《智能輪椅簡介》PPT課件.ppt

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1、智能輪椅簡介 2012.5.2 一、智能機器人 1.智能機器人 機器人（ Robot）是自動執(zhí)行工作的機器 裝置 。它既 可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也 可以根據(jù)以 人工智能 技術制定的原則綱領行動。它的 任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建 筑業(yè)，或是危險的工作。 機器人是高級整合 控制論 、 機械電子、 計算機 、材料和 仿生學 的產(chǎn)物。 行業(yè)定義：機器人是靠自身 動力 和控制能力來實現(xiàn)各 種功能的一種機器。 聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下 的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了 執(zhí)行不同的任務而具有可用電腦改變和可編程動作

2、的 專門系統(tǒng)?！? 2.智能機器人的組成 機器人一般由執(zhí)行機構、 驅(qū)動裝置 、檢測裝置和控制系統(tǒng) 和復雜機械等組成。 （ 1）執(zhí)行機構 即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中 的運動副（轉動副或移動副常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即 為機器人的 自由度數(shù) 。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式 的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、 極坐標 式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將 機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、 手部（夾持器或末端 執(zhí)行器 ）和行走部（對于 移動機器人 ） 等。 （ 2）驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置是驅(qū)使執(zhí)行機構運動的

3、機構，按照控制系 統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行 動作。它輸入的是 電信號 ，輸出的是線、角位移量。 機器人使用的驅(qū)動裝置主要是 電力 驅(qū)動裝置，如 步 進電機 、 伺服電機 等，此外也有采用 液壓 、氣動等 驅(qū)動裝置。 （ 3）檢測裝置 檢測裝置是實時檢測機器人的運動及工作 情況 ，根 據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后， 對執(zhí)行機構進行調(diào)整，以保證機器人的動作符合預 定的要求。作為檢測裝置的 傳感器 大致可以分為兩 類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測機器人各部 分的內(nèi)部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、 加速度 等， 并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成

4、 閉環(huán)控制。 一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象 及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界 情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人 具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外 部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些 信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工 作精度。 （ 4）控制系統(tǒng)有兩種方式 一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺 微型計算 機 完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺 微機 來 分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機 器人的控制時， 主機 常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動 學

5、和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級 從機，各關節(jié)分別對應一個 CPU，進行插補運算和 伺服控 制 處理，實現(xiàn)給定的運動，并向主機反饋信息。根據(jù)作業(yè) 任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、 連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 3.智能機器人的分類 中國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩 大類，即工業(yè)機器人和 特種機器人 。所謂工業(yè)機器人 就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人。 而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造 業(yè)并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器 人、 水下機器人 、娛樂機器人、 軍用機器人 、農(nóng)業(yè)機 器人、機器人化機器等。

6、 在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系 的趨勢，如服務機器人 （視頻 1） 、水下機器人、軍 用機器人、微操作機器人等。 國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分 為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務與仿人型機器人，這和中國的分類是一致的。 空中機器人 又叫無人機器，近年來在軍用機器人家族 中，無人機是科研活動最活躍、技術進步最大、研究 及采購經(jīng)費投入最多、實戰(zhàn)經(jīng)驗最豐富的領域。 80多 年來，世界無人機的發(fā)展基本上是以美國為主線向前 推進的，無論從技術水平還是無人機的種類和數(shù)量來 看，美國均居世界之首位。 家務型機器人：能幫助人們打理生活，做簡單

7、的家務 活。 操作型機器人：能 自動控制 ，可重復編程，多功能， 有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng) 中。 程控型機器人 :：按預先要求的順序及條件，依次控制 機器人的機械動作。 家務型機器人：能幫助人們打理生活，做簡單的家務活。 操作型機器人：能 自動控制 ，可重復編程，多功能，有幾 個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。 程控型機器人 :：按預先要求的順序及條件，依次控制機 器人的機械動作。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導或其它方式，先教會機器人 動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行作業(yè)。 數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對

8、機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的 動作。 適應控制型機器人：能適應環(huán)境的變化，控制其自身的行 動。 學習控制型機器人：能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的 學習功能，并將所“學”的經(jīng)驗用于工作中。 搜救類機器人：在大型災難后，能進入人進入不了 的廢墟中，用紅外線掃描廢墟中的景象，把信息傳 送給在外面的搜救人員。 阿西莫機器人三定律 科幻小說家艾薩克 阿西莫夫在小說中所訂立的“機 器人三定律”。阿西莫夫為機器人提出的三條“定 律”（ law），程序上規(guī)定所有機器人必須遵守： 一：機器人不得傷害人

9、類，或袖手旁觀坐視人類受 到傷害； 二：除非違背第一法則，機器人必須服從人類的命 令； 三：在不違背第一及第二法則下，機器人必須保護 自己。 二、智能電動輪椅 1.智能輪椅的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 智能輪椅通常是在一臺標準電動輪椅的基礎上，增加 一臺電腦和一些傳感器或者在一個移動機器人的基礎 上增加一個座椅進行構建。 最早的相關研究開始于 1986年，輪椅通過視覺進行導 航協(xié)助。之后 IBM T.J.Watson Research Center的 Connell 和 Viola將座椅放在一個移動機器人平臺上， 利用操縱桿、超聲和紅外傳感器實現(xiàn)了機器人的行走 和避障等導航

10、功能。 Jaffe等負責的 smart wheelchair 項目利用兩個超聲波傳感器測定人的頭部運動位置， 并以此實現(xiàn)了利用頭部姿勢控制輪椅的運動。 經(jīng)過 20多年的開發(fā)， 世界各國的研究者相繼開發(fā)了 多種智能輪椅平臺。如美國麻省理工大學的 Wheelesley, 密西根大學的 NavChair，匹茲堡大學的 Haphaestus， SWCS(Smart Wheelchair ComponentSystem), 加拿大的 TAO項目， 西班牙的 SIAMO, 法國的 VAHM, 德國烏爾姆大學的 MAid,不萊 梅大學的 Rolland, FRIEDNS I,II系列 ,希臘的 SEN

11、ARIO等。 我國開展智能輪椅的研究較晚，但是也根據(jù)自己的技 術優(yōu)勢和特點， 開發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺， 包括中科院自動化所的多模態(tài)交互智能輪椅、嵌入式 智能輪椅， 上海交通大學的多功能智能輪椅， 中科 院深圳先進技術研究院基于頭部動作的智能輪椅等等。 在控制系統(tǒng)結構方面， 目前多數(shù)智能輪椅平臺上采用 的是主從式控制方式。 上位機負責系統(tǒng)的整體控制， 包括各功能子模塊的協(xié)調(diào)， 任務規(guī)劃， 系統(tǒng)管理以 及人機交互等， 同時完成運動控制量的計算、 送到 下位機， 以完成對輪椅的運動控制。 該種控制模式對硬件的要求較為簡單， 系統(tǒng)較容易構 建， 是系統(tǒng)驗證期所采用的典型結構。 目

12、前上位機 多采用普通 PC機，由于信息的集中處理使得上位機 的信息處理量大，負擔很重，實時性較差，無法滿足 實際使用的需要。 隨著嵌入式技術的飛速發(fā)展，采用嵌入式控制系統(tǒng)構 建智能輪椅平臺逐漸引起研究者們的注意，系統(tǒng)采用 ARM+DSP+FPGA的方式來分別構建智能輪椅的中央 控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)， 整個控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有實時性高、功耗低，續(xù) 航時間長的特點。 在控制模式方面，智能輪椅上普遍采用的是三種模式： 自動模式、半自動模式、手動模式。 在自動模式下，由使用者通過人機交互界面設定 目標，智能輪椅通過自身獲得的環(huán)境信息自主完成到 目標點的路徑

13、規(guī)劃和跟蹤，比如到臥室，客廳等。該模式主要針對控制輪椅能力較弱的老年人和殘疾人 ； 在半自動模式下， 則是通過使用者和輪椅之間的 協(xié)作控制來達到安全導航的目的。 該模式下以使用者 控制為主， 輪椅控制系統(tǒng)主要負責控制過程中的局部 規(guī)劃和安全檢測。 比如輪椅行進過程中的自主避障 ； 在門、 走廊等狹窄區(qū)域， 根據(jù)使用者的操縱指令進 行局部路徑規(guī)劃， 幫助使用者完成操縱意圖， 同時 避免危險發(fā)生等等。 在手動模式下， 則是由使用者通過操縱桿實現(xiàn)對 輪椅的完全控制， 相當于一臺普通的電動輪椅。在人 機接口方面， 針對不同殘疾人群， 研究者們開發(fā)了 多種智能輪椅人機接口。

14、 根據(jù)控制方式的不同，可以分為設定型人機接口和自 然型人機接口兩種。 設定型人機接口適用于那些殘疾程度較輕肢體能動性 較高而且意識較好的人群， 包括操縱桿控制、 按鍵 控制、 方向盤控制、 觸摸屏控制、 菜單控制等。 自然型人機接口的使用人群是那些殘疾程度較高， 肢 體能動性較低的人群， 包括語音控制、 呼吸控制、 頭部控制、 手勢控制、 生物信號控制等方式。 自然型人機接口由于交互中存在的無意識性使得控制 動作與非控制動作難以區(qū)分，因此需要采用合理的方 式將兩者加以區(qū)分，以免引起誤操作而導致輪椅失控。 通常智能輪椅上會根據(jù)使用者殘障程度的不同，安裝 有多種人機接口，從而能

15、夠與使用者實現(xiàn)多種途徑的 交互，提供更加安全的運動控制針對殘疾程度較重的 使用者，也有部分輪椅采用了輕型機械臂， 幫助使用 者完成撿拾物品、開、 倒水等活動。 2.智能輪椅關鍵技術 智能輪椅作為服務機器人的一種，涉及到了機 人技術、信息技術等多個領域的技術，其關鍵 技主要包括導航技術、人機接口技術兩部分。 2.1 導航 智能輪椅的導航技術主要來源于機器人技術，由于智能輪椅是以人為中心的控制系統(tǒng)， 其導航又有特殊性。 除了需要解決導航過程中輪椅運行空間環(huán)境模型建立， 輪椅的定位以及路徑規(guī)劃等問題，還更應關注導航中 的安全性以及與使用者的交互性。 為了盡可能準確地獲取環(huán)境信息，

16、 智能輪椅上都配備 了多種傳感器。包括內(nèi)部或外部編碼器、超聲波傳感 器、紅外傳感器、激光測距儀、碰撞傳感器、攝像頭等等。 智能輪椅通過多種傳感器收集數(shù)據(jù)，利用信息融合算法將能夠較準確的獲得環(huán)境特征， 為精確的導航提供 可靠的依據(jù)。目前研究者們已經(jīng)提出了多種信息融合 算法， 包括有加權平均法、 貝葉斯估計、卡爾曼濾 波、 模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。 （視頻 2） 2.1.1 全自主導航 智能輪椅的全自主導航主要是解決“ go-to-goal” 的問 題。使用者通過人機界面給出目標點，由輪椅完成路 徑規(guī)劃和路徑跟蹤。其導航技術主要采用自主移動機 器人的相關技術。導航的方法很多， 包括基

17、于路標導 航、 基于地圖導航、基于傳感器導航和基于視覺導航 等。 導航系統(tǒng)通常是由其中一種或幾種方式結合起來構成。 導航系統(tǒng)通過各種傳感器檢測環(huán)境信息， 建立環(huán)境模 型， 確定輪椅的位置和方向， 然后規(guī)劃出安全有效 的運動路徑， 并自主實現(xiàn)路徑跟蹤。 在運動過程中， 系統(tǒng)需要與使用者進行實時交互， 根據(jù)目標點的變更實時調(diào)整運動路徑。 2.1.3 半自主導航 半自主導航，也稱為分享導航 (sharednaviga-tion)， 主要是解決“ where he/she wants to go”的問題，是 智能輪椅導航研究中的重點。目前智能輪椅半自主導 航主要關注于意圖理解 (Im

18、p-licit communication)和安 全避障 (safeob stacle- avoidance)的問題。 意圖理解是指當輪椅處于環(huán)境較為復雜的情況下，根 據(jù)自身的環(huán)境探測以及使用者的操縱指令給出合理的 行動規(guī)劃， 或者通過人機交互的方式來給出幾種選擇 以供使用者參考。 安全避障則是指在保證使用者操縱指令正確執(zhí)行的情 況下使輪椅避開障礙物， 防止碰撞的發(fā)生。 2.人機接口 智能輪椅是以人為中心的控制系統(tǒng)，因此，智能輪椅的控制系統(tǒng)不是設計的自主性越高越好，而是應該考 慮到使用者的身體特點， 有效地補償他 /她的不足， 充分發(fā)揮他 /她的主動性。這就決定了智能輪椅人機接

19、口的多樣性。人機接口的設計需要考慮使用者的生理 特點以及在各種情況下的心理反應以實現(xiàn)輪椅與使用者之間的和諧合作機制。 (1)操縱桿控制。該方式指示方向明確簡單，是電動輪 椅的標準配置， 因此在多數(shù)智能輪椅上都仍然保留了 這一人機接口。 但是在使用者手部存在病理性顫動的 情況下， 采用普通操縱桿將無法正常地操縱輪椅。針 對這樣的情況，不少研究者進一步開發(fā)了“智能”操縱桿。 (2)按鍵、觸摸屏、菜單控制。這些方式一般是將輪椅 的方向控制分為 4個或 8個方向的按鍵。 其好處是輪 椅運動方向明確、 控制較精確， 而缺點是不夠靈活。 (3)語音控制。利用口令識別和語音合成技術，實現(xiàn)使 用者

20、與輪椅的語音對話以及對輪椅運動的控制。 西班 牙的 SIAMO， 中科院自動化所的多模態(tài)交互智能輪 椅，上海交通大學的智能輪椅均采用了語音交互的人 機接口。但目前所使用的語音命令是離散的，只能進 行簡單的方向命令控制，還無法實現(xiàn)真正意義上的語 言對話，而且在環(huán)境嘈雜的情況下語音命令的識別率 往往會急劇下降。 (4)呼吸控制。 使用者可以通過在一個壓力開關上吹 氣以激活期望的輸出從而實現(xiàn)對輪椅的控制。西班牙 的 SIAMO采用了這種驅(qū)動方式。通過差動氣流傳感器 檢測輸入的呼吸氣流的強度和方向，輸出經(jīng)過處理和 編碼后的控制命令傳送到導航模塊。根據(jù)傳感器信號 的強度控制輪椅的線速度，根據(jù)氣流的方

21、向控制輪椅 的角速度。 (5)頭部控制。頭部運動是能夠指示方向的一個很自然 的方式， 可以直接用來替代操縱桿保持相似的控制， 且這種方式給那些高度脊椎損傷和運動神經(jīng)疾病的病 人帶來獨立控制的可能性。 (6)手勢控制。通過手勢的指向來獲取控制信息。使用 者帶上特定顏色的手套，控制系統(tǒng)通過 CCD攝像頭獲 得圖像信息并將手部區(qū)域分隔出來，以判斷使用者的 手勢，進而將手勢指令轉化為驅(qū)動指令，達到控制輪 椅運動的目的。 （視頻 3,6） (7)生物信號控制。包括通過檢測肌動電流（ EMG）， 腦動電流（ EEG），眼動電流（ EOG）來判斷使用 者的行使意圖， 并進而控制輪椅相應的運動。 （視頻 4,5） 3.存在的問題 (1)人機交互不夠自然。雖然已開發(fā)了多種智能輪椅 人機交互接口， 但是仍處于通人機接口對輪椅進行簡 單控制的階段， 對自然中使用者的無意識行為與有意 識行為的區(qū)分還缺，無法達到自然交互的目的。 (2)輪椅的安全保統(tǒng)不夠完善。 目前多數(shù)智能輪椅平 臺較重視功能現(xiàn)， 對于各種環(huán)境下危險發(fā)生的可能性 以及相應障措施研究不夠。 (3)智能輪椅控制系統(tǒng)實時性較功耗較大， 續(xù)航能力 不高， 離真正的實用還有一定離。