一种基于mems传感器的新型智能化助残鼠标的制作方法

本实用新型涉及电脑输入设备领域，属于智能可穿戴设备，具体设计一种用可以用头部、膝盖控制的鼠标。

背景技术：

根据联合国人口署的统计，在全球60亿人口中，有将近一亿人在肢体、视力、智力、认知力等方面存在不同程度的残障。在中国，13亿人口中就有6000万残疾人。20世纪初，由于人道主义的呼唤，建筑学界产生了一种新的建筑设计方法——无障碍设计，它利用现代建筑设计和改造环境，为广大残疾人提供行动方便和安全空间，创造一个“平等、参与”的环境。同时，随着计算机技术和互联网技术的发展和延伸，电脑的使用已经渗入工作生活的各个领域并成为不可或缺的一部分，但上肢残疾活动不便的人使用普通鼠标却是十分困难。

随着计算机技术的高速发展，计算机在日常生活中的地位越来越重要，鼠标也无疑成为了最为重要的人机交互设备之一。然而常规的仅仅通过手操作的鼠标无疑将众多想要融入计算机时代的上肢残疾者拒之门外。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于为了方便无臂残疾人士使用电脑，本实用新型提供一种可穿戴鼠标，该鼠标可以摆脱传统鼠标采用物理按键进行控制的限制，使得鼠标可以用身体任意可灵活运动部位进行控制。该鼠标可以通过活动头部来控制鼠标左键单击、右键单击、滚轮上滚、滚轮下滚等，可以通过活动膝盖来控制鼠标光标的移动方向及移动速度。

本实用新型的技术方案是：一种基于mems传感器的新型智能化助残鼠标，其特征在于，包括按键控制组件包括按键控制组件、光标控制组件和数据交互 器，其中按键控制组件安装在人体头部，光标控制组件安装在人体膝盖部位；所述按键控制组件包括第一绑带5、按键控制器外壳4、第一无线模块3、第一主控板、第一mems加速度传感器1；第一绑带5与按键控制器外壳4连接，按键控制器外壳4上的第一mems加速度传感器1采集头部运动的参数信息，通过第一主控板转化为鼠标的按键信号数据后，通过第一无线模块3传输给外部的数据交互器，经数据交互器处理后经过USB线发送给PC机；所述光标控制组件包括第二绑带6、第二无线模块7、第二主控板、第二mems加速度传感器9；第二绑带6贯穿第二无线模块7、第二主控板和第二mems加速度传感器9后固定在人体膝盖部位，第二mems加速度传感器9采集膝盖运动的参数信息，通过第二主控板转化为光标移动信号数据后，经第二无线模块7传输给外部的数据交互器，经数据交互器处理后经过USB线发送给PC机。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第一主控板为第一STM32主控板2。

本实用新型的进一步技术方案是：所述第二主控板为第二STM32主控板8。

发明效果

本实用新型的技术效果在于：公开了一种基于mems传感器的新型智能化助残鼠标，属于智能可穿戴设备。采用“健全部位替代控制”这一理念，摆脱传统鼠标采用物理按键进行控制的限制，将鼠标硬件分割为两部分——按键控制组件和光标控制组件，使得鼠标可以用身体任意可灵活运动部位进行控制，从而给无臂残疾人士带来方便。光标控制组件可置于残疾者膝盖部位，依靠mems传感器实时采集膝盖不同时刻的姿态信息，来控制鼠标光标的上下左右移动；按键控制组件置于残疾人头部，通过mems传感器检测头部左右摆动、上下俯仰的活动信号，来控制鼠标左右键单击、滚轮正反翻滚，实现鼠标的按键控制功能。本实用新型提供的可穿戴助残鼠标结构小巧，不会给残疾人身体带来较大负担，可有效避免误识别，使用方便，可方便无臂残疾人士正常使用电脑。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理图；

图2是本实用新型的按键控制器侧面结构示意图；

图3是本实用新型的按键控制器的俯视结构示意图；

图4是本实用新型的光标控制器的侧面结构示意图。

附图标记说明：1-第一mems加速度传感器；2-第一STM32主控板；3-第一无线模块；4-按键控制器外壳；5-第一绑带；6-第二绑带；7-第二无线模块；8-第二STM32主控板；9-第二mems加速度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本实用新型技术方案进一步说明。

1、参见图1-图4，本实用新型提供的基于mems传感器的新型智能化助残鼠标，包括按键控制组件、光标控制组件、数据交互器，其中，按键控制组件和光标控制组件核心控制结构类似，各包括mems加速度传感器、stm32主控板、无线传输模块，根据控制器使用部位不同，硬件载体有所区别，按键控制组件安置在头部，又包括固定外壳、带子、电池，光标控制器安置在膝盖，又包括固定绑腿、电池，数据交互器包括stm32主控板、无线模块、USB线。

所述按键控制组件、光标控制组件、数据交互器均各自独立封装，按键控制组件和光标控制组件通过无线模块将有效数据传输给数据交互器，数据交互器将最终控制信号通过USB通信发送给PC机，实现鼠标的按键、滚轮、光标移动等功能。

所述按键控制组件通过固定外壳载体、带子固定在额头，按键控制组件中的mems加速度传感器为一九轴加速度传感器，可实时检测到头部左右摆动、上下俯仰的姿态信息、角速度信息、加速度信息，可以准确监测头部运动特征， 当检测到头部确实为有效向左摆动、向右摆动或者上下俯仰时，按键控制组件通过无线模块将对应的控制按键和滚轮的有效指令发送给数据交互器，头部轻微晃动并不会被按键控制器视为有效触发。

所述光标控制组件通过固定绑腿固定在膝盖上，光标控制组件中的mems加速度传感器为一九轴加速度传感器，可实时检测到膝盖左右摆动、上下俯仰的姿态信息、角速度信息、加速度信息，可以准确监测膝盖部位的运动特征，当检测到膝盖确实为有效运动时，光标控制组件通过无线模块将对应控制光标移动方向的有效指令发送给数据交互器，同时可以通过膝盖运动幅度调节光标运动速度。

本实用新型所述的新型智能化助残鼠标属于智能电子产品，其研究的重点在利用mems传感器进行姿态感应，利用姿态信息进行鼠标控制。该新型智能化鼠标利用膝盖、头部进行控制，从而摆脱传统鼠标只能用手来操控的限制，帮助上肢残疾人利用身体健全部位进行姿态控制操控鼠标，更加轻松灵活的操作电脑。此外，正常人也可以使用新型鼠标，从而把人的上肢从鼠标上彻底解放出来。这样既能减轻手和肩膀由于长期工作而造成损伤，又能使长期伏案办公的人在工作中也有机会活动下肢，对这类人群的健康起到了一定的保护作用；该新型智能鼠标还可以使脚和手配合工作，以提高工作效率。

应用mems传感器进行鼠标控制的新型智能助残鼠标通过感应膝盖、头部的姿态来进行鼠标光标的控制，其研究重点在于将传感器接收到的姿态信息进行处理，采用PID算法控制，将姿态信息转化为控制电脑光标的移动和左右键按键信息。

加速度传感器的数据采集：

Mpu6050是一款加速度传感器，它对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/ 秒(dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。

本实用新型使用加速度传感器来作为“信号源”，进而实现鼠标功能，故“信号源”的数据的直观性、准确性对整个项目都是非常重要的。Mpu6050采集到的原始数据需要经过AD转换为可输出的数字量，而得到的数字量要成为可以使用的直观数据还需要进行数据解算。为了得到空间内的加速度、角速度、角度九个量，需要通过积分得到可用数据，同时为了减少误差，还需要通过微分进行矫正反馈。

按键控制器模块：

本实用新型将鼠标的按键功能和光标功能分开，分别做了一个按键控制组件和光标控制组件。按键控制组件的研究难点在于将头部摆动的信号转化为控制鼠标按键的信号，具体分为头部“有效摆动”信号的识别、信号识别后的响应信号，前者直接关系到鼠标的灵敏度和误触率，要协调好这一矛盾，需要进行大量实验，对实验数据进行分析归纳规律，选择合适的临界系数；后者关系到按键指令的发出，直接影响鼠标按键功能的实现，此处我们采用USb和PC机通信。

光标控制组件：

光标控制组件的难点在于要将传感器信号转化为鼠标光标在电脑显示屏中的位置，并且光标的移动速度是可变的，不能太慢或者太快，而且需要可以灵活运动，能够在某一点停住。

我们采用stm32驱动mpu6050(加速度传感器)，用解算得到的欧拉角来进行光标的运动控制，实验效果理想。

USB通信：

助残鼠标与传统鼠标相比，采用的传感器不一样，共同之处在于都需要将 传感器解算得到的信号传递给PC机。利用串口将传感器得到的数据发送到单片机，由单片机处理之后通过串口转USB与PC通信，以数组形式将光标位置、按键情况、滚轮情况发送给PC机，最终实现控制鼠标光标及按键。

头部：借助加速度传感器检测人头部两个相互方向的角速度及角加速度信号，人有意识将头部左右摆动或上下摆动的角速度及角加速度与人头部无意识摆动、晃动所得到的角速度及角加速度信号是不一样的，实验数据表明人在有意识将头部左右摆动或上下摆动的角速度及角加速度信号更加强烈，根据这一特性，通过检测头部角速度及角加速度信号，即可判断人头部的运动姿态，从而得到有效控制信号。

膝盖：借助加速度传感器检测人膝盖的运动情况，通过二次积分得到检测位移量，检测位移量与实际位移量之间存在近似线性关系，通过信号放大，A/D转换，得到鼠标光标需要的二维平面坐标值(x,y)。

案例1：左右键单机的控制

当使用者有意识将头部迅速往左摆动时，通过第一mems加速度传感器1能够得到强烈的加速度信号，此时第一主控板会响应这一控制信号，通过第一无线模块3将对应的鼠标左键单机的控制信号发送到鼠标接收端，鼠标接收端通过USB通信将信号传给PC，实现鼠标左键单机，此后第一主控板会等待人有意识摆正头部的信号，检测到这一信号后，第一主控板退出响应，从而可以正常接收下一个控制信号。

案例2：光标移动

当鼠标正常开启后，膝盖发生的位移均可通过第二mems角速度传感器检测到，第二主控板会对检测到的加速度信号进行积分处理，乘上比例系数转化为合适的鼠标光标位移量dx，dy,第二主控板会实时将这一位移量通过第二无线模块发送给鼠标接收端，鼠标接收端通过USB通信实时将数据传送给PC，即可实现鼠标光标的上下左右移动，鼠标光标的移动方向移动速度与人膝盖移动的方向速度成一定比例关系。