基于语音控制智能助残轮椅的研究

基于语音控制智能助残轮椅的研究
摘要:随着5g技术的提高，人类生活逐渐趋向于智能化。

传统的手动或电动轮椅已经不能满足当下人们的社会需求。

设计一款智能语音控制助残轮椅，首先采集人类的语音信号，后将采集的语音信号转化为电信号，再通过单片机的识别处理转化后的电信号进行驱动，该轮椅的核心系统是采用AT89C51单片机进行控制。

采用系统化，模块化的设计，连接语音模块，避障模块，电源模块，驱动模块[1]。

机械设计通过在轮子两边增加两条履带，方便患者上下楼梯，刹车功能设计为背部刹车，脚刹，手刹。

通过各个模块相互协调，共同作用，构成一个人性化个性化的有机整体。

关键词:单片机；语音控制；机械设计
1引言
国家统计局数据显示，全国有残疾人口家庭7050万户，将近占据全国所有家庭数目总合的17，8％，另外，我国人口老龄化问题逐渐突出。

不少家庭面对养老扶残等问题无能为力，也为社会增添了不少负担。

通过查阅文献进行考究，发现关于声控轮椅的文献少之又少。

通过走访贵阳市南明区所有的轮椅销售商店，发现当前市面上的轮椅价格高昂，安全隐患问题居多，也抽样调查了一些轮椅使用者对当前市面上轮椅的满意度，调查结果显示，普通的轮椅并未满足他们肢体活动的身体需求，无益于患者进行康复训练，因此研发一项更加智能方便的助残轮椅任重道远。

设计基于语音识别模块的助残轮椅残疾人的出行具有现实意义。

2 结构设计
关于轮椅的基础框架设计有:座架，靠垫，扶手，腿托，车轮，风扇，LED灯，音乐播放器，车棚，刹车，报时，警报器，太阳能板。

调查当前市面上轮椅之后，对其存在的问
题及隐患做出了改革和创新。

为解决患者上下楼梯的问题，在新型智能轮椅的研发中增加了履带式爬楼梯的功能；空巢老人在当下老年人中占较大比例，为了更加方便空巢老年人患者的日常起居，该新型智能化轮椅采用站-坐-力一体化的设计结构，多种姿态，随意切换。

为了方便有视力障碍的患者在道路上安全行驶，在轮椅的后方安装多个超声波避障仪器。

2.1爬梯功能结构设计
爬梯的机械设计灵感来源于履带式拖拉机，其优点是对地面的适应性强，牵引附着力好，牵引效率高。

如（1）图所以，该轮椅爬梯的主要机械器件由两个大径轮胎和两个小经轮前后组成。

在前后两幅轮胎之间的杠杆上安装一台低功率的电机，用来驱动电推杆拉动履带运转。

电推杆另一端连接扶手，患者可通过摇动控制履带的前后端移位。

之所以前后两幅轮子大小不同，主要目的是方便患者控制小经轮来控制方向。

图1 轮椅底盘的3D建模图
2.2 站-立-坐一体化结构设计
在坐垫与靠垫之间链接两条杠杆，一台低功率可转动电机连接两条杆，通过电机的控制可机械的进行伸缩变换和角度变换，此结构的设计结合杠杆原理，优点是稳定性强，安全性高，杠杆角度变换可以通过摇炳和声音两种控制方式进行调节，在稳定安全的前提下实现站立，平躺，坐下三种功能。

2.3 超声波避障结构化设计
根据轮椅的运动特性，对安全避障的范围区间做出了结构化系统化的分析和研究。

假设在理想的环境下，设机器与障碍物之间的距离为L,超声波从发射信号到信号返回的时间为t[2]，声波在自然环境中传播的速率为C=340m/s.即所测距离公式为L=C×t。

由于是双向传输，所以实际距离应该为L=C×t×0.5。

但是智能轮椅一般处于非结构化的环境中[3]，单个避障传感器对周围环境的判断是单一的，数据是不稳定的。

因此，为了提高环境信息的实时性与可靠性，需要增加多个传感器进行融合处理。

然后结合患者已知信息，结合环境信息，利用控制算法进行安全避障。

2.4 刹车设置
考虑到不同患者的不同伤残情况，本设计设置三种刹车方式。

分别为手刹，脚刹，背刹。

相同点是其原理皆为通过增大车轮对地面的摩擦来减小轮椅的行驶速度。

除了患者的受力部位不同以外，三种控制车轮的控制速度也有区别。

脚刹连接一条履带和左侧前轮，患者脚踩刹车板是履带拉紧，前轮因受到履带的摩擦力而减速。

背杀连接后轮当患者需要用背部刹车是，身体斜靠靠垫，靠垫垂直于右侧后轮处连接齿轮，该齿轮与后轮的大小相同，但转动的方向相反。

手刹直接连接轮椅的履带，主要用于上下楼梯的减速，通过推动推杆，增大履带对地面的摩擦。

3 硬件设计
3.1 警报设置
为了确保患者身处危险（如火灾，溺水）境况下救援及时，在轮椅中设置蜂鸣器警报系统。

本设计采用的是有源的直流蜂鸣器，只要通上直流电就会发出预定的警报声。

这种声音的频率和音量大小无法人为控制。

在启动蜂鸣器报警阶段，蜂鸣器的警报声不会立刻发出来，最开始是由两个LED灯进行交替闪烁，闪烁持续5s后蜂鸣器发出警报声。

由于单片机的IO口引脚输出电流较小，无法直接驱动，因此需要外加电源
[2].在本设计中蜂鸣器直接连接太阳能板供电。

3.2 电机驱动
该设计模型电机采用L2389N双路直流电机驱动（又称H桥驱动），该驱动的逻辑电压为5v,实际驱动电压为5v~24V，最大功率为25W，但是当实际输入电压超过12v时，需要在驱动端口连接5v的稳压器。

该电机驱动模块直接连接电源为其供电，L2389N有两个端口有两个使能端ENA和ENB实现PWM调速，L2389N有四个输入端口，分别为
IN1,IN2,IN3,IN4接上高低电平进而控制电机的运作。

图2 电机驱动模块组成
图3 AT89C51芯片仿真设计电路
3.3 语音模块
该设计的语音识别模块采用LD3220芯片，该芯片可识别五十多条语音指令。

该模块有三种工作模式，即普通模式、按键模式、口令模式。

该芯片通过前方两个探头采集语音信号，将采集到的语音信号通过AT89C51主机芯片分析识别，将其转化为电信号，每一个功能对应一个八位二进制编码，然后语音识别芯片通过译码进行输出。

该语音识别芯片上的驱动主要靠模块上自带的STC11L08单片机驱动。

为了丰富患者的娱乐生活，在系统中加入了音乐播放器，患者可通过语音控制音乐播放器的开关；为了方便患者在寒冷的天气快乐出行，在脚拖下层增加一个可控温度传感器，在炎热的夏天，患者可以声控控制风扇的风速大小及车棚的打开与关闭；在夜晚行驶时，患者可以声控灯的开关。

对于有视力障碍的患者如果想要知道此时的时间，可以启动报时。

图4 基本驱动框架图
4软件设计
在设计模型过程中，加入的语音指令有:前进，后退，加速，减速，停止，启动等，除了这些基础的功能以外，为了使轮椅更加智能化，人性化，另加入了其他的语音控制指令，如打开（或关闭）风扇，打开（或关闭）灯，打开（或关闭）敞篷，播放（或关闭）音乐[4]，报时，警报器等。

整体语音模块控制过程，首先，打开系统总开关，呼叫“启动”，唤醒系统，开始进入初始化，等待语音信号的输入，当有语音信号传入时，语音识别板快就会自动识别语音信号并逻辑判断，根据判断的结果进行程序控制。

图5 声控总体流程图
5 实验模型验证
（1）语音控制测试准确率：89%
（2）轮椅最高速：不超过10公里/小时
（3）加热片可加热最高温：50摄氏度
（4）锂电池满电可用时长：约为2小时（另外可用太阳能电池板续航）（与实际温度有关）
（5）刹车准确率：声控刹车82%
背部刹车78%
（6）静态稳定性：纵向小于10度；侧向小于15度
（7）滑行偏移量：不超过10厘米
（8）最小回转半径：小于0.85
（9）最小转换角度：小于1.5
图6 轮椅功能表
6结束语
设计基于语音控制的助残轮椅，以语音识别作为核心，患者通过说话就可以控制车速、灯、风扇、敞篷等。

为了提高独居患者基本的生活保障，将轮椅设计为站-立-坐一体化，既可以进行康复训练又方便休息，满足患者的切身需求；改良传统的双轮设计，将普通的双轮轮椅设计为可通过履带及电机的转动爬楼梯，设计尽显人性化，智能化，现代化。

出于安全的考虑，在轮椅的外围布置荧光条，方便患者在夜间安全行驶。

在坐垫下方安置脚的地方安装暖脚设施，为患者提供温暖的关怀。

另外，若患者处于火灾或水灾的危险区域时，也可以通过声控启动警报音，是患者及时得到救援。

基于环保的理念，在轮椅
的前身安置太阳能板，用来收集太阳能使之转化为电能，为轮椅供电。

设计完成后，将轮椅的设计图及实物模型图做专业的鉴定及实践检验，通过多次的测试，各项指标的综合平均成功率高达80%以上。