老年服务型机器人智能轮椅床的开发研制可行性研究报告

基于超声技术的焊接熔深测试研究可行性研究报告一、选题的必要性1、项目所处技术领域产业政策；项目所处技术领域为机器人领域，隶属于制造业，目前江西省正大力发展制造业信息化、自动化，提升技术含量，增加产品附加值。智能轮椅床的研制融合了智能机器人技术与多功能康复床技术，包括结构设计与仿真、语音识别交互、机器视觉、导航定位、模式识别、多传感器融合、嵌入式交互接口技术等，涉及机械、控制、传感器、人工智能等领域，其技术上的研制成功对制造业信息化及其他工业生产具有重要的参考价值和理论指导意义，尤其嵌入式交互接口技术的实现，可以直接应用到其他产品或系统，对于提高产品技术含量，增大附加价值具有重要的意义。另外，随着世界老龄化进程的加快，而且中国也正进入老龄化社会，照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题。同时，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加。老年人和残障人士的动作、行动存在着诸多的不便，他们的休息、出行、照顾如果采用专门的人力，将严重增加社会的负担（因为老龄化社会本身劳动力就存在着短缺）。项目针对老年人和残障人士特点，研制可供老人休息、“行走”、娱乐、心理安慰及自我照顾的交互式轮椅床智能机器人，符合社会现状及发展趋势，并可与协作单位进一步开发、推广、批量生产，在满足社会需求，为社会服务的过程中，不断的创造经济价值，为江西省制造业发展添砖加瓦。（项目意义具体可参见项目立项书项目意义项）2、项目所处技术领域技术发展现状；（1）国内外研究现状从1986年英国开始研制第一台智能轮椅以来，许多国家投入较多的资金来研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、中国台湾中正大学机电系LUOSON项目、我国863智能机器人智能轮椅项目、第三军医大学外科研究所项目等。初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制等。随着机器人技术及人工智能的发展，轮椅也出现了更高的智能性，如具备了较好的交互性、适应性与自主性。西班牙的SIAMO项目始于1996年，目标是根据用户残障程度及特殊需求建造多功能系统。为达到要求，项目特别研究了系统的模块化和灵活性，也着重开发了人机界面，使用户易于控制轮椅。SIAMO项目的第一个成果是一个轮椅模型。法国的VAHM项目始于1989年，第一阶段的智能轮椅有轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个图形屏幕组成，具有手动、自动、半自动三种模式。德国乌尔姆大学MAID项目是在商业轮椅的基础上研制的，已经具备了较高的智能性，能够识别和判断行驶的前方是否有障碍物或行人挡路，并能采取绕行路线，并在1998年汉诺威工业商品博览会上进行了实地现场表演。麻省理工学院智能实验室WHEELESLEY项目的智能轮椅，是一半自主式的机器人轮椅，装有一个MACINTOSH笔记本电脑用于人机界面交互，具备两种级别的控制高级方向指令和低级计算机控制路线，并且拥有菜单、操纵杆和用户界面三种控制模式。我国智能轮椅方面的研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比存在着一定的差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅，主要研究单位有中国科学院自动化研究所、上海交通大学和第三军医大学等。中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅，并于20OO年L1月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单的人机对话功能，并成功研制了中国第一台智能轮椅样机。上海交通大学开发成功一种声控轮椅，主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在12秒内按指令执行。总的看来，智能轮椅方面的研究国外的应用对象偏重于残障人士，而且各个具体项目的目的有所不同，智能性方面达到了较高的水平。国内中国科学院自动化研究所成功研制了智能轮椅样机，上海交通大学研制了具有简单指令功能的声控轮椅，但还都没有针对老年人设计的智能轮椅产生。在床的研制方面，研究多集中在医用护理床和多功能康复床方面，主要针对医用患者如医用护理治疗牵引床、华佗三维康复床、组合型多功能偏瘫康复床等，针对老年人特点的休息、娱乐、“行走”的功能床少见报道。从功能上来说，一般通过机械机构手动或电动实现，功能相对不很复杂，智能性上尚还欠缺。轮椅床的研制主要考虑了患者休息与“行走”功能的结合，目前国内的研究多集中在简单组合的初级功能上，主要针对对象也主要是医用患者。吴景岐1994年设计了一种可以手动调节的轮椅床，通过机械结构和手动调节能够把轮椅变换为床，实现轮椅和床的复合功能。张彦满1998年设计了一种由椅背、椅座、椅腿和扶手构成的多功能床椅，能够手动调节实现床椅变换，因为具备了轮椅的功能，所以移动比较方便。张维元2002年设计了一种特护轮椅床，针对需要特殊护理的体弱残瘫病人，从输液吊架附件、解便装置等细节处给予了考虑。吴远金2004年设计了一种电动四折轮椅床，轮椅变换由四折机械结构和电力驱动装置实现，结构调整实现了非手动调节。傅俊祖2004年也设计了一种多功能床椅，机械结构较为复杂，功能较为全面，但控制系统较为初级。另外还有张安芳2001年设计的针对医患对象的多功能自控康复轮椅床。总的看来，国内轮椅床的研制改善主要集中机械结构方面，控制及智能性方面都较为初级，而且大多针对医用患者。（2）发展趋势虽然由于各种灾难和疾病造成的残障人士逐年增加，但是随着世界老龄化进程的加快，照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题。老人的特点既要保证安逸休息，又要保证顺利出行，而且要考虑到老人的心理和情绪问题。因此，具备智能轮椅和保健床功能的智能轮椅床将是未来开发的重点对象，尤其是具备简单操作，高级智能，同时考虑老人心理和情绪问题的适合于老年人应用的高级智能轮椅床将是重点开发和扶植生产的对象。（3）市场前景据2005年中国国家统计局对全国1人口抽样调查发现，65岁及以上的人口为1亿4500万人，占总人口的769，中国已经是老龄社会俱乐部的一员，而日本65岁以上老年公民约占日本人口17。而根据联合国世界人口展望，世界各国老年人口的比重将继续加大，到2050年，预计全世界将有1/3的人口是65岁以上的老年人。全球不断增多的高龄、病残、独居老人，要求提供社会照料服务的需求日益加大。而生活照料、精神安慰等许多老年人服务工作也很难有足够的护理人员（老龄化社会本身特点之一就是劳动力短缺），老年服务型机器人智能轮椅床的需求将会非常巨大。假设每3个老人中有1人需要智能轮椅床，根据2005年中国国家统计局抽样调查，仅中国老年人需要的智能轮椅床就4800多万台（而且不计残障人士所需要的），数量巨大。如果能够出口到其他国家，数量更是惊人。因此，项目的研制成功与推广，具有广阔的市场前景。3、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用；项目的技术先进性在于项目的技术先进性在于设计的轮椅床的智能性，尤其是嵌入式交互接口技术的实现和针对老年人特点的设计。对相关领域技术进步的推动作用主要表现在（1）对于机器人领域服务机器人是机器人领域的研究热点，技术一般相对于工业机器人复杂。智能轮椅床老年服务机器人的研制，尤其语音、视觉交互及多传感器融合技术在通用型服务机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极的促进作用。（2）对于制造业相关技术领域老年服务机器人系统隶属于制造业，其研制成功与推广生长，一方面可以增加就业，创造经济价值，另一方面其技术的实现尤其是嵌入式智能交互接口技术的实现，可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展。（3）对于老年人服务行业老年人服务行业尤其老年人自助式服务在我国还属于薄弱环节，智能轮椅床的研制实现可以大大解决老年人照顾问题，节约社会劳动力。同时，对于老年人心理需求和服务调查研究分析，有助于社会对老年人服务问题的理解和正确定位，为解决我国老年人问题，创建和谐社会做出贡献。4、项目目前进展情况。（1）项目正在进行轮椅床机械结构设计建模工作。（2）项目已进行了超声传感器测距模块部分研制和实现工作。（3）项目正进行语音交互模块的功能实现和方法研究。二、技术方案论述1、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平；（1）技术关键点智能感知系统。智能轮椅床本身就复合了多功能康复床和智能轮椅的功能，与传统轮椅或床相比更突出的特性就是它的智能性。智能性的特点就是能够自主的感知、自主的给出决策，而智能感知又是智能决策的基础，是系统的技术关键之一。系统拟采取超声传感、视觉传感、语音传感等感知技术，超声传感主要配合视觉传感之一，进行障碍物的判断与识别（包括尺寸和距离），并制定合理的绕行路线；语音传感主要感知语音指令，并随时可根据语音指令进行中断，并配合视觉传感之二进行高级的语音理解识别研究；视觉传感之三也属于高级研究内容之一，就是轮椅接受视觉指令，进行视觉控制，同时并进行基于特定环境的视觉导航探索性研究以及远程监护功能研究。运动控制与能源系统。控能轮椅床除了具备床的休息、辅助运动、娱乐功能外，还要具备轮椅的运动功能，如何保证轮椅的可靠、稳定运行与停止，以及动力的提供，是智能轮椅床研制的关键内容之一。智能轮椅床具备自主运动功能，需要实时根据各种传感器信息，做出运动决策，进行运动控制。轮椅床的运动范围较大，不能使用外用电源，只能根据所确定的运动范围、驱动功率使用蓄电电源。人机接口。人机接口是机器人理解人的意图和外界环境，并做出决策到外界环境的传播途径，智能轮椅床人机接口包括嵌入式语音交互接口、视觉交互接口、超声传感接口等，拟在各模块分别研究实现的基础，统一成多传感交互接口控制系统，实现智能感知与决策。娱乐心理安慰功能实现。智能轮椅床的主要应用对象为老年人，老年人除了日常生活外，心理心情问题也是需要考虑的重要内容。进行老年人心理需要的认真调研，在统计分析的基础上，进行功能设计，实现初期的语音模仿及娱乐安慰功能，并进行后期的多媒体式的模仿安慰功能探索研究和技术实现，是项目解决的重要研究内容之一。（2）创新点与主要特色创新点据作者所查阅资料，属于在国内首次进行针对老年人特点的智能轮椅床设计，尤其是采用嵌入式系统开发高级智能系统。主要特色本项目的特色在于设计了复合式轮椅床，实现了轮椅和多功能床的复合功能，尤其是实现了轮椅床的高级智能性（包括视觉交互控制与导航研究、语音交互控制、多传感器信息融合决策与分布式控制架构），对智能机器人和智能系统开发具有重要的参考价值和理论指导意义，对提升制造业产品技术含量和附加价值具有重要的促进作用和经济意义。（3）项目完成时达到的技术水平项目完成时达到的技术水平在智能轮椅床研制方面属于国内领先，并达到国际先进水平。2、项目技术方案论述生产技术、工艺流程、主要技术参数；（1）机械系统设计与仿真建模机械系统设计采用PROE建模和ADAMS仿真相结合的方式进行，在结构上能够保证实现床椅变换、左翻（侧）身、右翻（侧）身、任意仰角可调等功能，并且设计上满足人机工程学，保证坐、躺的舒适性。PROE建模具有参数可调、快速生成等特性，建模速度快，通用性好，建好的模型可以导入ADAMS进行仿真，并且可以随时调整设计。仿真采用ADAMS，观察设计的结构是否合理、运动功能是否能够实现。所建立轮椅床主体机械结构简单效果图如图1所示。展平、翻身、折叠等机构拟采用步进电机螺旋传动和液压传动方式实现。展开时翻身时成椅时图1轮椅床主体机械结构简单效果图（2）嵌入式交互接口技术嵌入式交互接口技术主要利用ARM9开发系统进行开发，分为语音交互、视觉交互、超声传感等接口技术。语音交互接口技术项目组已进行了初步的研究，包括语音交互方法、凌阳开发板（如图2所示）基础上的简单实现，并最终统一在ARM开发系统上。视觉交互也进行了方法的基本研究，并最终在ARM系统上实现视觉的识别（如障碍物尺寸等），另并进行高级视觉交互的探索研究（ICETEKDM642），图3为ARM_LT8665_X开发板。超声传感技术项目组也进行了初步的研究，目前已实现了在单独模块上实现超声测距功能（图4），最终和视觉传感之一融合，进行障碍物距离与尺寸识别，为机器人制定正确的绕行路线决策提供参考依据。图2SPCE061A图3ARM_LT8665_X图4超声测距模块实现（3）分布式控制系统智能轮椅床是能够实现床椅变换、翻身、移动等多种动作的多自由度系统，系统拟采取分布式控制系统分别处理各个感知传感器信息并执行相应动作，如声音传感器（声音交互接口）的翻身、前进、转弯、停止等指令信息，超声传感器和视觉传感器的障碍物的有无、距离、大小等信息，以及简单操作面板（针对老年人特点操作面板非常简单）的按键指令等，并根据优先等级和重要程度，在高级决策层上进行信息融合，做出正确决策。分布式控制系统对于同等级，互不相干指令，具有反应快，效率高，性能好的特点，对于相干指令，进入高级决策层，进行信息融合决策。3、项目技术质量指标项目产品达到的主要技术性能指标、执行的质量标准、通过的国家相关行业许可认证等；项目预期目标（指标）主要为（1）提供智能轮椅床设计模型与仿真模型，为以后类似设计或产品推广提供基础。（2）获得智能轮椅床人机交互语音、视觉嵌入式接口技术，为其他智能机器人开发、江西省制造业信息化及提升江西省民用机电产品技术含量提供支持，尤其是对智能机器人类产品的嵌入式架构开发，具有重要的理论指导意义和工程参考价值。（3）获得智能轮椅床多传感器多自由度分布式控制系统设计架构，为机电类产品控制系统设计提供基础与参考。（4）获得智能轮椅床产品样机，为产品批量生产和推广打下基础，并为企业开发类似系统提供支持或直接借鉴。（5）满足轮椅行业标准，通过国家安全认证。预期成果主要表达形式为设计模型、智能轮椅样机、专利和科研论文（1）提供智能轮椅床设计模型与仿真模型；（2）提供智能轮椅床产品样机；（3）申请国家专利1项以上；（4）国家核心期刊或国内国际学术会议发表5篇以上学术论文，其中3篇以上被SCI、EI或ISTP收录的学术论文。4、分阶段描述项目执行过程中各阶段目标；第一阶段（200701200703）方案的进一步调研和进一步完善此阶段内容主要包括老年人心理需求、生活特点调研（包括轮椅床功能需求调研），轮椅床功能设计调研、轮椅床结构设计调研及进行相关统计分析。第二阶段（200704200805）智能轮椅床各功能模块的研制（同步进行）此阶段内容主要包括智能轮椅床机构设计与仿真、实验样机初加工、语音交互模块研制实现、娱乐安慰功能模块实现、避障测距模块实现、机器视觉交互功能、视觉导航功能及远程监督功能探索。第三阶段（200806200907）智能轮椅床系统的加工、系统各功能模块的集成、系统的调试与完善此阶段内容主要包括智能轮椅床系统的加工完成和传感系统、控制系统的安装完成，并进行系统的调试和进一步的完善工作。第四阶段（200908200912）撰写研制研究报告，进行项目的鉴定推广工作此阶段内容主要撰写研制、研究报告，进行项目的鉴定和成果的验收，以及成果的批量生产与推广。5、项目经费预算情况项目投资总额、项目已完成投资、项目须新增投资及投资构成和投资预算、申请科技三项经费的使用预算（见附表）。三、项目实施支撑条件1、项目技术来源；本项目的研究属于服务机器人技术领域，技术基础是南昌大学机器人与焊接自动化实验室工业机器人研制的技术基础。实验室目前已完成有关工业机器人方面的多项国家级和省部级科研项目（包括“863”、“973”、国家自然基金等），有着广泛的机器人研制的技术基础。2、项目实验、检测条件；目前实验室基本已具备了部分功能模块的开发与检测功能，如超声测距与避障模块，部分语音识别模块等，智能轮椅床机器人的加工，由协作单位南昌易新机器人技术有限公司共同协作完成。3、项目申请单位人才资源情况技术人员总数、中高级技术人员比例；申请人所在的实验室是江西省重点实验室，从事过焊接自动化方面国家863、973、国家自然基金等多项国家级课题和省部级课题，形成了一个严谨高效的科研梯队，既有经验丰富、造诣身后的院士、博导、教授、副教授，又有干劲足，活力四射的硕士研究生和博士研究生，目前研究梯队中有院士1人，博导（教授）1人，副教授3人，高级工程师1人，博士后3人，博士研究生6人，硕士研究生12人。4、项目组人员专业结构、职称结构；项目组人员专业、职称结构可见项目申请书“项目组人员情况表”，具体构成如下职称结构项目组共有教授（博导）1名，副教授2名，高级工程师1名，博士后1名（既是副教授，又是博士后），博士生2名（其中1名既是副教授，又是研究生），助教（硕士）1名，硕士研究生2名。所学专业结构机电工程4名，精密仪器与机械1名，控制工程2名，电子工程1名。5、项目新增投资筹集情况。项目已进行了设备投资的前期工作，目前正进行科研攻关的研究内容，新增投资拟申请市科技局科研攻关基金支持。四、项目预期经济效益1、预期市场需求；据2005年中国国家统计局对全国1人口抽样调查发现，65岁及以上的人口为1亿4500万人，占总人口的769，中国已经是老龄社会俱乐部的一员，而日本65岁以上老年公民约占日本人口17。而根据联合国世界人口展望，世界各国老年人口的比重将继续加大，到2050年，预计全世界将有1/3的人口是65岁以上的老年人。全球不断增多的高龄、病残、独居老人，要求提供社会照料服务的需求日益加大。而生活照料、精神安慰等许多老年人服务工作也很难有足够的护理人员（老龄化社会本身特点之一就是劳动力短缺），老年服务型机器人智能轮椅床的需求将会非常巨大。假设每3个老人中有1人需要智能轮椅床，根据2005年中国国家统计局抽样调查，仅中国老年人需要的智能轮椅床就4800多万台（而且不计残障人士所需要的），数量巨大。如果能够出口到其他国家，数量更是惊人。因此，项目的研制成功与推广，具有广阔的市场前景。2、预期盈利水平；项目成功研制后，进行小批量生产，年产量可达1万台，产值达1亿元，利润近2000万元。3、预期产业化前景；成功研制后，可根据不同功能需求，顺利进行批量生产。4、项目实施风险分析。实验室已具备坚实的工业机器人研制的基础，所以基本无风险。五、项目预计社会效益、环境效益1、对社会发展的作用；据2005年中国国家统计局对全国1人口抽样调查发现，65岁及以上的人口为1亿4500万人，占总人口的769，中国已经是老龄社会俱乐部的一员，而日本65岁以上老年公民约占日本人口17。而根据联合国世界人口展望，世界各国老年人口的比重将继续加大，到2050年，预计全世界将有1/3的人口是65岁以上的老年人。全球不断增多的高龄、病残、独居老人，要求提供社会照料服务的需求日益加大。而生活照料、精神安慰等许多老年人服务工作也很难有足够的护理人员（老龄化社会本身特点之一就是劳动力短缺），老年服务型机器人智能轮椅床的需求将会非常巨大。智能轮椅床的研制实现可以大大解决老年人照顾问题，节约社会劳动力。同时，对于老年人心理需求和服务调查研究分析，有助于社会对老年人服务问题的理解和正确定位，为解决我国老年人问题，创建和谐社会做出贡献。（2）对于制造业相关技术领域老年服务机器人系统隶属于制造业，其研制成功与推广生长，一方面可以增加就业，创造经济价值，另一方面其技术的实现尤其是嵌入式智能交互接口技术的实现，可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展。（1）可以解决老年人需要照顾的劳动力问题。老龄化社会的特点之一就是社会劳动力短缺，老人需要照顾，智能轮椅床从一定程度上实现老人的自我照顾。（2）可以解决残障人士的移动与照顾问题。智能轮椅床可以实现语音交互及智能避障，大大方便了残障人士的操作。（3）智能轮椅床的成功研制与批量生产，可以解决部分就业问题，在满足社会需求，为社会服务的同时，不断创造社会与经济价值。（4）同时，服务机器人是机器人领域的研究热点，技术一般相对于工业机器人复杂。智能轮椅床老年服务机器人的研制，尤其语音、视觉交互及多传感器融合技术在通用型服务机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极的促进作用。（5）另外，嵌入式智能交互接口技术的实现，可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展。2、对资源利用情况；焊接熔深实时检测与控制技术的实现，可以保证焊接质量，减少焊接废件的产生，有利于节约资源，保护环境。焊接质量不合格，会造成焊接废件，即使补焊也会造成焊接成本（人力、物力）的增加。焊接熔深检测与控制，可以保证焊接质量，减少焊接成本，节约资源。3、对人才培养情况；本项目的实施可以培养多名硕士生和博士生，主要涉及到人工智能领域，嵌入式系统开发与交互接口技术、机器人机构学、运动学及仿真、信号处理与分析。4、环境影响及效益。本项目的实施对环境无不利影响，而且可以大大方便老年人生活，节约社会劳动力，促进创建和谐社会。表一项目投资与资金筹措表单位万元序号项目金额投资总额336固定资产投资181流动资金156资金筹措自筹资金500其中已完成投资500新增投资0申请科技三项经费2862借（贷）款0表二项目拟购设备清单序号设备名称规格型号单位数量单价万元金额万元1ICETEK交互接口开发板ICETEKDM642台15005002ARM9开发板/箱ARM9套11001003凌阳开发板SPCE061A套10200204液晶显示器飞利浦个10180185仿真器研华个10200206视觉传感器视讯个10100107超声传感器泛美个20060128数据采集卡个10200209语音传感器及各种芯片套10010010步进、伺服电机及驱动控制器套12500500备注。表三申请科技三项经费使用预算表序号名称单位数量金额万元使用时间开发费南昌大学12607010907项目开发人员费南昌大学8人0原材料动力费南昌大学20设计加工费南昌大学5007010703检测费南昌大学0507060808调研费南昌大新费南昌大学0107010703技术咨询费南昌大学0207010703转让、合作费南昌大学3007060808南昌大学8070108032设备费申请三项经费资助设备ARM9开发板/箱、ICETEK交互接口开发板、凌阳开发板、研华仿真器、各种传感器、芯片南昌大学8南昌大学45人员费南昌大学08原材料动力费南昌大学323试制费检测费南昌大学054鉴定验收费南昌大学1009100912硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文。优秀的硕士论文能够反映出作者对所学习专业的理论知识掌握的程度和水平，能够帮助作者构建起良好的完整的知识体系，还能够反映作者独立的科研能力和学术理论的应用水平，对研究的课题的思考和独立见解。较之学士论文，硕士论文应当具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值