声控轮椅的研究

王力建

摘 要：随着社会经济的发展与科学技术手段的革新，为了帮助社会中存在的弱势群体，经过不断的努力研发出了声控轮椅。声控轮椅适用于残疾人、偏瘫类病人、体弱老人等移动难、使用手动轮椅困难的人群。当他们坐在轮椅上时，可以通过语音来控制轮椅的移动继而免去了手动带来的不便。发出前进、后退、左转、右转指令，轮椅会自动运行，并前后各有两个超声波测距传感器，左右各有一个超声波测距传感器，可检测前、后、左、右是否有障碍物，一旦检测到障碍物就会自动停止或调整方向以确保使用者安全。踏板下有一个超声波测距传感器，主要是防跌落，如检测到前方落差较大，如下楼台阶、高坎边缘等，轮椅就会自动停止。

关键词：声控；轮椅；语音识别；控制系统

中图分类号：R496 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0032-02

机器人的发展范围已遍布各个领域并承担着重要角色，在机器人的帮助下，人们的生产生活有了新的发展和变化，如何更好地控制机器人成为一个重要的研究课题。对于机器人的控制，语音控制无非是最自然、最便捷的控制方式，也是人们更加容易接受的科技表达方式。语音识别技术使机器人能听懂人的自然语言，由識别得到的信息可以作为声控信号应用到机器人的多种技术领域。首先向语音系统输入固定语音词组，再通过语音指令指挥机器人移动以达到操作人的目的，将语音识别技术应用于普通轮椅，用语音来控制轮椅的运动为使用者带来了极大的方便。

1 声控轮椅的研究现状和设计概述

1.1 研究现状

随着世界老龄化进程的加快，中国人口老龄化进程要远远快于很多中低收入和高收入国家。在以后的25年里，中国60岁及以上老年人在全人口中的构成比预计将增加一倍以上，将从2010年的12.4%增长到2040年的28%。照顾老人问题成为一个严重的社会问题，越来越多的老人存在，就需要研发出更加适用于广大老人的科技产品，从而保证老人们的生产生活，为他们的生活提供便利。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。作为特殊的群体，他们应该被更好的重视，选择出适合老年人和残障人士行动的工具，让他们与正常人一样可以享受生活，这是未来科技社会发展的必然趋势，也是我们和谐社会发展的目的。

1.2 声控轮椅设计概述

针对残疾人、偏瘫类病人、体弱老人移动难、使用手动轮椅困难的情况，采用语音识别技术，本人设计了智能声控轮椅。

技术性能指标：（1）语音控制范围达2米，坐在轮椅上完全能实现对轮椅的控制。（2）无线遥控范围达20米，能够实现轮椅小范围转移调用。（3）轮椅载重量90kg。（4）轮椅移动速度30km/h，该速度可调节。

主要创新点：（1）语音识别技术、无线遥控技术应用在轮椅上实现了残疾人、偏瘫类病人、体弱老人非手动方式控制轮椅。（2）电动车控制技术的应用让轮椅不再依赖于手动。该轮椅主要是采用了语音识别技术、无线遥控技术、电动车控制技术。智能语音识别模块是一款只需要在单片机的程序中设定好要识别的关键词语列表，并动态地把这些关键词语以字符的形式传送到芯片内部，就可以对用户说出的关键词语进行识别，不需要用户事先训练和录音的非特定人语音识别模块，等到使用者发出关键词语的声音，电路系统对该声音进行识别，驱动电机进行相关的动作，从而实现了声音对轮椅的控制。该产品有一定的科学性和先进性，能给生活带来方便。

坐在轮椅上，发出前进、后退、左转、右转指令，轮椅会自动运行，并前后各有两个超声波测距传感器，左右各有一个超声波测距传感器，可检测前、后、左、右是否有障碍物，一旦检测到障碍物就会自动停止或调整方向以确保使用者安全。踏板下有一个超声波测距传感器，主要是防跌落，如检测到前方落差较大，如下楼台阶、高坎边缘等，轮椅就会自动停止。轮椅还带有遥控功能，方便看护人或使用轮椅者遥控轮椅。如表1所示。

智能语音识别功能是在Arduino单片机内的程序中设定好要识别的关键词语列表，并动态地把这些关键词语以字符的形式传送到芯片内部，对用户说出的关键词语进行识别，不需要用户事先训练和录音的非特定人语音进行识别，进而驱动轮椅进行相关的动作，从而实现了语音对轮椅的控制。单片机使用Arduino Genuino Mega2560，工作电源DC 5V，由外接4节AA1.5V电池单独供电，语音识别模块占用单片机上的数字端口、超声波传感器模块分别占用单片机上的数字端口、遥控模块占用单片机上的数字端口、H桥电机控制模块占用单片机上的数字端口、电机调速端口位置明确，各司其职，两个24V、250W电机由蓄电池供电，来带动两个后轮进行运用，前面两个轮子为万向轮。

该语音识别系统在控制声控轮椅的时候，有着较高的识别率和灵敏度，任何时间以内，只要进行识别，系统都能够在第一时间将结果识别完成，速度快，效率高，如果在该语言识别系统中配合超声传感器使用，还可以达到可以自主避障的目的。

2 声控轮椅发展研究与案例分析

一部电动轮椅可以听从使用者的简单口令，包括前进和倒退，左转与右转，快和慢之间各有从低到高的三个档位，可以对电动轮椅进行停止和开始的命令，上海交大精密仪器系康复工程研究室研究出一款系统，该系统名为“轮椅的声音识别微机控制系统”，如果将这个系统应用在电动轮椅中，除了使用者本人发布口令好使以外，其他的任何人发布口令，轮椅的声音识别微机控制系统都会表示识别错误，轮椅不会做出相应的操作。对于这项技术的研究其实从早期国外开始就有了一定的进展，无论是日本国立残疾人康复中心还是美国纽约大学康复中心都在研究中取得了一定成功，我国香港地区也开始对声控轮椅进行研发，系统通过系统的应用可以实现声控轮椅的功能，但是对于这个项目的实验还处于前期开发阶段，上海交大精密仪器系康复工程研究室所研发出来的“轮椅的声音识别微机控制系统”和国外其他相关研究对比，有着明显的分级控制性，命令变少了，且在声控轮椅中还有紧急停车措施，如果老年人或者残障人在遇到危险不方便停车的时候，声控轮椅中的应急系统可以立即启动应急措施，延长轮椅的使用寿命，保护老人与残障人士的人身安全。有关专家认为，关于轮椅的语音识别技术和控制技术都属于高科技水平技术研究范畴，上海交大精密仪器系康复工程研究室对声控轮椅及其系统的研发，有利于发展我国康复医疗工程，为广大残疾人的生活提高便利，为机器人技术提供理论依据，更有利于我国大力发展自动化技术。

来自美国麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的Matt Walter和Sachi Hemachandra两位研究人员研制出了一种非常具有革命性意义的机器人轮椅，这项发明是将机器人技术和电动轮椅技术结合在一起，对于老年人和残疾人等行走不便的人来说，可以在有导航的前提下使用该款产品在语音控制范围内进行活动。如果是在个人的家中，只要家中有wifi，无论是卧室还是卫生间，机器人轮椅不管在哪里，只要听到了使用者的命令，都会第一时间完成操作。如果使用者不在室内，需要去室外的话，可以连接各处的wifi或者直接使用手机的流量，进行地图导航，只要地图中有明确的位置显示，机器人轮椅就可以带着使用者前往目的地。同时，这款机器人轮椅还可以将所有走过的地方记忆下来，并且永久保存在系统中，根据已经存在于系统中的路线记忆，使用者不需要在对路线的节点进行控制，只要将目的地输入系统，轮椅就可以带着使用者前往目的地，使用者可以做自己想做的事情，不需要花费心神去寻找每一个地方的节点情况。目前，该项目的开发团队已经与波士顿的医疗机构进行了紧密的联系，将在下一步展开合作，让所有老年人和残疾人士都能够在空间中移动，不用为自己的身体担忧沮丧。

澳大利亚荣誉青年领袖奖提名名单中有一个华裔少女，她自主发明了一款通过传感器用眼睛进行控制的声控轮椅，可以帮助大量老年人和瘫痪的残疾人士，这个华裔少女从十岁的时候开始就走上了发明之路，她喜欢玩乐高积木，并用乐高积木去制作各种形状的机器人，随后还拿着自己做的乐高机器人去参加了机器人比赛。2014年这名华裔少女来到第五届生物医学工程会议中，发表了自己这款智能轮椅的研究报告，并且明确提出自己设计的这款智能轮椅中主要包含两个控制系统，第一个控制系统是声控系统，从不同的长短单声中对机器人进行操作和控制，这时机器人可以处理八个指令，可以带着使用者向前进，向后退，可以沿着顺时针或者逆时针的方向转圈，如果使用者想要坐着高一些或者舒服一些，这款机器人声控轮椅还能够实现升高和降低的操作。除了声控系统以外，还有一个控制系统是在感应器的使用下完成的，这款感应器的功能集中在一副眼镜上，使用者在使用之前带上眼镜，戴上后只要转动眼球，或者皱眉等表情变化就可以实现操控机器人轮椅的目的。对于声控系统和感应器控制系统的区别，声控系统主要是为了老年人和瘫痪等残疾人设置的，而基于感应器实现的机器人轮椅，主要是为了帮助那些面部肌肉无法做出活动的人，带上眼镜后只要简单的转动眼球，动一动鼻子即可，十分灵活，便于操作，该系统也不会伤害人的身体健康。

3 结语

总而言之，随着社会经济的稳步增长和社会制度的变化，我国将要越来越关注老年人的生活，关爱残障人士的心理健康，尽最大努力为他们的生活提供帮助，拉近这些特殊社会群体与正常人之间的距离。虽然关于声控轮椅的研究还处于初步研发阶段，任重而道远，我国应该加大对项目的资金投入，组建专业化研发团队，立足于创新理念，培養自己的创新意识，造福于广大人类，帮助所有人享受社会服务。

参考文献

[1]张坤，庄伟超，顾文杰，孙顺远，朱红洲，徐瑞.基于脑电波传感器的智能轮椅控制系统[J].测控技术，2018，37（01）：55-58+63.

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