随着物质生活水平和医疗技术的不断提高,以及晚婚晚育等新观念的普及,老龄人口数的占比不断提升,这是社会进步的自然趋势^{[1, 2, 3]}。但是,老龄人口占比的提升,对每位年轻人照顾老年人所需花费的精力份额也显著增加。与此同时,当今信息社会工作与生活节奏的不断提高,使得年轻人越来越难以抽出更多的时间照顾老龄人。而作为老龄人,随着社会进步观念的普及,也越来越希望自己的生活能够自理,尽量不拖累年轻一代的工作与学习。另外,残疾人士的生活质量提升,也是社会进步中应该加以重视的课题。在这样一个总体背景下,如何充分利用现代技术成果,开发有助于老龄人、残疾人的生活自理的智能产品,使他们能自主、安全、舒适、有尊严地生活,既是他们自身的热切期望,也是社会公众的一致诉求。

用于助老助残的人机协调和普适环境^[4],包括安全、智能、无障碍的行走,周围电灯、空调、电视机、窗帘、热水器的控制等。其中,可自由运动、变形的智能轮椅床,是重要的组成部分之一。智能轮椅床的主要功能,是既能作为轮椅载人出行,又能在老、残人士疲劳时变形为床以供休息。此外,还要能够接受监护人的遥控,以及与周围的服务机器人协同等。

为此,本文设计了基于Agent(智能体)概念的智能轮椅床控制模块。

Agent的最早概念是一个具有自兼容性、交互性和并发处理功能的,具有封闭的内在状态,并可与同类对象交换信息的行为实体^[5]。

Agent作为计算机系统,具有两种重要能力。首先,每个Agent至少在某种程度上可以自治行动,即可由其自己决定,需要采取什么行动以实现其设计目标。其次,每个Agent都可以与其他Agent进行交互,这种交互不是简单的交换数据,而是参与某种社会或协同行为,包括合作、协作和协商等。
Agent通常是一个具有自治性、社会性、反应性和预动性的系统^[6]。自治性是指,Agent运行时可以不直接由人或者其他系统控制,其对自己的行为和内部状态有一定的控制权。社会性是指,Agent能够与其他Agent进行信息交换。反映性是指,Agent能够感知所处的环境,并能通过其行为改变环境。预动性是指,Agent能够主动地,或自发地感知所处环境的变化,并作出基于目标的行为。

Agent的典型体系结构,大致有慎思型、反应型、混合型三类。从本课题的情况出发,选择简单、高效的反应型结构比较合适。图 1为本智能轮椅床所用的Agent功能结构体。

图 1

Fig. 1

图 1 智能轮椅床的Agent功能结构 Fig. 1 Agent functional structure of the wheelchair bed

该Agent将各种预先组织好的条件与反应过程,化成动作规划库中的可选择内容。借助于传感器组感知当前环境状况,并结合来自上位机或其他Agent的协同信息,给出应对判断。然后通过动作选择,指示动作机构根据动作规划库的对应过程实施,达到改变Agent自身与环境关系的目的,亦即实现智能轮椅床的行走、变位、保持稳定等功能。

按照Agent的结构方式设计程序,可避免纵横交错的条件判断语句、减少繁杂的交互函数套叠,使程序块功能清晰,应对变化快速、可靠。

根据功能的需求,设计的智能轮椅床如图 2所示。基本结构包括座位部、靠背部、踏脚部、靠腿部、扶手部、行走动力轮、行走辅助轮,以及床态前撑、床态后撑、多个变位动作电机、相关的光电信息^{[7, 8]}、转角、位置、载荷传感器等。其中,床态前撑、床态后撑分别隐在靠背部和脚踏部之中。

图 2

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图 2 智能轮椅床的基本结构 Fig. 2 Mechanical structure of the wheelchair bed

设计的轮椅床自重70 kg,总承重120 kg,踏脚板承重80 kg,扶手靠推力20 kg。为减少重复性机构所占空间,在保证使用性能的前提下简化结构,左右扶手部分、靠腿与踏脚部分实施联动设计^{[9, 10, 11]}。

为保证行走、变位、平躺各种状态的平衡,在行走动力轮、行走辅助轮、床态前撑、床态后撑上装有重力载荷传感器,以便检测乘用人员的重心变化,防止意外翻倒的产生。

在变位过程中,随时检测乘用者的重心变化,根据重心位置的状况,有选择地实施安全的变位动作,以防止变位动作与乘用者配合不当可能出现的重心偏移。当监测到重心接近平稳临界限制时会报警,提示乘用人员纠正体态或放弃外抓重物等。如果报警后未检测到重心校正指令且偏移进一步加大,隐在靠背部、踏脚部之中的辅助支撑立即探出着地,防止轮椅翻倒。尔后,若重心位置恢复正常,则收回着地的辅助支撑。

从功能需求考虑,智能轮椅床的电气配置如图 3所示。环境感知信息主要由光电信息传感器组、角度传感器组、载荷传感器组、限位传感器组获取。动作执行主要由行走机构控制部分、床体变形控制部分构成。

图 3

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图 3 智能轮椅床的电气配置 Fig. 3 Electrical configuration of the wheelchair bed

角度传感器组用于对各轮椅变位部件转角的感知,以便判定轮椅当前的状态以及变位的速度等。载荷传感器组主要监测四轮支撑件上的重力载荷,以便判定轮椅床中心变动,防止翻倒。限位传感器组用于各部件变位极限状态的感知,防止某个角度传感器失效时因过度驱动产生损坏。

变形部件选用博世0130002529电动机,只需12 V直流供电,可输出较高功率。另外,借助高速比减速器,可以足够大地输出转矩完成变位动作。行走部件选用BH32系列伺服电动机,该电机具有功率大、力矩大、体积小的特点,在满足轮椅床行走需要的同时,减少所占空间。选用赛特公司的BT系列蓄电池,直接给出所需的12 V、48 V直流供电。

作为处于助老助残普适环境中的智能轮椅床,其变位姿态与行进状况信息的获取,还可以由所处环境中布置的若干台摄象机完成。这些信息经上位机判别后,发出调整、变位等遥控指令,智能轮椅床接收后可作出协同响应。

综合考虑所需功能、性价比等因素,微控部件由Freescale单片机以及EMW3X80嵌入式Wi-Fi模块等外围件构成。主芯片采用MC9S08QE128,80引脚，图 4为MC9S08QE128功能结构图。因MC9S08QE128具有丰富的输入/输出资源,比较容易覆盖轮椅床的多传感器信号输入、多种输出控制的需要。

图 4

Fig. 4

图 4 MC9S08QE128功能结构图 Fig. 4 Functional structure of the MC9S08QE128

MC9S08QE128是低功耗、低电源、高效运作的8位微控制(MCUs)单元HCS08系列的成员。支持高达50.33 MHz的CPU时钟频率,32个中断/复位源,128 KB存储空间。图中，V_DD和V_SS是MCU的主要电源供给引脚;V_DDA和V_SSA是MCU中ADC模块的电源供给引脚。

MC9S08QE128拥有两个独立的模拟比较器ACMP1和ACMP2。拥有逐次逼近式的12位数模转换器(ADC),2.5 μs转换时间,支持28个独立模拟输入,可选择4个输入时钟源。拥有SCI1和SCI2两个通信接口,拥有SPI1和SPI2两个串行外围设备接口。拥有2个3道(TPM1与TPM2)和1个6道(TPM3)的S08TPMV3定时器脉冲宽度调节器。70个GPIO以及1个仅输入和1个仅输出引脚。

HCS08系列的开发支持系统背景调试控制器(BDC)和片上调试模块(DBG)。BDC提供单线调试接口与目标连接,通过BDC可方便地进行片上闪存和其他非易失性存储器的编程。BDC允许以非侵入方式存取存储器数据和传统调试功能,诸如CPU积存器修改、断点和单指令跟踪命令等。

运行软件的设计,充分考虑Agent的构件需要,立足于具体的硬件配置,主要流程图如图 5所示。

图 5

Fig. 5

图 5 运行软件主流程图 Fig. 5 Main flow chart of the operation software

智能轮椅床可随时接收乘用人的键盘控制指令,以及监护人通过无线模块发来的遥控指令。当同时收到的键盘指令与遥控指令不一致时,需要做综合判别,亦即判断应按照乘用人还是监护人的指令实施动作。对此:一是乘用人可事先通过键盘给出有限级选择;二是根据键盘给出的状态指示信息,临时决定是否授权监护人为优先级;三是根据乘用者过去在相应状态下的自主历程记录,判定监护人的遥控指令符合乘用者过去自主历程记录,即按监护人的遥控指令执行(对乘用人的自主历程记录是在学习积累环节完成的,若过去的同状态自主过程有多个,但不一样,则按照统计强度决定)。

智能规划环节主要是根据指令要求,参考传感器组提供的信息,依据当前智能轮椅床所处的状态,按序调用动作规划库的子程序。

过程运行环节则具体实施对各个电动机的实际控制,其中包括轮椅床变位、轮椅床行走两类内容。(1)轮椅床变位可以根据靠背、扶手、靠腿部分的倾角传感器,实施位置渐进闭环控制。可分别实施靠背起,靠背降,靠腿-脚踏联动起,靠腿-脚踏联动降,扶手起,扶手降等,也可以做几个变位动作的并行处理。(2) 轮椅床行走,一个功能是根据乘用人的键盘指令,实现前进,后退,左转,右转,任意线路行进等,另一个功能是按照监护人的各种遥控指令^[12],实现各种移动。监护人对智能轮椅床在居所中的位置,是通过居所安装的摄像头阵列和体感摄像机Kinect组成的视频监控系统获取的,这属于智能轮椅床所在大系统的构建内容。

状态机环节实现的是当前状态描述,以及各种状态间的递进、转化逻辑关系。状态机环节的设置,降低了软件设计的复杂程度,并提高了可靠性。

学习积累环节主要是记录乘用人的多轮键盘操作与控制实施,采用统计强度归纳乘用人的正常行为过程,以便收到遥控指令时,做综合判断。学习积累环节可以用键盘指令嵌入二次开发内容。

自主判别环节在没有键盘指令和遥控指令期间,能根据已设目标、当前状态、传感器组信息等,完成应实施的相关过程。

基于Agent概念所实现的智能轮椅床机电总体设计、控制模块的组成以及运行软件的配置等经整体集成运行,能较好地满足本体的自主控制,并能比较稳定地按照遥控指令运行,对现场中的专用服务机器人,也能做特定的协同运行。当然,如果再增加双传感器冗余设计、智能轮椅床重心判别与矫正、防变位意外的辅助支撑等,整体性能还会进一步改善。