本期关注：智能轮椅
中国科学院有关负责人日前表示，中科院开发的智能轮椅等科技助残成果在北京残奥会期间得到应用，为残障人士带来更多便利。
原魁 中科院自动化所研究员，博士生导师，高技术创新中心副主任，智能轮椅项目负责人。
在本次残奥会上，来自各国的高科技轮椅纷纷现身，帮助残疾人运动员完成了一场又一场激烈的竞争。令人高兴的是，中科院自动化所研制的智能轮椅此次也参与了残奥会的服务工作。
智能轮椅作为一种服务机器人，具有自主导航、避障、人机对话以及提供特种服务等多种功能，可以帮助残疾人和老年人获得生活自理能力和工作能力，融入社会。智能轮椅通常是在一台标准电动轮椅的基础上增加一台电脑和一些传感器，或者在一个移动机器人的基础上增加一个座椅进行构建。最早的相关研究开始于1986年，经过20多年的开发，世界各国的研究者相继开发了多种智能轮椅平台。
控制模式因人而变
智能轮椅是以人为中心的控制系统，因此其控制系统不是设计的自主性越高越好，而应该考虑到使用者的身体特点，有效补偿其不足，充分发挥其主动性。
在控制模式方面，智能轮椅上普遍采用的是3种模式：自动模式、半自动模式和手动模式。
在自动模式下，由使用者设定目标，智能轮椅通过自身获得的环境信息自主完成到目标点的路径规划和跟踪，比如到卧室、客厅等。该模式主要针对控制轮椅能力较弱的老年人和残疾人。
半自动模式是通过使用者和轮椅之间的协作控制来达到安全导航的目的。以使用者控制为主，轮椅控制系统主要负责控制过程中的局部规划和安全检测。
手动模式则是使用者通过操纵杆对轮椅完全控制，相当于普通的电动轮椅。
不同残障程度人群
都有办法操控轮椅
针对不同残疾人群，研究者们开发了多种智能轮椅人机接口。对于那些残疾程度较轻、肢体能动性较高且意识较好的人群，可以采用操纵杆控制、按键控制、方向盘控制、触摸屏控制、菜单控制等方式。而对于残疾程度较高、肢体能动性较低的人群，研究者也可以给他们提供语音控制、头部控制、手势控制、舌头动作控制，甚至肌电信号控制和大脑意念信号控制等办法。
通常，设计者可根据使用者残障程度的不同，安装多种人机接口，从而能与使用者实现多种途径的交互，提供更加安全的运动控制。
另外，针对残疾程度较重的使用者，部分轮椅上采用了轻型机械臂，帮助完成捡拾物品、开门、倒水等活动。有的智能轮椅能够利用两对驱动轮的交替旋转实现攀爬楼梯的目的；还有轮椅两侧加装了机械腿，通过机械腿的支撑作用攀爬楼梯。
很多人都知道著名物理学家霍金。他患肌肉萎缩症，几乎全身都不能动，既不能说话，也不能做手势。但凭借一辆智能轮椅，霍金仍能做很多事。他用两根其实没有多大力气的手指头操作电动轮椅“行走”，他眼睛及脸部肌肉的变化会通过传感器输入到专门软件，经处理后转换为文字信号，自动显示在屏幕上，并合成语音发声。他还能通电话，使用遥控器控制电视、录像机，听音乐，锁门、开关灯以及写下一个个艰深的方程式。
服务残疾人的中国智能轮椅
中国开展智能轮椅的研究较晚，但也根据自己的技术优势和特点，开发出了有特色的智能轮椅平台，包括中科院自动化所的多模态交互智能轮椅、采用嵌入式控制系统智能轮椅，上海交通大学的多功能智能轮椅，中科院深圳先进技术研究院基于头部动作的智能轮椅等。
中科院自动化所研制的一种低成本智能轮椅此次出现在残奥会期间举行的国际福祉展览会上。这种新型智能轮椅上安装有传感器，具有良好的智能控制功能。当轮椅遇到障碍物时，可以自动减速，避免碰撞；当轮椅前方的地面出现坑洼时，可以自动停止运动，防止跌落；使用者能够用遥控装置将不在身边的轮椅“驱动”到自己的身旁；不能直接操作轮椅的使用者也可以通过佩戴特殊的手套或项圈，通过手势或头部的运动对轮椅进行控制；等等。
中科院自动化所正在研制的另外一种智能轮椅具有更多的功能和更高的性能。例如，在无线局域网所覆盖的范围内，轮椅可以在室内利用自身的视觉系统进行“自主导航”，自己移动到使用者指定的位置而不需要使用者自己对轮椅进行直接控制；使用者可以通过安装在轮椅上的机械手臂，实现开门、端水、从地上捡物品等原来根本不可能完成的任务；医生或家人可以实时监控使用者的情况，并可以通过遥控操作方式控制轮椅的移动；等等。目前，我国已经完全掌握了智能轮椅控制系统和传感器系统的各种关键技术。
研究者们还须解决的问题
20年来，虽然智能轮椅研究有了很大进展，功能不断丰富，安全性和可靠性不断提高，但仍存在一定问题。
首先，人机交互仍然不够方便。虽然研究人员已经开发了多种类型的人机交互接口，但一些人机接口难以准确地区分使用者的无意识行为与有意识行为，实用性较差，因而多数智能轮椅仍然只能通过人机接口对轮椅进行简单控制。
其次，轮椅的安全保障系统不够完善。目前，多数智能轮椅平台比较重视功能的实现，而对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够。
另外，目前智能轮椅的控制系统和传感器系统过于复杂，因而造成智能轮椅本身成本过高、功耗较大，续航能力难以满足实际需要。
产业化未来：
肯定不只是少数人的奢侈品
由于目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能够使用而难以进入普通家庭。
但是，随着嵌入式技术的飞速发展，基于嵌入式系统的智能轮椅控制器将能很好解决现有控制器所存在的成本高、功耗大、续航能力差等问题。中科院自动化所的研究团队已经对基于嵌入式系统的智能轮椅控制与传感器系统进行了比较深入的研究，完成了多种专用模块的开发，并已研制开发了一种新的智能轮椅控制器。因为完全采用自主技术，这种新型智能轮椅控制器与电动轮椅控制器相比，成本增加不多，采用这种控制器的智能轮椅也将与目前市场上销售的电动轮椅售价相差不多，这就向智能轮椅的产业化方向迈进了一大步。
因此，我们完全可以相信，在不远的将来，不同类型的智能轮椅将进入普通家庭，智能轮椅将不是少数人才能用得起的奢侈品。
《科学时报》 (2008-9-17 要闻)
