多模态人机交互智能轮椅的设计与研究*

王北一 ，欧阳湛锋，周昕伟，周梓茵，郑志鹏，刘小玲，古颖康

（广东职业技术学院，广东 佛山528000）

随着人口老龄化、慢性疾病和意外伤害等因素的增加，我国残疾人口数量逐年增加，越来越多的人陷入步行能力减弱甚至丧失的困境。根据中国残疾人联合会公布的有关2018年末残疾人口数量的推算报告，我国仍面临着较大的残疾人口规模，且致残原因呈现多样化和复杂化。

智能轮椅作为国家康复工程的重点项目之一，受到各界人士的重视与支持。因此，开发出功能全面、安全可靠、性价比高的智能轮椅来惠及老年人和残疾人，将对提高他们的生活质量，增强其自理能力，促进社会主义和谐社会的建设具有重要意义。但是目前很多传统的轮椅制造厂商技术研发能力有限，没有专门的技术部门来研究多种交互方式的技术以及将交互方式进行模块化设计和生产。因此将各种交互方式技术模块化并整合到智能轮椅的控制之中会有很大需求，同时也会为传统的轮椅制造厂商带来巨大的经济效益。

1 产品技术路线

通过分析和对比各种电动轮椅系统，根据产品的应用范围，我们选择以STM32为处理核心，设计一款具有多种人机交互模式和辅助功能的智能轮椅。具体的技术路线如图1所示。

图1 产品技术路线

本产品的核心技术为多种人机交互模式的设计，其中包括头动控制的人机交互模式。辅助设计包括距离检测和报警功能。

头动检测基于传感器的工作原理，目前比较流行的物体姿态算法为四元数法，本产品采用四元数法将三轴加速度和三轴角速度的原始数据转换为目标姿态数据，利用低通滤波去除原始数据的干扰。通过结合对姿态数据的判断和角速度的变化，得出是否发出头动控制指令。

2 产品的组成

2.1 硬件设计

多人机交互方式智能轮椅由人机接口模块、电机控制模块、测距模块、声音报警模块和主控模块等组成，系统整体硬件组成结构如图2所示。

图2 系统硬件设计方案框图

2.2 软件设计

整个软件设计是在Keil5平台上使用C语言来实现的，Keil5软件目前针对ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M内核微控制器设备提供了一个完整的开发环境。Keil5是专为微控制器应用而设计的一款最佳集成开发工具，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数嵌入式应用。

本系统软件的整体设计流程如图3所示。其软件实现方法为：在系统初始化后，系统开始检测各个人机接口模块的指令，如头动检测部分的头动检测单元采集到头部姿态数据后，使用头动检测算法进行分析判断头部姿态。判断出头部姿态后，即可得出指令。通过蓝牙发送指令到主控模块。主控模块收到指令后，对其进行判断，然后驱动轮椅电机的转动。若在轮椅移动的过程中检测到侧翻信号或者前方障碍物距离轮椅过近时，系统将发出报警，并且控制轮椅停止移动。

图3 系统软件整体设计流程图

3 功能介绍

本智能轮椅是一款专门为老人和深度残疾者提供代步工具的产品，用来解决双手及颈部以下运动不方便的老年人和残疾人的出行问题。可以通过多种人机交互方式来控制轮椅的移动，每种人机交互方式都是模块化功能，可以由用户根据需求自行选择定制，成本低。其主要功能如下：

3.1 头动控制功能

本智能轮椅的头动控制功能主要是通过检测使用者的头部姿态来控制电动轮椅的移动。利用采集的头部姿态数据及算法处理，最终判断使用者头部姿态是否发出控制轮椅的指令，最终控制轮椅的移动。

只需将设备佩戴在头部左侧，在正常坐姿的情况下，通过头部向下连续轻微点头两次控制轮椅前进，头部向后轻微仰头两次控制轮椅后退；通过头部向左轻微点头两次控制轮椅向左转弯，头部向右轻微点头两次控制轮椅向右转弯；向右侧轻微甩头可以控制轮椅停止。利用头部连续点头两次的动作来控制轮椅移动，可以避免操作失误。

3.2 摇杆和按键控制功能

本智能轮椅除了具有多种人机交互模式之外，传统的摇杆和按键控制功能也都保留。

3.3 报警功能

本智能轮椅除了具有多种人机交互模式外，还具有一些辅助功能，如报警功能、距离检测功能和翻倒检测功能。当轮椅通过距离检测功能检测到前方有障碍物时，轮椅的报警功能则会立即控制蜂鸣器鸣叫来进行报警通知。

3.4 距离检测功能

本智能轮椅具有距离检测功能。智能轮椅通过超声波传感器实时检测前方是否有障碍物或者低洼处与轮椅的距离，来进行下一步操作，确保安全性。如当检测到距离障碍物过近时，则会启动报警功能来提前通知。

4 使用方法

本产品是一种具有头动控制人机交互模式的智能轮椅，用户在购买轮椅时可以定制自己所需要的人机接口模块，然后使用时只需要将头动遥控模块穿戴在头部即可，通过头部的运动来控制轮椅的进退和转向。智能轮椅同时还具有辅助功能，包括距离检测和报警功能，系统启动后会自动开启。

5 创新点

本产品的创新点有以下两点：

（1）目前已有电动轮椅一般都是基于按钮和摇杆控制，本产品具有头动控制人机交互模式，其中头动控制选择佩戴感应器的方式，灵活简单方便。

（2）模块化：智能轮椅要批量生产，必须实现模块化，整个系统应由基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择，配置最合适的轮椅。同时模块化也能降低成本，提高性价比。

6 结论

目前可以实现头动控制的人机交互技术有如下两种：基于视觉识别的人机交互技术和基于传感器的人机交互技术等。但是，基于视觉识别的人机交互技术不仅需要一台摄像机来捕捉人的动作，此外这种人机交互技术要求要捕捉的人和摄像机镜头之间不能有障碍物阻挡，受场景的限制，且要求处理器应具有足够快速的视频处理能力；而基于传感器的人机交互技术由于不依赖搭载其他额外设备，而且受到外部环境的影响相对较小，不受空间的限制，便携性好且需要的信号复杂度低，还可以实时检测人体活姿态。因此该交互方式越来越得到重视，且被称为“能理解人的交互模式”。综上所述，我们选择基于感应器的识别模式来实现头动控制人机交互模式。