老龄化背景下轮椅床功能现状分析

一．引言

智能轮椅床的研究背景在于老龄化社会的到来，老年人口比例不断增加，他们需要更加便捷、智能的辅助工具来满足日常生活需求。同时，随着科技的进步，传感器、人工智能等技术的成熟为智能轮椅床的研发提供了有力支持。研究智能轮椅床的意义在于提高老年人的生活质量，减轻家庭和社会的照顾负担，实现老年人的自主生活。智能轮椅床的研发还能推动相关产业的创新发展，为科技进步和社会发展做出贡献。

老年人口比例的增加，使得对轮椅床等老年辅助设备的需求不断扩大。随着生活水平的提高和医疗条件的改善，老年人对健康和生活质量的要求也在不断提高。各国政府纷纷出台相关政策，以应对老龄化社会的挑战。老龄化社会的到来，更多的企业开始进入轮椅床等老年辅助设备市场。市场竞争的加剧使得企业需要更加注重产品质量和服务水平，以提高自身的竞争力；轮椅床等老年辅助设备的研发和生产成本较高，而老年人的购买力相对有限；尽管老龄化社会已经到来，但一些人对老年辅助设备的认知度仍然不高。

随着年龄的增长，许多老年人面临行动不便的问题，他们需要辅助设备来保持独立性和移动性。轮椅床作为一种集休息与移动于一体的产品，正好满足了这一需求。轮椅床结合了轮椅和床的特点，可以通过遥控操作实现床与轮椅之间的转换，方便老年人进行移动和休息。它不仅提高了老年人的生活质量，还减轻了家庭成员和社会福利机构的护理负担。随着科技的发展，轮椅床的功能和性能将不断提升，为老年人提供更加便捷、舒适和安全的移动和休息体验。

二．轮椅床产品分析

（ 一） 姿态可调型轮椅床

姿态可调型智能护理轮椅床具有单元智能护理设备和轴距床姿态调整开关的姿态效果。主要部件是床板（背板、座椅和脚板通过四个下面板、底盘支架，前后轮安装以及铰接在其中的床板弯曲机构（腿部弯曲和拉出机构以及后抬机构和可变轴距）机构通过杆床弯曲机构和可变轴距机构现在改变了床椅的姿态，以方便用户使用，对久坐轮椅或因轴距设计而卧床不起的身体症状有所不同，因此当设备位于轮椅上时，轴距为最短，能够实现轮椅的灵活运动。而在床身形式中，轴距最长，可确保床身的稳定性，为人体提供舒适的体验。为了适应老年人和残疾人的身体状况 ， 本课题开发了一种智能轮椅护理床 ， 该床能够调节姿态 ， 报告危险并通过 SMS 提供帮助。极大的提高了老年人和残疾人的生活质量，促进了我国护理行业的可持续发展，满足人民群众的基本生活需求。

（ 二） 语音交互系统的轮椅床

传统护理床的交互方式通常为手柄，按键交互等，这种交互方式功能单一且操作不便，对于高龄老人是一种负担。所以针对这一缺陷，我们将语音交互与智能轮椅床结合，研究语音交互系统在智能轮椅床方面的使用，使得老年人可以用最便捷的语音指令使用轮椅床，为失能老人提供更加人性化的养老体验。

三．轮椅床使用技术分析

（一） 轮椅床控制系统

1. 电源管理模块

研究的智能轮椅床床体通过电池独立供电，所以电池是主板，传感器，电推杆，电机等部件正常工作的保障，为确保轮椅床在正常使用过程中不会因为电量过低而发生中途停机的请款，我们使用传感器的对电池内的电量进行监控，进而保证轮椅床的正常运行。

2. 运动控制模块

运动控制模块主要分为屈腿电推杆，扶手电推杆，背部电推杆，六个直流无刷电机，四个直流伺服电机等五部分；屈腿和背部电推杆主要是实现屈腿、抬背等动作；六个直流无刷电机带动丝杠负责翻身单元的抬升，配合扶手电推杆和背部电推杆，实现失能老人翻身和床椅变换功能；直流伺服电机在接收下位机主控板信号后带动麦克纳姆轮转动，负责实现轮椅床的行驶功能。

3. 安全避障模块

考虑到居家环境的复杂，从老人的使用安全考量，在本课题研究的智能轮椅床床体四周安装四个超声波测距传感器，通过声波反馈来检测轮椅床行驶中的障碍。考虑到测距范围需要足够广，所以四个超声波测距传感器安装在底盘四角。

4. 数据采集模块

智能轮椅床作为失能老人安全的陪伴，监护信息的采集必不可少，其中主要包括老人身体状态信息，电池电量信息的采集，实时路径行驶数据的采集等。

5. 无线通讯模块

安装在轮椅床上的上位机与床侧柜上的触摸屏和二便处理模块是通过无线的通讯方式来连接。护理人员通过触摸屏可以显示轮椅床的运行状态和老人的身体状态等，当通过触摸屏发出指令后，床体和排便处理模块会实现相应的动作，触摸屏的主要使用对象是护理人员，而不是失能老人；对于失能老人来说床体会单独配备遥控器，和语音交互功能，辅助失能老人可以单独控制轮椅床。

6. 自动寻迹模块

考虑到居家环境的复杂，传统的光学和视觉引导并不适用，考虑到造价成本，环境限制等，本课题研究的智能轮椅床采用 RFID（射频识别技术）电子标签和灰度传感器引导作为行驶控制策略。RFID 系统包括三部分：RFID 标签、读写器、数据处理系统。读写器通过和RFID标签的读写和反馈完成识别流程，然后经过数据处理系统完成定位。其中每个 RFID 标签都有一个唯一 ID 号和存储的数据信息。RFID 电子标签的优点在于安装方便，其路线可以自由布置，后续改动也十分方便，只需要粘贴即可，并且其数据的传输稳定，不受其他信号的干扰，RFID 定位系统如图3 所示。

（二）语音识别的技术

在日常人与人交流对话中，我们与老年人交流沟通往往要比年轻人与中年人交流更为吃力，容易发生语义理解上的误差。老年人由于发音不准确，不清楚，经常会在一些噪声大的环境中，造成沟通困难的情况。

1. 语音信号预处理。

由于外界环境的噪声无法避免，语音信号不可避免的会带有一定的噪音，影响语音识别系统的效果，所以预处理是保证语音顺利数字化的前提加窗分帧本课题选择对语音频谱特征保留最多的汉明窗进行加窗分帧。取帧长设置为ms20 ，并且进行 ms15 的帧移长度。

2. 多频段谱减算法

为了减少环境中随机噪声对于老年人对话语音的影响，我们将语音切割成任意互不干扰重叠的子带，并且使用谱减法对每个子带单独的进行语音增强，然后重组获得更为纯净的语音信号。一般使用带通滤波器在时域上划分子带，或者是在频域上进行分窗的方法划分子带。一般情况下，都采用在频域上进行分窗的方法，因为它计算量更小，更容易实现。

通过改进的多频段谱减获取的增强对话语音信号能够比传统谱减法提取更多的语音信号时域特征，为智能轮椅床语音交互系统的预处理提供更纯粹的语音，提高智能轮椅床语音交互系统的整体性能。

（三）硬件方案

1. 电源管理模块

解决了轮椅床在正常使用过程中可能因电量过低而中途停机的问题，通过传感器监控电池电量，保障轮椅床各部件正常工作，消除因电量不足导致的突发停机风险，通过预警机制延长设备续航可靠性。

2. 运动控制模块

实现了屈腿、抬背、翻身、床椅变换以及行驶等功能，满足了失能老人在轮椅床上的多种位姿变换需求。四伺服电机驱动麦克纳姆轮实现零半径转向，解决狭窄空间移动难题。麦克纳姆轮全向移动平台可以连续在任意方向移动，可以更好地利用室内空间，相比于普通的全向轮，麦克纳姆轮有其优越的运动灵活性。

3. 安全避障模块

考虑到居家环境复杂，通过在轮椅床底盘四角安装四个超声波测距传感器，解决了轮椅床行驶过程中的安全避障问题，保障老人使用安全。 360^∘ 障碍物实时检测以及遇障自动刹停更有利于保障使用者的安全，提升复杂地形适应性。超声波在距离测量方面有很好的应用，根据智能轮椅床避障功能的要求，选用开关量输出 CCF-SR1-OC 超声波传感器，结构简单、控制方便。超声波传感器实物图如图6 所示。

4. 数据采集模块

解决了对失能老人身体状态信息、电池电量信息以及实时路径行驶数据的采集问题，为轮椅床对老人的安全监护提供数据支持。

5. 无线通讯模块

实现了轮椅床上位机与床侧柜触摸屏、二便处理模块的无线连接，方便护理人员通过触摸屏监控轮椅床运行状态和老人身体状态并发出指令，同时为失能老人配备遥控器和语音交互功能，辅助老人单独控制轮椅床。

6. 自动寻迹模块

针对居家环境复杂、传统光学和视觉引导不适用以及造价成本、环境限制等问题，采用RFID 电子标签和灰度传感器引导作为行驶控制策略，解决了智能轮椅床在居家环境中的自动寻迹问题，且RFID 电子标签安装方便、路线布置自由、数据传输稳定。

（四）语音识别技术

1. 语音信号预处理

解决了外界环境噪声对语音识别系统效果的影响，通过加窗分帧，选择汉明窗保证语音顺利数字化，最大程度保留语音频谱特征。

2. 多频段谱减算法

减少了环境中随机噪声对老年人对话语音的影响，通过将语音切割成子带并进行语音增强，重组后获得更纯净的语音信号，且采用频域分窗方法计算量小、易实现，还能提取更多语音信号时域特征，提高智能轮椅床语音交互系统的整体性能。

四．轮椅床产品存在的问题

（一）硬件问题

1. 续航能力有限

智能轮椅床依赖电池供电，但现有电池技术限制了其续航能力。比如锂电池的能量密度和充电时间 ， 快速充电带来的热管理问题突出 ， 严重影响循环寿命 ; 频繁充电影响使用便利性，尤其对需要长时间外出的用户而言，续航不足成为主要痛点。

2. 运动控制问题

在护理机构实际部署中，智能轮椅床面临的最大挑战是复杂地形通过性。现有驱动系统在应对以下场景时存在显著缺陷 ：5cm 以上连续台阶、 15^∘ 斜坡上的防滑控制以及狭窄通道的精准转向等问题

3. 智能化程度不足

虽然具备自动避障、语音控制等功能，但智能轮椅床的智能化水平仍有待提升。例如，传感器在复杂环境中的局限性 ， 路径规划算法在动态障碍前的不足 ， 环境感知和路径规划能力较弱，难以应对复杂场景；语音识别准确率不高，影响用户体验 ; 机器学习模型的数据不足导致适应性差。

4. 安全性有待加强

智能轮椅床涉及用户安全，但现有产品在防跌落、防碰撞等方面仍有不足，存在安全隐患。此外，网络安全和数据隐私问题也需重视， 远程攻击的可能性。

（二）功能局限

1. 舒适性欠佳

长时间使用智能轮椅床可能导致不适，如座椅设计不合理、缺乏个性化调节功能等，影响用户体验; 座椅材质， 压力分布可能导致褥疮的风险.

2. 功能单一

大多数产品仅提供基本的移动和护理功能，无法满足用户的多样化需求，如康复训练、娱乐互动等。

3. 缺乏个性化定制

用户需求各异，但现有产品缺乏个性化定制选项，难以满足特殊需求，如体型、残疾程度。

五．对策建议

轮椅床作为医疗辅具领域的创新成果，正在重构传统照护体系的价值链。这种融合床体与移动功能的智能设备，不仅突破了传统护理工具的物理边界，更在老龄化加剧与残障群体权益保障的社会语境下，展现出多维度的社会价值。因此，我们给出了针对轮椅床发展现状的相关建议。

第一，强化健康监测与预警功能，采用集成多模态传感器，嵌入低成本、高精度传感器，实时监测用户心率、呼吸频率、体压分布及体温，通过算法识别异常数据（如长时间体压集中、心率骤变），触发预警信号。

第二，升级安全防护功能，采用压力感应 +AI 视觉双模检测，当用户身体偏移安全区域时，自动启动侧边护栏或调整床体倾斜角度，防止跌落风险。配备物理紧急制动按钮（一键锁死移动功能）与语音呼救系统（支持方言识别），确保突发情况下快速响应。

第三，节能与续航优化，使用低功耗设计，采用太阳能辅助充电与动能回收技术（如轮椅移动时发电），延长电池续航至72 小时以上，适应农村或户外场景。

增加故障自检系统内置诊断程序，实时监测电机、电池状态，提前预警故障并提供维修指引。

第四，改进智能化人机交互，利用语音 + 手势双控系统，支持自然语言指令（如“升高背部”“呼叫护理员”）及简单手势识别（如挥手切换模式），降低操作复杂度。增加个性化记忆功能，存储用户常用体位参数（如阅读角度、就餐高度），一键切换，减少重复调整步骤。

未来，针对人口老龄化，轮椅床的功能将进一步改进优化，如更智能的导航与避障技术、更人性化的交互方式、健康监测、环境感知等。未来，国家和地方政府对康复医疗器械的支持政策也将进一步推动轮椅床的发展，继续加大科研投入，出台相关政策支持轮椅床的发展，为老年人及残障人群减轻负担。

参考文献：

[1] 李亚男， 周晓晨， 张保旭， 等. 三姿态可调式多功能一体化轮椅床的设计与研究[J].机械传动 ，2024，48（12）：76-81.DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2024.12.011.

[2] 祁晓 . 智能轮椅床语音交互系统的设计与研究 [D]. 天津理工大学 ，2021.DOI：10.27360/d.cnki.gtlgy.2021.000348.

3] 付西敏. 智能多功能护理轮椅床研究[D]. 华南理工大学，2018.

[4] 李锋. 一种新型多功能轮椅床的设计及仿真[D]. 天津理工大学，2013.

[5] 黄毅 ， 佟晓光 . 中国人口老龄化现状分析 [J]. 中国老年学杂志 ，2012，32（21）：4853-4855.

[6] 张鹏园 . 智能轮椅床控制系统研究 [D]. 天津理工大学 ，2022.DOI：10.27360/d.cnki.gtlgy.2022.000002.

作者简介：

曹梦格（2006 年 1 月），女，汉。湖北荆州人，本科在读，研究方向现实状况以及发展历程等。

胡若溪（2006 年 5 月），女，汉，湖北荆门人，本科在读，研究方向市场行情以及前景分析等。

刘诗雯（2003 年11 月），女，汉，山西大同人，本科在读，研究方向产品性能与技术分析等。

通讯作者：赵云芸（1987 年6 月），女，汉，湖北襄阳人，讲师，研究方向区域经济等。

基金项目：大学生创新创业训练项目“康悦智慧护理轮椅床”