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智能轮椅研究进展

康复全球 康复全球 发表于2023-07-05 10:42:18 浏览18898 评论0

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 智能轮椅研究进展 学术研究

智能轮椅研究进展



随着全球人口加速老龄化及因疾病、灾难或者意外而身体残疾的人数的逐年增加,这类特殊人群的医疗、护理和康复已成为当今社会重点关注的问题。由于老年人和残障人群可能会存在不同程度的能力丧失

如行走、动手和语言能力等,为了给他们提供性能优越的代步工具,改善其生活质量和生活自由度,帮助他们能重新融入健全人的生活区,国内外研究者将智能机器人技术应用于普通的电动轮椅,开发了融合信息、控制、传感技术、人工智能和通信等多种领域的智能轮椅。本文对智能轮椅在按摩、挡雨、如厕、爬楼和定位功能等方面的国内外研究进行总结,并提出未来可能的发展趋势。

1 智能轮椅研究概

世界上第一辆智能轮椅 1986 年在英国发明的。自此以后,越来越多的人开始在智能轮椅这一领域大展身手力求为社会残障人士带去福音。初期智能仅仅体现在轮椅上安装了简单的测距传感器,但是随着研发的深入,更多的智能板块涌现在市场中。像语音识别系统的应用让使用者能够知晓自己正身处何处。又如超声波传感器的使用让轮椅能够轻松避开障碍物。此外,德国乌尔姆大学在电动轮椅的基础上还开发出了 1 款适用于运动技能严重受损的人的机器人移动辅助设备 Maid。该 设备拥有半自主和完全自主 2 种模式。比如在残疾人卫生间等狭窄的地方就适合采用半自主模式,而像在机场等快速变化、拥挤、宽敞的地方就适合用完全自主模式,帮助使用者有效避开行人[1]

我国开展智能轮椅的研究相对较晚,但是根据自己的技术优势和特点也开发出了有特色的智能轮椅平台,包括中科院自动化所的多模态交互智能轮椅、嵌入式智能轮椅,上海交通大学的多功能智能轮椅,中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅等等[2]

智能轮椅的功能与应

2.1 按摩功能的轮

行动不便久坐轮椅的人,通常无法维持脊柱生曲度,长期固定 1 个错误坐姿导致脊柱周围的肌肉韧带处于持续紧张状态,轻则出现颈部、腰部肌肉劳损,引起颈背腰酸疼,重则出现骨骼结构性变化,引发或加重颈椎病、腰椎间盘突出等疾病。除此之外,长时间保持坐姿可能对腿部造成直接压迫,引起腿部肌肉疼痛症状,还可能对腿部血管造成压迫,引起腿部肌肉无氧代谢增加,导致酸性代谢产物增多,引发腿部疼痛。对此,在轮椅上增加颈部、腰部和腿部的按摩功能,可以疏通经络,对颈部、腰部和腿部疼痛有所缓解。

2.1.1 颈部按摩轮

颈部按摩轮椅的研究较少,主要是根据以下专利不断地完善。李志永等[3]设计首个颈部按摩轮椅,第一按摩板固定在前垫的两侧,支撑块固定在前垫板靠近底座的位置,传动组件安装在底座上,链条传动机构连接到第十齿轮,链条传动机制连接到传动组件,第八齿轮连接到传动总成,并且支撑杆控制变速器组件。这种颈部按摩电动轮椅由电机驱动,车轮的运动驱动颈部凸轮往复运动。同时,当头部靠在背部时,固定装置弹出并对准颈部位置,从而按摩患者的颈部。这种设计不仅降低了按摩轮椅的成本,而且使操作非常简单。

这种按摩轮椅虽然实现了车轮带动按摩器的运作,减少了电能的消耗,保持轮椅运动时能持续按摩颈部,但其按摩器强度和速度调整过多,会引起颈部肌肉的酸痛,而且还会因患者头型不一致,使颈部按摩力度过重或过轻。

周英华等[4]研发的智能轮椅的颈部牵引与按摩装置,解决了上述的问题。其研发的智能轮椅通过调整,可以为不同体型的用户获得更舒适的位置。调整过程非常简单可靠,可确保颈部牵引时牵引力稳定可控。用户还可以根据自己的习惯选择不同的按摩方式,也可以保证穴位定期受到刺激,更好地缓解疲劳。

 2 种按摩器不仅都属于耗能按摩器或被动按摩器,均通过电能带动凸轮机构运动,从而实现按摩。两者是享受型按摩方式的按摩器,不需要付出劳动。但第一个颈部按摩轮椅不是直接将电能转化成凸轮机构的机械能,而是先将电能转化成车轮的机械能,然后通过传动组件带动按摩器的运行。

2.1.2 腰部按摩轮

王泽春等[5]设计 1 种腰部按摩轮椅。患者可以通过手柄转动滚轮,在链接各级齿的相互作用下,驱动滚

旋转,然后驱动连杆旋转轮片。通过轮片上半圆板的凹凸性质和弹簧的作用力,推杆可以前后移动,使按摩球可以前后移动来按摩患者的腰部,使患者更容易恢复和休息,从而恢复更快。本发明结构合理,操作简单,使用方便,可广泛推广。

邓佩琳[6]的腰部按摩轮椅发明与它原理相似,都是通过对轮椅的椅背进行改造,在椅背设计了多个滚筒,从而转动把手或者滚筒,带动凸起运动或者轮片运动。不同之处在于,王泽春的设计只需转动几下把手,按摩球就可以来回移动,但其最大的问题是弹簧老化,轮椅使用时长长了,其弹簧的弹性减小,按摩器来回移动会随之减少,而邓佩琳的设计需要持续转动滚筒才能实现长时间的腰部按摩,虽然对轮椅零件损伤小,但转动滚筒所费的力多。

刘巧芝等[7]设计的智能轮椅用腰部按摩装置,不同于以上 2 种,主要是对腰部按摩装置的改良,将腰部按摩器改良后安装在轮椅上,也可随时将按摩器从轮椅上拆下,而对于轮椅本身没做过多改动。在智能轮椅使用时,腰枕可直接用捆绑带捆绑固定在轮椅靠背下部腰部位置。当用户坐在轮椅上感到腰部疼痛时,用户可用手直接按下控制开关,电池通电操作振动器,驱动按摩柱振动并按摩用户腰部,加速用户腰部血液循环,并根据用户的实际使用需要按下控制开关上的不同按钮开关,启动不同部位的振动器。它解决了人们需要用拳头自己进行腰部按摩的问题和手部按摩不够准确与力度无法持久的问题。

2.1.3 腿部按摩轮

关于腿部按摩轮椅的专利有很多。王瑞娟等[8]采用直性驱动单元,如电动推杆或气缸或液压缸,用于有效地按摩腿部,简化驱动元件的结构并降低使用成本。同时,由于仅使用电动推杆或气缸或液压缸推动,操作方便,动作灵活,减少了驱动元件的损坏,确保了驱动元件使用寿命。还可根据个人需要调整电动推杆或气缸或液压缸的伸出长度,调整摆动幅度,应用范围广。但此款轮椅不足之处在于,为了达到更好的腿部按摩效果,操作时需要一定的力度,可能不利于腿部病患患者的恢复。

另有 2 种腿部按摩轮椅对按摩力度进行了改进,护理科室用腿部往复按摩轮椅[9]和便于腿部损伤患者锻炼和按摩的轮椅[10],这 2 种腿部按摩轮椅不仅在按摩力度上进行调整,还在其他方面进行优化。前者不但通过电力驱动大大增加了轮椅的续航能力,还可以控制按摩装置对患者腿部进行按摩,促进患者腿部康复,能有效避免患者腿部组织坏死。但是患者长时间保持坐姿,膝盖长期处于屈曲位,局部血管长期弯折,可能会影响下肢血液循环,进而影响膝盖部位的血供,容易引起关节部位损伤。用于腿部受伤患者运动按摩的轮椅在膝盖保护方面具有优势,使患者能够独立完成屈膝和放松练习,无需患者家属的协助。若患者难以自主完成膝关节运动,这时就需要消耗电能从而调节腿部高度和对腿部进行按摩来减轻腿部的不适。

除上述功能外,还有 1 款能调节腿部高度的轮椅[11]当患者久坐感腿部不适时只需按动开关,按摩装置内部的传动杆就能够带动转动盘,转动盘侧面的按摩球便开始对病患的腿部进行按摩,使患者能够在长时间不动坐姿的情况下腿部也能够得到放松,减轻病患腿部的不适。脚踏管侧面的连接件与联动杆连接,当患者腿部需要抬高放松时,只需双手按下按钮向后拉动推杆,推杆的下端推动联动杆向前运动联动杆推进脚踏管向上抬高,即可实现病患腿部抬高放松,使患者不至于长时间处于 1 姿势不动。

2.2 挡雨功能的轮

2.2.1 轮椅专用雨伞

轮椅直接连接伞柄的下端,固定在轮椅上的雨伞在撑起时可以遮挡整个轮椅,如果不用雨伞的话可以选择松开它的压紧装置,这样雨伞就会翻转挂在旁边的套管,这样不仅便于携带、不占用空间,并且使用方便[12]

2.2.2 轮椅专用雨披

雨披上端连接着专用帽;长条形口上密封连接有覆盖魔术贴,左右侧均开设有轮椅把手孔,轮椅把手孔的两侧连接有固定把手魔术贴;专用帽的前端开口处连接有收紧带,收紧带上安装有卡扣;前面安装有固定钮的透明面罩,后端连接有松紧调节魔术贴。其优点表现在:解决了患者及残疾人士雨天出行的障碍,为轮椅代步的人群提供方便。防风保暖设计,保护患者不受风寒,真正做到风雨无阻[13]

2.2.3 轮椅用挡雨棚

首先是带有挡雨棚的轮椅。在轮椅本身顶部的两侧都固定连接有固定架,而在其中 1 个架子上又连接

 1 个支撑架,在支撑架顶端的一侧固定有安装架,安装架的一侧有着有电机箱,它是通过第一支撑板连接在中段位置。有益效果是丝杆在有电机箱的驱动下进行正向转动,配合丝杆螺母和限位板,让限位块的位置进行增高,从而使得对应的摆动杆进行摆动,这时候的滑块与相应转轴及其对应铰链会相互配合,使挡雨板发生角度的变化,配合挡雨布和遮雨布,就形成了挡雨棚,使用起来更加便捷[14]

其次是带有折叠挡雨棚的轮椅。轮椅后侧装备有可以向后伸展的扶手,还包括折叠挡雨棚和折叠架,设置于所述轮椅的上方,随时可以用来挡雨。通过设置折叠挡雨棚,轮椅可以在雨天使用,并且可以保证人的衣服保持干燥;通过设置可折叠的挡雨棚,方便用户在不使用的时候将其拆下来,利于保存且增加用户使用空间[15]

再次是多功能挡雨轮椅。轮椅的顶部有挡雨板,侧边装有挡雨装置和控制面板。轮椅底部前侧有转向轮,后方跟着有个驱动轮,扶手和椅背这种基础设施不必再说,在其中一侧的扶手上安装有控制面板,顶上的挡雨板与椅背相连,挡雨板的两侧都有着长槽孔,限位螺栓的前侧设有挡块,顶部挡雨板的顶部两侧均设有挂钩,挂钩对用户在医院输液的情况起明显作用,在生活中也可以进行日常生活用品的放置,同时该轮椅也能方便用户在不同天气下选择不同的保护措施,在雨天也不用怕衣物被淋湿,方便了用户的日常行动[16]

最后是带有可拆卸折叠挡雨棚的轮椅。拥有着基础设备,在这之中多了折叠支架、挡雨帘和 L 型辅助支架。L 型辅助支架位于轮椅靠背靠近扶手的一边,它与该靠背相连,同时这个 L 型辅助支架连接着折叠支架的一端,该折叠支架可以向靠背远离扶手的那一侧伸展开;挡雨帘就与所述的折叠支架、L 型辅助支架有着可拆卸连接的关系。该轮椅有着挡雨帘和 2 个相应支架,通过方便收纳的折叠支架来支撑挡雨帘,可以让护理人员在雨天推行轮椅时感到方便,确保患者不被淋湿[17]

2.3 如厕功能的轮

随着我国人民生活水平的提高,智能座便器也逐渐在人们的生活中成为重要的卫生设备[18],在日常生活中,座便器是我们必不可少的一部分。市面上出现各种各样的智能座便器,大大提高了我们如厕的舒适度和方便度,但大多座便器与智能轮椅联系起来的实例较少。如果能在智能轮椅上添加可拆卸座便器,即可为行动不便用户提供心理和生理上的便利。

作为用户经常性使用的设备,其舒适度和安全性是十分重要的。资料显示[19],可拆卸座便器可以完全根据人体工程学设计出最合适的角度与尺寸,成功地防止因为使用医用一次性便盆而损伤腰部,提高了舒适度,使用户坐上去之后能够放松,有效防止压疮和损伤,有利于排便通畅,让用户有良好的体验感“将便池口边缘设计成向内弯曲的圆弧形,使其边缘圆钝,与病人臀部皮肤更好紧密贴合,有效防止尿液及冲洗液的外渗。[20]”沿上使用泡沫软垫,以解决用户在如厕过程中身体接触座便器时冷、硬、使用舒适度差的问题;在盆沿上使用软垫,不仅可以减轻用户的臀部受力问题,还可以防止体形偏瘦、骨骼突出的用户发生压疮甚至皮肤损伤等问题。

关于材料问题,国内医院常用的便盆一般由聚乙烯或聚丙烯的塑料制成,一般为白色,分上下 2 个部分,呈上部较宽下部较窄的喇叭形[21]。但由于其由成本较低的塑料制成,质地较硬,边缘较为锋利,使用时可能会划伤患者的皮肤,并且塑料材质扛不住压力,容易破裂,大量生产可能会污染环境。而选用无毒无味、耐高温、抗高压、抗腐蚀、韧性好、光滑度高的 PVC 料,平价,易被需求者所接受[22]

虽然如今便携式的设计存在特殊功能的优化,但仍存在一些缺陷未能改善。为了避免用户在排便的过程中因为心理不适、不知所措等各种因素而排便困难,以及对于排便后的清理工作的烦恼和尴尬。从而设计出既简易卫生又可以保证其隐私安全的便携式便器。在便器中套入一次性黑色塑料袋,这样既保护了用户的隐私,同时可拆卸的设计可以方便处理使用过的一次性黑色塑料袋处理排泄物,不用为了清洗便盆而烦恼[23]

可拆卸的设计使得便盆可以在特定轨道内移动,从而方便便盆的放取。设计安装在椅架下方,正常使用时就是智能轮椅,如果想如厕,只需将便盆放入即可[24]这样的设计可以使用户不需要他人的帮助就可以移步至厕所,方便了用户的生活。

种设计不可以方便用户保持智能轮椅的

生,延长轮椅的使用寿命,又可以降低轮椅的损坏率,

降低其修补时间,更是一种绿色设计的体现。通过智能化功能满足用户体验的同时将绿色设计理念融入到智能坐便器的功能、材质和造型设计等方面。满足用户拥有舒适体验的同时鼓舞用户建立绿色消费意识,使消费者经济损耗降低的同时也减少了环境污染,实现可持续发展的战略目标[25]

便携式座便器不仅有占地空间小,质量轻巧、组装简易,拆卸简单,易于携带和存放,清洗容易,移动方便的特点,而且保护了用户的隐私,解决多数老人及腿脚不便用户排便时不太方便的问题,同时,避免了外出时很难找到卫生间等现象的出现。可谓一举多得,成为了多数老人以及不方便步行用户的不二之选。

2.4 爬楼轮

轮椅、电动轮椅能在坡度小于 12的平坦路面上行驶,但遇到楼梯台阶就无法跨越。中国仍有近一半的城市居民住在 7 层以下没有电梯的建筑,往往下楼需要

1 个身强体壮的人背行,或由 4 人抬着轮椅才能下楼。这一现状给无数残疾和老年人带来不便,甚至有些家庭由于护理人手不够,家中的残疾 1 也难得下几

次楼。介于此,电动爬楼轮椅便可以在任何 1 个成年

的操作下,帮助 1 个体重高达 100 kg 的残疾人或老年人自由上下楼梯。

爬楼轮椅的工作原理是电机通过齿轮转动将动力传给转轴,转轴旋转带动转轴两边的主动齿轮旋转,主动齿轮与从动齿轮相啮合,最终将动力传到行驶机构,行驶机构运转,从而使智能爬楼轮椅前进[26]

爬楼梯轮椅按照其传动方式可分为:星轮式、履带

式和步进支撑式 3 种。3 种传动方式的优缺点见表 1

1 3 种传动方式的优缺点比

 

传动方

星轮

爬楼和平地行走都能实

在爬行中易错位打

履带

能够自主运

平地行走不灵

步进支撑

安全性能更

传动机构复

2.5 定位功能的轮

2.5.1 室内导航轮

此轮椅的主要研究的是利用固态激光雷达、UWB模块和里程计等传感器构建轮椅的环境感知和导航模块。当轮椅进入新的室内环境时,能够随着轮椅的行进构建出房间的地图并实现全局自定位,在获取到环境地图的基础上轮椅能够实现自主导航功能。本文的工作内容主要分为构建环境地图、轮椅室内定位、导航 3个部分。实验采用激光雷达 SLAM 技术来构建室内环境地图UWB 模块配合里程计进行定位,采用改进的 A鄢算法进行轮椅导航[27]

此轮椅算法的主要优点:设计出了基于改进的 A鄢算法来进行轮椅路径的规划的方法,而由于该轮椅算法在进行轮椅路径规划计算时也充分地考虑到了轮椅本身的几何尺寸及对道路行进阻力的直接影响,且经过改进的算法得出的规划轮椅路径也会有助于避免车辆紧贴路边障碍物行驶,提高了轮椅的安全性能。但改进算法是以牺牲路径长度为代价的,其规划的路径长度可能比传统 A鄢算法更长。使用 kd-tree 的结构组织点云数据,显著加快了定位配准速度。将定位结果用扩展卡尔曼滤波进行优化,获得了更好的定位精度。

2.5.2 室外导航轮

此智能轮椅系统对智能轮椅车上装载的车载 GPS卫星地面定位系统等导航定位应用智能终端软件功能进行了系统整体集成设计开发与自主开发。首先,系统设计团队搭建研发出车载该智能终端硬件系统,利用基于高德地图软件和 LBS 系统开发平台进行设计与开发,并通过进一步详细阐述和设计实现了涵盖其系统各核心功能模块,最后,在该智能系统的实际系统运行调试时得出结果。通过定义类库并调用 Location Manager Proxy 可快速轻松地实现相关程序的自动定位功能[28]

此套智能轮椅系统具备一显著的优:GPS  

端系统对于地面卫星信号数据的同步接收传输功能较良好,定位及跟踪导航精度相对较高,能基本完美地满足生活在地面较平整、开阔、良好的路面条件下的普通使用者们对于智能轮椅系统的卫星定位与跟踪导航系统定位要求。

2.5.3 实时户外监测轮

此系统主要是通过将所有的手持感应设备模块数据进行统一的集成并应用于在老人轮椅的管理监控系统上,操作和界面相对简单,实用性却更强,利用手持传感器能够通过快速实时有效地采集检测老人在轮椅上的各种状态数据信息来快速实时映射乘坐者当前的健康生活的状态,同时有效限度上提高了使用安全性和工作便捷性。选用 MC0 模块作为轮椅老人轮椅的 GPS 定位和数据采集模块,同时能够直接通过手机移动设备 GPRS 来快速地上传数据,监护人们除了每天

随时通过手机来与家中使用轮椅的老人们进行及时沟通及分享交流,还可以通过基 STM3 电动轮椅实现让电动轮椅老年人远距离的安全出行。通过对硬件电路模块的集成与开发设计和对智能控制系统与智能通讯程序模块的编写及调试设计,实现快速将轮椅的定位、乘坐位置和轮椅电量信息等智能数据信息经过实时数据采集和上传发布 OneNet 平台,随时随地可通过智能移动设备 Web 览器户端手机智能 App 测数据。电动可折叠式轮椅上的智能户外轮椅安全监测及报警系统可以自动利用人体加速度陀螺仪传感器来实时精确地判断出轮椅姿态,经智能单片机据处理系统计算后即可判断到该户外轮椅是否翻倒。若发现有人已经检测并识别到了该轮椅已遭到翻倒,则将即时进行智能语音识别及播报危险信息通过自动短信提示用户拨打已经预存好的紧急联系电话。  MC0 模块可直接作为轮椅的 GPS 卫星导航定位与定位系统的数据信息实时采集及处理模块,能够及时通过移动互联网 GPRS 无线通信终端即时上传轮椅数据,监护人除了每天及时通过手机客户端与轮椅残疾老人信息台进行在线交流等, 可以通过在 OneNet 平台系统中安装的手机端 Web 浏览器客户和移动终端 App 移动端随时随地清晰实时查看轮椅上的乘坐状态、地理位置、历史轨迹与电池电量[29]

3 结束

轮椅是特殊群体保持生活尊严、扩大生活范围、提升生活品质甚至重新就业的重要工具。智能轮椅的未来市场需求甚广。从中国的人口因素分析来看,人口老龄化将在相当长一段时间内存在。从人们思想观念转变上来看,人们的健康服务和养老意识有了很大的提高,如何养老、如何保障晚年生活、如何让老年生活得更加有质量等问题都受到了普遍重视。这些都会促进轮椅需求量的提升,而消费升级又将推进轮椅向中高端市场发展。

但是今天的智能轮椅还是存在一些问题。

1) 人机交互不够自然。虽然已开发了多种智能轮椅人机交互接口,但是仍处于通过人机接口对轮椅进行简单控制的阶段,对使用者的无意识行为与有意识行为的区分还欠缺,无法达到自然交互的目的。    2) 轮椅的安全保护系统不够完善。目前多数智能

轮椅平台较重视功能而对于各种环境下危险发生的能性及相应措施研究不够

3) 既可以实现实时定位又可以进行及时呼救的轮椅还有待研究和开发。

4) 智能轮椅控制系统功耗较大,续航能力不高离真正的使用还有一定距离。


 

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