《智能轮椅简介》PPT课件.ppt

智能轮椅简介 2012.5.2 一、智能机器人 1.智能机器人 机器人（ Robot）是自动执行工作的机器 装置 。它既 可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也 可以根据以 人工智能 技术制定的原则纲领行动。它的 任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建 筑业，或是危险的工作。 机器人是高级整合 控制论 、 机械电子、 计算机 、材料和 仿生学 的产物。 行业定义：机器人是靠自身 动力 和控制能力来实现各 种功能的一种机器。 联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下 的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了 执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的 专门系统。” 2.智能机器人的组成 机器人一般由执行机构、 驱动装置 、检测装置和控制系统 和复杂机械等组成。 （ 1）执行机构 即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中 的运动副（转动副或移动副常称为关节，关节个数通常即 为机器人的 自由度数 。根据关节配置型式和运动坐标形式 的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、 极坐标 式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将 机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、 手部（夹持器或末端 执行器 ）和行走部（对于 移动机器人 ） 等。 （ 2）驱动装置 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系 统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行 动作。它输入的是 电信号 ，输出的是线、角位移量。 机器人使用的驱动装置主要是 电力 驱动装置，如 步 进电机 、 伺服电机 等，此外也有采用 液压 、气动等 驱动装置。 （ 3）检测装置 检测装置是实时检测机器人的运动及工作 情况 ，根 据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后， 对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预 定的要求。作为检测装置的 传感器 大致可以分为两 类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部 分的内部状况，如各关节的位置、速度、 加速度 等， 并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成 闭环控制。 一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象 及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界 情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人 具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外 部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些 信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工 作精度。 （ 4）控制系统有两种方式 一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台 微型计算 机 完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台 微机 来 分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机 器人的控制时， 主机 常用于负责系统的管理、通讯、运动 学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级 从机，各关节分别对应一个 CPU，进行插补运算和 伺服控 制 处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业 任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、 连续轨迹控制和力（力矩）控制。 3.智能机器人的分类 中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两 大类，即工业机器人和 特种机器人 。所谓工业机器人 就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。 而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造 业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器 人、 水下机器人 、娱乐机器人、 军用机器人 、农业机 器人、机器人化机器等。 在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系 的趋势，如服务机器人 （视频 1） 、水下机器人、军 用机器人、微操作机器人等。 国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分 为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。 空中机器人 又叫无人机器，近年来在军用机器人家族 中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究 及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。 80多 年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前 推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来 看，美国均居世界之首位。 家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务 活。 操作型机器人：能 自动控制 ，可重复编程，多功能， 有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统 中。 程控型机器人 :：按预先要求的顺序及条件，依次控制 机器人的机械动作。 家务型机器人：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。 操作型机器人：能 自动控制 ，可重复编程，多功能，有几 个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 程控型机器人 :：按预先要求的顺序及条件，依次控制机 器人的机械动作。 示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人 动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。 数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对 机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的 动作。 适应控制型机器人：能适应环境的变化，控制其自身的行 动。 学习控制型机器人：能“体会”工作的经验，具有一定的 学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。 搜救类机器人：在大型灾难后，能进入人进入不了 的废墟中，用红外线扫描废墟中的景象，把信息传 送给在外面的搜救人员。 阿西莫机器人三定律 科幻小说家艾萨克 阿西莫夫在小说中所订立的“机 器人三定律”。阿西莫夫为机器人提出的三条“定 律”（ law），程序上规定所有机器人必须遵守： 一：机器人不得伤害人类，或袖手旁观坐视人类受 到伤害； 二：除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命 令； 三：在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护 自己。 二、智能电动轮椅 1.智能轮椅的国内外研究现状 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，轮椅通过视觉进行导 航协助。之后 IBM T.J.Watson Research Center的 Connell 和 Viola将座椅放在一个移动机器人平台上， 利用操纵杆、超声和红外传感器实现了机器人的行走 和避障等导航功能。 Jaffe等负责的 smart wheelchair 项目利用两个超声波传感器测定人的头部运动位置， 并以此实现了利用头部姿势控制轮椅的运动。 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。如美国麻省理工大学的 Wheelesley, 密西根大学的 NavChair，匹兹堡大学的 Haphaestus， SWCS(Smart Wheelchair ComponentSystem), 加拿大的 TAO项目， 西班牙的 SIAMO, 法国的 VAHM, 德国乌尔姆大学的 MAid,不莱 梅大学的 Rolland, FRIEDNS I,II系列 ,希腊的 SENARIO等。 我国开展智能轮椅的研究较晚，但是也根据自己的技 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、嵌入式 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等。 在控制系统结构方面， 目前多数智能轮椅平台上采用 的是主从式控制方式。 上位机负责系统的整体控制， 包括各功能子模块的协调， 任务规划， 系统管理以 及人机交互等， 同时完成运动控制量的计算、 送到 下位机， 以完成对轮椅的运动控制。 该种控制模式对硬件的要求较为简单， 系统较容易构 建， 是系统验证期所采用的典型结构。 目前上位机 多采用普通 PC机，由于信息的集中处理使得上位机 的信息处理量大，负担很重，实时性较差，无法满足 实际使用的需要。 随着嵌入式技术的飞速发展，采用嵌入式控制系统构 建智能轮椅平台逐渐引起研究者们的注意，系统采用 ARM+DSP+FPGA的方式来分别构建智能轮椅的中央 控制系统、传感器系统、视觉系统和运动控制系统， 整个控制系统运行稳定，具有实时性高、功耗低，续 航时间长的特点。 在控制模式方面，智能轮椅上普遍采用的是三种模式： 自动模式、半自动模式、手动模式。 在自动模式下，由使用者通过人机交互界面设定 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 ； 在半自动模式下， 则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。 该模式下以使用者 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。 比如轮椅行进过程中的自主避障 ； 在门、 走廊等狭窄区域， 根据使用者的操纵指令进 行局部路径规划， 帮助使用者完成操纵意图， 同时 避免危险发生等等。 在手动模式下， 则是由使用者通过操纵杆实现对 轮椅的完全控制， 相当于一台普通的电动轮椅。在人 机接口方面， 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。 根据控制方式的不同，可以分为设定型人机接口和自 然型人机接口两种。 设定型人机接口适用于那些残疾程度较轻肢体能动性 较高而且意识较好的人群， 包括操纵杆控制、 按键 控制、 方向盘控制、 触摸屏控制、 菜单控制等。 自然型人机接口的使用人群是那些残疾程度较高， 肢 体能动性较低的人群， 包括语音控制、 呼吸控制、 头部控制、 手势控制、 生物信号控制等方式。 自然型人机接口由于交互中存在的无意识性使得控制 动作与非控制动作难以区分，因此需要采用合理的方 式将两者加以区分，以免引起误操作而导致轮椅失控。 通常智能轮椅上会根据使用者残障程度的不同，安装 有多种人机接口，从而能够与使用者实现多种途径的 交互，提供更加安全的运动控制针对残疾程度较重的 使用者，也有部分轮椅采用了轻型机械臂， 帮助使用 者完成捡拾物品、开、 倒水等活动。 2.智能轮椅关键技术 智能轮椅作为服务机器人的一种，涉及到了机 人技术、信息技术等多个领域的技术，其关键 技主要包括导航技术、人机接口技术两部分。 2.1 导航 智能轮椅的导航技术主要来源于机器人技术，由于智能轮椅是以人为中心的控制系统， 其导航又有特殊性。 除了需要解决导航过程中轮椅运行空间环境模型建立， 轮椅的定位以及路径规划等问题，还更应关注导航中 的安全性以及与使用者的交互性。 为了尽可能准确地获取环境信息， 智能轮椅上都配备 了多种传感器。包括内部或外部编码器、超声波传感 器、红外传感器、激光测距仪、碰撞传感器、摄像头等等。 智能轮椅通过多种传感器收集数据，利用信息融合算法将能够较准确的获得环境特征， 为精确的导航提供 可靠的依据。目前研究者们已经提出了多种信息融合 算法， 包括有加权平均法、 贝叶斯估计、卡尔曼滤 波、 模糊逻辑、人工神经网络等。 （视频 2） 2.1.1 全自主导航 智能轮椅的全自主导航主要是解决“ go-to-goal” 的问 题。使用者通过人机界面给出目标点，由轮椅完成路 径规划和路径跟踪。其导航技术主要采用自主移动机 器人的相关技术。导航的方法很多， 包括基于路标导 航、 基于地图导航、基于传感器导航和基于视觉导航 等。 导航系统通常是由其中一种或几种方式结合起来构成。 导航系统通过各种传感器检测环境信息， 建立环境模 型， 确定轮椅的位置和方向， 然后规划出安全有效 的运动路径， 并自主实现路径跟踪。 在运动过程中， 系统需要与使用者进行实时交互， 根据目标点的变更实时调整运动路径。 2.1.3 半自主导航 半自主导航，也称为分享导航 (sharednaviga-tion)， 主要是解决“ where he/she wants to go”的问题，是 智能轮椅导航研究中的重点。目前智能轮椅半自主导 航主要关注于意图理解 (Imp-licit communication)和安 全避障 (safeob stacle- avoidance)的问题。 意图理解是指当轮椅处于环境较为复杂的情况下，根 据自身的环境探测以及使用者的操纵指令给出合理的 行动规划， 或者通过人机交互的方式来给出几种选择 以供使用者参考。 安全避障则是指在保证使用者操纵指令正确执行的情 况下使轮椅避开障碍物， 防止碰撞的发生。 2.人机接口 智能轮椅是以人为中心的控制系统，因此，智能轮椅的控制系统不是设计的自主性越高越好，而是应该考 虑到使用者的身体特点， 有效地补偿他 /她的不足， 充分发挥他 /她的主动性。这就决定了智能轮椅人机接 口的多样性。人机接口的设计需要考虑使用者的生理 特点以及在各种情况下的心理反应以实现轮椅与使用者之间的和谐合作机制。 (1)操纵杆控制。该方式指示方向明确简单，是电动轮 椅的标准配置， 因此在多数智能轮椅上都仍然保留了 这一人机接口。 但是在使用者手部存在病理性颤动的 情况下， 采用普通操纵杆将无法正常地操纵轮椅。针 对这样的情况，不少研究者进一步开发了“智能”操纵杆。 (2)按键、触摸屏、菜单控制。这些方式一般是将轮椅 的方向控制分为 4个或 8个方向的按键。 其好处是轮 椅运动方向明确、 控制较精确， 而缺点是不够灵活。 (3)语音控制。利用口令识别和语音合成技术，实现使 用者与轮椅的语音对话以及对轮椅运动的控制。 西班 牙的 SIAMO， 中科院自动化所的多模态交互智能轮 椅，上海交通大学的智能轮椅均采用了语音交互的人 机接口。但目前所使用的语音命令是离散的，只能进 行简单的方向命令控制，还无法实现真正意义上的语 言对话，而且在环境嘈杂的情况下语音命令的识别率 往往会急剧下降。 (4)呼吸控制。 使用者可以通过在一个压力开关上吹 气以激活期望的输出从而实现对轮椅的控制。西班牙 的 SIAMO采用了这种驱动方式。通过差动气流传感器 检测输入的呼吸气流的强度和方向，输出经过处理和 编码后的控制命令传送到导航模块。根据传感器信号 的强度控制轮椅的线速度，根据气流的方向控制轮椅 的角速度。 (5)头部控制。头部运动是能够指示方向的一个很自然 的方式， 可以直接用来替代操纵杆保持相似的控制， 且这种方式给那些高度脊椎损伤和运动神经疾病的病 人带来独立控制的可能性。 (6)手势控制。通过手势的指向来获取控制信息。使用 者带上特定颜色的手套，控制系统通过 CCD摄像头获 得图像信息并将手部区域分隔出来，以判断使用者的 手势，进而将手势指令转化为驱动指令，达到控制轮 椅运动的目的。 （视频 3,6） (7)生物信号控制。包括通过检测肌动电流（ EMG）， 脑动电流（ EEG），眼动电流（ EOG）来判断使用 者的行使意图， 并进而控制轮椅相应的运动。 （视频 4,5） 3.存在的问题 (1)人机交互不够自然。虽然已开发了多种智能轮椅 人机交互接口， 但是仍处于通人机接口对轮椅进行简 单控制的阶段， 对自然中使用者的无意识行为与有意 识行为的区分还缺，无法达到自然交互的目的。 (2)轮椅的安全保统不够完善。 目前多数智能轮椅平 台较重视功能现， 对于各种环境下危险发生的可能性 以及相应障措施研究不够。 (3)智能轮椅控制系统实时性较功耗较大， 续航能力 不高， 离真正的实用还有一定离。