基于物聯網技術的智能電動輪椅創新研究

王柏睿　陳恒廣　高靜儀　張瀟旭　王輝

【摘? 要】 隨著我國老齡化程度不斷加劇，以及疾病和車禍造成的下肢殘疾患者數量逐年增多，對輪椅的需求也在不斷增加。不同年齡段的人對輪椅功能的需求各有不同。為了解決傳統輪椅功能單一的問題，本團隊設計了一款基于物聯網技術的多功能智能電動輪椅。通過綜合運用虛擬終端、北斗導航、數據脫敏、云海結合等技術，團隊打造了一款適用于各類人群的智能電動輪椅。這款輪椅可以實時監測用戶的生命體征，智能調節座椅，利用北斗衛星系統進行導航，并實現智能燈光調節。希望讓更多的殘障人士能夠享受到時代帶來的便利和紅利。

【關鍵詞】 物聯網技術；智能電動輪椅；虛擬終端；生命體征監測

一、智能輪椅的國內研究現狀

隨著科技水平的持續發展，各行業正朝著智能化方向邁進。自1986年英國科研人員研制出第一輛智能輪椅以來，各國開始重視智能輪椅的研發，改善殘障人士的生活質量。然而，由于各國科技水平參差不齊，智能輪椅的研究方向也各有不同，涌現出了各種功能和樣式的智能輪椅。這推動了智能輪椅領域的不斷發展，豐富了相關學術知識，多樣化的智能輪椅能更有效地滿足用戶需求，減輕他們的生活壓力，成為社會殘障人士的福音。

我國在智能輪椅領域的研究相對西方國家較晚，與西方國家相比，智能化技術的發展水平還有一定差距。然而，近年來，我國政府開始注重智能康養模塊的發展，大量資金和精力投入到智能輪椅的研發中，智能輪椅研發呈現多點突破的局面，出現了一些與國外水平相當的智能輪椅，如中科院自動化所研發的多模態交互智能輪椅、上海交通大學的多功能智能輪椅等。這些具有代表性的智能輪椅，標志著我國智能輪椅研發取得了重要進展。

二、智能電動輪椅的創新點

（一）“智行星”App

1. 功能介紹

在現今快節奏的生活中，輪椅使用者的家人很難全天候陪伴在他們身邊，因此很難及時了解他們的情況。本產品以鴻蒙系統為靈感，構建了一個面向5G物聯網的全場景分布式操作系統，建立了一個虛擬終端互聯的環境。通過這個系統，輪椅使用者、家屬以及健康管理和醫療機構可以有機地聯系在一起，并實現數據的同步和共享。這樣一來，可以減輕使用者家屬的擔憂和顧慮。

2. 相關技術及優點

（1）系統采用分布式架構，且配備微內核系統對分布式結構提供支持。擁有公共通信平臺、分布式數據管理、分布式調度能力等等。可以在不同終端輕松實現互聯互通，多個設備協同運作，且使用延時引擎及其高性能通信技術保證高效率的數據處理能力。

（2）采用數據加密技術、數據失真技術、差分隱私技術等多種技術，對用戶的數據進行智能分級與分類，進一步對數據進行脫敏保護，保障用戶的隱私及權益。

（3）采用“云海結合”的物聯網結構體系，對數據進行智能存儲、計算及脫敏處理，具有良好的擴展性，既滿足前端實時交互，又滿足全球物體的互聯互動。

3. 可能存在的問題

（1）各數據脫敏算法成熟度不同，算法之間可能存在邏輯錯誤等問題，導致數據恢復的時候出現錯誤。

（2）家屬客戶端手機電量不足導致關機、特殊情況如信號基站出現問題等導致數據上傳及共享出現延時或中斷。

（3）可能會出現不明確或不合理的智能分類，導致對無關數據進行脫敏，致使服務器運行負荷增大且存在重要數據泄露的風險。

（二）輪椅的智能調節及按摩功能

1. 設計想法及功能介紹

使用輪椅的人群大多不能自主活動，長期坐著可能導致胃腸道蠕動減慢、消化系統功能下降、下肢靜脈栓塞、肌肉萎縮、機械性損傷等健康問題，同時也會增加心腦血管疾病的風險。因此，長期使用輪椅的人可能會面臨健康狀況逐漸惡化的問題。

為了緩解輪椅使用者因長時間坐著而可能遭受的痛苦，本團隊設計了一款智能輪椅，配備了智能調節、智能按摩和電動座椅記憶功能，可以及時提醒使用者調整體位，改善坐姿。

2. 相關技術及優點

（1）座椅采用人體工學設計，并分成獨立的區域，通過電子操控系統控制不同區域的按摩強度，以防止久坐導致身體功能障礙。

（2）座椅能夠根據用戶的身形自動調節至適宜的角度，確保用戶舒適，同時配備壓力監測功能，每兩小時提示用戶變換體位，降低壓力性損傷的風險。

（3）在輪椅通電時，座椅會自動開啟通風加熱功能，并可在控制面板上調節檔位，以防止天氣寒冷或使用時間過長導致用戶不適。當座椅壓力傳感器未檢測到壓力或生命體征時，系統會在10分鐘后自動關閉功能，以降低能耗并保證輪椅的續航能力。

3. 可能存在的問題

（1）壓力傳感器靈敏度過高或者過低導致座椅無法正常監測到用戶，進而影響功能的正常使用。

（2）不同用戶的身高體型不相等，可能會導致按摩部位偏離，進而無法達到預期效果。

（三）輪椅的實時定位、導航及智能避障功能

1. 設計及功能介紹

使用輪椅的人因行動不便、道路狀況不明確以及無障礙通道缺失等問題，面臨著出行的困難。這些問題會導致他們逐漸放棄外出的想法。為了解決這些出行問題以及相關的心理困擾，本團隊擬設計一款智能導航系統，能夠實時定位輪椅的位置、監測道路情況并快速處理信息，為使用者提供最佳的出行路線，從而減少他們對出行的擔憂。

2. 相關技術及優點

（1）結合基于北斗衛星導航的全局路徑規劃、基于障礙物密度的自適應動態窗口局部路徑規劃算法以及根據C-V2X的特性設計的輪椅主動避障系統，既保證了輪椅導航的質量和穩定性，又提高了用戶出行的安全性。

（2）引入基于圖優化的Cartographer算法進行輪椅的定位，并在輪椅四周配置多個傳感器，大幅提高輪椅定位精準度的同時，也可全方位監測盲區情況。

（3）在現有導航算法基礎上進行改進，優化導航的“最短距離算法”，以提升用戶的出行體驗感。例如，利用花授粉算法結合Q-learning的初始化以加速收斂速度，以及改進基于Q-learning的DWA算法以增強全局導航性能等。

（4）行駛時通過最優控制算法、PID路徑跟蹤算法、預瞄控制算法等對各種路況進行實時感知并迅速做出決策。根據局部規劃的結果向使用者發出駕駛指令，系統還能識別用戶未及時避讓的前方障礙并進行智能介入操控駕駛，以確保用戶在保證舒適度的前提下平穩安全地操作輪椅。

3. 可能存在的問題

改進的算法之間可能存在互不兼容的情況，而且在不同情況下，各算法所體現的優勢點可能存在較大的差異，這可能會導致導航功能出現問題。因此，導航設計仍然存在一定的改進空間，需要進一步優化和調整算法以提高其整體性能和相互協調性。

（四）輪椅的實時生命體征監測及警報功能

1. 功能介紹

為了降低因看護不當或者看護不及時導致意外發生的風險，本產品在輪椅上配置了基于多普勒雷達的非接觸式生命體征監測裝置，用于實時監測使用者的身體情況。一旦監測到使用者的身體狀況異常，系統將立即通過“智行星”App將相關信息以及輪椅的定位信息直觀地傳送至家屬的手機端和附近的醫療機構。這樣可以極大程度地確保患者在“黃金搶救期”內得到及時治療，同時讓家屬能夠即時了解情況。

2. 相關技術及優點

（1）非接觸式生命體征監測裝置能夠彌補接觸式監測裝置的局限性，因為它不需要使用電極或其他裝置接觸使用者的身體，它可以在任何場景內對使用者的生命體征進行監測。此外，生物雷達監測時不受環境溫度、熱物體和光照等因素的影響，能夠極大程度降低監測數據的誤差。

（2）生物雷達技術利用微波電路實現傳感器功能，具有穿透性強的特點，可以監測除生命體征之外的其他生理信息，例如心肺內部活動、血流情況和腸蠕動情況等。

（3）生物雷達技術適用于CMOS等工藝集成化設計的要求，具備實現小型化、高集成度、低功耗和低成本系統的潛力。

（4）監測數據可以實時上傳至平臺，具有傳輸速度快、時延低、能耗低、系統吞吐量大和與大型設備連接速度快等高性能特點。使用者、家屬以及醫療機構可以隨時了解使用者的身體狀況，這對疾病的預防和治療都具有極大的幫助，同時也能提高使用者在身體出現異常時的救援成功率。

3. 可能存在的問題

（1）生物雷達對被監測對象的運動感應非常敏感，然而環境中的其他運動物體可能會產生相同頻率的位移信號，導致檢測結果存在誤差，而且簡單的濾波技術難以有效去除這些雜波。

（2）在接收生物雷達信號的過程中，受到波頻丟失等外界因素的干擾，從而降低了最終接收信號的準確性。

（3）呼吸的第三和第四諧波有時會干擾正常心跳信號的頻譜，因此分離和提取心肺呼吸信號變得困難。

（五）輪椅的IQ.Light（智能燈光調節系統）功能

1. 功能介紹

夜間出行時，由于可視度大幅降低，出行的風險增加。對使用輪椅的人來說，夜間出行的危險性更高。IQ.Light系統由傳感器組件、傳輸通路、處理器和執行機構組成。它可以根據夜間路況和天氣情況自動開啟和調節燈光，并且能夠識別當前的天氣狀況，以開啟適合的燈光模式，從而提高夜間行駛時的可見度，顯著增強輪椅使用者夜間出行的安全性。

2. 相關技術及優點

（1）IQ.Light系統能夠根據前置雷達、轉彎角度以及輪椅的行駛速度智能地調節燈光模式。同時，根據不同的天氣和車輛情況，自動調節前照燈的光束模式，輕松實現智能照明。

（2）在AFS系統的基礎上，配備了ABS系統，通過前兆雷達監測對向來車和行人，輪椅行車電腦實時計算并智能調節光型。這樣做不僅保證了最佳可見度，還防止了對向來車和行人產生眩目感，從而提高了駕駛安全性。

（3）在AFS系統的基礎上增設了彎道照明模式，包括C（基礎近光照明模式）、V（城市道路近光照明模式）、E（高速道路近光照明模式）、W（惡劣天氣近光照明模式）。這些模式能夠輕松實現對彎道內側盲區的照明。

（4）全自動化的智能調節燈光系統可以提高輪椅使用者行車中的注意力，避免因調換燈光模式而分散注意力導致交通事故的發生。

3. 可能存在的問題

（1）IQ.Light的構成要素復雜，需要多個軟硬件協同工作才能正常運行，對技術要求較高，因此制造及維護成本相對較高。

（2）燈組復雜的工作原理及機械結構可能會增加失效的風險，也有可能因高溫燒壞燈泡，燈組無法發揮最佳性能。

三、結語

隨著時代的發展和科技的進步，輪椅的功能不再局限于坐立。龐大的用戶群體及各種各樣的功能需求使得多功能電動輪椅的市場前景十分廣闊。本團隊設計了一款集多功能于一體的智能化電動輪椅，旨在讓更多需要使用輪椅的人群融入社會生活。希望能有更多的人加入創新和研發智能化電動輪椅的行列，讓更多的人從中受益。

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*山東省大學生創新訓練項目“智行星——智能電動輪椅引領者”（項目編號：S202313006115）。