智能轮椅的研究现状和发展趋势

智能轮椅的研究现状和发展趋势

t何清华黄素平黄志雄

中南大学机电工程学院

[摘要]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]智能轮椅移动机器人导航人机接口中

[A bstract]The research status of intelligent w heelchair at homeand abroad is introduced in this paper.Some important technology among research is described and the develo pmental trend ofintelligent w heelchair is analyzed.

[Ke y Words]Intelli g ent w heelchair;mobilerobot;navi g ation;man-machineinterface

引言

联合国发表报告指出,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。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及重新融入社会,目前美国、德国、日本、法国、加拿大、西班牙及中国等国家对智能轮椅进行了研究[1-9],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,也称智能轮椅式移动机器人。

本文主要介绍智能轮椅的研究现状、发展趋势和其中的关键技术问题。

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W HEEL ESL EY项目、法国V A HM项目、德国乌尔姆大学M AID(老年人及残疾人助动器)项目、Bremen A utonomous Wheelchair项目、西班牙SIA M O项目、加拿大A AI公司T AO项目、欧盟T IDE项目、K ISS 学院TIN M AN项目、台湾中正大学电机系L UO SON 项目、我国863智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。

西班牙

SI AM O始于1996

年,由O NCE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

图1SIAM O

[作者简介]何清华:男,1946年出生,中南大学首席教授,博士生导师,国家863计划特种机器人专家。主研方向:特种机器人,智能轮椅,机电液一体化技术,医疗器械。

图2V A HM

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A L CAL A 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。

1989年法国开始研究V A HM 项目,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。

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M AID(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:N AN (狭窄区域航行)和W AN (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%。

麻省理工智能实验室的智能轮椅威尔斯利(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M acintosh 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。

图3M AID

图4威尔斯利