研究背景

我的一个邻居和我年龄相仿，患有肌萎缩侧索硬化，行动十分不便。每天中午放学回家，我都看到他的家人推着轮椅上的他去公园游览。我想，能不能为像他这样行动不便特别是四肢不能动的人做点什么呢？在学校的科技创新课上，我萌生了设计一款“不用手脚也能控制的轮椅”的想法。

有一次，我看到一款游戏可以通过“眼控仪”这种硬件操控赛车避开障碍物，从中受到启发，决定设计一种电动轮椅，让它像游戏中的赛车一样，由人们利用眼睛注视来控制，给生活中行动不便的人带来便利。

基本思路

使用者注视显示屏控制界面中的某个箭头，眼动仪监控眼球运动，从而定位使用者眼睛注视的位置。Arduino控制板根据定位的位置控制电动轮椅移动。

我需要了解眼动仪的工作原理，进行相应的程序开发；使用Arduino控制板改装电动轮椅控制电路板；将眼动仪控制程序对接Arduino控制板，实现对电动轮椅控制方式的调整。

前期调研

调研眼动仪的种类以及应用场景。市面上的眼动仪种类很多，不同的眼动仪外观、功能和使用方法都有所不同。考虑到设计需求，我选取了体积较小的Tobii眼动仪。

调研市场上的电动轮椅，我没有发现用眼睛控制的电动轮椅。不同的使用者对电动轮椅的需求不同，认知能力好但腿脚行动不便的人和下肢截瘫患者使用操纵杆式电动轮椅就行，而高位截瘫和肌萎缩侧索硬化患者需要特制的电动轮椅。

作品结构与功能

根据调研的结果，与老师讨论后，我绘制了基于瞳孔识别技术的眼控电动轮椅设计图，并制作了作品。

作品由电动轮椅、Tobii眼动仪、Arduino控制板、支架、广角摄像头和移动控制按键等构成。

显示屏装在支架上，Tobii眼动仪在显示屏下方，广角摄像头置于支架上，可以避免Tobii眼动仪和移动控制按键对使用者视线的影响。电动轮椅后面也装了摄像头，摄像头会将电动轮椅前方和后方的即时画面实时传输到显示屏上，通过显示屏，使用者可以观察到电动轮椅前后的情况，视野更加开阔。

将电脑主机连接Tobii眼动仪，Tobii眼动仪连接Arduino控制板，Arduino控制板上的IO引脚连接电机驱动板。

移动控制按键在即时画面中显示，白色键为直行控制键，4个绿色箭头分别代表前进、后退、左转与右转。当使用者注视某个箭头时，Tobii眼动仪会通过USB串口将相应的移动控制指令发送到Arduino控制板，Arduino控制板根據移动控制指令驱动电机驱动板，控制电机转动，从而使电动轮椅进行相应的移动。当使用者没有注视箭头时，电动轮椅会自动停止。为了防止使用者误操作，视频的右上角设有锁定按键“STOP”，只有解锁后，电动轮椅才能移动。

有刷电机驱动板的控制比较简单，只需要在Arduino控制板中设置连接在驱动板引脚上的高低电平，便可改变电机的转动方向，从而控制电动轮椅的移动方向。

创新点

1.基于瞳孔识别技术的眼控电动轮椅创新了电动轮椅的控制方式，给特殊的人群提供便利，提高他们的独立性。使用者可以通过电动轮椅上显示屏中的画面观察路面情况，而且只需盯住画面中的绿色控制箭头，电动轮椅就会进行相应的移动。

2.移动控制按键嵌入显示屏即时画面中，尺寸及控制范围适中，既能拓宽使用者的视野，又能避免设备对使用者视线的影响。

3.作品提供了多种应急安全保障。如需紧急停车，使用者只要闭上双眼，系统就会取消任何移动指令，紧急停车，避免事故发生。使用者睁开双眼后，系统恢复至待机状态，可根据需要移动。电动轮椅后面的安全轮能防止使用者在乘坐轮椅时因身体后仰而摔倒。

改进设想

尝试添加语音系统，让使用者更方便地传达移动指令；尝试对系统进行优化，以防误判；在保证安全的前提下实现对电动轮椅的速度调节。

（指导老师：赵晓东   李芳）

专家点评

薛皓元同学的基于瞳孔识别技术的眼控电动轮椅是一项具有技术难度和挑战性的发明项目，属于“选题专业性较强，且需具备较为深厚的专业基础，并在专业实验室或专业机构完成”的A类作品。

这项作品的产生主要体现了：其一，薛皓元同学是一位科技创新有心人。当他看到小区内一位“渐冻人”出入的场景，又无意中接触了一款“眼动游戏”，便萌生了将“眼动游戏”与轮椅结合，让“渐冻人”这类患者用眼球控制轮椅的想法。其二，他具有敢想敢干的挑战精神。该发明要运用Tobii眼动仪、Arduino控制板、C#语言编程和Unity3D自主编程软件；Tobii眼动仪装在显示屏的下方，它可以通过红外反射来精确判定使用者的眼球在空间中的位置以及视线等。作为一名初中生，要完成谈何容易。建议同学们在创新实践中尽可能选取B类作品，即选题源于日常生活、能够为社会经济发展或社会生活带来便利的小发明项目。