智能轮椅的发展与设计原则

庄璇 杨子倩

关键词：智能轮椅 技术 设计 发展 未来

引言

目前，我国老龄化人口比重在上升，腿脚不方便的老年人越来越多，因为各种灾难或者意外造成身体残疾的人数也在增加，普通的轮椅虽然价格便宜，但是使用起来比较费力气，只能机械式的代步，而且安全指数不高。所以这类人士迫切需要一种智能轮椅来协助他们的日常生活，减轻生活负担，提高幸福指数。目前，我国对智能轮椅的研究开发也颇有成效，研究出更加智能，更加高效的智能轮椅必定会减轻社会负担，促进社会的发展。

一、智能轮椅的定义

普通轮椅大家在市面上都有见过，但是这种轮椅普遍比较落后，已经满足不了现代人的需求，所以市面上就有了电动轮椅，电动轮椅用起来只是更加省力，解决不了老人和残障人士的生活中的基本问题。随着当代人民生活质量的提高，科技的快速发展，百姓们对轮椅的要求也越来越苛刻，更加注重其功能、外观、舒适性。所以智能轮椅成了科技届的研究热点，其实智能轮椅和移动机器人在本质上是相同的，我们可以将智能轮椅简单地理解成是在原来电动轮椅的模型上加入了移动机器人采用的技术，或者是在移动机器人身上留出一块可供人坐的空间，表面加上了软垫靠背等。智能轮椅涉及了世界上许多智能技术，研究面十分广阔，包括导航定位、自动驾驶、避障、摄像头识别、人机交互接口、传感器等。

二、智能轮椅国内外研究现状

迄今为止科研人员对智能轮椅的研究已经开展了几十年，世界上第一辆智能轮椅是于1986年在英国发明的。自那之后，越来越多的国家开始涉足智能轮椅这一领域。由于开展研究的时间不同以及科技发展的快慢，每个国家在智能轮椅的研究方向上也有所不同，智能轮椅所具有的功能和处理的问题也不一样。这更加推进了智能轮椅的发展进程，丰富了智能轮椅领域的学术知识，多元化的智能轮椅更能针对性地解决使用者的问题，减轻使用者的生活压力，是社会残障人士的福音。

（一）国内研究现状我国的智能轮椅相比较于国外来说开始的较晚，在结构的复杂性和技术的灵活性上和其余国家相比来说还是有一段差距的。近年来我国十分重视智能康养模块的发展，关怀老人和残障人士。国家投入了大量的时间和精力，并根据我国的科学技术的发展和社会主义特色研制出和国外水平相当的智能轮椅。如中科院自动化所研制的多模态交互智能轮椅、上海交通大学多功能智能轮椅等[1]。这些智能轮椅是十分具有代表性的，开启了我国智能轮椅的研发之路。现在已经有了很多的企业和科技公司开始开始研发售卖智能轮椅了，例如爱尔威研发的HT3智能轮椅、南京康尼智能技术有限公司研发的康尼KS1智能轮椅等。

2019年5月14日爱尔威在中国国际医疗器械博览会上展出了一款能够智能跟随的自动折叠轮椅引起了社会的关注，爱尔威H3T智能轮椅注重人机交互的简化和人文主义关怀。第一步使用者佩戴好手环，第二步启动跟随功能，仅需两个步骤H3T便可以自动跟随。此产品同时还配备了四组不同的超声波传感器，并且采用了超宽带（UWB）技术，红外感应系统同时为其作辅助，多种技术结合能够精准无误地识别障碍物，自动避开障碍物。不仅如此，这款轮椅还具有手机遥控和无线遥控方式。

康尼KS1这款智能轮椅，与别的轮椅不同的是其可以随意调节座椅靠背的角度，不再只是长时间单一的坐姿，这有利于缓解患者久坐的压力，促进全身的血液循环。座椅采用了升降功能，可以与人平视聊天，减轻仰视的心理压力，充分照顾到使用者的心理感受。同时这个功能还能协助使用者站立，避免了使用者尝试站立时引起不必要的麻烦。此智能轮椅更加注重人的使用感受，在外观上整体采用流线型设计，造型设计比较考究。

重庆邮电大学信息无障碍研究所通过国际合作共同研发出国内首屈一指具备人机交互、自主导航功能的新一代智能轮椅，在智能轮椅的研究道路取得了突破性的成就。双方针对智能轮椅的导航系统和人机交互技术展开了研究探讨，成功研制出基于语音、肌电、面部表情、头势、腕势、手势、脑波的智能轮椅人机接口，以及通过多传感器信息融合的导航和路径规划系统，达到智能轮椅的网络化控制。其中，针对肌电、脑波的人机接口为我国的研究夯实了基础，这种人机接口有利于残疾程度较大的使用者，他们无需做出操控动作，只需要一个眼神或者一个表情就可以驱动轮椅。

（二）国外研究现状智能轮椅的研究是从上个世纪80年代开始的，乔治·克莱因是一名机械师，二战的时候他为那些受伤瘫痪的人发明了电动轮椅，世界上第一辆电动轮椅在此诞生。这种电动轮椅制作成本比较低，用起来比手动轮椅省力一些，但是这种电动轮椅并不能满足一些特殊疾病者的需求。而且也没有其他辅助技术使得轮椅变得“智能”，所以人们将研究重点放在了“智能”上，把电动轮椅转变成智能轮椅变成了全世界的研究目标。

初期的智能轮椅只是安装了一些简单的测距传感器，“智能”

这一定义体现的还不明显，在后期的研究中，开发处越来越多的智能模块。语音识别经常被运用到智能轮椅，如密歇根大学研发的NavChair。商业语音识别软件和硬件能够广泛适用并且成本较低，而且有多国语音可够用户选择。语音识别系统可以实现检测用户的视线路径进行播报，如您正在经过某某地方。NavChair 以商用轮椅系统为基础，增加了基于 DOS 的计算机系统、超声波传感器以及位于轮椅操纵杆和电源模块之间的接口模块。NavChair目前采用了一般避障、门道和沿墙跟随这三种操作方式。研究人员对者三种操作方式进行了测试除了推动智能轮椅技术发展，NavChair还专注于“共享控制”系统的开发和测试，实现人与机器控制系统的共享，机器能够自动识别适应人类行为。

德国乌尔姆大学在电动轮椅的基础上开发出一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，该轮椅配备了导航系统和智能控制。由于考虑到老年人和残疾人对于智能轮椅功能的要求不同，Maid有两种工作模式：半自主和完全自主模式。在半自主模式下，使用者可以命令Maid在杂乱、狭窄的空间执行局部运动。例如，用户可以命令Maid进入残疾人卫生间。但是在这种杂乱的环境下运动需要高度注意，同时也需要用户的细心操作。在完全自主模式下，Maid在快速变化、宽阔、拥挤的环境中（如机场、火车站、购物中心等）能够实现完全自主导航，并且有效地避开行人。此智能轮椅还在高峰時段的乌尔姆中央车站进行了测试，并在全球最大的工业博览会——1998年汉诺威工业博览会的展览厅进行了测试，Maid在公共、拥挤、客流量大的人流环境中测试超过了36个小时。

日本WHILL科技公司与松下电子公司合作推出一款能够自动驾驶的智能轮椅机器人WHILLNEXT，并且于2018年在日本羽田机场进行了首测。WHILLNEXT内部配置了地图和导航系统，用户可以使用智能手机输入地点，智能移动机器人便会自行规划好最优行驶线路抵达目的地。与此同时，这款智能轮椅还具有远程遥控功能，用户同样能够使用智能手机将轮椅召回身边。

三、智能轮椅的关键技术

移动机器人技术是智能轮椅发展的基础，智能轮椅最主要同时也最根本的功能就是移动功能，因此导航系统能够称为是整个技术板块中最关键的技术。导航技术的开发应用是轮椅“智能”的第一步。如今，由于患病或者灾难事故失去行动力的人越来越多，他们甚至不能自己控制轮椅运行，只能靠眼睛或者语言来传输命令。摄像头监测系统可以通过识别头部、手部以及眼球的动作来确定使用者的意图并形成相应的指令来驱动智能轮椅。综合相关文献来看，目前世界上所研发出的智能轮椅有如下几个关键技术：导航系统、人机交互接口、控制系统。

（一）导航系统导航技术研究的比较早，已经得到广泛运用了，这一模块的技术相对比较成熟，导航系统同时也是智能轮椅不同于普通轮椅的原因之一。导航系统这一模块主要处理的问题有智能轮椅自身状态的检测、信息的获取并建立四周环境模型、规划安全有效的最佳路径。

1.定位技术。自定位是指智能轮椅在工作环境坐标系中通过自身配置的传感器来实时确定自己所处坐标和姿态。最常见且应用最多的定位技术就是GPS定位技术了。智能轮椅一般会使用综合方法定位技术，提升定位功能的精准性和可靠性。

2.多传感器信息融合。在智能轮椅运行的过程中，需要通过至少两个或者更多传感器来获取外界复杂多元化的环境信息，并且对这些取得信息进行融合处理，分析检测四周的环境是否可以安全通过，做出正确的选择。正确的选择传感器是导航系统成功的关键，故研究人员一般会安装多个传感器来完成信息的融合，如红外传感器、超声波传感器、CCD图像传感器等。

3.路径规划。智能轮椅路径规划可以分为两类，一种是以环境信息为基础的全局路径规划;另一种是根据传感器提供的信息做出局部路径规划。在其运动中，智能轮椅将从多个传感器获得的数据进行融合分析，结合用户指令和已知信息，利用控制算法来对路径进行规划。

（二）机交互接口“人与机器的和谐交互”是智能轮椅必须要实现的目标，人机接口作为人与机器互动交流的重要媒介，所以在设计上应该从技术、心理、社会、经济、外观、功能等多个方面考虑。总的来说，人机交互可以从两个角度来讲：从使用者角度来讲能够简单便捷的传输命令，更加自然容易地操控轮椅;从轮椅角度来讲，能够更加快速准确理解用户的思维和命令。只要能够很好地识别这两个方面，就能达到“人机合一”。目前，考虑到使用者的身体状况不同，为了使用者可以更好地操控轮椅，一般会多个接口结合使用，最常见的接口技术有语音控制、鹰眼系统、呼吸驱动、手势驱动、头部运动驱动等。

（三）控制系统智能轮椅的控制系统不应该是封闭的，而是融合于外界环境的。

在行驶的过程中，要对道路四周的环境及时的感知并且做出决策，按照初始部分规划的结果，结合自身的坐标状态和速度向机械装置控制模块发出操作命令、完成行进、转弯、避障等一系列命令。因为要保证用户驾驶的舒适性、安全性，这就要求系统的反应要及时，处理问题的速度要快，正确性要高，满足用户的实时需求，所以对控制算法的研究尤为重要。

四、针对老年人与残疾人的设计原则

虽然智能轮椅内部的关键技术很值得研究，但是也不能忽略了智能轮椅的外观设计。智能轮椅也应该向其他家具产品一样，做到“颜值与智能”并存[2]。智能轮椅的造型直接影响使用者的体验与感受。通过观察了解老年人以及不同年龄段的殘疾人的生活方式和心理特点，得出以下结论：

（一）使用要简易一些高龄老人在视觉、听觉和触觉等感观方面有明显的退化，甚至行动迟缓，辨别能力下降[4]。这就要求智能轮椅在人机交互接口方面的设计要尽可能的简单易懂。从设计的角度来看，很多智能轮椅的功能键指示较为模糊，所表达的功能意图还不够明确，这就导致老人在使用的过程中错误操作，从而影响学习的信心。在一系列操作都没有反应的情况下，老人则会产生敬而远之的心理，认为自己学不会，从而抗拒使用智能产品。所以功能按键的符号要具有明确的指示性和引导性，强化符号的代表意义，要适当减去不必要的功能，避免一些复杂的操作流程，或者可以用一些具有代表性的颜色来代替符号使用[3]。功能按键的位置选择很重要，应置于老人可以轻松触碰到的位置，同时也要避免老人抬手或者转身无意地触碰。交互接口的设计原则应从人的角度出发，要保证操作的简单性，更好地服务于人类。

（二）造型风格要多样化对于能够生活自理的正常人来说，车就是我们平常的交通工具。那对于残疾人和老人来说智能轮椅就是他们的交通工具。平常我们使用的车有不同的颜色、不同的款式、不同的品牌可供用户选择，甚至还可以自己去动手改装，这种似乎已经成了爱车一族的趣味和潮流。为什么我们不可以将这种“趣味性”应用到智能轮椅的设计上呢？每个不同年龄段的人他们对“美”都是有追求的，而且对美的定义都不一样。针对老人而言，很多人认为老人对产品的外观不会太在意，然而事实上老人更愿意使用那些看起来好看的产品，他们不希望自己使用的东西被年轻人嫌弃。智能轮椅的外观造型设计首先要符合人机工程学，在外观颜色搭配上也要考虑到老年人的喜好和心理感受[5]。现在市面上很多智能轮椅一般都采用黑白灰这样的配色。这样的配色会显得比较庄严沉闷，会让人觉得智能轮椅是机械化的产物。

因为对于使用者来说，他们一天中接触智能轮椅的时间最长，智能轮椅在某种程度上可以算是他们的家具了。如果使用这样低沉的配色会拉开使用者和产品的距离。在颜色配置上可以多一些选择，甚至可以由使用者自行搭配，譬如一些暖色系的搭配会让人感到温馨和谐，灰色系的搭配会让人感到郁闷沉重[6]。在造型上也有很多讲究，由于疾病或者事故受伤的人群中也不乏有小朋友的存在，在外观造型上可以设计的较为卡通一点，适当加入一些卡通动漫元素，或者一些装饰品。这样可以拉近小朋友与产品的距离，尽量地弥补小朋友缺失的童年生活，让他们产生心理安全感。

（三）安全要有保证安全一直是社会最关注的问题，在讲究美观的同时也要保证其安全性[7]。智能轮椅的造型应多采用流线型或者圆弧，避免一些尖锐的形状，防止用户在使用的过程中不小心磕碰，造成不必要的伤害。在两侧的扶手或者手柄上应加入防滑垫，轮椅的最外侧轮廓应加入防撞泡沫或者防撞海绵，也可以将汽车的安全气囊保护措施应用到智能轮椅上，在发生危险时起到缓冲的作用，能够有效地减轻碰撞带来的伤害。智能轮椅的机械部分不能裸露在外，可以适当地用一些装饰加以遮掩，以防在智能轮椅运行的过程中，用户不小心与机械系统接触，造成意外伤害[8]。

五、存在问题

迄今为止，智能轮椅的研究已经进行了20多年了，在技术上有很大程度的进步，功能也越来越全面。但是在发展的过程还是暴露出一些问题，需要我们去解决：

（一）价格高从淘宝、京东以及门店调研得知，功能较全面的智能电动轮椅价格一般在一万至三万左右，实现完全意义上的智能轮椅价格预估应在五万以上。这么高昂的价格对于一般老百姓来说是很难接受的，“价格高”是老百姓不愿意购买的主要因素。“价格高”是因为一些企业还没有掌握关键技术，部分传感器和控制器还需要从国外进口，所以生产成本相对较高。就目前我國人口老龄化加剧的情况来看，智能轮椅在老人康养产品市场中有很大的发展空间，但是企业还应加强对核心技术的开发，自己生产制造部分零件，降低制造成本，控制智能轮椅的价格，让老百姓都能用得起。

（二）市场没有完全打开根据线上销售统计分析得出，手推轮椅的销售数量占据了主导地位。由于手推轮椅的价格相对较低成为了百姓的第一选择。目前我国已经有一百多家小有规模的轮椅制造企业，但是只有少量的企业拥有生产电动轮椅的能力，生产智能轮椅的企业更是少之又少。大部分的企业还在集中生产普通低端的轮椅，这就导致了普通轮椅压缩了智能轮椅的市场比重。要想完全地打开智能轮椅的市场，企业必须提高自己的生产技术，将生产的重点放在智能轮椅上，国家也应该出一些鼓励政策，推动智能轮椅市场的发展。

（三）未形成批量化生产在智能轮椅这一方面，我国研究的较晚，技术发展还不成熟。智能轮椅目前还处于实验展示阶段，很多智能轮椅只是在博览会上展出，例如中科院研发的智能轮椅，并没有真正地投入市场销售，只有极少数的企业会投入生产。现在市面上也不乏有一些“智能”轮椅，但这只是在电动轮椅的基础上加了一些简单的控制器而已，根本达不到智能的标准，而且百姓对智能轮椅的接受程度不高，智能轮椅的市场收益也会被影响，甚至有可能会出现供大于求的情况。这就导致企业不敢贸然地进行批量生产。

六、发展趋势与展望

（一）智能化。随着各种科学技术的发展，智能化是智能轮椅发展的必然趋势[9]。在今后的发展中，智能轮椅将会综合运用更多的智能技术，开发出更多的人机接口，如语音控制、眼神控制、意识控制、自动控制与驾驶，甚至可以和智能手机联合使用，实现用户的独立操作，不需要他人的辅助。

（二）人性化。要从用户的角度考虑，智能轮椅是为老人及残疾人设计的，应该依据他们残疾程度和心理来设计。在控制界面上要去掉一些复杂的操作，简化操作步骤，避免华而不实。同时，在外观造型的设计上要考虑情感化元素，例如颜色的搭配、座垫表面材质的选择、座垫的软硬程度、座椅靠背角度调节，这些细节化的设计都有利于激发用户的使用欲望。

（三）模块化。智能轮椅要想真正的进入市场必须以模块化的方式制造，在整个模块化系统中包含基本模块和单个功能模块，每个功能模块组合成具有不同功能的智能轮椅，用户根据自己的需要选择相对应的功能模块。实现模块化生产，这有利于不同类型消费者的多样化的功能需求，也在一定程度方便了企业生产，控制企业的生产成本，同时也保证了产品质量和售后服务[10]。

（四）产品化。智能轮椅不再只是作为科技成果在实验室或者博览会上展出，而是存在于琳琅满目的康养家具市场中作为普通的产品售卖[11]。就像我们现在使用的智能手机一样，智能轮椅也能像智能手机一样普遍地出现在人们的生活中，并且有不同的价格、品牌、款式、功能可供人们挑选购买。

总结

未来的智能轮椅不单是移动辅助工具，而是能真正解决残疾人和老人的生活问题，成为他们生活的一部分[11]。在研发新的智能技术的同时，也要从设计学的角度为老人和残疾人设计出更加方便使用的智能轮椅。设计可以平衡使用者和机器之间的情感关系，不会让他们成为独立对面的个体，可以很好地将他们和谐美好地统一起来。在如今这个医护人员资源紧张，智能生活发展迅猛的大环境下，智能轮椅可以更好地融入智能家居系统，实时监测老人的生命状态以及各项指标，甚至可以为老人进行医学护理，辅助医生进行更好的治疗。此外，智能轮椅也将开发出更多方式的人机接口，方便不同情况的用户操作使用。我相信在不久的未来，我国大部分家庭都能买得起、用得起智能轮椅，同时也将更好地服务于人的身体健康、安全和感受。