本文旨在設計與製作盲多重障礙者主動式與互動式溝通器之軟硬體系統，以解決盲多重障礙者與外界溝通和操作電腦的問題。研究中首先進行非接觸式主動有聲溝通器之機構設計，結合CCD追蹤模組，完成自動定位功能，使接收面板可自動追蹤盲多重障礙者頭上之發射器，增加非接觸式主動有聲溝通器之準確性與方便性。其次使用接觸式微動開關，配合八方向搖桿機構與下巴控制溝通器之人機介面設計，完成接觸式主動有聲溝通器，提升主動式溝通器輸入的精準度。最後設計頭部擺動操控電腦之功能表，結合盲用視窗系統，完成電腦操控之軟硬體系統。
此外本研究亦設計與製作互動式溝通器之軟硬體系統，方便任何不懂溝通表之一般人，依照患者頭部擺動八個不同方向的動作，敲打所設計對應頭部擺動方向之八個按鍵，都能簡易利用一個鍵盤與盲多重障礙者溝通。
本研究成果可使國內盲多重障礙者能透過主動式與互動式整合溝通系統，擁有自主性資訊，不僅可提供盲多重障礙者使用有聲溝通器與電腦操作輔具，並可降低E化環境對盲多重障礙者之衝擊，從而創造更有利於盲多重障礙者之優質化無障礙學習與生活空間。

The thesis aims to carry out the integrated design and manufacture of the active and interactive communication device software and hardware systems to solve the problems of communication with the outside world and computer operation for the visually impaired people with multiple disabilities. The mechanical design of the non-contact active communication device integrated with CCD tracking module has accomplished the auto-location function to adjust the infrared ray sensor on the head of the visually impaired people with multiple disabilities to enhance the accuracy and the convenience of the non-contact active communication device. Besides, the contact active communication device has been created using touchable micro-contact switch and eight directions joystick controlled by the chin to improve the accuracy of the input from the active communication device. Finally, the function tables of operating computer by swaying user’s head have been designed to achieve the system of computer operation by integrating Windows screen reader.
The hardware and software based on the interactive communications system have also been designed and manufactured. It is convenient for anyone, who doesn’t know how to use the communication table, to communicate by beating the eight buttons of a simple keyboard corresponding to the eight different directions of the heads of the visually impaired people with multiple disabilities.
The results of this thesis will enable visually impaired people with multiple disabilities to own the self-determination information through the active and interactive integrated communications system. The project results will not only provide the assisted device of audio communication and computer operation, and reduce the impact of E environment for visually impaired people with multiple disabilities. Thereby, a barrier-free quality of the learning and living environment can be created.

中文摘要 I
英文摘要 II
目 錄 IV
圖表索引 VII
第一章 緒論 01
    1.1 前言 01
    1.2 研究動機與目的 01
    1.3 文獻回顧 04
       1.3.1頭部控制系統 04
       1.3.2瞳位追蹤系統 07
       1.3.3影像辨識系統 08
       1.3.4 Joystick類比搖桿機構 11
       1.3.5八方向搖桿機構 14
    1.4 論文架構 16
第二章 非接觸式主動有聲溝通器 18
    2.1 硬體架構 18
    2.2 定位模組機構設計 19
       2.2.1感測器面板與旋轉機構設計 20
       2.2.2上下移動機構設計 21
    2.3 組裝與測試 23
    2.4 測試結果與討論 27
       2.4.1感測器面板改良 28
       2.4.2改良感測器面板之實體製作 29
第三章 接觸式主動有聲溝通器 30
    3.1 設計構想 30
    3.2 系統架構 30
    3.3 輸入模組機構設計 31
    3.4 硬體配電位置設計 39
    3.5 人機介面設計 40
    3.6 組裝與測試 47
    3.7 測試結果與討論 50
第四章 盲多重障礙者電腦操作系統 53
    4.1 導盲鼠系統概論 53
       4.1.1使用者需求與目的 53
       4.1.2導盲鼠系統架構 53
    4.2 系統操作流程 55
       4.2.1輸入方式與功能鍵設定 55
       4.2.2操作有聲溝通系統 56
       4.2.3操作常用電腦系統工具及應用軟體之捷徑 61
       4.2.4自由操作電腦 64
    4.3 常用電腦系統工具及應用軟體之操作範例 67
       4.3.1瀏覽電腦內部檔案 67
       4.3.2收發電子郵件之Outlook Express 76
       4.3.3網路即時通軟體之MSN 85
       4.3.4網頁瀏覽之Internet Explorer 93
第五章 互動式有聲溝通器 98
    5.1 設計構想 98
    5.2 系統架構 98
    5.3 簡易鍵盤按鈕設計 100
    5.4 組裝與測試 102
    5.5 測試結果與討論 111
第六章 結論與未來展望 112
    6.1 結論 112
    6.2 未來展望 113
參考文獻 115
 
圖表索引
圖1-1  主動式與互動式有聲溝通系統架構圖 02
圖1-2  非接觸式主動有聲溝通器系統架構圖 03
圖1-3  接觸式主動有聲溝通器系統架構圖 03
圖1-4  互動式有聲溝通器系統架構圖 03
圖1-5  臉頰鼓動按鍵法 05
圖1-6  超音波頭控搖桿示意圖 06
圖1-7  雷射指向裝置示意圖 07
圖1-8  眼控滑鼠裝置示意圖 08
圖1-9  眼控輪椅裝置示意圖 08
圖1-10  CCD影像追蹤裝置示意圖 09
圖1-11 影像辨識頭控輪椅裝置示意圖 10
圖1-12 影像辨識頭控滑鼠裝置示意圖 10
圖1-13 嘴控輸入系統 11
圖1-14 類比搖桿遊戲手把 12
圖1-15  360度類比搖桿 12
圖1-16  Joystick機構圖 13
圖1-17 三維工作空間 13
圖1-18  x軸與y軸個別的極限移動角度 13
圖1-19 八方向棒式開關 14
圖1-20 大型電玩八方向機械搖桿 15
圖1-21  ROBOSAPIEN V2之八方向搖桿 16
圖2-1  感測器尺寸與最大感測距離 18
圖2-2  非接觸式主動有聲溝器系統架構圖 19
圖2-3  八方位感測器面板與CCD定位模組組合圖 20
圖2-4  面板與旋轉機構設計 20
圖2-5  HIWIN 精密線性模組 21
圖2-6  皮帶傳動模組機構設計 21
圖2-7  上下移動模組機構設計 21
圖2-8  非接觸式主動有聲溝通器組合圖 22
圖2-9  非接觸式主動有聲溝通器正視圖與右側視圖 22
圖2-10 非接觸式主動有聲溝通器人機介面示意圖 22
圖2-11 實體完成正視圖 24
圖2-12 實體完成側視圖 24
圖2-13 附於紅帽之紅外線發射器 24
圖2-14 非接觸式主動有聲溝通器操作流程圖 25
圖2-15  CCD追蹤模組追蹤紅色帽子(一) 26
圖2-16  CCD追蹤模組追蹤紅色帽子(二) 26
圖2-17 測試非接觸式主動有聲溝通器 26
圖2-18 電腦輔助設計面板尺寸圖 28
圖2-19  17吋LCD液晶螢幕作為角架 29
圖2-20 改良感測器面板之實體完成圖 29
圖3-1  接觸式主動有聲溝通器系統架構圖 31
圖3-2  接觸形式說明圖 32
圖3-3  微動開關內部構造圖 33
圖3-4  各種形式的動臂 33
圖3-5  極限搖擺角度與尺寸圖 34
圖3-6  初始概念設計 36
圖3-7  下層搖桿機構之電腦輔助設計 37
圖3-8  下層搖桿機構二視圖 37
圖3-9  下層搖桿機構四方向擺動設計 37
圖3-10 下層搖桿X字方向的擺動不會按下微動開關 38
圖3-11 八方向搖桿機構之電腦輔助設計 38
圖3-12 硬體配電位置之電腦輔助設計 39
圖3-13 接觸式主動有聲溝通器機構設計組立圖 40
圖3-14 接觸式主動有聲溝通器八方向座標圖 41
圖3-15 針對下巴控制設計之機構組立圖 41
圖3-16 下巴控制之人機介面示意圖 42
圖3-17 頭擺最大直線距離48.62mm 44
圖3-18 頭擺半徑由195mm增加為200.97mm 44
圖3-19 頭擺弧長由47.65mm增加為49.11mm 45
圖3-20 頭擺最大直線距離21.19mm 46
圖3-21 頭擺半徑由85mm增加為87.60mm 46
圖3-22 頭擺弧長由20.77mm增加為21.40mm 47
圖3-23 實體完成正視圖 48
圖3-24 實體完成側視圖 48
圖3-25 測試接觸式主動有聲溝通器 48
圖3-26 接觸式主動有聲溝通器操作統流程圖 49
圖3-27 改良下巴靠座設計實體圖 51
圖3-28 機台傾斜10度至15度設計 51
圖3-29 改良設計實體正視圖 52
圖3-30 改良設計實體側視圖 52
圖3-31 改良設計後操作溝通器 52
圖4-1  導盲鼠系統架構流程圖 54
圖4-2  一般鍵盤按鈕之基本功能鍵 55
圖4-3  操作有聲溝通系統流程圖 57
圖4-4  操作常用電腦系統工具及應用軟體之捷徑流程圖 62
圖4-5  自由操作電腦之流程圖 66
圖4-6  進入到我的電腦＞檔案＞檢視 69
圖4-7  啟動詳細資料夾(D) 70
圖4-8  完成詳細資料夾設定 70
圖4-9  選取本機磁碟機(D) 71
圖4-10 選取MP3資料夾 71
圖4-11 開啟滑鼠右鍵功能表＞選取重新命名(M) 72
圖4-12 開啟重新命名編輯模式 72
圖4-13 將游標移動到MP3字尾之後＞切換成中文輸入法 72
圖4-14 完成重新命名為「MP3國語歌曲」資料夾 73
圖4-15 選取到Alt功能表裡的視窗關閉 73
圖4-16 選取光碟機中的導盲鼠CD教材 74
圖4-17 選取MP3資料夾 74
圖4-18 選取國語歌曲 74
圖4-19 找到檸檬樹MP3檔案 75
圖4-20 播放檸檬樹MP3檔案 75
圖4-21 選取停止(S)音樂播放 76
圖4-22 進入Outlook Express系統中之收件匣 79
圖4-23 電腦收信後選取寄件者的新郵件 79
圖4-24 收信郵件介面 79
圖4-25 寄信郵件介面 80
圖4-26 發送新郵件 81
圖4-27 寫信插入附加檔案 82
圖4-28 選取需要夾帶的檔案 82
圖4-29 標示信件已夾帶檔案成功 82
圖4-30 選擇收件者通訊錄介面 84
圖4-31 新增「收件者」成功 84
圖4-32 通訊錄新增聯絡人 85
圖4-33 填寫MSN登入資訊 88
圖4-34 正在登入MSN介面 88
圖4-35 成功登入MSN使用介面 88
圖4-36 新增聯絡人電子郵件地址 89
圖4-37  MSN新增聯絡人介面 89
圖4-38 顯示新增聯絡人帳號 90
圖4-39 選擇文字交談對象 91
圖4-40 文字輸入區 91
圖4-41 文字交談區 91
圖4-42 傳送檔案 92
圖4-43 選擇國家地理雜誌 95
圖4-44 選擇要查詢之年月份 96
圖4-45 選擇想要瀏覽之新聞類別 96
圖4-46 輸入要翻譯的文字 97
圖4-47 文字翻譯結果 97
圖5-1  頭部擺動八方向示意圖 99
圖5-2  互動式有聲溝通器系統架構圖 99
圖5-3  互動式有聲溝通器操作流程圖 100
圖5-4  患者擺頭與旁人操作簡易鍵盤按鈕相對位置示意圖 101
圖5-5  互動式有聲溝通器之簡易鍵盤按鈕設計 101
圖5-6  互動式有聲溝通器簡易鍵盤按鈕之成品 103
圖5-7  測試互動式有聲溝通器 103

表2-1  注音符號溝通表(主動式) 25
表2-2  溝通表測試範例 27
表3-1  市面上現有搖桿機構之採用說明 35
表3-2  頭擺數據整理表 47
表3-3  溝通表測試範例 49
表4-1  輸入鍵設定之範例 55
表4-2  有聲溝通系統之數碼拼音表 58
表4-3  有聲溝通系統之英文輸入法 58
表4-4  數碼溝通輔助表 59
表4-5  有聲溝通系統之功能鍵 60
表4-6  中文輸入法 63
表4-7  英文輸入法 63
表4-8  Window XP系統之輸入鍵總表 65
表4-9  瀏灠電腦內部檔案之輸入鍵總表 68
表4-10 電子郵件Outlook Express之輸入鍵總表 77
表4-11 網路即時通MSN之輸入鍵總表 86
表4-12 網頁瀏覽Internet Explorer之輸入鍵總表 94
表5-1  互動式有聲溝通器之數碼拼音表 104
表5-2  數碼拼音表測試範例 104
表5-3  互動式有聲溝通器之數碼溝通輔助表(一) 107
表5-4  互動式有聲溝通器之數碼溝通輔助表(二) 108
表5-5  互動式有聲溝通器之數碼溝通輔助表(三) 109
表5-6  數碼溝通輔助表測試範例(一) 110
表5-7  數碼溝通輔助表測試範例(二) 110
表5-8  數碼溝通輔助表測試範例(三) 110
表5-9  主動式有聲溝通器與互動式有聲溝通器性質比較 111

1.葉豐輝、蔡慧駿、許庭豪，“盲多重障礙者頭控有聲溝通器之設計與製作”，中國機械工程學會第二十三屆全國學術研討會，2006年。
2.R. S. Allison, M. Eizenman and S. K Cheung, “Combined Head and Eye Tracking System for Dynamic Testing of the Vestibular System,” IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 43, pp. 1073-1082 (1996).
3.S. R. Goldstein, M. E. D. Witherspoon, M. V. Green and A. Eidsath, “A Head Motion Measurement System Suitable for Emission Computed Tomography,” IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 16, pp. 17-27 (1997).
4.吳政輝，“智慧型無線頭控滑鼠之設計與研製”，碩士論文，淡江大學電機工程碩士在職專班，2003年。
5.Y. Tomita, Y. Igarashi, S. Honda and N. Matsuo, “Electro-Oculography Mouse for Amyotrophic Lateral Sclerosis Patients,” IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 5, pp. 1780-1781 (1996).
6.劉怡汝，“改良型微機電無線頭控滑鼠”，碩士論文，國立成功大學電機工程研究所，2000年。
7.趙春棠、張勛杰，“陀螺儀感測式無線頭控滑鼠”，生物醫學工程科技研討會，南台科技大學電機工程研究所，2003年。
8.黃立坤，“超音波頭控系統之研製”，碩士論文，逢甲大學自動控制工程研究所， 2002年。
9.鄭薇芬，“改良式超音波頭控搖桿系統之研製”，碩士論文，逢甲大學自動控制工程研究所， 2004年。
10.T. Donnely, P. J. Daver and S. Carlyon, “Laser-Operated Mouse for a Physically Disabled Child,” IEEE Colloquium on Helping the Disabled, No. 117, pp. 8/1-8/2 (1997).
11.O. Takami, N. Irie, C. Kang, T. Ishimatsu and T. Ochiai, “Computer Interface to Use Head Movement for Handicapped People,” IEEE Tencon Digital Signal Processing Applications, Vol. 1, pp. 468-472 (1996).
12.G. Hsu and J. James, “A Sourceless, Low-Cost Head Tracker for Virtual Reality Head Mounted Displays,” Proceedings of the 1995 Wescon Conference San Francisco, Usa, pp. 706-708 (1995).
13.S. Shin-ini, K. Minoru, K. aiko and I. Tadashi, “Immersive InterSpace System,” NTT R&D, Vol. 47, pp. 495-500 (1998).
14.邱國鈞，“追瞳系統之研製及其應用”，碩士論文，國立中央大學資訊工程研究所，2006年。
15.C. S. Lin, C. C. Huan, C. N. Chan, M. S. Yeh and C. C. Chiu, “Design of a Computer Game Using an Eye-Tracking Device for Eye’s Activity Rehabilitation,” Optics and Lasers in Engineering, Vol. 42, pp. 91-108 (2004).
16.J. D. Smith and T. C. N. Graham, “Use of Eye Movements for Video Game Control,” In Proc. Of  the 2006 ACM SIGCHI ACE '06, Vol. 266, pp. 1-8 (2008).
17.C. S. Lin, C. W. Ho, W. C. Chen, C. C. Chiu and M. S. Yeh, “Powered Wheelchair Controlled by Eye-Tracking System,” Optica Applicata, Vol. 36, pp. 401-412 (2006).
18.詹世祥、林宸生、蔡茂勳、郭道宏、謝佳雄，“高靈敏度頭控系統之研發”，工程科技與中西醫學應用會議，2002年。
19.C. S. Lin, T. H. Shi, C. H. Lin, M. S. Yeh and H. Z. Shieh, “The Measurement of the Angle of a User’s Head in a Novel Head-Tracker Device,”Measurement, Vol. 39, pp. 750-757 (2006).
20.L. M. Bergasa, M. Mazo, A. Gardel, R. Barea and L. Boquete, “Commands Generation by Face Movements Applied to the Guidance of a Wheelchair for Handicapped People,” IEEE 15th International Conference on Pattern Recognition, Vol. 4, pp. 660-663 (2000).
21.M. Betke, J. Gips, and P. Fleming, “The Camera Mouse: Visual Tracking of Body Feature to Provide Computer Access for People with Severe Disabilities,” IEEE Transaction on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, Vol. 10, pp. 1-10 (2002).
22.葉錦諺，“以影像為基礎之重度身障者人機介面”，碩士論文，國立中央大學資訊工程研究所，2008年。
23.吳崇民，“應用於重度脊髓損傷患者之摩斯碼模糊辨識嘴控輸入系統”，博士論文，成功大學電機工程研究所，2004年。
24.台灣Logitech公司，“類比搖桿控制器”，“http://www.logitech.com/index.cfm/gaming/pc_gaming/all/devices/288&cl=tw,zh”，產品參數資料。
25.吳道岳，“虛擬操縱器之模擬法則與分析—應用於兩軸力回饋搖桿”，碩士論文，國立交通大學電機與控制工程研究所，2002年。
26.W. H. Li, B. Liu, P. B. Kosasih and X. Z. Zhang, “A 2-DOF MR Actuator Joystick for Virtual Reality Applications,” Sensors & Actuators: A. Physical, Vol. 137, pp. 308-320 (2007).
27.日本ALPS公司，“ALPS Directional Switches”，“http://www.mouser.com/catalog/635/1527.pdf”，產品參數資料。
28.日本ALPS公司，“8-directional Stick Switch”，“http://www3.alps.com/WebObjects/catalog.woa/E/PDF/Switch/MultiControl/RKJXL/RKJXL.PDF”，產品參數資料。
29.日本三和公司，“JLF SERIES JOYSTICK”，“http://lizardlick.com/pages/sanwa_jlf_faq.shtml”，產品參數資料。
30.美國Wowwee公司，“ROBOSAPIEN V2”，“http://www.wowweesupport.com/pdf/RSV2_Manual.pdf”，使用說明手冊。
31.日本SUNX公司，“Ex-20系列光電開關”，“http://sunx.jp/japanese/products/photoelectric/ex-20/index.html”，產品參數資料。