基于手勢控制技術(shù)的智能燈具設(shè)計

摘 "要：針對現(xiàn)有燈具市場中傳統(tǒng)智能燈具人機互動反饋單一、互動方式少等問題，設(shè)計一套基于手勢控制技術(shù)的智能燈具，包括吊燈、壁燈和三個不同造型的桌面氛圍燈。該設(shè)計通過手勢控制和傳統(tǒng)按鍵控制兩種方式創(chuàng)新了人與燈具互動的方式，讓使用者通過手勢控制技術(shù)控制智能燈具，產(chǎn)生包括外形變換、亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等人機互動。以花朵的形狀為設(shè)計元素創(chuàng)新智能燈具外殼造型，該燈具外殼像花瓣一樣可以展開和閉合，改變傳統(tǒng)燈具一成不變的靜止形態(tài)，向多樣化可調(diào)節(jié)方向轉(zhuǎn)變。人機交互方式在手勢控制技術(shù)的支持下變得更加簡單并且富有趣味性設(shè)計的智能燈具以手勢控制技術(shù)為核心，包括手勢識別模塊、燈光控制模塊和舵機驅(qū)動模塊。

關(guān)鍵詞：智能燈具；手勢控制；變形燈具；人機交互

照明燈具產(chǎn)品是國民社會經(jīng)濟不斷發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚漠a(chǎn)品，隨著我國經(jīng)濟日益發(fā)展和科技的日新月異，人們對照明工具的要求也明顯提高，傳統(tǒng)的鎢絲燈、LED燈已不能滿足用戶需求，擁有新穎的交互方式的智能燈具更受歡迎。交互設(shè)計成為產(chǎn)品設(shè)計中不可或缺的部分[1]，擁有交互體驗的智能燈具設(shè)計受到了較高的關(guān)注[2]，其中，融合了手勢控制技術(shù)的智能燈具不同于其他的智能燈具，帶給用戶不同于以往的交互體驗。燈具結(jié)合智能傳感器，通過手勢控制與燈體內(nèi)部、環(huán)境變換、其他智能設(shè)備聯(lián)動，運用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，向智能化、一體化、高技術(shù)、模塊化發(fā)展[3]。手勢控制技術(shù)改變了燈具的交互方式，接觸形式不再受到限制[4]，人機交互變得更加簡單并賦有趣味性。輕輕揮一揮手，智能手勢控制燈就能識別用戶命令，做出反應(yīng)，產(chǎn)生燈具光效的變化。

本文基于手勢控制技術(shù)，設(shè)計一款智能手勢控制燈具。該燈具通過手勢命令識別，可以改變燈具形態(tài)、調(diào)節(jié)亮度、改變色彩、色溫等，實現(xiàn)一些燈光變化，在運用創(chuàng)新技術(shù)的同時更新智能燈具造型，該設(shè)計使智能燈具在與用戶交互時發(fā)生造型的改變，擺脫智能燈具設(shè)計一成不變的靜止造型，進(jìn)一步更新人與燈具的互動方式。該設(shè)計使燈具變得更為靈動，富有趣味性，使智能燈具逐步向多元化、可變換、可調(diào)控方向轉(zhuǎn)變，這樣的交互方式增加了人機互動、提高了燈具的智能化程度。

一、智能燈具現(xiàn)狀

照明產(chǎn)品是國民生活的必需品，是國民經(jīng)濟中不可缺少的一部分。照明產(chǎn)品從一開始的鎢絲燈時期，到后來的LED燈具時期，再到如今的移動互聯(lián)網(wǎng)時代，遇上萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口，二者相結(jié)合，進(jìn)入了遠(yuǎn)景廣闊的基于物聯(lián)網(wǎng)的照明時期，人們對燈具的要求已經(jīng)不僅僅是對照明的需求，還有對智慧生活的需要。目前，智能照明市場規(guī)模在不斷變大。

智能燈具是萬物互聯(lián)中智能家居智能設(shè)備的其中一種，利用不同的智能技術(shù)，譬如通過一體化、程序化或擁有與其他智能設(shè)備相連接的能力，擁有與環(huán)境交互、內(nèi)部設(shè)定程序和互聯(lián)網(wǎng)連接能力，實現(xiàn)智能交互反饋功能——控制燈光效果，實現(xiàn)燈光與音樂互動等。如今，城市街道、室內(nèi)、展館等各區(qū)域都會采用智能照明設(shè)計，近些年智慧家居、智能家居等生活設(shè)計備受矚目，室內(nèi)的智能照明市場有著良好的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)今照明設(shè)備設(shè)計市場大致分為兩大設(shè)計趨向：一部分設(shè)計仍秉持傳統(tǒng)照明設(shè)備的設(shè)計方式，注重實現(xiàn)產(chǎn)品功能；另一部分設(shè)計更加追求新穎，將照明燈具與時下的數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等熱點技術(shù)相融合，追求產(chǎn)品的創(chuàng)新突破。新技術(shù)的應(yīng)用為燈具照明市場打開了一扇新的大門，不斷沖擊著現(xiàn)有照明燈具市場格局。

現(xiàn)有智能照明燈具與傳統(tǒng)照明設(shè)備主要有以下幾點不同：

1.技術(shù)運用：傳統(tǒng)照明燈具仍采用老式廣元來進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計過程中更加突出燈具的使用功能，智能照明燈具更多結(jié)合LED、數(shù)字化技術(shù)，在設(shè)計中突破傳統(tǒng)燈具的限制。

2.產(chǎn)品互聯(lián)：傳統(tǒng)照明燈具多為機械開關(guān)，屬于純功能性產(chǎn)品，無法與其他家居產(chǎn)品產(chǎn)生聯(lián)系，而如今室內(nèi)智能照明設(shè)備設(shè)計追求家居各部分的連結(jié)度從而形成“智慧家居”的體系。

3.交互方式：傳統(tǒng)照明燈具交互形式單一，無法擺脫開關(guān)控制方式的單一性，智能燈具與多種新技術(shù)結(jié)合，從而產(chǎn)生了多種交互方式，如現(xiàn)在較為流行的手勢控制交互、無線控制、語音控制等形式。

根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前市場上大多的智能燈具仍然普遍存在以下問題：

1.交互方式雷同：智能燈具讓燈具擁有了更多功能，但市面上一些智能燈具更多被賦予一些常見的交互方式，類似語音控制、APP控制、終端控制等，交互方式較為普通且常見。這些交互方式給予燈具智能的功能，卻沒有進(jìn)一步提高使用者與燈具互動的幸福感。因此，如果家庭的智能燈具只有不突出的單一的交互方式，用戶使用時無法獲得溫馨、舒適、舒服的感覺，這就無法突出燈光和配飾應(yīng)有的作用。

2.造型較為單一：用戶在挑選智能燈具的時候，往往會發(fā)現(xiàn)智能燈具造型都較為單一，特別是適配智能家居系統(tǒng)的智能燈具，常以幾何為基礎(chǔ)的造型出現(xiàn)，對比外觀變化豐富的傳統(tǒng)燈具失色不少。這是由于現(xiàn)有的智能燈具更多注重人與系統(tǒng)的互動，而忽略人與燈具造型上的互動。

綜上所述，交互方式更為新穎，造型更為豐富的智能燈具是現(xiàn)有市場所缺少的。

二、智能手勢控制燈設(shè)計思路

手勢控制技術(shù)并不算新穎，這個概念在2005年就已經(jīng)有人提出，并運用在機器人等領(lǐng)域，但是直到目前，手勢控制技術(shù)在運用上有一定的局限性，只能在特定領(lǐng)域得到運用，并未達(dá)到廣泛運用。隨著生活水平的提高，愈來愈多的人要求提高自己的生活質(zhì)量，體驗到更好的生活品質(zhì)。設(shè)計師需要關(guān)注的已經(jīng)不僅僅是滿足用戶的照明需求，還需要發(fā)揮設(shè)計師自身的創(chuàng)造性，從體驗感、人機交互、視覺感受等方面提出不同的設(shè)計思路，創(chuàng)新智能手勢控制燈具設(shè)計，給用戶提供更優(yōu)良的方案。

本文基于手勢控制識別技術(shù)，讓智能燈具切換不同的燈光模式，實現(xiàn)不同的燈光反饋，增強人與燈具光效溝通，同時創(chuàng)新智能燈具的外觀，改變現(xiàn)有智能燈具外形較為簡單的現(xiàn)狀，設(shè)計可變形外觀，強化人與燈具外觀造型的溝通。通過本設(shè)計，用戶只要手輕輕揮舞，便能改變燈具的形變。

（一）設(shè)計方案推敲

1.蒲公英交互燈

蒲公英造型交互是在設(shè)計最初提出的想法，燈具是蒲公英“桿子”，燈效是蒲公英的“花瓣”。正常形態(tài)下燈光從“桿子”內(nèi)向周圍射出，在墻上形成圓形的光影，似飽滿完整的蒲公英一樣。該設(shè)計還有手勢控制功能，當(dāng)手上下?lián)]動時，燈頭隨之上下擺動，燈光朝向隨之變換，光影成扇形，同時變換燈效，營造出蒲公英被吹散的效果。但該設(shè)計方案較難實現(xiàn)，且考慮到與蒲公英的交互方式以“吹”更為合適，排除該方案（如圖2）。

2.山意境燈

“小小竹排畫中游，巍巍青山兩岸走”，這樣怡然自得的悠閑生活一直是大多數(shù)人的內(nèi)心向往。而身在城市生活的人，朝九晚五，忙碌占據(jù)了身心，不得悠閑，往往更心神向之。由觀察得知，射燈在墻上形成的圖形成弧形，似山。而多個射燈并排在一起則會有山勢連綿的效果。結(jié)合手勢控制技術(shù)，設(shè)計一款家居智能燈具，揮揮手就能在墻上形成山勢流動的樣子，營造一種使用者坐在船上看兩岸風(fēng)景的感覺，讓使用者在工作勞累后回到家中也能享受休閑時光，給予溫馨的感覺（如圖3）。

3.花朵燈

花一直是美麗的象征，代表著自然、和諧、美好，含苞待放的花嬌艷欲滴，盛開的花香氣奪人?；ǘ錈舭鸦ㄟ@個元素運用在家居設(shè)計中，也給家里帶來更多的溫馨與溫暖，讓人忘記工作的勞累與疲憊。手勢控制燈具與花朵結(jié)合正好是光的默契，當(dāng)花瓣呈現(xiàn)花苞狀時，光線投射受阻，燈光較暗；揮揮手，隨著花瓣打開，光線投射范圍增大，燈光變亮，增加了燈具自身外形與燈光的交互性，同時也增加了燈具外形與人的交互性，燈具的趣味性變高，人的交互感受也變高，實現(xiàn)了交互的創(chuàng)新和外形的創(chuàng)新。在本設(shè)計中，也采用了該設(shè)計方案（如圖4）。

（二）產(chǎn)品造型推敲

在前文中提到現(xiàn)有的燈具設(shè)計更注重技術(shù)創(chuàng)新而忽略了造型帶給用戶的使用美感，擁有新穎造型的智能家居更能烘托家庭中的氛圍感，提高生活質(zhì)量。設(shè)計產(chǎn)品外觀造型時，在符合結(jié)構(gòu)要求的前提下，理應(yīng)追求造型的新穎，由此，提出以下幾個方案：

1.抽象花型：以圓圈概括花瓣，每一個橢圓形作為一個花瓣，但配合透明透光材質(zhì)，該造型容易營造出奢華感，方案待選（如圖5）。

2.六邊形足球花型：類似足球狀造型，每個六邊形在閉合狀態(tài)時相吻合，在打開狀態(tài)時不吻合，形成兩個不同的花型。但改造型六邊形的吻合度在模型打樣和實現(xiàn)上較為困難，摒棄該方案（如圖6）。

3.花朵造型：以抽象花型為主進(jìn)行設(shè)計，以最直接的造型回歸最初的想法“花的盛放與閉合”，直擊用戶心靈，在家居生活中給用戶帶來溫暖；結(jié)合結(jié)構(gòu)需要，加深、加高底座，方便電機、舵機、電路等零件的放置。該造型方案與整合設(shè)計思路較為吻合，定為最后方案（如圖7）。

（三）手勢指令設(shè)計方案

基于手勢控制技術(shù)的花朵造形智能燈具，燈具外殼伴以變形功能。用戶以手勢來控制燈開關(guān)、燈光變化和燈具外形形變?nèi)N功能。具體手勢控制指令如下：手勢控制向左開燈關(guān)燈，手勢向右控制花朵造型燈罩的開合，往下變換燈具燈光顏色，距離遠(yuǎn)近改變燈光亮度。

三、工程實現(xiàn)

（一）產(chǎn)品造型實現(xiàn)

通過3D建模、3D渲染、3D打印模型、模型噴漆等方式實現(xiàn)手勢智能燈具設(shè)計的造型原型（如圖8、圖9、圖10）。

（二） 控制電路設(shè)計

1.手勢識別模塊

在本設(shè)計里，智能燈具的手勢控制識別傳感器采用了正點元原子的手勢識別傳感器模塊 ATK?PAJ7620，該模塊體積小巧，只有5.2*3毫米，但內(nèi)置支持識別9種自帶的手勢識別程序，具有反應(yīng)快、抗干擾、中斷輸出等特點，每秒可測量240次（如圖11）。模塊工作時，可以通過內(nèi)部的LED 驅(qū)動器，向外發(fā)射紅外線信號，紅外線在有效距離里感受到手的阻擋進(jìn)行反饋，內(nèi)置芯片識別手勢型狀，識別手勢，通過I2C接口將數(shù)據(jù)和命令傳給單片機，實行命令。在本設(shè)計中，設(shè)置手勢控制向左開關(guān)燈，向右花朵造型燈罩開合，向下變顏色，距離遠(yuǎn)近改變燈光亮度。

2.舵機控制程序

在本設(shè)計中，實現(xiàn)花瓣的開合功能運用了MG996舵機。（如圖12）MG996舵機在程序控制下可以實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各180°，在該設(shè)計中，舵機在得到手勢控制命令后實行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令，從而帶動拉伸桿進(jìn)行上下往復(fù)運動，實現(xiàn)花朵的張開和閉合。

（三）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.花瓣開合結(jié)構(gòu)設(shè)計

燈具的外觀變形指燈具的外觀可以改變，在該方案中，變形效果是燈罩的展開與閉合模擬出花朵的盛放與含苞待放的感覺，提高了燈具的趣味性、靈活性和適應(yīng)性。形變花朵燈的機械結(jié)構(gòu)包括主體、花瓣、龍骨、拉伸件。通過想象，搭建起來如圖13的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，連接件連接主體、花瓣，拉伸機件，可上下拉動，帶動花瓣開合。

（1）拉伸件設(shè)計：拉伸件大體成圓柱形，頂部設(shè)計外環(huán)，方便固定花瓣，底部設(shè)計長拉伸桿，方便上下拉動花瓣開合。模型如圖14所示。

（2）花瓣連接件設(shè)計：設(shè)計八片花瓣，圍繞主體放置，每片花瓣底部設(shè)計一個小圓環(huán)，可以與拉伸件的外環(huán)相連接，中間設(shè)計卡扣結(jié)構(gòu)，與主體連接，使花瓣、主體、連接件三件連接起來（如圖15）。

（3）主體結(jié)構(gòu)件：在結(jié)構(gòu)主體上，環(huán)繞主體設(shè)置八個卡扣，連接八片花瓣；中間設(shè)計圓柱，作為拉動拉伸件的軌道，方便拉伸件進(jìn)行上下運動（如圖16）。多個零件結(jié)合實現(xiàn)花瓣的打開和閉合功能（如圖17）。在圖17結(jié)構(gòu)上底部連接電動舵機，舵機單片齒輪做180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)帶動拉伸桿進(jìn)行上下往復(fù)運動，實現(xiàn)花瓣的自動開合（如圖18、圖19）。

2.電路模塊固定結(jié)構(gòu)

電路模塊固定結(jié)構(gòu)如圖20所示，燈片、手勢控制芯片和舵機分別連接編程芯片，通過設(shè)置好的編程控制。

四、結(jié)語

本文設(shè)計一種燈罩變形的手勢控制燈具套件，用人的手勢來控制燈開關(guān)、燈光變化和燈具外形形變?nèi)N功能。燈具外觀模仿花朵模樣，外殼為花瓣，通過手勢控制，用戶可以控制花瓣的張開閉合，這不僅增加了人和燈具的交互，還可以調(diào)節(jié)燈光亮度。本設(shè)計更新了智能燈具的交互方式，同時也改變了燈具造型一成不變的現(xiàn)狀，在現(xiàn)代智能燈具設(shè)計中有一定價值。但本設(shè)計仍有兩點不足：一是模型花瓣閉合沒有達(dá)到預(yù)想程度，并沒有實現(xiàn)完全閉合，這是由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計上設(shè)置拉伸桿上下拉伸長度過短所致。二是在設(shè)計的途中暫時還沒有考慮燈具內(nèi)的零件放置的固定結(jié)構(gòu)，只是把電路和芯片進(jìn)行簡單放置，這也是將來需要優(yōu)化的地方。

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作者簡介：李鍶雨，廣東工業(yè)大學(xué)設(shè)計學(xué)專業(yè)研究生。研究方向：產(chǎn)品設(shè)計、用戶研究。