基本信息
- 項目名稱：
- 嵌入式多模態(tài)人機交互智能輪椅
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 為了幫助老年人和殘疾人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會，并針對經(jīng)濟性、安全性和交互流暢性等智能輪椅的市場推廣瓶頸，本作品在嵌入式系統(tǒng)（SPCE061A單片機）的基礎上，實現(xiàn)了具有手動控制、語音控制、語音交互、超聲波自主避障和視覺自主導航功能的多模態(tài)人機交互智能輪椅。同時，通過將手動控制、超聲波避障和語音播報技術(shù)融合到其它模態(tài)當中，使得智能輪椅人機交互性更強，運行更加安全穩(wěn)定。并且相對較低的成本與分模塊定制功能的理念使得作品更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
- 詳細介紹：
- （1）手動控制模態(tài) 在該模態(tài)下，用戶可以通過手柄來控制輪椅的運動。由于輪椅在其它模態(tài)的運行過程中，手動控制具有最高的優(yōu)先級，所以在任何情況下，用戶都能在第一時間通過手動控制來干預輪椅的運動。 （2）語音控制模態(tài) 對于智能輪椅的控制，語音控制是一種自然、便捷的控制方式，能夠適用于大多數(shù)的用戶。在語音識別技術(shù)的基礎上，用戶可以通過直接“對話”來控制輪椅的運動。 如果輪椅在運行方向上遇到障礙物，智能輪椅會“說”該方向有障礙物并停止，然后再提示用戶進行決策。用戶亦可通過語音指令，對模態(tài)進行選擇和切換。 （3）超聲波自主避障模態(tài) 對于老年人和殘障人士，在使用輪椅的過程中最需重視的是安全問題，所以輪椅在運行過程中能夠安全地避開周圍的障礙物以及低洼地段是非常重要的保護措施。 通過在輪椅上安裝8組超聲波傳感器，輪椅在各個模態(tài)的運行過程中能夠?qū)崟r地檢測周圍的障礙物和低洼地段并及時避開，并通過語音播報的形式將信息反饋給用戶。在某些特殊場合（如公園、走廊等），用戶還可以實現(xiàn)“散步”運行。 （4）視覺自主導航模態(tài) 經(jīng)過調(diào)研，很多用戶在某些場合（如：家庭、醫(yī)院、機場）使用輪椅時，往往需要頻繁地在固定的路線間來回移動。因此，可以事先在這些路線上鋪設好標識線，輪椅通過自動跟蹤標識線能夠完成到指定地點的移動，并且輪椅在跟蹤標識線的過程中會實時檢測運行方向上是否有障礙物，當?shù)竭_指定地點時，還會播報提示音。省去了人為的操控，從而為用戶提供方便。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關鍵和主要技術(shù)指標
- 設計目的：為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，希望設計出一款簡單易用、安全可靠、性價比高的智能輪椅。本作品設計理念——讓智能輪椅不再是少數(shù)人的奢侈品！ 基本思路：據(jù)調(diào)研，經(jīng)濟性、安全性和交互流暢性是制約智能輪椅推廣的主要因素，而我們設計的作品要較好地解決上述問題。 人機接口:語音交互——用戶可以通過“對話”控制輪椅，輪椅亦可將運行與環(huán)境狀況報告給用戶，手柄控制——通過手柄控制運行，并可在任何情況干預輪椅運動； 視覺導航:在一些環(huán)境或場合按指定路線導航運行； 超聲波自主避障：在特定場合可以自主避障隨機“散步”； 安全保護:輪椅通過實時檢測周圍環(huán)境，避開障礙物及低洼地段，實現(xiàn)安全保護。 創(chuàng)新點:在16位單片機基礎上，實現(xiàn)了手動控制、語音控制、語音交互、自主避障運行和視覺導航功能，并在各個模態(tài)中實現(xiàn)了安全保護和語音播報功能。同時輪椅輕便性好、運行流暢可靠，功能上可根據(jù)用戶需求分模塊定制。 特色:成本低——本作品在原有電動輪椅上增加的自動控制器和所有傳感器的單件研制成本為630元；易于產(chǎn)業(yè)化——基于單片機的控制器解決了基于PC機的控制器所存在的成本高、功耗大等問題，這向智能輪椅產(chǎn)業(yè)化邁進了一大步。 技術(shù)關鍵：智能輪椅涉及人機接口技術(shù)、移動機器人技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)。基于單片機系統(tǒng)智能輪椅的技術(shù)難點在于單片機資源和運行速度有限，必須采用高效算法。 技術(shù)指標：載重：110kg；一次充電續(xù)航：20km；最大速度：6km/h；越障高度：40mm；爬坡能力：15°
科學性、先進性
- 雖然國外已研制出智能化程度較高的輪椅，但這些智能輪椅基本上采用通用計算機作為控制器，體積大、結(jié)構(gòu)復雜、成本高[1]。 我國目前共有四項智能輪椅發(fā)明專利。本作品和國內(nèi)專利輪椅相比，最突出的優(yōu)勢體現(xiàn)在控制器成本和輪椅功能兩個方面。 1）成本低 國內(nèi)現(xiàn)有智能輪椅均采用DSP微處理器或者是PC機作為主控制器，而本作品在實現(xiàn)以下功能的前提下，采用16位單片機作為主控制器，降低了成本。 2）功能強 國內(nèi)現(xiàn)有的智能輪椅（專利號： 200710173079.8）是在PC機的基礎上實現(xiàn)語音控制和語音交互功能；智能輪椅（專利號：200610118866.8）是基于PC機和DSP微處理器實現(xiàn)視覺自主導航功能。而本作品在基于SPCE061A單片機有限的資源下，實現(xiàn)了上述所有功能。并且通過多模態(tài)間的融合使得輪椅的運行更加安全穩(wěn)定可靠。 參考文獻： [1] 廖曉輝，沈大中，王東署. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀與關鍵技術(shù)分析[J]. 制造業(yè)自動化，2008(04):1-6.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2009年5月24日獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學生課外科技作品競賽江西賽區(qū)決賽特等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談
作品可展示的形式
- 圖片、視頻、實物、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：用戶坐穩(wěn)后，打開控制器電源，然后根據(jù)需要選擇相應的控制模態(tài)即可。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：采用語音識別、超聲波避障、視覺導航、多傳感器信息融合四種技術(shù)，實現(xiàn)了智能輪椅的多功能性及安全可靠性。 本作品優(yōu)勢在于成本低、功能強、運行穩(wěn)定可靠、易于產(chǎn)業(yè)化。 適應范圍：本作品可以方便地應用于普通家庭、醫(yī)院、康復中心、機場、療養(yǎng)院、商場、博物館等場所。 市場分析和經(jīng)濟效益預測：隨著社會老齡化進程的加快以及由于各種自然災害、疾病和工傷事故等原因造成的下肢殘障人口的增加，如何為老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具已成為整個社會重點關注的問題。初步估計，目前全球范圍內(nèi)的電動輪椅年需求量超過百萬臺。本作品是通過在普通電動輪椅上安裝自動控制器和傳感器實現(xiàn)的，且自動控制器和所有傳感器的單件研制成本僅為630元，而在市場上，功能上相近的智能輪椅，售價均在幾萬到幾十萬不等，因此，我們完全有理由相信，我們的智能輪椅與電動輪椅擁有相同甚至更為廣闊的市場前景。
同類課題研究水平概述
- 國外智能輪椅研究現(xiàn)狀:自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅以來，許多國家投入較多資金研究智能輪椅，如美國麻省理工學院Wheelesley項目、德國不萊梅大學開發(fā)的智能輪椅Rolland和FRIEND，西班牙Malaga大學開發(fā)的智能輪椅SENA等等。下面重點介紹幾款典型的智能輪椅。希臘Foundation for Research & Technology Hellas開發(fā)了已經(jīng)商業(yè)化的智能輪椅MWYRA，其由筆記本電腦控制，用戶可以通過操縱桿直接控制或通過與輪椅串接的電腦間接控制，另外該輪椅還實現(xiàn)了自主避障和視覺導航功能。西班牙Malaga大學開發(fā)的智能輪椅SENA，基于PC機實現(xiàn)了除MWYRA所具有的功能外，還擁有語音控制功能。韓國高級科技研究所KAIST開發(fā)的智能輪椅，將PC機作為上位機，實現(xiàn)了輪椅的自主運動功能，另外為了方便不能使用操縱桿的用戶，用戶還可以通過液晶觸摸屏來控制輪椅的運動。德國不萊梅大學開發(fā)的智能輪椅Rolland，其可以通過手柄控制，也能把用戶語言（英語和德語）轉(zhuǎn)化成XML形式進行分析，但其語音識別方面還存在一些問題，而同樣由其開發(fā)的另外一款智能輪椅FRIEND則基于PC機實現(xiàn)了語音識別功能。日本國家康復中心開發(fā)了針對物理殘疾者使用的智能輪椅，該輪椅通過安裝視覺傳感器實現(xiàn)了避障功能,同時使用者還可以通過手勢來控制輪椅運動方向，但結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高。 國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀:中國開展智能輪椅的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢和特點，開發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺。包括中國科學院自動化研究所的一種嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)及方法（專利號：200510054510.8）,該輪椅采用DSP微處理器作為主控制器，在手動控制中融入避障功能；上海交通大學的智能輪椅（專利號：200610118866.8）采用計算機、DSP微處理器和聲納控制器作為主控制器，實現(xiàn)了目標跟蹤、避障和防跌功能。在國家“863”計劃的支持下，中科院自動化所正在研制一種具有更多功能的智能輪椅。該智能輪椅可以利用自身的視覺系統(tǒng)在房間內(nèi)進行“自主導航”，自己移動到使用者指定的位置而不需要使用者自己對輪椅進行直接控制。 綜上所述，目前國內(nèi)外智能輪椅共同的特點在于，它們基本上都是采用通用計算機(筆記本電腦或嵌入式工控機)作為上位機，產(chǎn)品的成本高、功耗大、續(xù)航能力差。
