基于手勢傳感器的智能輪椅系統(tǒng)設計

張園 郭棟 丁新新

摘要：針對老齡化社會需要，設計一種以Arduino開發(fā)板為控制器的智能輪椅。主要利用Arduino控制模塊、手勢控制、心率檢測模塊、距離檢測模塊、無線通信模塊和GPS定位模塊，搭建智能輪椅的硬件電路，通過對單片機的開發(fā)以及各模塊對比選用、程序調(diào)試，實現(xiàn)智能輪椅的功能。試驗測試結果表明：該設計能實現(xiàn)手勢控制輪椅行進、心率數(shù)據(jù)檢測、輪椅自動避障等等多種功能，具有一定的應用價值。

關鍵詞：Arduino;手勢傳感器;智能輪椅

Design of intelligent wheelchair system based on gesture sensor

Zhang YuanGuo DongDing XinxinYu ShuanbaoHe Yidong

School of Electronic Information，Nanjing Vocational College of Information TechnologyJiangsuNanjing210046

Abstract：An Intelligent Wheelchair Based on Arduino development board is designed for meeting the needs of aging society.he system mainly includes Arduino control module，gesture control module，heart rate detection module，distance detection module，wireless communication module and GPS positioning module.The test results show that the design can achieve many functions，such as gesture control wheelchair moving，heart rate data detection，wheelchair automatic obstacle avoidance and so on.

Key words：Arduino;Gesture sensor;intelligent wheelchair

隨著老齡化社會的來臨，提高老年人和殘疾人生活質(zhì)量成為一項重要的。課題，手動輪椅存在了幾百年，并已經(jīng)在醫(yī)院、商場、家庭中成為協(xié)助行動不便的人士的重要工具。目前市面上已有的電動輪椅大部分是通過操縱桿進行交互，使用戶輕松省力的使用輪椅，但是一直身體特別虛弱的老人，或是手部無力的殘疾人就無法使用操縱桿，給他們的生活帶來很大麻煩。

人類活動的識別可以以為用戶在各種環(huán)境提供交互服務，利用各種感官資源進行識別，最能使用戶受益，本項目利用Arduino控制器件和傳感器，開發(fā)一種成本低廉的、好用的智能輪椅。該智能輪椅有著廣泛的市場前景和實際意義。

1 系統(tǒng)總體設計

智能輪椅的總體設計框圖如下圖所示。主要包含Arduino控制模塊、手勢控制、心率檢測模塊、距離檢測模塊、無線通信模塊和GPS定位模塊。

該輪椅可以實現(xiàn)通過手勢傳感器感知使用者的手勢，控制輪椅前進、后退、左轉、右轉、停止，并通過特定手勢觸發(fā)信號報警救援。此外還加入體征監(jiān)測和距離監(jiān)測等輔助功能。用戶通過心率傳感器檢測人體主要生命特征，可以隨時檢測自己的心率，了解自己的身體狀況，避免不能及時救治，造成嚴重后果;通過距離監(jiān)測功能，可以檢測到輪椅前后障礙物的距離并實現(xiàn)自動回避障礙物，此外利用GPS定位共能，可以幫助使用者家人或醫(yī)護人員可以確定輪椅當前所在位置，便于照顧病患或及時進行輪椅的回收。

2 系統(tǒng)功能電路設計

2.1 Arduino 控制器模塊

本系統(tǒng)以Microduino控制器模塊為核心，以Atmel ATmega328P，ATmega168PA系列為核心的8位單片機開發(fā)核心板，它完全是開源的，使用了U型的27pin Microduino接口規(guī)范，擁有眾多接口兼容的周邊模塊和傳感器，編程環(huán)境好，方便上手，而且能憑借各種不同的傳感器來實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測，也可以通過控制聲音、電機和其他各種裝置來影響環(huán)境，其可拓展性好[1]。Arduino控制模塊是整個設計系統(tǒng)的中樞，主要實現(xiàn)對各類模塊的控制和調(diào)用。包括分析、綜合手勢傳感器檢測不同方向數(shù)據(jù)信息，控制步進電機，使得輪椅能夠根據(jù)手勢控制前后左右移動。以及通過心率傳感器檢測人體生物信息，并通過網(wǎng)絡發(fā)送警告指令，并提供輪椅的當前位置信息。此外還控制傳感器進行自動避障等輔助功能。

2.2 手勢傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的手勢傳感器模塊采用的ATKPAJ7620_V1.2，是ALIENTEK推出的一款高性能手勢識別傳感器模塊。該模塊采用Pixart公司的PAJ7620U2芯片，芯片內(nèi)部集成了光學數(shù)組式傳感器，以使復雜的手勢和光標模式輸出，自帶九種手勢識別，支持上、下、左、右、前、后、順時針旋轉、逆時針旋轉和揮動的手勢動作識別，以及支持物體接近檢測等功能[2]。在系統(tǒng)中將手勢控制模塊固定在可松緊調(diào)節(jié)的護腕上，將護腕佩戴于手腕處，手勢控制模塊放置在手腕上方，并且通過小型液晶顯示器顯示當前檢測到的手勢方向，幫助使用者更精準的控制輪椅的行進。

2.3 心率檢測模塊

系統(tǒng)的心率檢測模塊為光學心率傳感器，采用光電容積脈搏波描記法來測量心率及其他生物計量指標。其工作原理為通過將光照進皮膚并測量因血液流動而產(chǎn)生的光散射，該方法非常簡單，當血流動力發(fā)生變化時，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發(fā)生變化時，進入人體的光會發(fā)生可預見的散射[3]。心率傳感器可生成測量心率的PPG波形并將該心率數(shù)據(jù)作為基礎生物計量值。在本系統(tǒng)中將心率檢測模塊安裝在輪椅的扶手表面，用戶可通過按鍵模塊來啟動心率檢測模塊檢測用戶心率，然后將手腕內(nèi)側放在心率檢測模塊表面，通過手腕測量出人體心率特征參數(shù)，并且通過安裝在輪椅扶手表面的OLED顯示模塊顯示心率檢測模塊檢測到的用戶心率等信息。

2.4 超聲波避障模塊

本系統(tǒng)樣機采用超聲波傳感器，進行距離的檢測，其主要工作原理是通過傳感器的發(fā)射器發(fā)出超聲波，當遇到障礙物時超聲波反射回來，其反射回波信號會被超聲波接收器收到[4]，根據(jù)收到的反射回波的時間以及超聲波在空氣中的傳播速率進行一定的計算后，根據(jù)程序設計控制電機驅(qū)動輪椅的4個輪子行進，如果發(fā)現(xiàn)障礙物在前方，則停止前進，如果障礙物在左側，則控制輪子，使得輪椅向右轉，反之，如果障礙物在右側，則控制輪子，使得輪椅向左轉。以確保緊急狀態(tài)下，輪椅可以自動避障，保證使用者的安全。

2.5 其他輔助模塊

本系統(tǒng)配備有GPS定位模塊，用于及時檢測智能輪椅的當前位置信息。配備有低功耗藍牙模塊，用于手勢傳感器和arduino控制器模塊的無線數(shù)據(jù)傳輸。配備有無線通信模塊，用于及時將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給使用者的監(jiān)護人，便于更好進行照顧。

3 結語

本項目結合開源的arduino控制器件和大量的傳感器設計智能輪椅，與普通輪椅相比，功能更完善，使用更方便。本設備不僅實現(xiàn)輪椅移動的手勢控制，還附帶人體生命檢測、自動避障、GPS定位等功能，較好地滿足了用戶的需求，為用戶使用帶來便利，且使用傳感器模塊，成本較低。

參考文獻：

[1]張園.基于Arduino控制器的校園智能垃圾桶設計[J].智能城市，2019，（6）：1516.

[2]唐明明，陳波.基于紅外光電的手勢無人機控制系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用，2019，（9）：113116.

[3]程晨.Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：3851.

[4]張萍.超聲波避障智能小車的設計[J].自動化儀表，2017，38（11）：4043.

項目來源：江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（201913112026Y）

作者簡介：張園（1981），女，江蘇南京人，碩士，副教授，研究方向：信號處理、應用電子。