目前市场上的普通轮椅和普通电动轮椅种类很多，但他们又拥有一个共同的缺点：只能在物障碍的室内或者平坦的地面上行走。为了解决每当面临着障碍物或者楼梯口时就显得无能为力这一问题，现在的轮椅已经向着智能轮椅方面发展，智能轮椅融合了多个领域的研究成果，例如机械、电气、控制、传感器、人工智能等。这些科学领域的融合使智能轮椅具有较好的交互性、适用性和自主性等优点。智能轮椅是在普通轮椅的基础之上加以改造的，往往加上一些控制系统（电脑和传感器）和对座椅进行改造。84379

1 国外研究现况

轮履变结构轮式服务机器人也被称为智能轮椅，将智能机器人技术应用在电动轮椅的基础之上，在融合机器视觉、机器人导航定位和人机接口等多领域技术。一开始，只是赋予轮椅低级控制，例如简单的运动、速度控制及避障功能。随着科学技术的发展，智能轮椅有了更好的交互性、适应性和自主性。智能轮椅的研究最早始于1986年，由Jaffe负责的smart wheelchair项目中，利用两个超声波传感器测定人的头部运动位置以此来实现通过头部姿态来控制轮椅在室内和平坦路面上的运动[7]。经过大量研究人员30年的努力，国外相继出现了许多的智能轮椅平台，例如麻省理工学院WHEELSLEY、法国VAHM智能轮椅项目[7]。论文网

      图1-3 麻省理工学院WHEELSLEY                 图1-4法国VAHM智能轮椅项目

图1-3为麻省理工智能实验室的自能轮椅威尔斯利[4]。它是一款半自主式机器人轮椅，配有计算机控制和传感器的电动轮椅，还装有一个用于人机交互的Macintosh笔记本电脑。系统有两种控制级别：高级方向指令和低级计算机控制路线，用户拥有最高控制权[4]。

图1-4为法国的VAHM项目[4]。该智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户体能力转换的图形屏幕组成，可设置为手动、半自动、自动三种模式。手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务；半自动用户和轮椅共同参与控制；自动模式用户只需要设定目标，控制系统将会控制轮椅的运动。该轮椅适应能力强，功能多，控制系统更加稳定[4]。

图1-5 轮椅机器人MAID

图1-5为德国乌尔姆大学研制的轮椅机器人MAID[18]。该轮椅机器人在公共场所拥挤的环境下，进行了超过36小时的实验，自动识别和判断出前方是否有行人挡路，或是对路面情况进行判断自动采取绕行模式，它甚至还能够提醒行人让行人让路[18]。根据航行的环境不同轮椅可以在NAN(狭窄区域航行)和WAN（宽区域航行）两种模式下运行，增加航行的准确率[18]。

2 国内研究现况

国内由于种种原因，对智能轮椅的研究起步较晚。通过近些年的不断努力，也取得了较大的进步。 爬楼梯的结构设计目前已经取得的较大的成果，通过国内科研机构的研究成果来看，可以将其分为轮组式、步行式和履带式三大类[20]。轮组式通过行星轮和行星架的行星轮机构来实现运动。在平坦的地面，行星轮围绕着各自的轴线自转，而在上楼梯的过程中，行星轮将不再绕轴线自转而是绕着行星机构的中轴线公转；步行式由两套以上的支撑机构组合而成，通过各套支撑机构的交替变化来实现爬楼梯运动，模拟仿真人上下楼梯。履带式类是于军队中的坦克，通过履带和楼梯接触时产生的摩擦力来上下楼梯[9]。

爬楼梯的控制系统主要是根据爬楼梯轮椅要实现的具体功能来设计。目前流行的控制方式为主从式控制方式，它在对那些硬件要求不高的系统容易实现。该系统包括负责数据运算的上位机、接受数据的下位机和系统整体控制的模块。其中系统整体控制模块包括系统管理、各个子功能模块协调、任务规划和人机交互等。嵌入式技术的快速发展给搭建智能轮椅控制平台提供了新思路，中科院自动化所开发的嵌入式智能轮椅系统采用了ARM+DSP+FPGA的方式，成功地开发出多个系统，例如运动控制系统，传感器系统，视觉系统以及中央控制系统。该系统具有良好的稳定性、可靠的实时性、较好的续航能力和低功耗等优点。该控制系统的设计使我国智能轮椅的产业化迈进了一大步。但是整体而言，我国高性能智能轮椅控制器的研制还是有很大的缺陷，大多高科技电动轮椅都是从国外进口的。在人机接口方面，可以根据使用者的具体要求来设计不同的人机接口。人机接口分为自然型和设定型两种，其中自然型是通过手势、语言、头部等生物信号来对智能轮椅进行控制，该人机接口的形式适用于肢体能动性较差以及残疾程度较高的人群。另一种人机接口形式为设定型人机接口，通过按键、触摸屏、操纵杆、方向盘控制轮椅的运动，比较适合于肢体行动能力较好和残疾程度较轻的人群。