王夢芯 尹晶晶 畢瑞楷 張新杰

摘 要：隨著中國人口的增長，行動不便的老年人或殘疾人等特殊人群的數量也在不斷增加，市場中專門針對特殊人群的商品需求也在相應增加。傳統輪椅由于笨重不靈敏且功能不完善，導致使用舒適度降低。針對上述問題，研究人員結合先進科技，將頭戴式重力感應裝置與智能電動輪椅相結合，研發出舒適度更好、使用更便捷、操作更簡單的智能輪椅。文章圍繞智能輪椅發展現狀和設計特點進行了闡述和分析，以期推動智能輪椅的研發，方便特殊人群的日常生活，提高生活幸福感。

關鍵詞：特殊人群;重力感應;智能輪椅

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-0-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.017

1 智能輪椅發展現狀

1.1 研究背景

傳統輪椅是手推式的，比較消耗操作者的體力，老弱群體使用不便。為了解決這一難題，1986年，英國科學家將傳感器與傳統輪椅相結合，研制電動輪椅，智能輪椅應運而生。目前，世界上很多國家在智能輪椅技術研究中加大投入，力求滿足特殊人群的日常生活需求，為其提供更加直觀的幫助。在早期研究中，輪椅功能一般是簡單運動、速度控制和避障等低水平控制，隨著機器人控制技術的發展，大量的移動機器人技術被應用于輪椅上。智能輪椅在更現實的基礎上具有更好的交互性、自主性和適應性[1]。

國外智能輪椅的發展是十分迅速的，國外智能輪椅產業也具有其獨特的發展特點。在大多數智能輪椅研究中，麻省理工大學智能實驗室研發的半自助式智能輪椅配備有計算機處理器、傳感器，能夠進行人機交互操作，硬件模塊采用TINMAN2，利用霍爾傳感器作為開關使用和光線偵查傳感器進行導航[2]。

我國對智能輪椅的研究起步較晚但備受矚目，技術指標接近國外智能輪椅的先進水平，并具有自身特點。2011年，孫東元提出使用FREESCALE 8位微處理器控制的智能輪椅，雙電機協調控制方案，能夠實現電流補償和保護功能。牛鳳英利用傳感器和控制器實現智能輪椅的各個方向的自主避障，雖然外形結構簡單，但是功能比較強大。中科院對智能輪椅的技術研發也有了突破性進展，該智能輪椅具有視覺導航功能、語音導航功能，使用者可以通過語音控制輪椅行進，并添加了3G無線通信系統，看護人員可以遠程查看使用者情況。

1.2 研究目的

隨著我國老齡化進程的加快以及特殊群體輪椅需求量的增加，將目前常見的普通輪椅改為可調節的智能輪椅，可以方便使用者的生活，有效解決使用者的治療與康復，滿足他們的需求。

除了滿足家庭需求，醫院也可以使用。例如，輸液室里面的靠背椅也可以用它替代，使用時可將其輪子固定，病人輸液時間長的話可以打開后躺在上面休息。對于看護病人的家屬來說，可以作為陪護床使用，方便使用還不占用太多空間，又能使病人和家屬得到更好的休息。智能輪椅為殘疾人、老年人、行動障礙人士等群體帶來了便捷生活與自主生活的可能和希望。不僅在生理上幫助患者解決難題，更注重患者心理上的體驗感，減少患者因生理障礙而產生的負面情緒[3]。

2 云漢智能輪椅設計及運行模式

2.1 產品簡介

云漢智能輪椅是主要針對殘疾人群定制的個性化輪椅，對傳統輪椅進行改良，與重力感應裝置相結合，讓無法自主使用輪椅的殘疾人群靈活使用，幫助弱勢群體在生活和因自身情況產生的消極情感各方面得到慰藉。從產品的制成、運送、使用到售后全程監控，對于用戶進行一對一輔導，售后人員對接用戶問題，打響品牌形象，在日常生活方面開展公司附屬業務，形成線上售賣、線下售后的綠色生態服務，方便用戶購買以及解決問題。

2.2 設計亮點

2.2.1 外形設計

研究初期，輪椅的功能都是基于普遍的輪椅外形進行設計改良，改善了輪椅的色彩單調性，在外觀上給人以舒適感和美感。結構簡潔，結實輕巧，外形符合人體工學，并且選擇硬度較高的材料，保證輪椅在使用過程中的安全性能[4]。

研究中期進行產品實踐時發現，對于智能輪椅的結構空間沒有對特定人群使用時不同生理機能結構的轉變而進行改良，這主要體現在傳統輪椅的座椅結構和腿部盛放空間結構上。例如，在戶外使用者一般乘坐的輪椅對比于正常人的身高來說，高度要低很多，這造成了用戶很大的心理壓力，可能會產生自卑緊張、焦慮等負面心理。云漢智能輪椅的設計初衷是幫助弱勢群體改變他們的生活，現狀包括環境因素造成的心理壓力。而輪椅過大、過高也會造成出行不便，在外形設計上最終根據人體工學的研究以及弱勢群體中可能受到環境因素的各方面影響最終敲定，輪椅設計為可調節高度的類型，幫助使用者減輕環境因素所造成的心理負擔。

研究后期，敲定云漢智能輪椅的外形，在外觀上做到簡潔大方，以明艷色彩相益，在視覺上賦予一種美感，并在使用體驗中也根據弱勢群體的實際需要進行相應的細節調整，使整體外形符合用戶需求。

2.2.2 控制系統設計

根據其主要功能，主要分為功能設計、功能研究、模擬改進三方面。

功能設計：通過增添重力感應功能設置，使傳統輪椅從人工推力轉化為自主調整方向和自主推力，使身體存在一定障礙的弱勢群體能夠通過對智能輪椅的控制實現正常出行。

功能研究：考慮到輪椅使用者有不同程度的使用限制，智能輪椅基于此情況，增添了比較實用的重力感應器功能，運用新型金屬感應器技術，通過對彈性敏感元件的儲能功能建立電觸點。實現人體想要改變輪椅方向或者實現輪椅升降速度等多種功能時，通過使用者肢體語言傳達的信息調整輪椅狀態[5]。

模擬改進：智能輪椅設計中，由于使用者習慣不同，重力感應器的彈性敏感程度存在誤差，會造成安全隱患。在此基礎上采取保護措施，消除使用者的安全隱患，并且調整重力感應器彈力敏感程度之間的彈力數據結構，通過比較彈力數據限度與使用者在輪椅上所用身體語言，調整改進使用者頭部傾斜程度與重力感應器之間相關閾值，做到有效預測。設置改進系統，讓使用者可以根據自己的需求改進數據角度數值。

2.3 重力感應傳感器的應用

應用目標：使頭戴式重力感應與傳統電動輪椅完美契合，為無法自主使用輪椅的用戶提供便捷。

應用過程：與傳統輪椅相比，增添了重力感應器功能，重力感應器是一種新型屬傳感器技術，它采用彈性敏感元件制成位移器，與采用彈性敏感元件制成的儲能彈簧來驅動電觸點，完成從重力變化到電信號的轉換。通過固定在人體頭部的重力感應器檢測頭部傾斜角度，將重力感應器檢測到的傾斜角度與預設的傾斜角閾值進行比較，當檢測到的傾斜角度大于預設的傾斜角閾值時，則判斷為用戶想要前進的方向，并在用戶大腿根防護處設置電力開關，以免意外啟動對用戶造成傷害。

3 總結與展望

經過多年的研究發展，智能輪椅的研究取得了很大的進展，功能不斷豐富，安全可靠性不斷提高，得到越來越多的關注，但是仍存在著安全保障系統不夠完善、人機交互不夠自然等問題需要解決。由于重力感應器和智能輪椅的品類過多，研究實踐中不能進行大量的對比測試，且這部分測驗國內外研究成果較少，造成了一些理論和實踐上的不足。產品很具有創新性，且產品定位居于前沿，也是未來發展的趨勢。云漢智能輪椅尚處在研究發展階段，但是涉及技術要求很高，在實際的使用過程中是否有局限性還需要進一步研究說明。隨著科技和社會的不斷發展，相信智能輪椅的各項功能會更加完善，真正服務于人們的生活。

參考文獻

[1] 曹曉紅，潘虹，白飛飛.智能輪椅的系統結構研究[J].計算機產品與流通，2019（5）：120.

[2] 曲振波，王飛，張宏揚.智能輪椅的發展與設計趨勢探析[J].工業設計，2020（12）：113-114.

[3] 田英，佘陽，黎鑄新，等.一種多功能越障輪椅的結構設計與仿真分析[J].機電工程技術，2020，49（7）：7-10.

[4] 張志浩，張鵬，李丹丹，等.一種智能輪椅的結構設計與研究[J].信息記錄材料，2019，20（10）：54-56.

[5] 林明標，莫金海.基于安卓手機的無線重力感應控制智能小車[J].計算機測量與控制，2015，23（4）：1175-1178.