研究背景

我的一個鄰居和我年齡相仿，患有肌萎縮側(cè)索硬化，行動十分不便。每天中午放學(xué)回家，我都看到他的家人推著輪椅上的他去公園游覽。我想，能不能為像他這樣行動不便特別是四肢不能動的人做點(diǎn)什么呢？在學(xué)校的科技創(chuàng)新課上，我萌生了設(shè)計一款“不用手腳也能控制的輪椅”的想法。

有一次，我看到一款游戲可以通過“眼控儀”這種硬件操控賽車避開障礙物，從中受到啟發(fā)，決定設(shè)計一種電動輪椅，讓它像游戲中的賽車一樣，由人們利用眼睛注視來控制，給生活中行動不便的人帶來便利。

基本思路

使用者注視顯示屏控制界面中的某個箭頭，眼動儀監(jiān)控眼球運(yùn)動，從而定位使用者眼睛注視的位置。Arduino控制板根據(jù)定位的位置控制電動輪椅移動。

我需要了解眼動儀的工作原理，進(jìn)行相應(yīng)的程序開發(fā)；使用Arduino控制板改裝電動輪椅控制電路板；將眼動儀控制程序?qū)覣rduino控制板，實(shí)現(xiàn)對電動輪椅控制方式的調(diào)整。

前期調(diào)研

調(diào)研眼動儀的種類以及應(yīng)用場景。市面上的眼動儀種類很多，不同的眼動儀外觀、功能和使用方法都有所不同?？紤]到設(shè)計需求，我選取了體積較小的Tobii眼動儀。

調(diào)研市場上的電動輪椅，我沒有發(fā)現(xiàn)用眼睛控制的電動輪椅。不同的使用者對電動輪椅的需求不同，認(rèn)知能力好但腿腳行動不便的人和下肢截癱患者使用操縱桿式電動輪椅就行，而高位截癱和肌萎縮側(cè)索硬化患者需要特制的電動輪椅。

作品結(jié)構(gòu)與功能

根據(jù)調(diào)研的結(jié)果，與老師討論后，我繪制了基于瞳孔識別技術(shù)的眼控電動輪椅設(shè)計圖，并制作了作品。

作品由電動輪椅、Tobii眼動儀、Arduino控制板、支架、廣角攝像頭和移動控制按鍵等構(gòu)成。

顯示屏裝在支架上，Tobii眼動儀在顯示屏下方，廣角攝像頭置于支架上，可以避免Tobii眼動儀和移動控制按鍵對使用者視線的影響。電動輪椅后面也裝了攝像頭，攝像頭會將電動輪椅前方和后方的即時畫面實(shí)時傳輸?shù)斤@示屏上，通過顯示屏，使用者可以觀察到電動輪椅前后的情況，視野更加開闊。

將電腦主機(jī)連接Tobii眼動儀，Tobii眼動儀連接Arduino控制板，Arduino控制板上的IO引腳連接電機(jī)驅(qū)動板。

移動控制按鍵在即時畫面中顯示，白色鍵為直行控制鍵，4個綠色箭頭分別代表前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。當(dāng)使用者注視某個箭頭時，Tobii眼動儀會通過USB串口將相應(yīng)的移動控制指令發(fā)送到Arduino控制板，Arduino控制板根據(jù)移動控制指令驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動板，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而使電動輪椅進(jìn)行相應(yīng)的移動。當(dāng)使用者沒有注視箭頭時，電動輪椅會自動停止。為了防止使用者誤操作，視頻的右上角設(shè)有鎖定按鍵“STOP”，只有解鎖后，電動輪椅才能移動。

有刷電機(jī)驅(qū)動板的控制比較簡單，只需要在Arduino控制板中設(shè)置連接在驅(qū)動板引腳上的高低電平，便可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，從而控制電動輪椅的移動方向。

創(chuàng)新點(diǎn)

1.基于瞳孔識別技術(shù)的眼控電動輪椅創(chuàng)新了電動輪椅的控制方式，給特殊的人群提供便利，提高他們的獨(dú)立性。使用者可以通過電動輪椅上顯示屏中的畫面觀察路面情況，而且只需盯住畫面中的綠色控制箭頭，電動輪椅就會進(jìn)行相應(yīng)的移動。

2.移動控制按鍵嵌入顯示屏即時畫面中，尺寸及控制范圍適中，既能拓寬使用者的視野，又能避免設(shè)備對使用者視線的影響。

3.作品提供了多種應(yīng)急安全保障。如需緊急停車，使用者只要閉上雙眼，系統(tǒng)就會取消任何移動指令，緊急停車，避免事故發(fā)生。使用者睜開雙眼后，系統(tǒng)恢復(fù)至待機(jī)狀態(tài)，可根據(jù)需要移動。電動輪椅后面的安全輪能防止使用者在乘坐輪椅時因身體后仰而摔倒。

改進(jìn)設(shè)想

嘗試添加語音系統(tǒng)，讓使用者更方便地傳達(dá)移動指令；嘗試對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以防誤判；在保證安全的前提下實(shí)現(xiàn)對電動輪椅的速度調(diào)節(jié)。

（指導(dǎo)老師：趙曉東? ?李芳）

專家點(diǎn)評

薛皓元同學(xué)的基于瞳孔識別技術(shù)的眼控電動輪椅是一項(xiàng)具有技術(shù)難度和挑戰(zhàn)性的發(fā)明項(xiàng)目，屬于“選題專業(yè)性較強(qiáng)，且需具備較為深厚的專業(yè)基礎(chǔ)，并在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室或?qū)I(yè)機(jī)構(gòu)完成”的A類作品。

這項(xiàng)作品的產(chǎn)生主要體現(xiàn)了：其一，薛皓元同學(xué)是一位科技創(chuàng)新有心人。當(dāng)他看到小區(qū)內(nèi)一位“漸凍人”出入的場景，又無意中接觸了一款“眼動游戲”，便萌生了將“眼動游戲”與輪椅結(jié)合，讓“漸凍人”這類患者用眼球控制輪椅的想法。其二，他具有敢想敢干的挑戰(zhàn)精神。該發(fā)明要運(yùn)用Tobii眼動儀、Arduino控制板、C#語言編程和Unity3D自主編程軟件；Tobii眼動儀裝在顯示屏的下方，它可以通過紅外反射來精確判定使用者的眼球在空間中的位置以及視線等。作為一名初中生，要完成談何容易。建議同學(xué)們在創(chuàng)新實(shí)踐中盡可能選取B類作品，即選題源于日常生活、能夠?yàn)樯鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展或社會生活帶來便利的小發(fā)明項(xiàng)目。