环境控制装置 （environmental control unit，ECU）又称为环境控制系统 （environmental control system，ECS），其作用是使残疾人能够对家庭生活环境进行一定控制，从而提高残疾人的生活自理能力。它由接口单元、控制单元、输出单元和控制信号监视单元四部分组成，见图3-3-1。典型的环境控制装置见图3-3-2。

图3-3-1 ECU-1环境控制器的系统框

图3-3-2 典型的环境控制装置

1.接口单元

接口单元又称界面单元，它提供了残疾人与环境控制装置的联系。接口类型主要取决于残疾的性质，为适应残疾人残存的功能，设计合适的人机接口。所谓残存的功能，是指：如果丧失下肢功能，则利用上肢功能，如手、臂、肘的动作；如果丧失上肢功能，则利用下肢功能，如脚趾、脚、腿、膝的动作；如果上下肢功能均丧失，则利用头部和头部器官的功能，如头动（前后、左右晃动或摇动）、皱眉、眨眼、下颌触压、口叼（口棒）、咬牙、吹气/吸气、语音、注视等。

接口单元利用残疾人的不同残存能力设计开关动作。最常用的是特殊设计的机械开关，如头触微动开关、脚踏开关、颌触开关、头指点器和口指点器用的指点键盘、吹/吸气开关、皱纹开关、操纵杆、鼠标等。除机械开关外，还有电子开关及生物电位开关。电子开关有光敏式、压敏式、热敏式、电磁感应式等。生物电位开关利用皱眉产生的肌电信号或眨眼产生的眼电信号进行控制。声控采用的是语音识别技术，注视采用的是摄像和图象处理技术。对残疾人来说，声控或注视无疑是较便利的接口方式。

2.控制单元

控制单元又称处理单元。它是环境控制装置的核心，由电子电路或微机软硬件组成，其作用是对来自接口单元的开关信号进行解码，并转化为输出控制信号。

由于受控环境设备有多种，而每种设备又有多种功能的选择，所以确认选择方式是控制单元的重要问题。确认选择方式一般有两种：直接选择和扫描选择。直接选择方式要求每一种设备和每一种功能都对应一个开关，因此需用的开关数量较多，这种选择方式用于头指点器或口指点器用的指点键盘控制。扫描选择方式用的较多，因为它只需残疾人的一个或两个简单的开关动作。如果采用“线扫”，只需一个开关；如果采用“行/列扫描”，则只需两个开关，一个选中行（选中某种装置如电灯、电视、电话等），另一个选中列（选中某种装置的某种功能，如电视的某个频道、电话的某个自拨号码等）。扫描方式又分为单步和自动两种，扫描速度和方向均可调节。

控制单元有繁有简，简可简到只一根导线，繁可繁到由一个计算机系统组成。不同厂商的环境控制装置或护理机器人，主要在控制单元上表现其技术特点，并朝着集成化控制系统（integrated control system，ICS）的方向发展，ICS能够使残疾人通过简单的输入接口来完成一系列控制功能，对家庭环境设备、轮椅及通讯设备进行集成化控制。控制单元可用软件实现，也可用硬件实现。多媒体计算机控制系统已用于残疾人环境控制装置和护理机器人的控制，虽然这种控制系统造价过高，一般残疾人家庭难以购买，但代表了今后残疾人环境控制系统的发展方向。

3.输出单元

输出单元是接受控制单元的控制命令，对受控设备执行操作的部分。输出方式有多种，例如：机械臂或机器人的控制输出；直接继电器控制器如翻页器、磁碟装入器等；直接输出如电话、传真等；电器连接输出（又称功率输出）如电灯、电风扇等各种电器的电源；数字输出如音响设备；遥控输出如红外遥控电视机、空调器等。

输出单元与受控设备间可以是有线联系，也可以是无线联系。有线联系要求使用者位置保持固定，而无线联系允许使用者在较大范围内灵活操作，一般装在轮椅上的环境控制装置大都采用无线联系。无线联系常采用射频或红外技术。

由于受控设备多是电器设备，因此输出单元多是电子开关控制的直流微继电器，继而再是控制与设备相连的主继电器。

4.控制信号监视单元

控制信号监视单元是控制信号的视觉反馈信息，是为残疾人指示自己给出的选择项目是什么。一般采用LED陈列指示，有的厂家采用LED液晶显示屏或电视监视屏显示字符或图符，为了使残疾人无需高度注视显示板，有的系统还增加听觉反馈信息，如音响指示或语音指示。

通过吸管（Ⅰ）和控制选择器（Ⅱ），可以随意控制电灯（Ⅲ）的开关、窗帘（Ⅳ）的开关，电视（Ⅴ）的开关，空调器（Ⅵ）的开关，打电话（Ⅶ）和床（Ⅷ）的调节等。

1.清华大学电机系ECU-1系统(www.daowen.com)

该系统由清华大学电机系和中国康复研究中心合作研制。其输入接口有气控（吹气/吸气）、口棒指点键盘、颌触及手动四种输入方式。可有线控制8个交流电器、2个开关输出、2个呼叫信号、3种风扇速度，以及红外遥控电视机的频道转换、音量色调调节等。该装置于1998年通过国家有关部门验收，在2000年又增加了语音控制输入方式，是适合我国国情的简便实用的残疾人环境控制装置，在该领域填补了国内空白，将于近期正式投入生产。

2003年11月，清华大学生物医学工程系与中国康复研究中心合作，开始研制依靠视觉诱发电位来控制环境设备的新型ECU，经部分四肢瘫患者试用，取得了满意的效果。

2.美国Preutke Rounich公司ECU系统

该公司ECU系统由Ⅰ型发展到Ⅲ型，接口方式采用摇杆开关和气动（吹气/吸气），有LED显示板和音响指示。ECU-Ⅲ型可无线控制8个交流电器，自动拨号电话可存储9个电话号码。

3.美国Northwest University的Microdec系统

该系统接口单元有2只开关组合，控制单元用MC6802微处理器控制，使用两个并行口，控制16种设备。用8个LED数码管显示，采用自动行/列式扫描，当扫描到待控设备时，按第一只开关实现设备选中。接着进行该设备的功能自动扫描，按第二只开关时实现功能选中，该系统能控制各种电器、病床升降、电视机及电话。使用电话时可以使用预先存入的电话号码，也可以采用“扫描选数字”方式拨新的电话号码。

4.美国University of Texas 的红外遥控ECU系统

该系统是基于标准件的红外遥控ECU系统，其特点是成本较低。其控制单元采用行／列扫描，用2只按键开关操作。红外发射器控制四类外设（①视听设备：如电视机、影碟机、音响，②电器：如电风扇，③电话，④病床）的各种功能，由LED矩阵屏显示选择项目。受控设备的编号及功能编号预先存储于控制单元的存储器中，当选中某一种设备或某一种功能时，微机将相应的编号通过串行口送到红外发射器调制发射，由设备端的红外接受器接收解调并译码，解调的信号控制多达16种操作。

5.英国健康与社会保险机构（DHSS）Steeper系统

该系统接口单元是用一个单键开关实现对一系列设备的控制。它采用PC机控制，在两个房间都可以使用该系统。该系统的一个显著特点就是其通讯能力，在主房间、次房间及前门都安装了有线对讲机，主房间还有一个伺服电话。一个报警装置在户外，用后备电池供电，当此系统发生故障时可唤起邻居的帮助。该系统针对无语言能力的残疾人又设计了一个语言单元，此单元可提供8条简单语句如“是”、“否”、“请进”、“您是哪位？”等，当使用者需使用哪条时只需按下相应的按键即可。

6.清华大学医学工程信息研究室开发的脑-机接口技术的残疾人环境控制器

清华大学医学工程信息研究室开发了一种基于脑-机接口技术的残疾人环境控制器，其基本构成如图3-3-3和图3-3-4所示，是一种基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统，利用当刺激信号的频率比较高时视觉诱发响应中将会出现比较明显的与刺激频率一致的频率及其谐波成分，设计了被视为频率调制系统的人-机接口。通过对运动感知脑-机接口的时空频模式分析，当受试者主观想像动左手或动右手时，大脑命令产生完全由主观意识控制的模式，识别并提取出不同的模式就可以产生相应的控制命令，去控制如开关电气设备等操作。系统由视觉刺激器、头皮电极、脑电放大和采集、脑电处理和执行机构四部分组成。执行机构完成的功能包括灯的开关和风扇的开关及调速；红外遥控编码学习、存储和转发，以控制电视和空调等遥控设备；实现电话拨号和语音播放功能，以方便残疾人在紧急情况下联络外界。这种脑-机接口装置具有较高的通讯速率，但在如何产生最佳视觉诱发信号的刺激源、解决视觉诱发电位的时空模式的个体差异等方面还有待于继续探讨，以便提高主观意识的识别率。

图3-3-3 清华大学研制的一种基于脑-机接口技术的残疾人环境控制器原理图

图3-3-4 清华大学研制的基于稳态视觉诱发电位的脑-机接口系统框图

7.美国斯坦福大学ProVAR系统

美国斯坦福大学开发的ProVAR系统，采用力控制，以各种力传感器作为反馈，在控制界面上分为三个层次：①物理层，作为用户进入计算机系统操作的手段，包括语音重建系统和头部轨迹跟踪系统，用于操作导航和机器人控制；②操作系统层，采用NT系统，可以使用户用标准的软件工具和协议进行通讯；③仿真/预显示系统层，用户通过菜单、图标等建立并预显示任务。该系统可以完成吃饭、喝水、看报、操作电脑多媒体、打电话、发传真等工作。系统主要是为那些无法活动，但可以与外界沟通，具有正常感知能力的残疾人的独立日常生活而设计的，如四肢瘫痪及高位截瘫患者等。