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智能轮椅的研究现状与关键技术摘要:智能轮椅是一种帮助行动不便人群的服务机器人,它是将智能机器人技术应用于电动轮椅,融合了多个领域的研究。智能轮椅的一个重要方向是实现自主导航和有效地避开障碍物。本文比较详尽地介绍了智能轮椅的国内外研究现状,论述了研究中若干关键技术问题,并简要分析了其发展趋势。关键词:智能轮椅;导航;定位;人机接口中图分类号:TP242文献标志码:AResearchstatusandkeytechniqueofintelligentwheelchairAbstract:TheintelligentwheelchairisaservicerobottohelptheMobilitycrowd,itisthemotor-wheelchairthatappliestheintelligentrobottechnology,inosculateresearchinmanydomains.Theimportantdirectionofintelligentwheelchairistorealizeautonomousnavigationandtoavoidtheobstacleeffectively.Theresearchstatusofintelligentwheelchairathomeandabroadisintroducedinthispaper.Someimportanttechnologyamongresearchisdescribedandthedevelopmentaltrendofintelligentwheelchairisanalyzed.Keywords:Intelligentwheelchair;navigation;location;man—machineinterface1引言联合国发表报告,全世界人口老龄化进程正在加快,今后50年内,60岁以上的人口比例预计将会翻一番。由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加,他们存在不同程度的能力丧失,如行走、视力、动手及语言等。这一特殊群体的医疗和护理,将成为经济和社会发展的巨大压力。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具,帮助他们提高行动自由度,让他们能参加到健全人的正常生活中区,重新融入社会,目前许多国家对智能轮椅进行了研究,使智能轮椅具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互等功能。智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅,融合多种领域的研究,包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等,涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术。本文将对智能轮椅的国内外研究现状进行总结,并对关键技术进行分析,最后再总结下智能轮椅的发展趋势。2智能轮椅国内外研究现状自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID(老年人及残疾人助动器)项目、BremenAutonomousWheelchair项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、台湾中正大学电机系LUOSON项目、我国863智1能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。初期的研究,赋予轮椅的功能一般都是低级控制,如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展,移动机器人大量技术用于轮椅,智能轮椅在更现实的基础上,有更好的交互性、适应性、自主性【1】。2.1国外研究现状西班牙SIAMO[6]始于1996年,由ONCE基金会资助,目标是根据用户的残障程度及特殊需求建造多功能系统。为达到要求,特别研究了系统的模块化和灵活性,设计了分布式构架,也着重开发了人机界面,使用户更易于控制轮椅。项目第一个成果是一个轮椅原型(见图1),其中电子系统完全由ALCALA大学电子系开发,包括运动和驾驶控制(低级控制)、基于语音的人机界面、操纵杆、由超声波和红外传感器组成的感知系统(高级控制),轮椅可以探测障碍及突发不平地带。随着项目的发展,整个系统包括一个完整的环境感知及综合子系统、一个高级决策导航与控制子系统和人机界面三个部分,人机界面有五种方式呼吸驱动、用户独有语音识别、头部运动、眼电法及智能操作杆,大大增加了用户与轮椅交互的方式,使轮椅的功能更为丰富,而模块化保证了将来产品商业化更为容易【1】。图1SIAMO1989年法国开始研究VAHM项目[4],第一阶段的智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成,设置为手动、自动、半自动三种模式,手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务;自动状态用户只需选定目标,轮椅控制整个系统,此模式需要高度的可靠性;半自动模式下用户与轮椅分享控制。为了更好适应用户需求,研究者在康复中心进行了一系列调查,得出结论:系统必须是多功能的,不仅应适应残障人士的生理和认知能力,也应适应环境的结构和形态。在此基础上,经改进研制出第二代产品(如图2),相对于第一代产品,其功能更丰富,面向用户范围更广,性价比更好,改良了大量控制【1】。2图2VAHM德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人MAID[5](见图3),在乌尔姆市中心车站的客流高峰期及1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤有大量乘客的环境中,进行了超过36小时的考验,能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路,或是否可能出现行驶不通的情况,自动采取绕行动作,它甚至还能够提醒挡路的行人让开道路。根据航行的环境不同,机器运行模式分为:NAN(狭窄区域航行)和WAN(宽区域航行),大大增加了航行准确率。此项目得到德国科学技术部的财政支持,据计划,这种智能轮椅将于两年后正式面世,价格会比普通电动轮椅高出约50%【1】。图3MAID麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔斯利[3](见图4),为一半自主式机器人轮椅,配备有计算机控制和传感器的电动轮椅,还装有一个Macintosh笔记本电脑用于人机界面交互,其硬件是从KISS学院买来用于机器人实践。系统有两种级别的控制:高级方向指令和低级计算机控制路线,用户拥有最高控制级别。系统由两部分组成,智能轮椅系统提供低级控制,避障和保证正确的运动方向;用户和轮椅之间的人机界面提供高级控制。这个智能轮椅允许用户通过三种方式来进行控制:菜单、操纵杆和用户界面。菜单模式下,轮椅的操作类似一般的电动轮椅。在操纵杆模式下,用户通过操纵杆发出方向命令来避障。用户界面模式下,用户和机器之间仅需通过用户眼睛运动来控制轮椅,即用鹰眼系统来进行驱动。该轮椅在国际联合会的机器人轮椅展览中夺得第一,且是唯一不需要人来指导即穿过门口的机器人【1】。3图4威尔斯利希腊FoundationforResearch&TechnologyHellas开发了已商业化的智能轮椅MEYRA[2],如图5所示,由笔记本电脑控制,安装有6个声纳传感器、里程计和全景视觉传感器,增加了传感器、计算功能、为实现导航用的电子器件以及用户界面(触摸屏、声音命令)等模块。用户可通过操纵杆直接控制或通过与轮椅串接的电脑间接控制该轮椅,神经全景摄像头具有360度视野范围。计算机系统由一个笔记本电脑和5个通过CAN总线连接的微处理器组成,笔记本电脑处理视觉信息并通过合适的软件接口与用户进行通信,一个微处理器用来在轮椅控制单元和笔记本之间通过串行接口通信,三个用来接收、处理声呐传感器数据,最后一个用来接收、处理里程计数据[7]。图5MEYRA韩国高级科技研究所KAIST开发的智能轮椅[8],如图6所示,其控制器由3部分组成:PC机,操纵杆模块和动力模块。安装在轮椅背部的PC机可高速、实时处理来自传感器的数据,由Linux系统以及RTAL(RealTimeApplicationInterface)来实现实时数据处理。操作杆模块接收用户的意图指令并把它们转换成对应的控制命令,动力模块把这些指控命令转换成动力信号来控制轮椅,并监控轮椅的当前状态。为实现自主运动,该轮椅还安装有激光传感器和两个增量编码器。考虑到有些用户不方便使用操作杆,在用户右臂前方还安装有液晶触摸屏,用户也可以通过该触摸屏来控制轮椅的运动[7]。4图6KAIST轮椅澳大利亚Monash大学智能机器人中心的RayJarvis教授开发了一个四轮驱动的智能轮椅【9】,如图7所示,该系统在保护用户的同时可以提供最大的自由度,软轮胎设计适宜森林路径和海滩。国立澳大利亚大学的AlexZelinsky教授在该机器人基础上引入眼睛跟踪仪,该轮椅区别于其他轮椅的特点是系统通过探测用户面部角度和瞳孔方向来控制轮椅,使其可以沿着用户目视的方向运动,当用户向下看时轮椅减速,眼睛抬起时轮椅加速【7】。图7Jarvis原型机日本残疾人国家康复中心开发了针对物理残疾者使用的智能轮椅【10】,如图8所示,该轮椅区别于其他同类产品的最大特征是在用户头部的上方安装有多个视觉传感器,可以探测360度范围内的物体。当传感器探测到障碍物时轮椅可随时停下,借助于集成wi—Fi技术,轮椅甚至可以把混合图像传输到电话中。该轮椅也可通过使用者的手势来控制运动方向【7】。图8Orpheu52.2国内研究现状我国智能轮椅研究起步较晚,在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距,但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。研究单位有中科院自动化所、上海交通大学、第三军医大学和香港中文大学等。中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅(见图9),曾在863计划十五周年成就展展馆的人群中穿梭自如。此项研究成果于2000年11月通过863智能机器人主题专家组的鉴定,并研制出我国第一台多模态交互式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计,在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果,使人能通过语音控制轮椅自由行走,轮椅可以实现简单的人机对话功能【1】。图9中科院智能轮椅上海交通大学开发成功一种声控轮椅,主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计,使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令,轮椅可在1.2秒内按指令执行【1】。香港中文大学高级机器人实验室开发的智能轮椅,如图10所示,这个项目的目标是开发一辆具有友好的人机界面的智能轮椅,它可以用来做很多高级控制。同时它采用了人的行为模型来提高传统轮椅的可用性和功能【7】。图10香港中文大学开发的轮椅3智能轮椅的关键技术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。3.1机器人手臂技术6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,如MANUS。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。3.2人机接口技术用户在使用智能轮椅过程巾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
本文标题:智能轮椅的研究现状与关键技术
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