王柏?！￡惡銖V　高靜儀　張瀟旭　王輝

【摘? 要】 隨著我國(guó)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(shù)量逐年增多，對(duì)輪椅的需求也在不斷增加。不同年齡段的人對(duì)輪椅功能的需求各有不同。為了解決傳統(tǒng)輪椅功能單一的問(wèn)題，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多功能智能電動(dòng)輪椅。通過(guò)綜合運(yùn)用虛擬終端、北斗導(dǎo)航、數(shù)據(jù)脫敏、云海結(jié)合等技術(shù)，團(tuán)隊(duì)打造了一款適用于各類人群的智能電動(dòng)輪椅。這款輪椅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的生命體征，智能調(diào)節(jié)座椅，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，并實(shí)現(xiàn)智能燈光調(diào)節(jié)。希望讓更多的殘障人士能夠享受到時(shí)代帶來(lái)的便利和紅利。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能電動(dòng)輪椅；虛擬終端；生命體征監(jiān)測(cè)

一、智能輪椅的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著科技水平的持續(xù)發(fā)展，各行業(yè)正朝著智能化方向邁進(jìn)。自1986年英國(guó)科研人員研制出第一輛智能輪椅以來(lái)，各國(guó)開(kāi)始重視智能輪椅的研發(fā)，改善殘障人士的生活質(zhì)量。然而，由于各國(guó)科技水平參差不齊，智能輪椅的研究方向也各有不同，涌現(xiàn)出了各種功能和樣式的智能輪椅。這推動(dòng)了智能輪椅領(lǐng)域的不斷發(fā)展，豐富了相關(guān)學(xué)術(shù)知識(shí)，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(huì)殘障人士的福音。

我國(guó)在智能輪椅領(lǐng)域的研究相對(duì)西方國(guó)家較晚，與西方國(guó)家相比，智能化技術(shù)的發(fā)展水平還有一定差距。然而，近年來(lái)，我國(guó)政府開(kāi)始注重智能康養(yǎng)模塊的發(fā)展，大量資金和精力投入到智能輪椅的研發(fā)中，智能輪椅研發(fā)呈現(xiàn)多點(diǎn)突破的局面，出現(xiàn)了一些與國(guó)外水平相當(dāng)?shù)闹悄茌喴危缰锌圃鹤詣?dòng)化所研發(fā)的多模態(tài)交互智能輪椅、上海交通大學(xué)的多功能智能輪椅等。這些具有代表性的智能輪椅，標(biāo)志著我國(guó)智能輪椅研發(fā)取得了重要進(jìn)展。

二、智能電動(dòng)輪椅的創(chuàng)新點(diǎn)

（一）“智行星”App

1. 功能介紹

在現(xiàn)今快節(jié)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(shí)了解他們的情況。本產(chǎn)品以鴻蒙系統(tǒng)為靈感，構(gòu)建了一個(gè)面向5G物聯(lián)網(wǎng)的全場(chǎng)景分布式操作系統(tǒng)，建立了一個(gè)虛擬終端互聯(lián)的環(huán)境。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，輪椅使用者、家屬以及健康管理和醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以有機(jī)地聯(lián)系在一起，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步和共享。這樣一來(lái)，可以減輕使用者家屬的擔(dān)憂和顧慮。

2. 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

（1）系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，且配備微內(nèi)核系統(tǒng)對(duì)分布式結(jié)構(gòu)提供支持。擁有公共通信平臺(tái)、分布式數(shù)據(jù)管理、分布式調(diào)度能力等等?？梢栽诓煌K端輕松實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，多個(gè)設(shè)備協(xié)同運(yùn)作，且使用延時(shí)引擎及其高性能通信技術(shù)保證高效率的數(shù)據(jù)處理能力。

（2）采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)、數(shù)據(jù)失真技術(shù)、差分隱私技術(shù)等多種技術(shù)，對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分級(jí)與分類，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏保護(hù)，保障用戶的隱私及權(quán)益。

（3）采用“云海結(jié)合”的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能存儲(chǔ)、計(jì)算及脫敏處理，具有良好的擴(kuò)展性，既滿足前端實(shí)時(shí)交互，又滿足全球物體的互聯(lián)互動(dòng)。

3. 可能存在的問(wèn)題

（1）各數(shù)據(jù)脫敏算法成熟度不同，算法之間可能存在邏輯錯(cuò)誤等問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)恢復(fù)的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（2）家屬客戶端手機(jī)電量不足導(dǎo)致關(guān)機(jī)、特殊情況如信號(hào)基站出現(xiàn)問(wèn)題等導(dǎo)致數(shù)據(jù)上傳及共享出現(xiàn)延時(shí)或中斷。

（3）可能會(huì)出現(xiàn)不明確或不合理的智能分類，導(dǎo)致對(duì)無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行脫敏，致使服務(wù)器運(yùn)行負(fù)荷增大且存在重要數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）輪椅的智能調(diào)節(jié)及按摩功能

1. 設(shè)計(jì)想法及功能介紹

使用輪椅的人群大多不能自主活動(dòng)，長(zhǎng)期坐著可能導(dǎo)致胃腸道蠕動(dòng)減慢、消化系統(tǒng)功能下降、下肢靜脈栓塞、肌肉萎縮、機(jī)械性損傷等健康問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)增加心腦血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。因此，長(zhǎng)期使用輪椅的人可能會(huì)面臨健康狀況逐漸惡化的問(wèn)題。

為了緩解輪椅使用者因長(zhǎng)時(shí)間坐著而可能遭受的痛苦，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款智能輪椅，配備了智能調(diào)節(jié)、智能按摩和電動(dòng)座椅記憶功能，可以及時(shí)提醒使用者調(diào)整體位，改善坐姿。

2. 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

（1）座椅采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，并分成獨(dú)立的區(qū)域，通過(guò)電子操控系統(tǒng)控制不同區(qū)域的按摩強(qiáng)度，以防止久坐導(dǎo)致身體功能障礙。

（2）座椅能夠根據(jù)用戶的身形自動(dòng)調(diào)節(jié)至適宜的角度，確保用戶舒適，同時(shí)配備壓力監(jiān)測(cè)功能，每?jī)尚r(shí)提示用戶變換體位，降低壓力性損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）在輪椅通電時(shí)，座椅會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟通風(fēng)加熱功能，并可在控制面板上調(diào)節(jié)檔位，以防止天氣寒冷或使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致用戶不適。當(dāng)座椅壓力傳感器未檢測(cè)到壓力或生命體征時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在10分鐘后自動(dòng)關(guān)閉功能，以降低能耗并保證輪椅的續(xù)航能力。

3. 可能存在的問(wèn)題

（1）壓力傳感器靈敏度過(guò)高或者過(guò)低導(dǎo)致座椅無(wú)法正常監(jiān)測(cè)到用戶，進(jìn)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(huì)導(dǎo)致按摩部位偏離，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

（三）輪椅的實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航及智能避障功能

1. 設(shè)計(jì)及功能介紹

使用輪椅的人因行動(dòng)不便、道路狀況不明確以及無(wú)障礙通道缺失等問(wèn)題，面臨著出行的困難。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致他們逐漸放棄外出的想法。為了解決這些出行問(wèn)題以及相關(guān)的心理困擾，本團(tuán)隊(duì)擬設(shè)計(jì)一款智能導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)定位輪椅的位置、監(jiān)測(cè)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(duì)出行的擔(dān)憂。

2. 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

（1）結(jié)合基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的全局路徑規(guī)劃、基于障礙物密度的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)窗口局部路徑規(guī)劃算法以及根據(jù)C-V2X的特性設(shè)計(jì)的輪椅主動(dòng)避障系統(tǒng)，既保證了輪椅導(dǎo)航的質(zhì)量和穩(wěn)定性，又提高了用戶出行的安全性。

（2）引入基于圖優(yōu)化的Cartographer算法進(jìn)行輪椅的定位，并在輪椅四周配置多個(gè)傳感器，大幅提高輪椅定位精準(zhǔn)度的同時(shí)，也可全方位監(jiān)測(cè)盲區(qū)情況。

（3）在現(xiàn)有導(dǎo)航算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化導(dǎo)航的“最短距離算法”，以提升用戶的出行體驗(yàn)感。例如，利用花授粉算法結(jié)合Q-learning的初始化以加速收斂速度，以及改進(jìn)基于Q-learning的DWA算法以增強(qiáng)全局導(dǎo)航性能等。

（4）行駛時(shí)通過(guò)最優(yōu)控制算法、PID路徑跟蹤算法、預(yù)瞄控制算法等對(duì)各種路況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知并迅速做出決策。根據(jù)局部規(guī)劃的結(jié)果向使用者發(fā)出駕駛指令，系統(tǒng)還能識(shí)別用戶未及時(shí)避讓的前方障礙并進(jìn)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(wěn)安全地操作輪椅。

3. 可能存在的問(wèn)題

改進(jìn)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(xiàn)的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)可能存在較大的差異，這可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航功能出現(xiàn)問(wèn)題。因此，導(dǎo)航設(shè)計(jì)仍然存在一定的改進(jìn)空間，需要進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整算法以提高其整體性能和相互協(xié)調(diào)性。

（四）輪椅的實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)及警報(bào)功能

1. 功能介紹

為了降低因看護(hù)不當(dāng)或者看護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致意外發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，本產(chǎn)品在輪椅上配置了基于多普勒雷達(dá)的非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者的身體情況。一旦監(jiān)測(cè)到使用者的身體狀況異常，系統(tǒng)將立即通過(guò)“智行星”App將相關(guān)信息以及輪椅的定位信息直觀地傳送至家屬的手機(jī)端和附近的醫(yī)療機(jī)構(gòu)。這樣可以極大程度地確保患者在“黃金搶救期”內(nèi)得到及時(shí)治療，同時(shí)讓家屬能夠即時(shí)了解情況。

2. 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

（1）非接觸式生命體征監(jiān)測(cè)裝置能夠彌補(bǔ)接觸式監(jiān)測(cè)裝置的局限性，因?yàn)樗恍枰褂秒姌O或其他裝置接觸使用者的身體，它可以在任何場(chǎng)景內(nèi)對(duì)使用者的生命體征進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，生物雷達(dá)監(jiān)測(cè)時(shí)不受環(huán)境溫度、熱物體和光照等因素的影響，能夠極大程度降低監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差。

（2）生物雷達(dá)技術(shù)利用微波電路實(shí)現(xiàn)傳感器功能，具有穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以監(jiān)測(cè)除生命體征之外的其他生理信息，例如心肺內(nèi)部活動(dòng)、血流情況和腸蠕動(dòng)情況等。

（3）生物雷達(dá)技術(shù)適用于CMOS等工藝集成化設(shè)計(jì)的要求，具備實(shí)現(xiàn)小型化、高集成度、低功耗和低成本系統(tǒng)的潛力。

（4）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)，具有傳輸速度快、時(shí)延低、能耗低、系統(tǒng)吞吐量大和與大型設(shè)備連接速度快等高性能特點(diǎn)。使用者、家屬以及醫(yī)療機(jī)構(gòu)可以隨時(shí)了解使用者的身體狀況，這對(duì)疾病的預(yù)防和治療都具有極大的幫助，同時(shí)也能提高使用者在身體出現(xiàn)異常時(shí)的救援成功率。

3. 可能存在的問(wèn)題

（1）生物雷達(dá)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)非常敏感，然而環(huán)境中的其他運(yùn)動(dòng)物體可能會(huì)產(chǎn)生相同頻率的位移信號(hào)，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在誤差，而且簡(jiǎn)單的濾波技術(shù)難以有效去除這些雜波。

（2）在接收生物雷達(dá)信號(hào)的過(guò)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(hào)的準(zhǔn)確性。

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

（五）輪椅的IQ.Light（智能燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)）功能

1. 功能介紹

夜間出行時(shí)，由于可視度大幅降低，出行的風(fēng)險(xiǎn)增加。對(duì)使用輪椅的人來(lái)說(shuō)，夜間出行的危險(xiǎn)性更高。IQ.Light系統(tǒng)由傳感器組件、傳輸通路、處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。它可以根據(jù)夜間路況和天氣情況自動(dòng)開(kāi)啟和調(diào)節(jié)燈光，并且能夠識(shí)別當(dāng)前的天氣狀況，以開(kāi)啟適合的燈光模式，從而提高夜間行駛時(shí)的可見(jiàn)度，顯著增強(qiáng)輪椅使用者夜間出行的安全性。

2. 相關(guān)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

（1）IQ.Light系統(tǒng)能夠根據(jù)前置雷達(dá)、轉(zhuǎn)彎角度以及輪椅的行駛速度智能地調(diào)節(jié)燈光模式。同時(shí)，根據(jù)不同的天氣和車輛情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)前照燈的光束模式，輕松實(shí)現(xiàn)智能照明。

（2）在AFS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配備了ABS系統(tǒng)，通過(guò)前兆雷達(dá)監(jiān)測(cè)對(duì)向來(lái)車和行人，輪椅行車電腦實(shí)時(shí)計(jì)算并智能調(diào)節(jié)光型。這樣做不僅保證了最佳可見(jiàn)度，還防止了對(duì)向來(lái)車和行人產(chǎn)生眩目感，從而提高了駕駛安全性。

（3）在AFS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了彎道照明模式，包括C（基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)對(duì)彎道內(nèi)側(cè)盲區(qū)的照明。

（4）全自動(dòng)化的智能調(diào)節(jié)燈光系統(tǒng)可以提高輪椅使用者行車中的注意力，避免因調(diào)換燈光模式而分散注意力導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

3. 可能存在的問(wèn)題

（1）IQ.Light的構(gòu)成要素復(fù)雜，需要多個(gè)軟硬件協(xié)同工作才能正常運(yùn)行，對(duì)技術(shù)要求較高，因此制造及維護(hù)成本相對(duì)較高。

（2）燈組復(fù)雜的工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)可能會(huì)增加失效的風(fēng)險(xiǎn)，也有可能因高溫?zé)龎臒襞荩瑹艚M無(wú)法發(fā)揮最佳性能。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)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(dòng)輪椅的市場(chǎng)前景十分廣闊。本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款集多功能于一體的智能化電動(dòng)輪椅，旨在讓更多需要使用輪椅的人群融入社會(huì)生活。希望能有更多的人加入創(chuàng)新和研發(fā)智能化電動(dòng)輪椅的行列，讓更多的人從中受益。

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*山東省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“智行星——智能電動(dòng)輪椅引領(lǐng)者”（項(xiàng)目編號(hào)：S202313006115）。