残疾人智能轮椅管理系统：助力行动与健康监测

### 残疾人智能轮椅管理系统：助力行动与健康监测 #### 一、引言 近年来，瘫痪人群数量呈上升趋势。以2011年印度国家人口普查为例，在12亿人口中，有2680万残疾人，占总人口的2.21%。这些残疾人因疾病或事故导致临时或永久性残疾，且发展中国家的残疾比例相对较高。很多残疾人由于无法使用辅助设备，难以恢复正常生活，这可能形成恶性循环，逐渐破坏他们的生活质量。 独立移动对于不同年龄段的人都非常重要。对于婴儿，自主移动是早期学习的基础；对于年轻人，缺乏安全的自主移动能力会使他们失去基本的学习机会，处于发展劣势；对于老年人，自由移动是自信的重要体现，在适应年龄变化中起着关键作用。例如，如果老年人觉得难以移动到目的地，他们可能会避免或减少外出。移动能力的挑战也是日常生活活动（ADL）和工具性ADL障碍的核心因素。 虽然传统的手动或可操纵轮椅可以满足一些残疾人的需求，但部分残疾人使用起来仍有困难。因此，开发一种由电子系统控制的智能轮椅至关重要，它能感知环境，与用户协作实现移动目标，避免危险情况，从而减少用户推动轮椅的人力消耗。 #### 二、文献综述 多年来，已经有多种采用不同人机界面（HMI）的电动轮椅被研发出来： - **模糊逻辑与矢量场直方图（VHF）算法控制的轮椅**：Rabhi等人使用模糊逻辑与VHF算法开发了操纵杆控制的轮椅。模糊逻辑控制器接收来自VFH精炼算法的信号和操纵杆检测到的残疾人手部动作变化信息，生成决定电机旋转速度和角度的信号。LIDAR传感器用于识别轮椅前方的障碍物，VFH算法处理LIDAR信号并将输入提供给模糊算法，以确定轮椅避开碰撞的方向。 - **基于Kinect的3 - D头部姿势估计控制的轮椅**：Abedan Kondori等人提出了一种无中介的3 - D头部姿势估计方法。通过Kinect获取深度图像评估头部运动，完成头部限制、头部姿势评估和直接3 - D运动评估，最后将恢复的运动参数映射到轮椅控制命令上，实现轮椅转向控制。 - **语音控制的轮椅**：Sivakumar等人提出了语音控制的轮椅。通过语音定制使系统能够解释声音命令信号，语音捕获模块使用语音包中的麦克风记录语音命令，并将其转换为二进制代码。语音识别子模块将导入的二进制代码与微控制器中存储的代码进行比较，如果相似则执行相应命令。 - **手机控制的轮椅**：Achkar等人介绍了手机控制的轮椅，用户可以通过特殊的安卓应用程序定位轮椅并将其移动到指定位置。该项目中，路由器作为移动应用、Arduino和继电器之间的直接连接源，轮椅前端的IP摄像头用于可视化所需轨迹，通过路由器提供的唯一IP地址分析数据，并将信息包通过Wi - Fi或互联网发送到用户安装的安卓设备。 - **眼睛控制的轮椅**：Thakur和Kulshrestha提出了眼睛控制的轮椅。系统由摄像头、图像识别软件和电机控制器组成，使用形状调整的均值漂移算法作为映射算法，通过眼球监测结果生成足够的轮椅运动指令。 - **下巴控制界面**：使用力感应操纵杆轴，不需要面部精确运动，使用者通过颈部肌肉施加力提供输入，所需力通常在0.09 - 0.3 kg之间，只有颈部肌肉有足够力量的人才能使用该技术。 - **吸 - 吹界面**：通过在气动管上的吸（摄入）和吹（呼出）命令进行控制。强烈的吸和吹用于改变轮椅轨迹，较弱的吸和吹用于转向。这些设备主要用于速度控制，每次操作都需要高度精确的吸和吹动作，且需要外部启动点。 - **舌触键盘（TTK）控制界面**：是目前唯一可用的语言控制器设备，由安装在牙科口含器中并适合口腔顶部的开关组成。其最大的缺点是在进食甚至喝水前都必须定期更换。 #### 三、系统概述 智能轮椅的控制结构包括以下子模块： - **控制单元**：由Arduino UNO组成，负责所有决策和数据处理。 - **轮椅动力电机**：通过电机驱动器和直流电机控制轮椅的移动。 - **轮椅控制界面**：包括眼球控制单元、加速度计MEMS传感器和超声波传感器。 - **通信子系统**：由GSM模块、Wi - Fi模块和物联网平台组成。 ##### （一）轮椅方向控制 轮椅模型两端和中间都装有轮子，直流电机连接到轮子上，将电能转换为机械能使轮子转动。直流电机驱动器使用L293D H - 桥电机驱动IC和电压调节器7805，提供+5V稳压电源，并可添加散热片。它作为电流放大器，将控制器的低电流信号转换为高电流信号，驱动电机。 眼睛传感器（QTR - 1RC）工作电压为5V，安装在患者眼睛前方。该传感器由红外发射器和红外接收器组成，发射器和接收器之间有±45°的角度作为传感器的方向性。最佳感应距离为3mm，最大为9.5mm。红外发射器持续发射红外线，当物体出现在红外线前方时，红外线被反射回接收器。患者眼睛的开合会因反射红外线量的不同产生不同强度的电信号。当眼睛睁开时，眼睛中的黑球会吸收部分红外线，其余反射回接收器；当眼睛闭上时，几乎所有发射的红外线都会反射回发射器。每个眼睛使用两个这样的传感器，产生四种高低信号组合，指示轮椅以四种眼睛控制方式移动：前进、左转、右转和停止。输入信号被送到A