南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11課題意義聯(lián)合國發(fā)表報告指出：當(dāng)二十一世紀(jì)上半葉到來時，全球人口將增加06倍，而老年人口將增加23倍，老年人【1】口占總?cè)丝诘谋壤龑⑸仙?0。也就是說，全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后50年內(nèi)，60歲以上的人口比例預(yù)計將會翻一番。而我國是人口最多的國家，老齡化和殘疾是我們不得不面對的重大問題，據(jù)老齡委統(tǒng)計結(jié)果顯示，目前我國60歲以上的老年人已達(dá)到143億，超過總?cè)丝诘?0。而我國有殘疾人6000多萬，平均每5個家庭就有一個殘疾人12J。另一項調(diào)查顯示，2000年，我國60歲以上老年人中有腿腳不便情況的人已接近2800萬。此外，根據(jù)中殘聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前我國肢體殘疾人接近900萬，其下肢殘疾人為200萬左右。隨著老年人和殘疾人的日益增多，服務(wù)需求將會日益增加。助老助殘服務(wù)機(jī)器人系列產(chǎn)品的研發(fā)有助于形成未來老年人和殘疾人生活的新模式和新概念，并解決人口老齡化帶來的重大社會服務(wù)問題，以及2015年實現(xiàn)我國“人人享有康復(fù)服務(wù)”的國家戰(zhàn)略目標(biāo)和社會協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。智能輪椅是助老助殘服務(wù)機(jī)器人系列產(chǎn)品中的一個重要研究領(lǐng)域。輪椅作為廣大老弱病殘人員使用的輔助運(yùn)動工具，隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅【3J的研發(fā)也必將成為一種趨勢。研究并開發(fā)實用的智能輪椅具有非常重要的現(xiàn)實意義。11多模態(tài)智能輪椅江西省焊接與自動化機(jī)器人重點(diǎn)實驗室研究的多模態(tài)智能輪椅包括手柄控制，語音控制中可避障控制，自主避障控制三種模態(tài)。各模態(tài)之間即可相互獨(dú)立，又可根據(jù)實際應(yīng)用場合進(jìn)行多模態(tài)融合。(1)手動控制常規(guī)模態(tài)，智能輪椅相當(dāng)于普通的電動輪椅。此模態(tài)有兩種控制方式，手柄控制和鍵盤控制。使用者即可通過手柄，也可通過小鍵盤操作輸出四路模擬電壓，輪椅本身配有電機(jī)控制器，四路模擬電壓通過電機(jī)控制器產(chǎn)生直流電機(jī)信號來控制直流電機(jī)，通過對直流電機(jī)的開環(huán)控制控制輪椅的前進(jìn)、后退、加第1章緒論南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文2速、減速、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等運(yùn)動控制。(2)自主避障控制本課題智能輪椅是基于超聲波傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上的避障控制。由分布在輪椅各個方向上的七組超聲波傳感器獲得障礙物信息，由單片機(jī)根據(jù)獲得的障礙物信息做出相應(yīng)的避障決策，使智能輪椅靈活避障。(3)語音控制模態(tài)可避障系統(tǒng)智能輪椅語音控制系統(tǒng)是屬于一個擁有數(shù)個或十余個詞的小詞匯量的語音識別控制系統(tǒng)，使用者先進(jìn)行自身的語音訓(xùn)練，訓(xùn)練好的語音模型保存在存儲器中，當(dāng)用戶選擇語音控制模態(tài)后，語音命令與存儲器中的語音模型進(jìn)行相似度對比，從而實現(xiàn)語音識別。進(jìn)而實現(xiàn)語音控制。如果語音控制過程中出現(xiàn)障礙物，播放“前方有障礙物，重新識別。同時可以輸入其它語音控制命令。二國內(nèi)外智能輪椅研究現(xiàn)狀2.1國外智能輪椅研究現(xiàn)狀自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅來，許多國家投入大量資金研究智能輪椅，如美國麻省理工學(xué)院wheelesley項目，法國VAHM項目，德國烏爾姆大學(xué)MAID項目，西班牙SIAMO項目，加拿大AAI公司TAO項目，歐盟TIDE項目等。1989年法國開始研究VAHM項目，第一階段的智能輪椅由輪椅、PC486、超聲波傳感器、人機(jī)界面和一個可匹配用戶身體能力轉(zhuǎn)換的圖形屏幕組成，設(shè)置為手動、自動、半自動三種模式，手動時輪椅執(zhí)行用戶具體指令和行動任務(wù)：自動狀態(tài)時用戶只需選定目標(biāo)，輪椅控制整個系統(tǒng)，此模式需要高度的可靠性：半自動模式下用戶與輪椅分享控制。為了更好適應(yīng)用戶需求，研究者在康復(fù)中心進(jìn)行了一系列調(diào)查，得出結(jié)論：系統(tǒng)必須是多功能的，不僅應(yīng)適應(yīng)殘障人士的生理和認(rèn)知能力，也應(yīng)適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)研制出第二代產(chǎn)品，相對于第一代產(chǎn)品，其功能更豐富，面向用戶范圍更廣，性價比更好，改良了大量控制。德國烏爾姆大學(xué)在一個商業(yè)輪椅基礎(chǔ)上研制了輪椅機(jī)器人MAID，在烏爾姆市中心車站的客流高峰期及1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實地現(xiàn)場表演。該輪椅機(jī)器人在公共場所有大量乘客的擁擠環(huán)境中，通過了超過36小時的考驗，能夠自動口!別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動采取繞行動作，它甚至還能夠提醒擋路的行人讓開道路。根據(jù)航行的環(huán)境不同，機(jī)器運(yùn)行模式分為：NAN(狹窄區(qū)域航行)和WAN(寬區(qū)域航行)，大大增加了航行準(zhǔn)確率。此項目得到德國科學(xué)技術(shù)部的財政支持，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3據(jù)計劃，這種智能輪椅將于兩年后F式面世，價格會比普通電動輪椅高出約50。同本北海道工業(yè)設(shè)計學(xué)院的研究人員研制出一種不爿j人工操作的聲控輪椅。研究人員將uT感應(yīng)語占聲響的晶片，裝置在輪椅的控制機(jī)關(guān)內(nèi)，在使用者對著麥克風(fēng)講出要求后，感應(yīng)系統(tǒng)便會依照要求啟動運(yùn)作，除了可向前后左右和快慢行走外，椅背還可向后傾，方便使用者休息。2.2國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀我國智能輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距，但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國外先進(jìn)水平的智能輪椅。研究單位有中科院自動化所、臺灣中正大學(xué)電機(jī)系、上海交通大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)等。中國科學(xué)院自動化研究所承擔(dān)了“863”智能機(jī)器人智能輪椅項目，研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅NLPR，中科院研制的智能輪椅曾在“863”。計劃十五周年成就展展館的人群中穿棱自如。此項研究成果于2000年11月通過“863”智能機(jī)器人主題專家組的鑒定，并研制出我囡第一臺多模態(tài)交瓦式智能輪椅樣機(jī)。此項研究高度重視了智能輪椅人機(jī)控制界面的設(shè)計，在輪椅的設(shè)計中綜合運(yùn)用模式識別實驗室有關(guān)圖像處理、計算機(jī)視覺和語音識別等最新成果，使人能通過語音控制輪椅自出行走，輪椅可以實現(xiàn)簡單的人機(jī)對話功能。上海交通大學(xué)開發(fā)成功一種聲控輪椅主要是為四肢全部雀失功能的殘疾者設(shè)計，使用者只需發(fā)出“開”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，輪椅可在12秒內(nèi)按指令執(zhí)行。上海交通大學(xué)研制的智能輪椅具有自辛避障，目標(biāo)跟蹤和防跌功能。同時還設(shè)計可抓取日常用品的機(jī)械手臂。臺灣中正大學(xué)電機(jī)系以一臺工業(yè)級Pc為控制中心，通過馬達(dá)控制卡驅(qū)動放大器，利用操作桿執(zhí)行基本的電動輪椅操作功能，采取平行化設(shè)計，配備了麥克風(fēng)、CCD，LCD、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)通訊界面等，并搭配了自行開發(fā)的軟件以達(dá)到系統(tǒng)配置最佳效果。天津大學(xué)研制的智能輪椅可用腦電信號控制智能輪椅，采用的控制器是計算機(jī)。2.3智能輪椅關(guān)鍵技術(shù)研究2.3.1移動機(jī)器人路徑規(guī)劃理論路徑規(guī)劃41技術(shù)是移動機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個重要分支，是機(jī)器人智能化的重要標(biāo)志?？偟目刂颇繕?biāo)是使移動機(jī)器人運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)，總的約束是在整個過程中，機(jī)器人不碰到任何一個障礙物。該問題根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度可以分為兩類：一類是環(huán)境信息已知的全局規(guī)劃，另一類是環(huán)境信息未知的局部規(guī)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文4劃。全局規(guī)劃方法依照己獲取的環(huán)境信息，給機(jī)器人規(guī)劃出一條路徑【5J，規(guī)劃路徑的精確程度取決于獲取環(huán)境信息的準(zhǔn)確程度。全局方法通?？梢詫ふ易顑?yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，并且計算量很大。局部規(guī)劃方法側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避碰能力。很多機(jī)器人規(guī)劃方法通常是局部的方法，因為它的信息獲取僅僅依靠傳感器系統(tǒng)獲取的信息，并且隨著環(huán)境的變化實時地發(fā)生變化。和全局規(guī)劃方法相比較，局部規(guī)劃方法更具有實時性和實用性。缺陷是僅僅依靠局部信息，有時會產(chǎn)生局部極點(diǎn)，無法保證機(jī)器人能順利到達(dá)目的地。上述兩種方法各有利弊，故將兩種方法互相結(jié)合，取長補(bǔ)短的綜合研究方法漸漸成為研究的趨勢。(1)環(huán)境信息的獲得，即研究機(jī)器人獲得周圍工作環(huán)境信息的途徑的問題，其中最普遍的方式就是通過自身的各類傳感器來獲取，除此之外還有示教等。這里面涉及到機(jī)器人的導(dǎo)航與定位的問題以及傳感器信息融合等問題。(2)環(huán)境信息的理解問題，也可以稱之為將環(huán)境建模或建立地圖模型，即運(yùn)一些算法將所獲得的環(huán)境信息變成機(jī)器人能夠識別和運(yùn)用的數(shù)據(jù)信息，以備下一進(jìn)行可行路徑的搜索，主要是一些算法理論的研究。(3)可行路徑搜索問題，即研究如何將第二步所得的數(shù)據(jù)信息按照一定的標(biāo)準(zhǔn)或要求組織生成一條(段)可行的路徑，主要是一些優(yōu)化算法和理論的研究。按運(yùn)動類型的不同，移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃可分為三種：最優(yōu)路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃和自適應(yīng)路徑規(guī)劃。本課題著重研究局部路徑規(guī)劃。2.3.2局部路徑規(guī)劃局部路徑規(guī)劃71是指在未知或者部分已知的環(huán)境中進(jìn)行的路徑規(guī)劃，它根據(jù)有無最終目標(biāo)位置可以分成兩種情況：探索和漫游。后者僅要求移動機(jī)器人能避開障礙物，對運(yùn)動的朝向沒有約束。而對前者，則還有個最終目標(biāo)位置作指引，機(jī)器人必須努力向這個位置靠近，在機(jī)器人前進(jìn)的過程中，由于缺乏先驗的全局環(huán)境信息，有時一條明顯的路徑要花費(fèi)很大努力才能找到，而且由于信息的不完整性，不存在全局意義上的最優(yōu)指標(biāo)，但它可以達(dá)到