性方面。

通過制造成本、實現方式、技術難度以及安全性多方面對比，建議在智能電動輪椅設計中采用履帶式爬梯，如圖3 所示。

圖3 履帶式爬梯

履帶由傳動皮帶、固定片、固定桿、大滑輪以及多個小滑輪組成。驅動電機帶動大滑輪旋轉，繼而帶動整個履帶進行運動。為防止在爬梯過程中發生打滑，履帶式輪椅需要加裝大功率驅動電機，動力強勁且可以隨時剎車；同時需要使用摩擦力大的材料制作履帶。

智能輪椅的本質是以人為中心的控制系統，應預設人為操作的控制系統，根據使用者的情況，充分發揮其性能。人機接口設計應考慮到不同使用場景下使用者的不同反應，以實現使用者和輪椅之間的和諧合作。

1）操縱桿控制。對方向的指向性明確,操作簡單，是目前電動輪椅的基本配置，因此在多數智能輪椅上都依然保留了這一類控制接口。

2）按鍵或觸摸屏控制。將輪椅的方向控制分為4 個或8 個方向的按鍵，優點是控制精確,缺點是操作不靈活，較復雜。

2.2 健康監測系統

健康監測系統由硬件架構設計、軟件架構設計以及數據通信部分組成。硬件設計包括：驅動程序設計和傳感器連接；軟件設計主要包括：小程序設計和數據處理。健康監測系統整體框架如圖4 所示。

圖4 健康監測系統整體框架圖

1）硬件架構設計。首先對硬件的型號進行選擇，主控芯片可采用STM32F103RCT6。傳感器采用MAX30102 心率傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、MQ2 煙霧傳感器。三種傳感器組合實時監測人體的心率、血氧等生理參數，同時也可監測環境中的溫濕度、煙霧濃度等環境參數。通信模塊采用ESP8266 WIFI 模塊。其中，MAX30102 心率傳感器由紅光LED、光器件、光電檢測器和帶環境光抑制的低噪聲電子電路組成。電路圖如圖5 所示。

圖5 MAX30102電路圖

MAX30102 采用光電容積法（PPG）完成測量，脈搏波信號采用LED 光源和探測器為基礎,經過人體血管和組織反射、吸收后的衰減光,標記出血管的搏動狀態并測量脈搏波[4]。PG 信號獲得簡單,測量裝置易于佩戴等特點逐漸成為非醫學條件下測量血氧、脈搏及心率的主要方法。MAX30102 通過IIC 驅動，將MAX30102心率傳感器引腳連接STM32F103min 單片機的五伏引腳，GND 連接五伏引腳對應的GND，SCL 連 接PC12，SDA 連 接PC11，INT 連 接PA5。通過設計驅動程序，接收MAX30102 心率血氧傳感器返回的數值，計算心率血氧數值。

2）軟件架構設計?；谖⑿判〕绦蜻M行上位機設計。主界面：小程序首頁，接入實時天氣平臺API，獲取當前位置的天氣信息，顯示控件按鈕選擇不同的功能；健康監測：顯示MAX30102 心率血氧傳感器采集到的人體的心率、血氧值，實時監測并顯示；環境監測：顯示DHT11 溫濕度傳感器、MQ2 傳感器所采集到的環境參數數據，實時監測并顯示；實時曲線顯示：開發實時動態曲線功能，接收服務端消息，實時刷新曲線。

3） 數 據 通 信。STM32 開 發 板 通 過ESP8266 WIFI 模塊連接局域網（路由器、手機熱點等WIFI 網絡），ESP8266 通過互聯網連接至遠程MQTT 服務器（MQTT Server），將數據儲存在云端，供多個客戶端進行訪問，輪椅使用者及其家人都可隨時獲取數據，數據傳輸采用MQTT 協議。MQTT 協議是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的"輕量級"通訊協議，構建于TCP/IP 協議上，作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用[5]，其中包括機器與機器之間的通信（M2M）以及物聯網環境（IoT）。

2.3 主動避障系統

方案一：采用紅外線傳感器，根據發射出的紅外線，被障礙物反射，接收部件據此做出判斷是否存在障礙物。紅外線反射時，輸出低電平信號；沒有紅外線反射時，輸出高電平信號[6]。探測到障礙物即輸出脈沖，輸入至主控板中進行處理，輸出電信號對電機驅動模塊進行控制，實現避障的功能。

方案二：采用超聲波傳感器，傳感器接收到反射的超聲波，通知主控板前方有障礙物，如主控板未接到通知，則可以向前行駛。

兩種方案比較可知。方案一優于方案二，電路簡單，成熟度高，性能穩定，避免因電路的復雜性造成避障功能不穩定。

3 結語

智能電動輪椅是工具智能化發展的衍生產品，智能化目的在于為日益增多的老年人及殘障人士提供更安全合理的出行和生活方式。相關產品的功能應該日益完善，進一步提高安全可靠性。相信隨著智能化、模塊化、圖形處理技術、計算機科學與技術以及傳感器技術的發展，系列產品能夠得到更為完善的發展與進步，廣泛地應用并服務于有所需要的人群當中。