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项目名称:轮椅机器人
组别:小学组 奖项:一等奖
代表团:江苏 参赛队:南京民办致远外国语小学
队员:孙正楠 黄珈菘 周瑞琳 教练员:骆巍 董余佳
项目摘要:

本项目可以实现的功能为,首先发出提示音开始采集人眼睁开时瞳孔的光感数据,然后可以在提示音后开始发出闭双眼,闭左眼,闭右眼的命令,就可以完成前进,后退、左转、右转的动作。利用一个轮式机器人底盘作为轮椅底盘(可拓展造型),利用一个眼镜框架的光电传感器采集眨眼指令。完成了用眨眼的方式检测动作指令的方法,解决了通过采集变化量的方式采集动作,解决了过滤采集分辨正常眨眼和命令眨眼的问题,减少了误操作的可能。解决上述问题的研究是本项目的控制系统的核心问题,解决问题的方法具有独到之处。解决了上肢无法行动的患者控制轮椅的实际问题,用眨眼睛的动作来控制轮椅是本项目的创新之处。本项目结构简单,造价低廉。程序和硬件的扩展度高,从控制系统的角度入手改造现有的轮椅,扩大了轮椅的适用人群。为特定人群的患者使用轮椅提供了方便,同时也简化了轮椅的控制难度。项目研究中的眼睛控制机械的理念具有拓展应用的价值,不仅可以应用于本项目,也可以直接推广至家电控制、交通工具控制等领域,拓展丰富。高科技信息技术的融入还可以更多的提升本项目的实用价值,有一定的市场推广前景。

专家评语:

把自动轮椅控制与残疾人眼部动作相结合,提出一种通过眨眼动作控制轮椅运动的方案,项目选题具有新颖性和独立性,控制新?源选取新颖又不失可行性,作品潜在实用性强,立项依据合理,申报材料完整规范,设计制作了检测眼镜盒演示机器人样机,作品设计合理,制作简单,工作量圆满。

演示视频

演示图片

设计目标

在医院病房探视病人时,我们发现,很多病患如果患有脑溢血、脑瘫等症状后会有半身不遂、或全身不遂的症状。这样的病人非常痛苦,每天只能躺在病床上无法自由移动。为了让这些手脚不便的病人能和寻常人一样自由的移动,需要借助轮椅等工具。通过网络搜索,我们发现现在的轮椅大体分为两类,一类是由人手自行推动轮椅的轮子,驱动前进转弯等动作。一类为电力驱动,由病人通过手柄控制。这两类轮椅的驱动设定的用户都为下肢残疾,上肢行动自如的病人,轮椅的动作都必须要求由病人的手部动作来完成。项目设计的目的是通过机器人技术寻找第三种或第四种操控轮椅的方式操控轮椅,而且这些方式要简便易操,扩大轮椅的使用范围。虽然这些患者的行动不便了,但他们的其他器官依然可以自由运动,比如口、眼、舌等,其中眼和舌的灵活度和易损伤度是最小的,大多数患者这两个器官是正常的,因此我们就将研究的方向框定在用这两个器官的功能设计轮椅的控制系统。

研制过程

最后我们确定了基本思路:利用传感器采集人眼在张开和闭合时的不同的反射值,识别闭左眼,闭右眼,两眼同时闭合的动作,根据获取的数据驱动轮椅完成向左、向右向前的动作。 本设计以两电机驱动小车为轮椅底盘,将光感固定在眼镜的两侧采集数据。通过程序设计采集两眼的动作,驱动轮椅完成相应动作。本设计的难点是如何让机器人识别人的正常眨眼和有意识闭眼的动作,减少误操控的可能。 在制作中我们通过反复尝试,发现人眼正常的眨眼睛的动作是非常迅速的。如果能区别快速眨眼和慢速眨眼,就可以区分我们的眼睛是否是在向轮椅发送控制信号。这一点可以通过编程反复采集数据,当发现目标数据长时间内未发生变化,我们可以将其视作保持在发令状态。在调试中还有一个难点,就是如何辨别人是否眨眼了,这一点我们采用了初始化采集眼睛的数据后判断光感的变化值是否达到临界点,如果达到可以视作眨眼动作。

科学性、创新性、实用性

本项目具有较强的科学性、创新性和实用性。 1、针对目前轮椅市场的轮椅我们进行了充分的调研,发现轮椅目前的研究方向主要集中在动力系统、外部结构的改进两个角度,对控制系统的研究很少。但控制系统的解决可以立刻扩大轮椅的适用人群,对控制系统的改进大大提升了轮椅产品的应用范围。因此本项目针对目前电动轮椅的功能缺陷提出了较好的解决方案,增加了轮椅的操控灵活性,可以让更多的患者从中受益,具有很强的实用价值。 2、采用眼睛来控制轮椅为本项目的创新点。虽然google眼镜的概念已经提出,但通过眼睛控制轮椅等电器在实际应用层面是独创之处。 3、本项目成本低廉,只需要在电动轮椅的控制系统端进行简单的改造即可完成本项目。估算控制系统的成本在200元以内。 4、探索完成了用眨眼的方式检测动作指令的方法,具有科学性。解决了通过采集变化量的方式采集动作,解决了过滤采集分辨正常眨眼和命令眨眼的问题,减少了误操作的可能。解决上述问题的研究是本项目的控制系统的核心问题,解决问题的方法具有独到之处。

进一步提高的设想

1、目前我们实验的版本依然停留在模型模拟的阶段,还没有真正投入实际应用。我们希望能在普通轮椅的基础上对机械结构做一定的优化改进,具有普通轮椅的外表特征,取消普通的无动力车轮,安装永磁直流电机、控制器、蓄电池和各种显示仪表,支持大容量电源,对直流电动机进行控制,解决动力系统的实际应用的测试。 2、探索无刷直流电机在本应用中的价值,增加轮椅的动作功能,可以完成“前、后 ,左、右、加速、减速 、停止”功能,可能的情况下增加电机功率,让电动机能实现最大爬坡。 3、实现无线控制,可以将眼睛变成无线远程遥控仪器。成为多功能控制仪器,实现更多的功能拓展。也可以考虑病人如何自动佩戴眼睛的问题,让将眼镜固定于轮椅的椅背,在椅背上设置压力传感器,让病人可以坐上就自动戴上眼镜。 4、虽然在实验中,我们没有实现脑电波控制,但随着脑电波模块的普及和稳定,我们在今后还可以加入脑电波控制的模块,让病人可以用脑电波来直接控制轮椅的动作。