張園 郭棟 丁新新

摘要：針對(duì)老齡化社會(huì)需要，設(shè)計(jì)一種以Arduino開(kāi)發(fā)板為控制器的智能輪椅。主要利用Arduino控制模塊、手勢(shì)控制、心率檢測(cè)模塊、距離檢測(cè)模塊、無(wú)線通信模塊和GPS定位模塊，搭建智能輪椅的硬件電路，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)以及各模塊對(duì)比選用、程序調(diào)試，實(shí)現(xiàn)智能輪椅的功能。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制輪椅行進(jìn)、心率數(shù)據(jù)檢測(cè)、輪椅自動(dòng)避障等等多種功能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Arduino;手勢(shì)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(huì)的來(lái)臨，提高老年人和殘疾人生活質(zhì)量成為一項(xiàng)重要的。課題，手動(dòng)輪椅存在了幾百年，并已經(jīng)在醫(yī)院、商場(chǎng)、家庭中成為協(xié)助行動(dòng)不便的人士的重要工具。目前市面上已有的電動(dòng)輪椅大部分是通過(guò)操縱桿進(jìn)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(wú)力的殘疾人就無(wú)法使用操縱桿，給他們的生活帶來(lái)很大麻煩。

人類活動(dòng)的識(shí)別可以以為用戶在各種環(huán)境提供交互服務(wù)，利用各種感官資源進(jìn)行識(shí)別，最能使用戶受益，本項(xiàng)目利用Arduino控制器件和傳感器，開(kāi)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(chǎng)前景和實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能輪椅的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。主要包含Arduino控制模塊、手勢(shì)控制、心率檢測(cè)模塊、距離檢測(cè)模塊、無(wú)線通信模塊和GPS定位模塊。

該輪椅可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)手勢(shì)傳感器感知使用者的手勢(shì)，控制輪椅前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止，并通過(guò)特定手勢(shì)觸發(fā)信號(hào)報(bào)警救援。此外還加入體征監(jiān)測(cè)和距離監(jiān)測(cè)等輔助功能。用戶通過(guò)心率傳感器檢測(cè)人體主要生命特征，可以隨時(shí)檢測(cè)自己的心率，了解自己的身體狀況，避免不能及時(shí)救治，造成嚴(yán)重后果;通過(guò)距離監(jiān)測(cè)功能，可以檢測(cè)到輪椅前后障礙物的距離并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hù)人員可以確定輪椅當(dāng)前所在位置，便于照顧病患或及時(shí)進(jìn)行輪椅的回收。

2 系統(tǒng)功能電路設(shè)計(jì)

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(jī)開(kāi)發(fā)核心板，它完全是開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，也可以通過(guò)控制聲音、電機(jī)和其他各種裝置來(lái)影響環(huán)境，其可拓展性好[1]。Arduino控制模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的中樞，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各類模塊的控制和調(diào)用。包括分析、綜合手勢(shì)傳感器檢測(cè)不同方向數(shù)據(jù)信息，控制步進(jìn)電機(jī)，使得輪椅能夠根據(jù)手勢(shì)控制前后左右移動(dòng)。以及通過(guò)心率傳感器檢測(cè)人體生物信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警告指令，并提供輪椅的當(dāng)前位置信息。此外還控制傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障等輔助功能。

2.2 手勢(shì)傳感器模塊

本系統(tǒng)采用的手勢(shì)傳感器模塊采用的ATKPAJ7620_V1.2，是ALIENTEK推出的一款高性能手勢(shì)識(shí)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(xué)數(shù)組式傳感器，以使復(fù)雜的手勢(shì)和光標(biāo)模式輸出，自帶九種手勢(shì)識(shí)別，支持上、下、左、右、前、后、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和揮動(dòng)的手勢(shì)動(dòng)作識(shí)別，以及支持物體接近檢測(cè)等功能[2]。在系統(tǒng)中將手勢(shì)控制模塊固定在可松緊調(diào)節(jié)的護(hù)腕上，將護(hù)腕佩戴于手腕處，手勢(shì)控制模塊放置在手腕上方，并且通過(guò)小型液晶顯示器顯示當(dāng)前檢測(cè)到的手勢(shì)方向，幫助使用者更精準(zhǔn)的控制輪椅的行進(jìn)。

2.3 心率檢測(cè)模塊

系統(tǒng)的心率檢測(cè)模塊為光學(xué)心率傳感器，采用光電容積脈搏波描記法來(lái)測(cè)量心率及其他生物計(jì)量指標(biāo)。其工作原理為通過(guò)將光照進(jìn)皮膚并測(cè)量因血液流動(dòng)而產(chǎn)生的光散射，該方法非常簡(jiǎn)單，當(dāng)血流動(dòng)力發(fā)生變化時(shí)，例如血脈搏率（心率）或血容積（心輸出量）發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)入人體的光會(huì)發(fā)生可預(yù)見(jiàn)的散射[3]。心率傳感器可生成測(cè)量心率的PPG波形并將該心率數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)生物計(jì)量值。在本系統(tǒng)中將心率檢測(cè)模塊安裝在輪椅的扶手表面，用戶可通過(guò)按鍵模塊來(lái)啟動(dòng)心率檢測(cè)模塊檢測(cè)用戶心率，然后將手腕內(nèi)側(cè)放在心率檢測(cè)模塊表面，通過(guò)手腕測(cè)量出人體心率特征參數(shù)，并且通過(guò)安裝在輪椅扶手表面的OLED顯示模塊顯示心率檢測(cè)模塊檢測(cè)到的用戶心率等信息。

2.4 超聲波避障模塊

本系統(tǒng)樣機(jī)采用超聲波傳感器，進(jìn)行距離的檢測(cè)，其主要工作原理是通過(guò)傳感器的發(fā)射器發(fā)出超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)超聲波反射回來(lái)，其反射回波信號(hào)會(huì)被超聲波接收器收到[4]，根據(jù)收到的反射回波的時(shí)間以及超聲波在空氣中的傳播速率進(jìn)行一定的計(jì)算后，根據(jù)程序設(shè)計(jì)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪椅的4個(gè)輪子行進(jìn)，如果發(fā)現(xiàn)障礙物在前方，則停止前進(jìn)，如果障礙物在左側(cè)，則控制輪子，使得輪椅向右轉(zhuǎn)，反之，如果障礙物在右側(cè)，則控制輪子，使得輪椅向左轉(zhuǎn)。以確保緊急狀態(tài)下，輪椅可以自動(dòng)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(shí)檢測(cè)智能輪椅的當(dāng)前位置信息。配備有低功耗藍(lán)牙模塊，用于手勢(shì)傳感器和arduino控制器模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。配備有無(wú)線通信模塊，用于及時(shí)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給使用者的監(jiān)護(hù)人，便于更好進(jìn)行照顧。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目結(jié)合開(kāi)源的arduino控制器件和大量的傳感器設(shè)計(jì)智能輪椅，與普通輪椅相比，功能更完善，使用更方便。本設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)輪椅移動(dòng)的手勢(shì)控制，還附帶人體生命檢測(cè)、自動(dòng)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(lái)便利，且使用傳感器模塊，成本較低。

參考文獻(xiàn)：

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項(xiàng)目來(lái)源：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201913112026Y）

作者簡(jiǎn)介：張園（1981），女，江蘇南京人，碩士，副教授，研究方向：信號(hào)處理、應(yīng)用電子。