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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 為了幫助老年人和殘疾人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會(huì)，并針對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性和交互流暢性等智能輪椅的市場(chǎng)推廣瓶頸，本作品在嵌入式系統(tǒng)（SPCE061A單片機(jī)）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了具有手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、語(yǔ)音交互、超聲波自主避障和視覺自主導(dǎo)航功能的多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅。同時(shí)，通過(guò)將手動(dòng)控制、超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到其它模態(tài)當(dāng)中，使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。并且相對(duì)較低的成本與分模塊定制功能的理念使得作品更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
- 詳細(xì)介紹：
- （1）手動(dòng)控制模態(tài) 在該模態(tài)下，用戶可以通過(guò)手柄來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。由于輪椅在其它模態(tài)的運(yùn)行過(guò)程中，手動(dòng)控制具有最高的優(yōu)先級(jí)，所以在任何情況下，用戶都能在第一時(shí)間通過(guò)手動(dòng)控制來(lái)干預(yù)輪椅的運(yùn)動(dòng)。 （2）語(yǔ)音控制模態(tài) 對(duì)于智能輪椅的控制，語(yǔ)音控制是一種自然、便捷的控制方式，能夠適用于大多數(shù)的用戶。在語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，用戶可以通過(guò)直接“對(duì)話”來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。 如果輪椅在運(yùn)行方向上遇到障礙物，智能輪椅會(huì)“說(shuō)”該方向有障礙物并停止，然后再提示用戶進(jìn)行決策。用戶亦可通過(guò)語(yǔ)音指令，對(duì)模態(tài)進(jìn)行選擇和切換。 （3）超聲波自主避障模態(tài) 對(duì)于老年人和殘障人士，在使用輪椅的過(guò)程中最需重視的是安全問(wèn)題，所以輪椅在運(yùn)行過(guò)程中能夠安全地避開周圍的障礙物以及低洼地段是非常重要的保護(hù)措施。 通過(guò)在輪椅上安裝8組超聲波傳感器，輪椅在各個(gè)模態(tài)的運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)周圍的障礙物和低洼地段并及時(shí)避開，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶。在某些特殊場(chǎng)合（如公園、走廊等），用戶還可以實(shí)現(xiàn)“散步”運(yùn)行。 （4）視覺自主導(dǎo)航模態(tài) 經(jīng)過(guò)調(diào)研，很多用戶在某些場(chǎng)合（如：家庭、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)）使用輪椅時(shí)，往往需要頻繁地在固定的路線間來(lái)回移動(dòng)。因此，可以事先在這些路線上鋪設(shè)好標(biāo)識(shí)線，輪椅通過(guò)自動(dòng)跟蹤標(biāo)識(shí)線能夠完成到指定地點(diǎn)的移動(dòng)，并且輪椅在跟蹤標(biāo)識(shí)線的過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)行方向上是否有障礙物，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定地點(diǎn)時(shí)，還會(huì)播報(bào)提示音。省去了人為的操控，從而為用戶提供方便。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，希望設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單易用、安全可靠、性價(jià)比高的智能輪椅。本作品設(shè)計(jì)理念——讓智能輪椅不再是少數(shù)人的奢侈品！ 基本思路：據(jù)調(diào)研，經(jīng)濟(jì)性、安全性和交互流暢性是制約智能輪椅推廣的主要因素，而我們?cè)O(shè)計(jì)的作品要較好地解決上述問(wèn)題。 人機(jī)接口:語(yǔ)音交互——用戶可以通過(guò)“對(duì)話”控制輪椅，輪椅亦可將運(yùn)行與環(huán)境狀況報(bào)告給用戶，手柄控制——通過(guò)手柄控制運(yùn)行，并可在任何情況干預(yù)輪椅運(yùn)動(dòng)； 視覺導(dǎo)航:在一些環(huán)境或場(chǎng)合按指定路線導(dǎo)航運(yùn)行； 超聲波自主避障：在特定場(chǎng)合可以自主避障隨機(jī)“散步”； 安全保護(hù):輪椅通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境，避開障礙物及低洼地段，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。 創(chuàng)新點(diǎn):在16位單片機(jī)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、語(yǔ)音交互、自主避障運(yùn)行和視覺導(dǎo)航功能，并在各個(gè)模態(tài)中實(shí)現(xiàn)了安全保護(hù)和語(yǔ)音播報(bào)功能。同時(shí)輪椅輕便性好、運(yùn)行流暢可靠，功能上可根據(jù)用戶需求分模塊定制。 特色:成本低——本作品在原有電動(dòng)輪椅上增加的自動(dòng)控制器和所有傳感器的單件研制成本為630元；易于產(chǎn)業(yè)化——基于單片機(jī)的控制器解決了基于PC機(jī)的控制器所存在的成本高、功耗大等問(wèn)題，這向智能輪椅產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)了一大步。 技術(shù)關(guān)鍵：智能輪椅涉及人機(jī)接口技術(shù)、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)?；趩纹瑱C(jī)系統(tǒng)智能輪椅的技術(shù)難點(diǎn)在于單片機(jī)資源和運(yùn)行速度有限，必須采用高效算法。 技術(shù)指標(biāo)：載重：110kg；一次充電續(xù)航：20km；最大速度：6km/h；越障高度：40mm；爬坡能力：15°
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 雖然國(guó)外已研制出智能化程度較高的輪椅，但這些智能輪椅基本上采用通用計(jì)算機(jī)作為控制器，體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[1]。 我國(guó)目前共有四項(xiàng)智能輪椅發(fā)明專利。本作品和國(guó)內(nèi)專利輪椅相比，最突出的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在控制器成本和輪椅功能兩個(gè)方面。 1）成本低 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有智能輪椅均采用DSP微處理器或者是PC機(jī)作為主控制器，而本作品在實(shí)現(xiàn)以下功能的前提下，采用16位單片機(jī)作為主控制器，降低了成本。 2）功能強(qiáng) 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的智能輪椅（專利號(hào)： 200710173079.8）是在PC機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制和語(yǔ)音交互功能；智能輪椅（專利號(hào)：200610118866.8）是基于PC機(jī)和DSP微處理器實(shí)現(xiàn)視覺自主導(dǎo)航功能。而本作品在基于SPCE061A單片機(jī)有限的資源下，實(shí)現(xiàn)了上述所有功能。并且通過(guò)多模態(tài)間的融合使得輪椅的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定可靠。 參考文獻(xiàn)： [1] 廖曉輝，沈大中，王東署. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2008(04):1-6.
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2009年5月24日獲第十一屆“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽江西賽區(qū)決賽特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談
作品可展示的形式
- 圖片、視頻、實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：用戶坐穩(wěn)后，打開控制器電源，然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的控制模態(tài)即可。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：采用語(yǔ)音識(shí)別、超聲波避障、視覺導(dǎo)航、多傳感器信息融合四種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的多功能性及安全可靠性。 本作品優(yōu)勢(shì)在于成本低、功能強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易于產(chǎn)業(yè)化。 適應(yīng)范圍：本作品可以方便地應(yīng)用于普通家庭、醫(yī)院、康復(fù)中心、機(jī)場(chǎng)、療養(yǎng)院、商場(chǎng)、博物館等場(chǎng)所。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程的加快以及由于各種自然災(zāi)害、疾病和工傷事故等原因造成的下肢殘障人口的增加，如何為老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具已成為整個(gè)社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。初步估計(jì)，目前全球范圍內(nèi)的電動(dòng)輪椅年需求量超過(guò)百萬(wàn)臺(tái)。本作品是通過(guò)在普通電動(dòng)輪椅上安裝自動(dòng)控制器和傳感器實(shí)現(xiàn)的，且自動(dòng)控制器和所有傳感器的單件研制成本僅為630元，而在市場(chǎng)上，功能上相近的智能輪椅，售價(jià)均在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等，因此，我們完全有理由相信，我們的智能輪椅與電動(dòng)輪椅擁有相同甚至更為廣闊的市場(chǎng)前景。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)外智能輪椅研究現(xiàn)狀:自1986年英國(guó)開始研制第一輛智能輪椅以來(lái)，許多國(guó)家投入較多資金研究智能輪椅，如美國(guó)麻省理工學(xué)院Wheelesley項(xiàng)目、德國(guó)不萊梅大學(xué)開發(fā)的智能輪椅Rolland和FRIEND，西班牙Malaga大學(xué)開發(fā)的智能輪椅SENA等等。下面重點(diǎn)介紹幾款典型的智能輪椅。希臘Foundation for Research & Technology Hellas開發(fā)了已經(jīng)商業(yè)化的智能輪椅MWYRA，其由筆記本電腦控制，用戶可以通過(guò)操縱桿直接控制或通過(guò)與輪椅串接的電腦間接控制，另外該輪椅還實(shí)現(xiàn)了自主避障和視覺導(dǎo)航功能。西班牙Malaga大學(xué)開發(fā)的智能輪椅SENA，基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了除MWYRA所具有的功能外，還擁有語(yǔ)音控制功能。韓國(guó)高級(jí)科技研究所KAIST開發(fā)的智能輪椅，將PC機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了輪椅的自主運(yùn)動(dòng)功能，另外為了方便不能使用操縱桿的用戶，用戶還可以通過(guò)液晶觸摸屏來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。德國(guó)不萊梅大學(xué)開發(fā)的智能輪椅Rolland，其可以通過(guò)手柄控制，也能把用戶語(yǔ)言（英語(yǔ)和德語(yǔ)）轉(zhuǎn)化成XML形式進(jìn)行分析，但其語(yǔ)音識(shí)別方面還存在一些問(wèn)題，而同樣由其開發(fā)的另外一款智能輪椅FRIEND則基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音識(shí)別功能。日本國(guó)家康復(fù)中心開發(fā)了針對(duì)物理殘疾者使用的智能輪椅，該輪椅通過(guò)安裝視覺傳感器實(shí)現(xiàn)了避障功能,同時(shí)使用者還可以通過(guò)手勢(shì)來(lái)控制輪椅運(yùn)動(dòng)方向，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。 國(guó)內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀:中國(guó)開展智能輪椅的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺(tái)。包括中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的一種嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)及方法（專利號(hào)：200510054510.8）,該輪椅采用DSP微處理器作為主控制器，在手動(dòng)控制中融入避障功能；上海交通大學(xué)的智能輪椅（專利號(hào)：200610118866.8）采用計(jì)算機(jī)、DSP微處理器和聲納控制器作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤、避障和防跌功能。在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，中科院自動(dòng)化所正在研制一種具有更多功能的智能輪椅。該智能輪椅可以利用自身的視覺系統(tǒng)在房間內(nèi)進(jìn)行“自主導(dǎo)航”，自己移動(dòng)到使用者指定的位置而不需要使用者自己對(duì)輪椅進(jìn)行直接控制。 綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外智能輪椅共同的特點(diǎn)在于，它們基本上都是采用通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))作為上位機(jī)，產(chǎn)品的成本高、功耗大、續(xù)航能力差。
