淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-3001200814434100
中文論文名稱 盲多重障礙者頭控有聲溝通器之設計與製作
英文論文名稱 Design and Manufacture of Head-Controlled Talking Machine for Visually Impaired People with Multiple Disabilities
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 96
學期 1
出版年 97
研究生中文姓名 許庭豪
研究生英文姓名 Ting-Hao Hsu
學號 694340539
學位類別 碩士
語文別 英文
口試日期 2008-01-16
論文頁數 72頁
口試委員 指導教授-葉豐輝
委員-陳佳萬
委員-吳志富
委員-蔡慧駿
委員-李經綸
中文關鍵字 頭部控制  CCD定位系統  盲多重障礙者 
英文關鍵字 Head-Controlled  CCD fixing system  Visually Impaired people with Multiple Disabilities 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文旨在進行盲多重障礙者頭控有聲溝通器之軟硬體系統整合設計與製作,以解決盲多重障礙者因無法發聲而無法與外界溝通問題。研究中研發了頭控人機介面模組、訊號處理模組、傳輸模組、追蹤定位系統與中英文語音(TTS)應用軟體,使盲多重障礙者只要輕微擺動頭部,即可發聲與外界交談溝通。
本研究首先使用9個紅外線感測器完成序列埠(RS232)、通用序列匯流排(USB)和藍芽介面之頭控模組,並使用89C52單晶片完成程式運算微處理系統,以整合輸入系統之硬體架構;其次使用CMUcam1 CCD模組與BS2微處理器,完成CCD定位追蹤系統;最後以C++語言完成與89C52端拼音、組字和除錯等功能,並結合電腦端語音合成系統之有聲應用程式設計和撰寫,成功整合設計與製作了盲多重障礙者智慧型頭控有聲溝通器之軟硬體系統,並與盲多重視障者配合進行實際測試與修正。
本文之研究成果,不僅解決多年來國內外蓬勃發展眼控與頭控系統,卻仍無適合盲多重障礙者使用之有聲溝通輔具的困境,亦可改善盲多重視障者輔具的應用範疇,以創造盲多重視障者優質化的學習和生活環境。
英文摘要 The object of this thesis is to accomplish the integrated design and manufacture of head-controlled system for voice communication to visually impaired people with multiple disabilities. The result will solve the problem that visually impaired people with multiple disabilities can’t communicate with other people because they can not make voice by themselves. The head-controlled human-machine interface module, signal processing module, communication interface module, position tracking system, and intelligent Chinese and English TTS interface system are developed in this thesis.
At first, nine infrared sensors, single chip processor 89C52, RS232, USB and Bluetooth interfaces are used to accomplish the hardware of head-controlled talking machine. Then, the CCD position tracking system is carried out by CMUcam1 CCD module and BS2 microprocessor. Eventually, the software of head-controlled talking machine is created using C++ and TTS system to achieve the communication functions of Pinyin, associating Chinese character, debugging error action and pronouncing English or Chinese character. The prototype is also tested by visually impaired people with multiple disabilities and then improved.
The result of this thesis, can not only solve that there is no suitable assistive device for visually impaired people with multiple disabilities to communicate with other people, also can improve the field of application for assistive devices, and create the quality assured accessibility environment of learning and living.
論文目次 目 錄
中文摘要 ------------------------------------------------------------------------ I
英文摘要 ------------------------------------------------------------------------ II
誌 謝 ----------------------------------------------------------------------- IV
目 錄 ------------------------------------------------------------------------ V
圖表索引 --------------------------------------------------------------------- VIII
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 ------------------------------------------------------------ 03
1.3.1頭部控制系統 ------------------------------------------------ 04
1.3.2瞳位追蹤系統 ------------------------------------------------ 09
1.3.3接觸式輸入系統 --------------------------------------------- 11
1.3.4摩斯碼輸入系統 --------------------------------------------- 13
1.3.5追蹤定位系統 ------------------------------------------------ 14
1.4 論文之構成 --------------------------------------------------------- 15
第二章 硬體系統設計 ------------------------------------------------------- 17
2.1 人機介面需求 ------------------------------------------------------ 17
2.2 硬體系統架構 ------------------------------------------------------ 17
2.3 輸入模組 ------------------------------------------------------------ 18
2.3.1頭控紅外線感測器 ------------------------------------------ 18
2.3.2頭控接收面板 ------------------------------------------------ 19
2.4 訊號處理模組 ------------------------------------------------------ 22
2.4.1 89C52單晶片 ------------------------------------------------ 22
2.4.2蜂鳴器回饋介面 --------------------------------------------- 23
2.5 介面傳輸模組 ------------------------------------------------------ 25
2.5.1 RS232介面 --------------------------------------------------- 25
2.5.2 USB介面 ----------------------------------------------------- 25
2.5.3藍芽介面 ------------------------------------------------------ 26
2.6 系統特色 ------------------------------------------------------------ 27
第三章 追蹤定位系統硬體設計 ------------------------------------------- 28
3.1 定位需求與系統選用 --------------------------------------------- 28
3.2 追蹤定位系統架構 ------------------------------------------------ 31
3.3 CMUcam1 CCD模組 -------------------------------------------- 32
3.4 BS2微處理器 ----------------------------------------------------- 35
3.5 馬達驅動模組 ------------------------------------------------------ 36
3.6 系統特色 ------------------------------------------------------------ 43
第四章 溝通器靭體程式與應用軟體設計 ------------------------------- 44
4.1 溝通器拼音靭體程式 --------------------------------------------- 44
4.2 溝通器組字靭體程式 --------------------------------------------- 45
4.3 感測輔助靭體程式 ------------------------------------------------ 48
4.4 操作流程修正 ------------------------------------------------------ 48
4.5 追蹤定位靭體程式 ------------------------------------------------ 49
4.5.1追蹤靭體程式 ------------------------------------------------ 50
4.5.2馬達驅動靭體程式 ------------------------------------------ 51
4.6 中英文語音應用軟體 --------------------------------------------- 51
第五章 溝通器軟硬體系統測試與討論 ------------------------------- 52
5.1 頭控紅外線感測器干擾測試 --------------------------------- 52
5.2 盲多重障礙者實測與接收面板大小測試 ------------------ 57
5.3 無追蹤定位系統頭控溝通器測試 --------------------------- 58
5.4 追蹤定位系統馬達驅動模組測試 --------------------------- 61
5.5 有追蹤定位系統頭控溝通器測試 --------------------------- 61
5.6 實際操作測試 --------------------------------------------- 63
第六章 結論與未來展望 ---------------------------------------------------- 66
6.1 結論 ------------------------------------------------------------------ 66
6.2 未來展望 ------------------------------------------------------------ 67
參考文獻 ----------------------------------------------------------------------- 69


圖表索引
圖1-1 盲多重障礙者頭控有聲溝通器之系統架構 ------------------- 02
圖1-2 研究流程步驟 ------------------------------------------------------- 03
圖1-3 雷射指向裝置發射器 ---------------------------------------------- 05
圖1-4 雷射指向器 ---------------------------------------------------------- 05
圖1-5 雷射指向裝置系統 ------------------------------------------------- 06
圖1-6 超音波式指向系統 ------------------------------------------------- 06
圖1-7 雙光源影像頭控系統 ---------------------------------------------- 08
圖1-8 瞳位追蹤器 ---------------------------------------------------------- 09
圖1-9 眼電圖訊號偵測裝置 ---------------------------------------------- 10
圖1-10 U2i可程式輸入系統 ---------------------------------------------- 12
圖1-11 嘴控文書系統 ------------------------------------------------------- 13
圖1-12 嘴控輸入裝置 ------------------------------------------------------- 13
圖2-1 透過型紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-2 反射型紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-3 EX-23紅外線感測器 ---------------------------------------------- 19
圖2-4 附於紅帽之感測器 ------------------------------------------------- 20
圖2-5 負載電路圖 ---------------------------------------------------------- 20
圖2-6 頭控接收面板 ------------------------------------------------------- 21
圖2-7 EX-23擴散光特性圖 ---------------------------------------------- 21
圖2-8 89C52相關電路圖 ------------------------------------------------- 22
圖2-9 電路實體圖 ---------------------------------------------------------- 23
圖2-10 蜂鳴器回饋介面流程圖 ------------------------------------------- 24
圖2-11 MAX232電路圖 --------------------------------------------------- 25
圖2-12 藍芽介面 ------------------------------------------------------------- 26
圖2-13 系統實體圖 ---------------------------------------------------------- 27
圖3-1 正常相對位置 ------------------------------------------------------- 28
圖3-2 相對位置改變 ------------------------------------------------------- 29
圖3-3 頭控溝通器與追蹤系統流程圖 ---------------------------------- 29
圖3-4 追蹤模組動作流程 ------------------------------------------------- 32
圖3-5 CMUcam1 CCD模組 --------------------------------------------- 33
圖3-6 Parallax Boe-Bot載板 --------------------------------------------- 33
圖3-7 CCD追蹤自走車應用 --------------------------------------------- 34
圖3-8 BS2微處理器 ------------------------------------------------------- 36
圖3-9 追蹤定位系統側視圖 ---------------------------------------------- 36
圖3-10 追蹤定位系統實體圖 ---------------------------------------------- 37
圖3-11 直流線性無刷馬達 ------------------------------------------------- 38
圖3-12 KLV-200無刷馬達驅動器 ---------------------------------------- 39
圖3-13 馬達驅動器控制箱 ------------------------------------------------- 40
圖3-14 下部移動極限開關 ------------------------------------------------- 40
圖3-15 左右旋轉極限開關 ------------------------------------------------- 41
圖3-16 導螺桿驅動機構 ---------------------------------------------------- 41
圖3-17 24V電源供應器 ---------------------------------------------------- 42
圖3-18 配電穩壓電路 ------------------------------------------------------- 42
圖4-1 數碼拼音表 ---------------------------------------------------------- 44
圖4-2 拼音靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 46
圖4-3 組字靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 47
圖4-4 感測器擴散光示意圖 ---------------------------------------------- 48
圖4-5 操作修正流程圖 ---------------------------------------------------- 49
圖4-6 追蹤靭體程式流程圖 ---------------------------------------------- 50
圖4-7 中英文語音應用軟體 ---------------------------------------------- 51
圖5-1 感測器點光源量測 ------------------------------------------------- 53
圖5-2 紅外光EX-23角度特性 ------------------------------------------- 54
圖5-3 感測器斜角情形 ---------------------------------------------------- 54
圖5-4 感測輔助定位 ------------------------------------------------------- 56
圖5-5 無追蹤定位系統頭控溝通器之訊號處理流程圖 ------------- 59
圖5-6 無追蹤定位系統頭控溝通器之實驗作品一 ------------------- 60
圖5-7 無追蹤定位系統頭控溝通器之實驗作品二 ------------------- 60
圖5-8 頭控溝通器與追蹤定位系統實體圖 ---------------------------- 62
圖5-9 系統架構圖 ---------------------------------------------------------- 62
圖5-10 實際感測流程 ------------------------------------------------------- 64
圖6-1 盲多重障礙者操作介面電腦輔助模組 ------------------------- 68

表2-1 各種頭控介面比較表 ---------------------------------------------- 17
表3-1 追蹤定位介面比較表 ---------------------------------------------- 30
表5-1 實際操作流程 ------------------------------------------------------- 52
表5-2 感測器距離與點光源大小 ---------------------------------------- 53
表5-3 感測器斜角與長短軸值 ------------------------------------------- 55
表5-4 實際測試表 ---------------------------------------------------------- 65
參考文獻 1.D. G. Evans, R. Drew and P. Blenkhorn, “Controlling Mouse Pointer Position Using an Infrared Head-Operated Joystick,” IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, Vol. 8, No. 1, pp. 107-117, 2000.
2.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.
3.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.
4.X. Xie, R. Sudhakar and H. Zhuang, “A Cascade Scheme for Eye Tracking and Head Movement Compensation,” IEEE Transactions on Man and Cybernetics, Vol. 28, pp. 487-490, 1998.
5.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學系研究所,2002年。
6.吳明貴,“超音波三維頭控人機介面系統之研製”,碩士論文,逢甲大學自動控制工程研究所,2003年。
7.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, No. 11, pp. 1073-1082, 1996.
8.周英汶,“微機電重力角度感測式無線頭控滑鼠”,碩士論文,成功大學電機工程學系研究所,2000年。
9.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學系研究所,2000年。
10.張凱傑,“雙光源追蹤式頭控系統”,Y2K生醫科技論文研討會,2000年。
11.G. Norris and E. Wilson, “The Eye Mouse, An Eye Communication Device,” IEEE Transactions on Bioengineering Conference, pp. 66-67, 1997.
12.張凱傑,“眼控與頭控之人機介面系統研發與整合”,碩士論文,逢甲大學自動控制工程研究所,2001年。
13.謝文元,“殘障者人機介面系統:紅外線眼控電腦滑鼠系統之研製”,碩士論文,台灣大學電機工程學系研究所,1999年。
14.蔡金源,“以眼球控制之殘障人機介面:紅外線視動滑鼠”,碩士論文,台灣大學電機工程學系研究所,1997年。
15.徐聖棟,“建立紅外線反射式眼動滑鼠”,碩士論文,國立成功大學醫學工程研究所,2000年。
16.科技文教基金會,“可程式化輸入系統(U2)中文操作書”,2001年。
17.吳崇民,“殘應用於重度脊椎損傷患者之摩斯碼模糊辨識嘴控輸入系統”,博士論文,國立成功大學電機工程學系研究所,2004年。
18.施清祥,“殘障用電腦溝通輔助系統之設計與實現”,碩士論文,國立成功大學電機工程學系研究所,1996年。
19.施清添,“殘障用摩斯碼溝通輔助系統”,碩士論文,國立成功大學電機工程學系研究所,1994年。
20.C. P. Papageorgiou, M. Oren and T. Poggio, “A General Framework for Object Detection,” IEEE Transactions on Computer Vision, pp. 555-562, 1998.
21.B. K. P. Horn and J. E. J. Schunck, “Determining Optical Flow,” Congress on Artificial Intelligence, Vol. 17, pp. 185-203, 1981.
22.B. Lucas and T. Kande, “An Iterative Images Registration Technique with Application to Stereo Vision,” DARPA Image Understanding Workshop, pp. 121-130, 1981.
23.C. Lerdsudwichai and M. Abdel-Mottaleb, “Algorithm for Multiple Faces Tracking,” Multimedia and Expo International Conference, Vol. 2, pp. 777-780, 2003.
24.Y. B. Lee, B. J. You and S. W. Lee, “A Real-Time Color-Based Object Tracking Robust to Irregular Illumination Variations,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 2, pp. 1659-1664, 2001.
25.A. M. Baumberg and D. C. Hogg, “An Efficient Method for Contour Tracking using Active Shape Models,” IEEE Workshop on Motion of Non-Rigid and Articulated Objects, pp. 194-199, 1994.
26.Y. B. Sun, J. T. Kim and W. H. Lee, “Extraction of Face Objects Using Skin Color Information,” IEEE International Conference on Circuits and Systems, Vol. 2, pp. 1136-1140, 2002.
27.D. Murray and A. Basu, “Motion Tracking with an Active Camera,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 16, No. 5, pp. 449-459, 1994.
28.A. Arsenioa and J. Santos-Victor, “Robust Visual Tracking by an Active Observer,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vol. 3, pp. 1342-1347, 1997.
29.X. Jing, S. Baker, I. Matthews and T. Kanade, “Computer Vision and Pattern Recognition,” IEEE CVPR on Multimedia, Vol. 2, pp. 535-542, 2004.
30.S. Baker, I. Matthews, J. Xiao, R. Gross, T. Kanade and T. Ishikawa, “Real-Time Non-Rigid Driver Head Tracking for Driver Mental State Estimation,” 11th World Congress on Intelligent Transportation Systems, 2004.
31.台灣歐姆龍公司,“E3Z型放大器內藏型光電開關”,產品參數資料。
32.日本SUNX公司,“Ex-20系列光電開關”,產品參數資料。
33.美國Parallax公司,“Seattle Robotics CMUcam1 Appmod Vision System”,產品參數資料。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2008-01-31公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2008-01-31起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信