小轮椅 大未来

乐羊羊

一、设计灵感

廖隽晞、黎俊良、贺惠荃三位同学相识于学校的科技社团，他们是志同道合的科创“战友”，常常聚在一起讨论和研究科创作品。一次，他们了解到中国有近一亿的残疾人，能否为他们做点什么，让他们的生活变得更加便利呢？廖隽晞、黎俊良、贺惠荃三位同学萌生出设计一款“智能轮椅”的想法，帮助残疾人解决行动不便的问题。

二、指导老师与设计者

姓名：孙自超，一级教师。梧州市中山小学信息技术教师兼学校科技辅导员。

姓名：廖隽晞

座右铭：为什么梦想没有实现？因为没有坚持，没有努力，没有奋斗。

姓名：黎俊良

座右铭：学而不思则罔，思而不学则殆。

姓名：贺惠荃

座右铭：超越梦想，超越自我！

三、星成就

合作作品《多吉3号：聪明的轮椅》荣获第19届广西青少年机器人竞赛暨东盟国家及粤港澳青少年机器人邀请赛创意比赛小学组一等奖。

四、科创过程

第1步：确定制作思路。

廖隽晞、黎俊良、贺惠荃三位同学经过多次研究，确定了作品的设计方案。该智能轮椅先用摄像头拍摄使用者的眼球转动方向和脸部动作，然后将图像传输到自身搭载的电脑上，再通过电脑发出对应的动作指令，如原地转动或直行等。

第2步：硬件制作。

前期硬件制作的工作包括拼接轮椅、安装舵机和安装电脑处理器等。为了高效完成各项任务，贺惠荃、廖隽晞、黎俊良三人进行了分工，手巧心细的贺惠荃负责裁切水管和拼装轮椅;廖隽晞、黎俊良负责把舵机、树莓派电脑等硬件安装到轮椅上。

孙自超老师：他们最初选择采用传统双电机驱动的方法驱动智能轮椅，因为安装双电机的方法较为简单，但在测试性能时，他们发现双电机无法为智能轮椅提供足够的动力，于是改为使用四电机的方案。与传统双电机驱动相比，四电机的安装过程较为复杂，编写程序的难度也较大，但可以提供充足的动力。

第3步：编程环节。

擅长编程的廖隽晞和黎俊良共同负责编写程序，他们使用神经网络VGG16和OpenCV库编写程序。在编程过程中，他们遇到了程序无法运行的问题;也遇到程序运行不成功，智能轮椅不启动或不按指令启动的情况……遇到新问题的他们，没有退缩，而是迎难而上，通过检查电机是否正常运转、运行程序代码是否正确等手段，找到解决办法。

孙自超老师：VGG16是一种图像分类的VGG卷积神经网络，由13层卷积层和3层全连接层组成，主要用来对图像进行分类，其程序运行的速度和准确率都很高。OpenCV是一个开源的计算机视觉软件库，可以控制摄像头等设备。廖隽晞和黎俊良在这次编程中使用OpenCV和VGG16这两个程序，自己动手制作了一个脸部动作分类库。

第4步：采集面部图片。

三人在调查中发现，有些残疾人头部以下的肢体都不能动，且只能稍微移动头部，有些甚至只能转动眼球。因此，他们先尝试设计能识别眼球转动方向的程序。当使用者持续向前看时，智能轮椅开始启动或前行;当使用者持续向左或向右看时，智能轮椅根据所看的方向转弯;当使用者闭上眼睛时，智能轮椅停止行动，但若使用者闭眼的时间超过3秒，就会触发智能轮椅的报警装置。为了完成这个设计方案，他们三人互相拍摄了1000多张脸部的照片，主要拍摄睁眼、闭眼、眼睛向左看、眼睛向右看的照片，并以此作为智能轮椅的图像素材。

孙自超老师：智能轮椅电脑识别表情的步骤分为三步，第一步是要从图像中框选出人脸的矩形范围;第二步是利用识别到的人脸图像进行训练;第三步是生成识别模型，准确识别出图片中的眼部动作。

第5步：测试智能轮椅的动作识别能力。

在完成智能轮椅的初步设计后，三人馬上就开始测试智能轮椅的操控性能。黎俊良担任测试“模特”，他先睁开眼睛直视前方两秒钟，这时，智能轮椅开始前进;然后他眼球往左转，并保持动作两秒钟，智能轮椅开始向左转动;接着他眼球又往右转动，并保持动作两秒钟，智能轮椅自动向右转动;最后，黎俊良闭上眼睛，两秒钟后智能轮椅停止运动，闭眼时长超过三秒钟时，智能轮椅启动报警装置，并自动拨打“120”电话。智能轮椅的性能达到了他们的预期目标，测试成功了！三人高兴地将智能轮椅命名为“多吉3号”。

第6步：未来优化。

未来，三位同学希望“多吉3号”智能轮椅可连接无线网络，拥有独立的电池。另外，他们目前拥有的图像素材不够丰富，虽然现在智能轮椅捕捉眼部动作的正确率达到86%，但仅局限于三位设计者的眼部动作，所以他们要采集更多的素材，以提高智能轮椅的普适性。他们希望有一天，这款智能轮椅能真正投入使用，帮助到更多有需要的人。