基于手勢(shì)控制技術(shù)的智能燈具設(shè)計(jì)

摘 "要：針對(duì)現(xiàn)有燈具市場(chǎng)中傳統(tǒng)智能燈具人機(jī)互動(dòng)反饋單一、互動(dòng)方式少等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套基于手勢(shì)控制技術(shù)的智能燈具，包括吊燈、壁燈和三個(gè)不同造型的桌面氛圍燈。該設(shè)計(jì)通過(guò)手勢(shì)控制和傳統(tǒng)按鍵控制兩種方式創(chuàng)新了人與燈具互動(dòng)的方式，讓使用者通過(guò)手勢(shì)控制技術(shù)控制智能燈具，產(chǎn)生包括外形變換、亮度調(diào)節(jié)、色溫調(diào)節(jié)、顏色變換等人機(jī)互動(dòng)。以花朵的形狀為設(shè)計(jì)元素創(chuàng)新智能燈具外殼造型，該燈具外殼像花瓣一樣可以展開(kāi)和閉合，改變傳統(tǒng)燈具一成不變的靜止形態(tài)，向多樣化可調(diào)節(jié)方向轉(zhuǎn)變。人機(jī)交互方式在手勢(shì)控制技術(shù)的支持下變得更加簡(jiǎn)單并且富有趣味性設(shè)計(jì)的智能燈具以手勢(shì)控制技術(shù)為核心，包括手勢(shì)識(shí)別模塊、燈光控制模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

關(guān)鍵詞：智能燈具；手勢(shì)控制；變形燈具；人機(jī)交互

照明燈具產(chǎn)品是國(guó)民社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚漠a(chǎn)品，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展和科技的日新月異，人們對(duì)照明工具的要求也明顯提高，傳統(tǒng)的鎢絲燈、LED燈已不能滿足用戶需求，擁有新穎的交互方式的智能燈具更受歡迎。交互設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可或缺的部分[1]，擁有交互體驗(yàn)的智能燈具設(shè)計(jì)受到了較高的關(guān)注[2]，其中，融合了手勢(shì)控制技術(shù)的智能燈具不同于其他的智能燈具，帶給用戶不同于以往的交互體驗(yàn)。燈具結(jié)合智能傳感器，通過(guò)手勢(shì)控制與燈體內(nèi)部、環(huán)境變換、其他智能設(shè)備聯(lián)動(dòng)，運(yùn)用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，向智能化、一體化、高技術(shù)、模塊化發(fā)展[3]。手勢(shì)控制技術(shù)改變了燈具的交互方式，接觸形式不再受到限制[4]，人機(jī)交互變得更加簡(jiǎn)單并賦有趣味性。輕輕揮一揮手，智能手勢(shì)控制燈就能識(shí)別用戶命令，做出反應(yīng)，產(chǎn)生燈具光效的變化。

本文基于手勢(shì)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一款智能手勢(shì)控制燈具。該燈具通過(guò)手勢(shì)命令識(shí)別，可以改變燈具形態(tài)、調(diào)節(jié)亮度、改變色彩、色溫等，實(shí)現(xiàn)一些燈光變化，在運(yùn)用創(chuàng)新技術(shù)的同時(shí)更新智能燈具造型，該設(shè)計(jì)使智能燈具在與用戶交互時(shí)發(fā)生造型的改變，擺脫智能燈具設(shè)計(jì)一成不變的靜止造型，進(jìn)一步更新人與燈具的互動(dòng)方式。該設(shè)計(jì)使燈具變得更為靈動(dòng)，富有趣味性，使智能燈具逐步向多元化、可變換、可調(diào)控方向轉(zhuǎn)變，這樣的交互方式增加了人機(jī)互動(dòng)、提高了燈具的智能化程度。

一、智能燈具現(xiàn)狀

照明產(chǎn)品是國(guó)民生活的必需品，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一部分。照明產(chǎn)品從一開(kāi)始的鎢絲燈時(shí)期，到后來(lái)的LED燈具時(shí)期，再到如今的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，遇上萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)風(fēng)口，二者相結(jié)合，進(jìn)入了遠(yuǎn)景廣闊的基于物聯(lián)網(wǎng)的照明時(shí)期，人們對(duì)燈具的要求已經(jīng)不僅僅是對(duì)照明的需求，還有對(duì)智慧生活的需要。目前，智能照明市場(chǎng)規(guī)模在不斷變大。

智能燈具是萬(wàn)物互聯(lián)中智能家居智能設(shè)備的其中一種，利用不同的智能技術(shù)，譬如通過(guò)一體化、程序化或擁有與其他智能設(shè)備相連接的能力，擁有與環(huán)境交互、內(nèi)部設(shè)定程序和互聯(lián)網(wǎng)連接能力，實(shí)現(xiàn)智能交互反饋功能——控制燈光效果，實(shí)現(xiàn)燈光與音樂(lè)互動(dòng)等。如今，城市街道、室內(nèi)、展館等各區(qū)域都會(huì)采用智能照明設(shè)計(jì)，近些年智慧家居、智能家居等生活設(shè)計(jì)備受矚目，室內(nèi)的智能照明市場(chǎng)有著良好的發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)今照明設(shè)備設(shè)計(jì)市場(chǎng)大致分為兩大設(shè)計(jì)趨向：一部分設(shè)計(jì)仍秉持傳統(tǒng)照明設(shè)備的設(shè)計(jì)方式，注重實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能；另一部分設(shè)計(jì)更加追求新穎，將照明燈具與時(shí)下的數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等熱點(diǎn)技術(shù)相融合，追求產(chǎn)品的創(chuàng)新突破。新技術(shù)的應(yīng)用為燈具照明市場(chǎng)打開(kāi)了一扇新的大門(mén)，不斷沖擊著現(xiàn)有照明燈具市場(chǎng)格局。

現(xiàn)有智能照明燈具與傳統(tǒng)照明設(shè)備主要有以下幾點(diǎn)不同：

1.技術(shù)運(yùn)用：傳統(tǒng)照明燈具仍采用老式廣元來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中更加突出燈具的使用功能，智能照明燈具更多結(jié)合LED、數(shù)字化技術(shù)，在設(shè)計(jì)中突破傳統(tǒng)燈具的限制。

2.產(chǎn)品互聯(lián)：傳統(tǒng)照明燈具多為機(jī)械開(kāi)關(guān)，屬于純功能性產(chǎn)品，無(wú)法與其他家居產(chǎn)品產(chǎn)生聯(lián)系，而如今室內(nèi)智能照明設(shè)備設(shè)計(jì)追求家居各部分的連結(jié)度從而形成“智慧家居”的體系。

3.交互方式：傳統(tǒng)照明燈具交互形式單一，無(wú)法擺脫開(kāi)關(guān)控制方式的單一性，智能燈具與多種新技術(shù)結(jié)合，從而產(chǎn)生了多種交互方式，如現(xiàn)在較為流行的手勢(shì)控制交互、無(wú)線控制、語(yǔ)音控制等形式。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上大多的智能燈具仍然普遍存在以下問(wèn)題：

1.交互方式雷同：智能燈具讓燈具擁有了更多功能，但市面上一些智能燈具更多被賦予一些常見(jiàn)的交互方式，類似語(yǔ)音控制、APP控制、終端控制等，交互方式較為普通且常見(jiàn)。這些交互方式給予燈具智能的功能，卻沒(méi)有進(jìn)一步提高使用者與燈具互動(dòng)的幸福感。因此，如果家庭的智能燈具只有不突出的單一的交互方式，用戶使用時(shí)無(wú)法獲得溫馨、舒適、舒服的感覺(jué)，這就無(wú)法突出燈光和配飾應(yīng)有的作用。

2.造型較為單一：用戶在挑選智能燈具的時(shí)候，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)智能燈具造型都較為單一，特別是適配智能家居系統(tǒng)的智能燈具，常以幾何為基礎(chǔ)的造型出現(xiàn)，對(duì)比外觀變化豐富的傳統(tǒng)燈具失色不少。這是由于現(xiàn)有的智能燈具更多注重人與系統(tǒng)的互動(dòng)，而忽略人與燈具造型上的互動(dòng)。

綜上所述，交互方式更為新穎，造型更為豐富的智能燈具是現(xiàn)有市場(chǎng)所缺少的。

二、智能手勢(shì)控制燈設(shè)計(jì)思路

手勢(shì)控制技術(shù)并不算新穎，這個(gè)概念在2005年就已經(jīng)有人提出，并運(yùn)用在機(jī)器人等領(lǐng)域，但是直到目前，手勢(shì)控制技術(shù)在運(yùn)用上有一定的局限性，只能在特定領(lǐng)域得到運(yùn)用，并未達(dá)到廣泛運(yùn)用。隨著生活水平的提高，愈來(lái)愈多的人要求提高自己的生活質(zhì)量，體驗(yàn)到更好的生活品質(zhì)。設(shè)計(jì)師需要關(guān)注的已經(jīng)不僅僅是滿足用戶的照明需求，還需要發(fā)揮設(shè)計(jì)師自身的創(chuàng)造性，從體驗(yàn)感、人機(jī)交互、視覺(jué)感受等方面提出不同的設(shè)計(jì)思路，創(chuàng)新智能手勢(shì)控制燈具設(shè)計(jì)，給用戶提供更優(yōu)良的方案。

本文基于手勢(shì)控制識(shí)別技術(shù)，讓智能燈具切換不同的燈光模式，實(shí)現(xiàn)不同的燈光反饋，增強(qiáng)人與燈具光效溝通，同時(shí)創(chuàng)新智能燈具的外觀，改變現(xiàn)有智能燈具外形較為簡(jiǎn)單的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)可變形外觀，強(qiáng)化人與燈具外觀造型的溝通。通過(guò)本設(shè)計(jì)，用戶只要手輕輕揮舞，便能改變燈具的形變。

（一）設(shè)計(jì)方案推敲

1.蒲公英交互燈

蒲公英造型交互是在設(shè)計(jì)最初提出的想法，燈具是蒲公英“桿子”，燈效是蒲公英的“花瓣”。正常形態(tài)下燈光從“桿子”內(nèi)向周?chē)涑觯趬ι闲纬蓤A形的光影，似飽滿完整的蒲公英一樣。該設(shè)計(jì)還有手勢(shì)控制功能，當(dāng)手上下?lián)]動(dòng)時(shí)，燈頭隨之上下擺動(dòng)，燈光朝向隨之變換，光影成扇形，同時(shí)變換燈效，營(yíng)造出蒲公英被吹散的效果。但該設(shè)計(jì)方案較難實(shí)現(xiàn)，且考慮到與蒲公英的交互方式以“吹”更為合適，排除該方案（如圖2）。

2.山意境燈

“小小竹排畫(huà)中游，巍巍青山兩岸走”，這樣怡然自得的悠閑生活一直是大多數(shù)人的內(nèi)心向往。而身在城市生活的人，朝九晚五，忙碌占據(jù)了身心，不得悠閑，往往更心神向之。由觀察得知，射燈在墻上形成的圖形成弧形，似山。而多個(gè)射燈并排在一起則會(huì)有山勢(shì)連綿的效果。結(jié)合手勢(shì)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一款家居智能燈具，揮揮手就能在墻上形成山勢(shì)流動(dòng)的樣子，營(yíng)造一種使用者坐在船上看兩岸風(fēng)景的感覺(jué)，讓使用者在工作勞累后回到家中也能享受休閑時(shí)光，給予溫馨的感覺(jué)（如圖3）。

3.花朵燈

花一直是美麗的象征，代表著自然、和諧、美好，含苞待放的花嬌艷欲滴，盛開(kāi)的花香氣奪人。花朵燈把花這個(gè)元素運(yùn)用在家居設(shè)計(jì)中，也給家里帶來(lái)更多的溫馨與溫暖，讓人忘記工作的勞累與疲憊。手勢(shì)控制燈具與花朵結(jié)合正好是光的默契，當(dāng)花瓣呈現(xiàn)花苞狀時(shí)，光線投射受阻，燈光較暗；揮揮手，隨著花瓣打開(kāi)，光線投射范圍增大，燈光變亮，增加了燈具自身外形與燈光的交互性，同時(shí)也增加了燈具外形與人的交互性，燈具的趣味性變高，人的交互感受也變高，實(shí)現(xiàn)了交互的創(chuàng)新和外形的創(chuàng)新。在本設(shè)計(jì)中，也采用了該設(shè)計(jì)方案（如圖4）。

（二）產(chǎn)品造型推敲

在前文中提到現(xiàn)有的燈具設(shè)計(jì)更注重技術(shù)創(chuàng)新而忽略了造型帶給用戶的使用美感，擁有新穎造型的智能家居更能烘托家庭中的氛圍感，提高生活質(zhì)量。設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀造型時(shí)，在符合結(jié)構(gòu)要求的前提下，理應(yīng)追求造型的新穎，由此，提出以下幾個(gè)方案：

1.抽象花型：以圓圈概括花瓣，每一個(gè)橢圓形作為一個(gè)花瓣，但配合透明透光材質(zhì)，該造型容易營(yíng)造出奢華感，方案待選（如圖5）。

2.六邊形足球花型：類似足球狀造型，每個(gè)六邊形在閉合狀態(tài)時(shí)相吻合，在打開(kāi)狀態(tài)時(shí)不吻合，形成兩個(gè)不同的花型。但改造型六邊形的吻合度在模型打樣和實(shí)現(xiàn)上較為困難，摒棄該方案（如圖6）。

3.花朵造型：以抽象花型為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最直接的造型回歸最初的想法“花的盛放與閉合”，直擊用戶心靈，在家居生活中給用戶帶來(lái)溫暖；結(jié)合結(jié)構(gòu)需要，加深、加高底座，方便電機(jī)、舵機(jī)、電路等零件的放置。該造型方案與整合設(shè)計(jì)思路較為吻合，定為最后方案（如圖7）。

（三）手勢(shì)指令設(shè)計(jì)方案

基于手勢(shì)控制技術(shù)的花朵造形智能燈具，燈具外殼伴以變形功能。用戶以手勢(shì)來(lái)控制燈開(kāi)關(guān)、燈光變化和燈具外形形變?nèi)N功能。具體手勢(shì)控制指令如下：手勢(shì)控制向左開(kāi)燈關(guān)燈，手勢(shì)向右控制花朵造型燈罩的開(kāi)合，往下變換燈具燈光顏色，距離遠(yuǎn)近改變燈光亮度。

三、工程實(shí)現(xiàn)

（一）產(chǎn)品造型實(shí)現(xiàn)

通過(guò)3D建模、3D渲染、3D打印模型、模型噴漆等方式實(shí)現(xiàn)手勢(shì)智能燈具設(shè)計(jì)的造型原型（如圖8、圖9、圖10）。

（二） 控制電路設(shè)計(jì)

1.手勢(shì)識(shí)別模塊

在本設(shè)計(jì)里，智能燈具的手勢(shì)控制識(shí)別傳感器采用了正點(diǎn)元原子的手勢(shì)識(shí)別傳感器模塊 ATK?PAJ7620，該模塊體積小巧，只有5.2*3毫米，但內(nèi)置支持識(shí)別9種自帶的手勢(shì)識(shí)別程序，具有反應(yīng)快、抗干擾、中斷輸出等特點(diǎn)，每秒可測(cè)量240次（如圖11）。模塊工作時(shí)，可以通過(guò)內(nèi)部的LED 驅(qū)動(dòng)器，向外發(fā)射紅外線信號(hào)，紅外線在有效距離里感受到手的阻擋進(jìn)行反饋，內(nèi)置芯片識(shí)別手勢(shì)型狀，識(shí)別手勢(shì)，通過(guò)I2C接口將數(shù)據(jù)和命令傳給單片機(jī)，實(shí)行命令。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置手勢(shì)控制向左開(kāi)關(guān)燈，向右花朵造型燈罩開(kāi)合，向下變顏色，距離遠(yuǎn)近改變燈光亮度。

2.舵機(jī)控制程序

在本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)花瓣的開(kāi)合功能運(yùn)用了MG996舵機(jī)。（如圖12）MG996舵機(jī)在程序控制下可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各180°，在該設(shè)計(jì)中，舵機(jī)在得到手勢(shì)控制命令后實(shí)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令，從而帶動(dòng)拉伸桿進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)花朵的張開(kāi)和閉合。

（三）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.花瓣開(kāi)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈具的外觀變形指燈具的外觀可以改變，在該方案中，變形效果是燈罩的展開(kāi)與閉合模擬出花朵的盛放與含苞待放的感覺(jué)，提高了燈具的趣味性、靈活性和適應(yīng)性。形變花朵燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括主體、花瓣、龍骨、拉伸件。通過(guò)想象，搭建起來(lái)如圖13的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，連接件連接主體、花瓣，拉伸機(jī)件，可上下拉動(dòng)，帶動(dòng)花瓣開(kāi)合。

（1）拉伸件設(shè)計(jì)：拉伸件大體成圓柱形，頂部設(shè)計(jì)外環(huán)，方便固定花瓣，底部設(shè)計(jì)長(zhǎng)拉伸桿，方便上下拉動(dòng)花瓣開(kāi)合。模型如圖14所示。

（2）花瓣連接件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)八片花瓣，圍繞主體放置，每片花瓣底部設(shè)計(jì)一個(gè)小圓環(huán)，可以與拉伸件的外環(huán)相連接，中間設(shè)計(jì)卡扣結(jié)構(gòu)，與主體連接，使花瓣、主體、連接件三件連接起來(lái)（如圖15）。

（3）主體結(jié)構(gòu)件：在結(jié)構(gòu)主體上，環(huán)繞主體設(shè)置八個(gè)卡扣，連接八片花瓣；中間設(shè)計(jì)圓柱，作為拉動(dòng)拉伸件的軌道，方便拉伸件進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)（如圖16）。多個(gè)零件結(jié)合實(shí)現(xiàn)花瓣的打開(kāi)和閉合功能（如圖17）。在圖17結(jié)構(gòu)上底部連接電動(dòng)舵機(jī)，舵機(jī)單片齒輪做180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)拉伸桿進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)花瓣的自動(dòng)開(kāi)合（如圖18、圖19）。

2.電路模塊固定結(jié)構(gòu)

電路模塊固定結(jié)構(gòu)如圖20所示，燈片、手勢(shì)控制芯片和舵機(jī)分別連接編程芯片，通過(guò)設(shè)置好的編程控制。

四、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種燈罩變形的手勢(shì)控制燈具套件，用人的手勢(shì)來(lái)控制燈開(kāi)關(guān)、燈光變化和燈具外形形變?nèi)N功能。燈具外觀模仿花朵模樣，外殼為花瓣，通過(guò)手勢(shì)控制，用戶可以控制花瓣的張開(kāi)閉合，這不僅增加了人和燈具的交互，還可以調(diào)節(jié)燈光亮度。本設(shè)計(jì)更新了智能燈具的交互方式，同時(shí)也改變了燈具造型一成不變的現(xiàn)狀，在現(xiàn)代智能燈具設(shè)計(jì)中有一定價(jià)值。但本設(shè)計(jì)仍有兩點(diǎn)不足：一是模型花瓣閉合沒(méi)有達(dá)到預(yù)想程度，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全閉合，這是由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上設(shè)置拉伸桿上下拉伸長(zhǎng)度過(guò)短所致。二是在設(shè)計(jì)的途中暫時(shí)還沒(méi)有考慮燈具內(nèi)的零件放置的固定結(jié)構(gòu)，只是把電路和芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單放置，這也是將來(lái)需要優(yōu)化的地方。

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作者簡(jiǎn)介：李鍶雨，廣東工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)專業(yè)研究生。研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、用戶研究。