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智能轮椅简介 2012 5 2 1 一 智能机器人 2 1 智能机器人 机器人 Robot 是自动执行工作的机器装置 它既可以接受人类指挥 又可以运行预先编排的程序 也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动 它的任务是协助或取代人类工作的工作 例如生产业 建筑业 或是危险的工作 机器人是高级整合控制论 机械电子 计算机 材料和仿生学的产物 行业定义 机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义 一种可编程和多功能的操作机 或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统 3 4 5 2 智能机器人的组成 机器人一般由执行机构 驱动装置 检测装置和控制系统和复杂机械等组成 1 执行机构即机器人本体 其臂部一般采用空间开链连杆机构 其中的运动副 转动副或移动副常称为关节 关节个数通常即为机器人的自由度数 根据关节配置型式和运动坐标形式的不同 机器人执行机构可分为直角坐标式 圆柱坐标式 极坐标式和关节坐标式等类型 出于拟人化的考虑 常将机器人本体的有关部位分别称为基座 腰部 臂部 腕部 手部 夹持器或末端执行器 和行走部 对于移动机器人 等 6 2 驱动装置驱动装置是驱使执行机构运动的机构 按照控制系统发出的指令信号 借助于动力元件使机器人进行动作 它输入的是电信号 输出的是线 角位移量 机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置 如步进电机 伺服电机等 此外也有采用液压 气动等驱动装置 3 检测装置检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况 根据需要反馈给控制系统 与设定信息进行比较后 对执行机构进行调整 以保证机器人的动作符合预定的要求 作为检测装置的传感器大致可以分为两类 一类是内部信息传感器 用于检测机器人各部分的内部状况 如各关节的位置 速度 加速度等 并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器 形成闭环控制 7 一类是外部信息传感器 用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息 以使机器人的动作能适应外界情况的变化 使之达到更高层次的自动化 甚至使机器人具有某种 感觉 向智能化发展 例如视觉 声觉等外部传感器给出工作对象 工作环境的有关信息 利用这些信息构成一个大的反馈回路 从而将大大提高机器人的工作精度 4 控制系统有两种方式一种是集中式控制 即机器人的全部控制由一台微型计算机完成 另一种是分散 级 式控制 即采用多台微机来分担机器人的控制 如当采用上 下两级微机共同完成机器人的控制时 主机常用于负责系统的管理 通讯 运动学和动力学计算 并向下级微机发送指令信息 作为下级从机 各关节分别对应一个CPU 进行插补运算和伺服控制处理 实现给定的运动 并向主机反馈信息 根据作业任务要求的不同 机器人的控制方式又可分为点位控制 连续轨迹控制和力 力矩 控制 8 3 智能机器人的分类 中国的机器人专家从应用环境出发 将机器人分为两大类 即工业机器人和特种机器人 所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人 而特种机器人则是除工业机器人之外的 用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人 包括 服务机器人 水下机器人 娱乐机器人 军用机器人 农业机器人 机器人化机器等 在特种机器人中 有些分支发展很快 有独立成体系的趋势 如服务机器人 视频1 水下机器人 军用机器人 微操作机器人等 9 国际上的机器人学者 从应用环境出发将机器人也分为两类 制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人 这和中国的分类是一致的 空中机器人又叫无人机器 近年来在军用机器人家族中 无人机是科研活动最活跃 技术进步最大 研究及采购经费投入最多 实战经验最丰富的领域 80多年来 世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的 无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看 美国均居世界之首位 家务型机器人 能帮助人们打理生活 做简单的家务活 操作型机器人 能自动控制 可重复编程 多功能 有几个自由度 可固定或运动 用于相关自动化系统中 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件 依次控制机器人的机械动作 10 家务型机器人 能帮助人们打理生活 做简单的家务活 操作型机器人 能自动控制 可重复编程 多功能 有几个自由度 可固定或运动 用于相关自动化系统中 程控型机器人 按预先要求的顺序及条件 依次控制机器人的机械动作 示教再现型机器人 通过引导或其它方式 先教会机器人动作 输入工作程序 机器人则自动重复进行作业 数控型机器人 不必使机器人动作 通过数值 语言等对机器人进行示教 机器人根据示教后的信息进行作业 感觉控制型机器人 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 适应控制型机器人 能适应环境的变化 控制其自身的行动 学习控制型机器人 能 体会 工作的经验 具有一定的学习功能 并将所 学 的经验用于工作中 11 搜救类机器人 在大型灾难后 能进入人进入不了的废墟中 用红外线扫描废墟中的景象 把信息传送给在外面的搜救人员 阿西莫机器人三定律科幻小说家艾萨克 阿西莫夫在小说中所订立的 机器人三定律 阿西莫夫为机器人提出的三条 定律 law 程序上规定所有机器人必须遵守 一 机器人不得伤害人类 或袖手旁观坐视人类受到伤害 二 除非违背第一法则 机器人必须服从人类的命令 三 在不违背第一及第二法则下 机器人必须保护自己 12 二 智能电动轮椅 13 1 智能轮椅的国内外研究现状 智能轮椅通常是在一台标准电动轮椅的基础上 增加一台电脑和一些传感器或者在一个移动机器人的基础上增加一个座椅进行构建 最早的相关研究开始于1986年 轮椅通过视觉进行导航协助 之后IBMT J WatsonResearchCenter的Connell和Viola将座椅放在一个移动机器人平台上 利用操纵杆 超声和红外传感器实现了机器人的行走和避障等导航功能 Jaffe等负责的smartwheelchair项目利用两个超声波传感器测定人的头部运动位置 并以此实现了利用头部姿势控制轮椅的运动 14 2020 3 22 15 经过20多年的开发 世界各国的研究者相继开发了多种智能轮椅平台 如美国麻省理工大学的Wheelesley 密西根大学的NavChair 匹兹堡大学的Haphaestus SWCS SmartWheelchairComponentSystem 加拿大的TAO项目 西班牙的SIAMO 法国的VAHM 德国乌尔姆大学的MAid 不莱梅大学的Rolland FRIEDNSI II系列 希腊的SENARIO等 我国开展智能轮椅的研究较晚 但是也根据自己的技术优势和特点 开发出了有特色的智能轮椅平台 包括中科院自动化所的多模态交互智能轮椅 嵌入式智能轮椅 上海交通大学的多功能智能轮椅 中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅等等 16 17 在控制系统结构方面 目前多数智能轮椅平台上采用的是主从式控制方式 上位机负责系统的整体控制 包括各功能子模块的协调 任务规划 系统管理以及人机交互等 同时完成运动控制量的计算 送到下位机 以完成对轮椅的运动控制 该种控制模式对硬件的要求较为简单 系统较容易构建 是系统验证期所采用的典型结构 目前上位机多采用普通PC机 由于信息的集中处理使得上位机的信息处理量大 负担很重 实时性较差 无法满足实际使用的需要 随着嵌入式技术的飞速发展 采用嵌入式控制系统构建智能轮椅平台逐渐引起研究者们的注意 系统采用ARM DSP FPGA的方式来分别构建智能轮椅的中央控制系统 传感器系统 视觉系统和运动控制系统 整个控制系统运行稳定 具有实时性高 功耗低 续航时间长的特点 18 在控制模式方面 智能轮椅上普遍采用的是三种模式 自动模式 半自动模式 手动模式 在自动模式下 由使用者通过人机交互界面设定目标 智能轮椅通过自身获得的环境信息自主完成到目标点的路径规划和跟踪 比如到卧室 客厅等 该模式主要针对控制轮椅能力较弱的老年人和残疾人 在半自动模式下 则是通过使用者和轮椅之间的协作控制来达到安全导航的目的 该模式下以使用者控制为主 轮椅控制系统主要负责控制过程中的局部规划和安全检测 比如轮椅行进过程中的自主避障 在门 走廊等狭窄区域 根据使用者的操纵指令进行局部路径规划 帮助使用者完成操纵意图 同时避免危险发生等等 在手动模式下 则是由使用者通过操纵杆实现对轮椅的完全控制 相当于一台普通的电动轮椅 在人机接口方面 针对不同残疾人群 研究者们开发了多种智能轮椅人机接口 19 根据控制方式的不同 可以分为设定型人机接口和自然型人机接口两种 设定型人机接口适用于那些残疾程度较轻肢体能动性较高而且意识较好的人群 包括操纵杆控制 按键控制 方向盘控制 触摸屏控制 菜单控制等 自然型人机接口的使用人群是那些残疾程度较高 肢体能动性较低的人群 包括语音控制 呼吸控制 头部控制 手势控制 生物信号控制等方式 自然型人机接口由于交互中存在的无意识性使得控制动作与非控制动作难以区分 因此需要采用合理的方式将两者加以区分 以免引起误操作而导致轮椅失控 通常智能轮椅上会根据使用者残障程度的不同 安装有多种人机接口 从而能够与使用者实现多种途径的交互 提供更加安全的运动控制针对残疾程度较重的使用者 也有部分轮椅采用了轻型机械臂 帮助使用者完成捡拾物品 开 倒水等活动 20 2 智能轮椅关键技术 智能轮椅作为服务机器人的一种 涉及到了机人技术 信息技术等多个领域的技术 其关键技主要包括导航技术 人机接口技术两部分 21 2 1导航 智能轮椅的导航技术主要来源于机器人技术 由于智能轮椅是以人为中心的控制系统 其导航又有特殊性 除了需要解决导航过程中轮椅运行空间环境模型建立 轮椅的定位以及路径规划等问题 还更应关注导航中的安全性以及与使用者的交互性 为了尽可能准确地获取环境信息 智能轮椅上都配备了多种传感器 包括内部或外部编码器 超声波传感器 红外传感器 激光测距仪 碰撞传感器 摄像头等等 智能轮椅通过多种传感器收集数据 利用信息融合算法将能够较准确的获得环境特征 为精确的导航提供可靠的依据 目前研究者们已经提出了多种信息融合算法 包括有加权平均法 贝叶斯估计 卡尔曼滤波 模糊逻辑 人工神经网络等 视频2 22 2 1 1全自主导航智能轮椅的全自主导航主要是解决 go to goal 的问题 使用者通过人机界面给出目标点 由轮椅完成路径规划和路径跟踪 其导航技术主要采用自主移动机器人的相关技术 导航的方法很多 包括基于路标导航 基于地图导航 基于传感器导航和基于视觉导航等 导航系统通常是由其中一种或几种方式结合起来构成 导航系统通过各种传感器检测环境信息 建立环境模型 确定轮椅的位置和方向 然后规划出安全有效的运动路径 并自主实现路径跟踪 在运动过程中 系统需要与使用者进行实时交互 根据目标点的变更实时调整运动路径 23 2 1 3半自主导航半自主导航 也称为分享导航 sharednaviga tion 主要是解决 wherehe shewantstogo 的问题 是智能轮椅导航研究中的重点 目前智能轮椅半自主导航主要关注于意图理解 Imp licitcommunication 和安全避障 safeobstacle avoidance 的问题 意图理解是指当轮椅处于环境较为复杂的情况下 根据自身的环境探测以及使用者的操纵指令给出合理的行动规划 或者通过人机交互的方式来给出几种选择以供使用者参考 安全避障则是指在保证使用者操纵指令正确执行的情况下使轮椅避开障碍物 防止碰撞的发生 24 2 人机接口 智能轮椅是以人为中心的控制系统 因此 智能轮椅的控制系统不是设计的自主性越高越好 而是应该考虑到使用者的身体特点 有效地补偿他 她的不足 充分发挥他 她的主动性 这就决定了智能轮椅人机接口的多样性 人机接口的设计需要考虑使用者的生理特点以及在各种情况下的心理反应以实现轮椅与使用者之间的和谐合作机制 1 操纵杆控制 该方式指示方向明确简单 是电动轮椅的标准配置 因此在多数智能轮椅上都仍然保留了这一人机接口 但是在使用者手部存在病理性颤动的情况下 采用普通操纵杆将无法正常地操纵轮椅 针对这样的情况 不少研究者进一步开发了 智能 操纵杆 2 按键 触摸屏 菜单控制 这些方式一般是将轮椅的方向控制分为4个或8个方向的按键 其好处是轮椅运动方向明确 控制较精确 而缺点是不够灵活 25 3 语音控制 利用口令识别和语音合成技术 实现使用者与轮椅的语音对话以及对轮椅运动的控制 西班牙的SIAMO 中科院自动化所的多模态交互智能轮椅 上海交通大学的智能轮椅均采用了语音交互的人机接口 但目前所使用的语音命令是离散的 只能进行简单的方向命令控制 还无法实现真正意义上的语言对话 而且在环境嘈杂的情况下语音命令的识别率往往会急剧下降 4 呼吸控制 使用者可以通过在一个压力开关上吹气以激活期望的输出从而实现对轮椅的控制 西班牙的SIAMO采用了这种驱动方式 通过差动气流传感器检测输入的呼吸气流的强度和方向 输出经过处理和编码后的控制命令传送到导航模块 根据传感器信号的强度控制轮椅的线速度 根据气流的方向控制轮椅的角速度 26 5 头部控制 头部运动是能够指示方向的一个很自然的方式 可以直接用来替代操纵杆保持相似的控制 且这种方式给那些高度脊椎损伤和运动神经疾病的病人带来独立控制的可能性 6 手势控制 通过手势的指向来获取控制信息 使用者带上特定颜色的手套 控制系统通过CCD摄像头获得图像信息并将手部区域分隔出来 以判断使用者的手势 进而将手势指令转化为驱动指令 达到控制轮椅运