| 标题 | 一种全新的多功能智能电动轮椅系统设计 |
| 范文 | 刘薇 摘要：给出了一种具有基本行走移动、健康监护、多媒体、休闲娱乐、安全避障、导航定位等多功能的全新的智能电动轮椅设计方法，可极大拓展老、伤残人士社会交流的深度和广度，对我国智慧型养老社会的实现具有重要意义。 关键词：智能；电动轮椅；智慧养老；多功能；系统设计 中图分类号： TP249 文献标识码： A 文章编号：1009-3044（2017）36-0155-02 Abstract： Proposed a new design method of intelligent electric wheelchair with multifunction of basic walking movement， health monitoring， multimedia， entertainment， safe obstacle avoidance， navigation and positioning， etc. it can greatly expand the depth and scope of social communication of the old and disabled people， and it has important significance for the realization of intelligent endowment society in our country. Key words：Intelligence； Electric wheelchairs； A wise old age； Multifunction system design 智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域技术，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，具有自主导航、避障、人机对话以及提供特种服务等多种功能的一种服务型机器人。 目前国内外的智能轮椅除了移动行走基本功能外，大多数还加入了自动避障功能，实现前方障碍物的自动避让，国外部分智能轮椅还加入了楼梯攀爬功能、导航定位功能等，但总的来说，国内外智能轮椅主要侧重于轮椅移动行走功能或类移动行走功能的实现，很少考虑老残人士的其他方面的需求，如健康监护、多媒体、休闲娱乐功能等，忽略了老残人士精神生活的需求。基于此，本文给出一种全新的智慧养老型的多功能智能轮椅设计。 1 总体架构设计 智能电动轮椅技术是一种集成光、机、电、计算机、通讯、导航等技术于一体的复杂测量控制系统，智能电动轮椅在功能模块上主要由：机械本体、感知模块、驱动模块、控制模块、人机交互模块、供电模块、通讯与数据互连模块组成。 机械本体设计侧重于稳重、小巧、美观，感知模块、驱动模块、控制模块、人机交互模块、供电模块、通讯与数据互连模块六个模块可归为电气部分，电气部分的功能核心有两个，一是测量，二是控制，其中各模块又包括若干子模块，其总体架构设计如图1所示。 2 功能设计 智能电动轮椅基本功能为移动功能，并辅以诸如安全管理功能、健康监护功能、保健功能、多媒体功能、休闲娱乐功能、数据互联与共享功能、出行管理功能等，使之与智慧养老有机融为一体，为使用者提供专属、全面、人性化的贴心服务，其功能组成及划分如图2所示。 移动功能：轮椅可在室内或室外行走，速度可设，并分三档，在平地、坡度、沙地、草地等环境下轮椅均可移动自如。当前方有障碍物时，轮椅会根据障碍物的大小和形状进行运行模式判断，当障碍物高度小于80mm时，轮椅进行跨越，当障碍物高度大于80mm时，轮椅会根据一定的轨迹规划自动绕开障碍物。 安全管理功能：輪椅前后均设有机械防撞杆，保证轮椅使用者不受前后机械碰撞损伤；安全避障可使轮椅自主安全避开前方障碍物；在电池管理方面，设计有电池过充保护、短路保护、过流保护等，极大提高了供电安全；当轮椅出现异常情况下，轮椅立即发出警报，一方面提示使用者具体的异常情况及具体参考解决措施，另一方面，轮椅还会通过无线信号模式把危情信息发送给轮椅使用者家人或附近社区医院。 健康监护功能：轮椅侧面安装有定制人体生理参数检测手环，可对人体的血压、血脂、脉率、体温等人体参数进行实时检测，并把检测结果在触摸屏上显示出来，软件还可根据每个使用者的生理和健康状况给出合理可行的饮食建议。 保健功能：轮椅靠背安装有微电机带动的按摩模块，当需要时，通过App可对按摩功能进行开启，瞬间消除老残人士的疲劳状态。 多媒体功能：轮椅触摸屏带有视频和语音专用App，轮椅使用者可通过App实现与家人或朋友间的视频和语音聊天。 休闲娱乐功能：轮椅触摸屏带有各式休闲娱乐专用App，如音乐播放、电影播放、戏曲观看、各式棋牌、文学评书、太极等养身建议和互动等，极大丰富老残人士的精神生活。 数据互联与共享功能：轮椅数据互联与共享功能一方面当轮椅本身或使用者出现异常或危情时，轮椅可向使用者家人或医院发送危情数据和警报，另一方面，轮椅使用者可能过互联网实现与家人或朋友间的语音和视频通信，极大保障了轮椅使用者的身心健康。 出行管理功能：出行管理主要指导航与定位功能，当轮椅使用者在外迷失时或需去往某地时，可通过触摸屏专用App进行自动导航，同时，触摸屏自带GPS定位器，轮椅使用者家人可通过手机直接实时查看当前轮椅的具体位置。 3 电气系统设计 电气系统为智能轮椅的核心和关键，轮椅核心和主要功能均由电气系统实现，电气系统核心为由FPGA（现场可编程门阵列）+DSP（数字信号处理器）+存储器构成的数字核，负责轮椅全部数据的采集、算法、运算与控制功能，而触摸屏为人机交互接口的具体形式。电气系统中各模块、各子模块间电气逻辑关系如图3所示。 如上图3所示，在系统上电和初始化后，用户可在触摸屏上选择轮椅工作模式，若选择手动操作模式，则轮椅控制输入信号由手柄操作盒提供，手柄操作盒可等效为可变电阻器，移动手柄，可为数字控制核心提供轮椅运行速度、方向、启动、停止等常用信号，此信号先经过调理电路转变为电压信号，然后经过放大滤波、A/D转换后输入数字处理核心中的FPGA，最后经由FPGA通过EMIF总线传输给DSP；若选择语音输入模式，用户可对麦克风说出固定语音，如走、停、加速、减速、左转弯、右转弯等，此语音信号先经过调理电路转变为电压信号，然后经过放大滤波、A/D转换后输入数字处理核心中的FPGA，最后经由FPGA通过EMIF总线传输给DSP；这两种不同的操作控制模式最终均转换成统一的指令输入至DSP中，DSP根据输入的指令，输出PWM脉宽调制数字信号至由对称MOS功率管构成的H桥电路，并最终驱动直流无刷电机的运转，实现轮椅移动、加速、减速、启动、停止、转弯等动作。 在轮椅工作过程中，数字处理核心中的FPGA发出7路精准的40KHz的方波信号输出至超声波谐振调理电路，并最终发出7路同频率的超声波，若前遇到障碍物，则超声波被障碍物按镜面反射回来，经超声波回波处理电路把反射回来的超声波信号转换为电压信号，然后进行AD转换输入至数字处理核心中的FPGA，FPGA后通过EMIF总线传输给DSP，DSP根据7路超声波信号进行距离解算，并最终算出障碍物的距离，然后进行模糊PID決策算法进行合适的避障路径规划或启动电机进行合适的安全保护，光电开关和CCD相机是为了能获取清晰的障碍物轮廓。 脉率、血压、体温等传感器用来测量用户健康相关的参量，脉率、血压、体温等传感器输出的模拟信号先通过放大、滤波、A/D转换后输入至FPGA，然后通过EMIF总线传输给DSP，也可直接由串行接口传送给触摸屏进行显示或通过无线模块发射给指定位置。 编码器信号用来实时测量轮椅行驶的位移量或实时速度值，并在部分控制模式下给轮椅控制提供闭环。 触摸屏主要用来提供人机交互接口，包括控制操作输入（手柄或语音）、多媒体功能（视频、收音机、音乐等）、导航功能、定位功能、轮椅自身状态参数及健康参数显示等功能。触摸屏运行安卓系统，内置专用App，各类功能可通过App实现。其中的数据（如健康参数信息）可通过无线模块发送给轮椅使用者家人或医院，实现数据互联与远程共享，在轮椅倾倒或使用者健康状况不佳时，专用App会向家人发送警报，极大保障了使用者的出行安全和身体安全。 4 结束语 综上所述，本文给出的智能电动轮椅设计方法基于全新的设计理念，把老残人士的智能出行与智慧养老充分结合，在满足基本出行功能后，植入多种其他与老残人士息息相关的贴心服务功能，此时轮椅不再是单一功能的轮椅，而是作为老残人士的忠实伴侣存在，这种智能轮椅一方面在极大满足使用者基础出行功能外，还能最大限度地满足使用者精神文化层面的需求，并设计有轮椅多重安全管理和报警机制，极大地保证了老残人士的人身安全，实现智能出行与智慧养老的相得益彰。 |
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