基于瞳孔識(shí)別技術(shù)的眼控電動(dòng)輪椅

研究背景

我的一個(gè)鄰居和我年齡相仿，患有肌萎縮側(cè)索硬化，行動(dòng)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(dòng)不便特別是四肢不能動(dòng)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(jì)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(jì)一種電動(dòng)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(dòng)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(gè)箭頭，眼動(dòng)儀監(jiān)控眼球運(yùn)動(dòng)，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(dòng)輪椅移動(dòng)。

我需要了解眼動(dòng)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(dòng)輪椅控制電路板；將眼動(dòng)儀控制程序?qū)覣rduino控制板，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)輪椅控制方式的調(diào)整。

前期調(diào)研

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

調(diào)研市場(chǎng)上的電動(dòng)輪椅，我沒有發(fā)現(xiàn)用眼睛控制的電動(dòng)輪椅。不同的使用者對(duì)電動(dòng)輪椅的需求不同，認(rèn)知能力好但腿腳行動(dòng)不便的人和下肢截癱患者使用操縱桿式電動(dòng)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(dòng)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(shí)別技術(shù)的眼控電動(dòng)輪椅設(shè)計(jì)圖，并制作了作品。

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

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

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

移動(dòng)控制按鍵在即時(shí)畫面中顯示，白色鍵為直行控制鍵，4個(gè)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(gè)箭頭時(shí)，Tobii眼動(dòng)儀會(huì)通過USB串口將相應(yīng)的移動(dòng)控制指令發(fā)送到Arduino控制板，Arduino控制板根據(jù)移動(dòng)控制指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電動(dòng)輪椅進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)。當(dāng)使用者沒有注視箭頭時(shí)，電動(dòng)輪椅會(huì)自動(dòng)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(dòng)輪椅才能移動(dòng)。

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

創(chuàng)新點(diǎn)

1.基于瞳孔識(shí)別技術(shù)的眼控電動(dòng)輪椅創(chuàng)新了電動(dòng)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(dòng)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(dòng)輪椅就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)。

2.移動(dòng)控制按鍵嵌入顯示屏即時(shí)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(duì)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(huì)取消任何移動(dòng)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(dòng)。電動(dòng)輪椅后面的安全輪能防止使用者在乘坐輪椅時(shí)因身體后仰而摔倒。

改進(jìn)設(shè)想

嘗試添加語(yǔ)音系統(tǒng)，讓使用者更方便地傳達(dá)移動(dòng)指令；嘗試對(duì)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(duì)電動(dòng)輪椅的速度調(diào)節(jié)。

（指導(dǎo)老師：趙曉東? ?李芳）

專家點(diǎn)評(píng)

薛皓元同學(xué)的基于瞳孔識(shí)別技術(shù)的眼控電動(dòng)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(chǎng)景，又無意中接觸了一款“眼動(dòng)游戲”，便萌生了將“眼動(dòng)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(dòng)儀、Arduino控制板、C#語(yǔ)言編程和Unity3D自主編程軟件；Tobii眼動(dòng)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?cè)趧?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?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展或社會(huì)生活帶來便利的小發(fā)明項(xiàng)目。