小輪椅 大未來

樂羊羊

一、設(shè)計(jì)靈感

廖雋晞、黎俊良、賀惠荃三位同學(xué)相識(shí)于學(xué)校的科技社團(tuán)，他們是志同道合的科創(chuàng)“戰(zhàn)友”，常常聚在一起討論和研究科創(chuàng)作品。一次，他們了解到中國(guó)有近一億的殘疾人，能否為他們做點(diǎn)什么，讓他們的生活變得更加便利呢？廖雋晞、黎俊良、賀惠荃三位同學(xué)萌生出設(shè)計(jì)一款“智能輪椅”的想法，幫助殘疾人解決行動(dòng)不便的問題。

二、指導(dǎo)老師與設(shè)計(jì)者

姓名：孫自超，一級(jí)教師。梧州市中山小學(xué)信息技術(shù)教師兼學(xué)校科技輔導(dǎo)員。

姓名：廖雋晞

座右銘：為什么夢(mèng)想沒有實(shí)現(xiàn)？因?yàn)闆]有堅(jiān)持，沒有努力，沒有奮斗。

姓名：黎俊良

座右銘：學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。

姓名：賀惠荃

座右銘：超越夢(mèng)想，超越自我！

三、星成就

合作作品《多吉3號(hào)：聰明的輪椅》榮獲第19屆廣西青少年機(jī)器人競(jìng)賽暨東盟國(guó)家及粵港澳青少年機(jī)器人邀請(qǐng)賽創(chuàng)意比賽小學(xué)組一等獎(jiǎng)。

四、科創(chuàng)過程

第1步：確定制作思路。

廖雋晞、黎俊良、賀惠荃三位同學(xué)經(jīng)過多次研究，確定了作品的設(shè)計(jì)方案。該智能輪椅先用攝像頭拍攝使用者的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)方向和臉部動(dòng)作，然后將圖像傳輸?shù)阶陨泶钶d的電腦上，再通過電腦發(fā)出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令，如原地轉(zhuǎn)動(dòng)或直行等。

第2步：硬件制作。

前期硬件制作的工作包括拼接輪椅、安裝舵機(jī)和安裝電腦處理器等。為了高效完成各項(xiàng)任務(wù)，賀惠荃、廖雋晞、黎俊良三人進(jìn)行了分工，手巧心細(xì)的賀惠荃負(fù)責(zé)裁切水管和拼裝輪椅;廖雋晞、黎俊良負(fù)責(zé)把舵機(jī)、樹莓派電腦等硬件安裝到輪椅上。

孫自超老師：他們最初選擇采用傳統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法驅(qū)動(dòng)智能輪椅，因?yàn)榘惭b雙電機(jī)的方法較為簡(jiǎn)單，但在測(cè)試性能時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)雙電機(jī)無法為智能輪椅提供足夠的動(dòng)力，于是改為使用四電機(jī)的方案。與傳統(tǒng)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，四電機(jī)的安裝過程較為復(fù)雜，編寫程序的難度也較大，但可以提供充足的動(dòng)力。

第3步：編程環(huán)節(jié)。

擅長(zhǎng)編程的廖雋晞和黎俊良共同負(fù)責(zé)編寫程序，他們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)VGG16和OpenCV庫(kù)編寫程序。在編程過程中，他們遇到了程序無法運(yùn)行的問題;也遇到程序運(yùn)行不成功，智能輪椅不啟動(dòng)或不按指令啟動(dòng)的情況……遇到新問題的他們，沒有退縮，而是迎難而上，通過檢查電機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)行程序代碼是否正確等手段，找到解決辦法。

孫自超老師：VGG16是一種圖像分類的VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由13層卷積層和3層全連接層組成，主要用來對(duì)圖像進(jìn)行分類，其程序運(yùn)行的速度和準(zhǔn)確率都很高。OpenCV是一個(gè)開源的計(jì)算機(jī)視覺軟件庫(kù)，可以控制攝像頭等設(shè)備。廖雋晞和黎俊良在這次編程中使用OpenCV和VGG16這兩個(gè)程序，自己動(dòng)手制作了一個(gè)臉部動(dòng)作分類庫(kù)。

第4步：采集面部圖片。

三人在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有些殘疾人頭部以下的肢體都不能動(dòng)，且只能稍微移動(dòng)頭部，有些甚至只能轉(zhuǎn)動(dòng)眼球。因此，他們先嘗試設(shè)計(jì)能識(shí)別眼球轉(zhuǎn)動(dòng)方向的程序。當(dāng)使用者持續(xù)向前看時(shí)，智能輪椅開始啟動(dòng)或前行;當(dāng)使用者持續(xù)向左或向右看時(shí)，智能輪椅根據(jù)所看的方向轉(zhuǎn)彎;當(dāng)使用者閉上眼睛時(shí)，智能輪椅停止行動(dòng)，但若使用者閉眼的時(shí)間超過3秒，就會(huì)觸發(fā)智能輪椅的報(bào)警裝置。為了完成這個(gè)設(shè)計(jì)方案，他們?nèi)嘶ハ嗯臄z了1000多張臉部的照片，主要拍攝睜眼、閉眼、眼睛向左看、眼睛向右看的照片，并以此作為智能輪椅的圖像素材。

孫自超老師：智能輪椅電腦識(shí)別表情的步驟分為三步，第一步是要從圖像中框選出人臉的矩形范圍;第二步是利用識(shí)別到的人臉圖像進(jìn)行訓(xùn)練;第三步是生成識(shí)別模型，準(zhǔn)確識(shí)別出圖片中的眼部動(dòng)作。

第5步：測(cè)試智能輪椅的動(dòng)作識(shí)別能力。

在完成智能輪椅的初步設(shè)計(jì)后，三人馬上就開始測(cè)試智能輪椅的操控性能。黎俊良擔(dān)任測(cè)試“模特”，他先睜開眼睛直視前方兩秒鐘，這時(shí)，智能輪椅開始前進(jìn);然后他眼球往左轉(zhuǎn)，并保持動(dòng)作兩秒鐘，智能輪椅開始向左轉(zhuǎn)動(dòng);接著他眼球又往右轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持動(dòng)作兩秒鐘，智能輪椅自動(dòng)向右轉(zhuǎn)動(dòng);最后，黎俊良閉上眼睛，兩秒鐘后智能輪椅停止運(yùn)動(dòng)，閉眼時(shí)長(zhǎng)超過三秒鐘時(shí)，智能輪椅啟動(dòng)報(bào)警裝置，并自動(dòng)撥打“120”電話。智能輪椅的性能達(dá)到了他們的預(yù)期目標(biāo)，測(cè)試成功了！三人高興地將智能輪椅命名為“多吉3號(hào)”。

第6步：未來優(yōu)化。

未來，三位同學(xué)希望“多吉3號(hào)”智能輪椅可連接無線網(wǎng)絡(luò)，擁有獨(dú)立的電池。另外，他們目前擁有的圖像素材不夠豐富，雖然現(xiàn)在智能輪椅捕捉眼部動(dòng)作的正確率達(dá)到86%，但僅局限于三位設(shè)計(jì)者的眼部動(dòng)作，所以他們要采集更多的素材，以提高智能輪椅的普適性。他們希望有一天，這款智能輪椅能真正投入使用，幫助到更多有需要的人。