智能導(dǎo)盲杖的造型設(shè)計(jì)與技術(shù)研究

周可盈　施語

摘要：當(dāng)今我國(guó)的視障群體出行仍有很多不便，智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)不僅有助于他們?cè)诔鲂袝r(shí)能較好地識(shí)別障礙物，而且給他們的日常生活帶來了極大的便利。智能導(dǎo)導(dǎo)盲杖主要是利用超聲波來探測(cè)周圍環(huán)境中的信息，并將環(huán)境中的信息以其他的形式快速反饋給用戶，同時(shí)該導(dǎo)盲杖還有基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別人行橫道線邊紅綠燈功能，相比傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖具有精度高、符合人機(jī)工程學(xué)、使用便捷等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能導(dǎo)盲;視障人群;超聲波;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2020）16-00-05

0 引言

我國(guó)每年將新增約45萬名盲人和135萬名低視力者，即每分鐘將有1名盲人和3名低視力者產(chǎn)生。到2020年，中國(guó)視障人口將超過5000萬人[1]。來自全國(guó)盲人預(yù)防技術(shù)指導(dǎo)小組辦公室的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的盲人人數(shù)占世界總數(shù)的五分之一。隨著人們生活水平的不斷提高，人們普遍希望讓生活變得更為輕松和方便。盲人作為視障人士，不僅是我們普通人中的一員，更是一個(gè)特殊的群體。由于先天或后天的意外生理缺陷，他們不能準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和避開障礙物，因此，提高他們生活質(zhì)量、人身安全和幫助他們安全出行具有重要意義。同時(shí)隨著國(guó)家對(duì)弱勢(shì)群體的關(guān)注，視障人群的呼聲漸漸被聽見。

1 視障人群現(xiàn)狀

視障是指視覺功能受到一定程度的損害，患者因?yàn)橐曈X清晰度降低或視野范圍受損，視力無法達(dá)到常人水平，會(huì)對(duì)日常生活造成一定的影響。我國(guó)視障人群根據(jù)視敏度分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)（如圖1）。目前隨著國(guó)家、非政府組織、專業(yè)人員越來越重視這一群體，推動(dòng)了一系列勞動(dòng)保護(hù)、社會(huì)保障、扶貧開發(fā)等項(xiàng)目，使得他們的生活質(zhì)量、就業(yè)水平、受教育程度均有明顯提高。

2018年世界衛(wèi)生組織（WHO）公布數(shù)據(jù)，在全球范圍約有13億人患有某種形式的視力損害。其中我國(guó)視障人數(shù)量高達(dá)1700萬。在日常生活中，出行仍是視障人群亟待解決的首要問題。據(jù)WTO調(diào)查顯示，美國(guó)70%的18歲以上的殘疾人日常活動(dòng)需要依靠家人和朋友的幫助。數(shù)字化時(shí)代與智能化的發(fā)展，讓視覺器官在人類生活中占據(jù)著越來越重要的位置，這進(jìn)一步增加了該群體的生活挑戰(zhàn)。視障人群的出行安全問題難以保障，多數(shù)盲人的活動(dòng)范圍特別狹窄，基本限定在自己熟悉的環(huán)境內(nèi)。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 導(dǎo)盲產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，全球各國(guó)關(guān)于導(dǎo)盲輔助方面的研究工作開展積極，研究重點(diǎn)集中在手杖類多功能性研究、穿戴式“機(jī)器視覺”研究，以及移動(dòng)式多功能性輔具三方面。早在2010年5月20日，在日本秋田市舉行的全國(guó)盲人福祉大會(huì)上日本研發(fā)人員就公開了其自行研發(fā)的電子導(dǎo)盲杖[2]，利用超聲波感應(yīng)器讓視障人群感受到障礙物，并通過震動(dòng)手柄對(duì)用戶進(jìn)行有效提醒。美國(guó)大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室Shoval開發(fā)的腰帶式行動(dòng)輔具，則是借助超聲波為用戶營(yíng)造岀區(qū)域全景地圖。此外，國(guó)外對(duì)于智能手推車、智能輪椅等輔具的硏發(fā)，也為移動(dòng)式導(dǎo)盲輔具的硏發(fā)提供了基礎(chǔ)和幫助。

2.2 導(dǎo)盲道現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)許多盲道大部分是直行盲道，這樣無法及時(shí)提示視障者轉(zhuǎn)彎口或者樓梯口，容易發(fā)生危險(xiǎn);在分叉路上沒有安裝幫助弱視者的警示磚塊;在人行橫道線處沒有紅綠燈變化提示音;許多公交車站未安裝來車提醒，導(dǎo)致視障人群難以分辨到站車輛。

2.3 導(dǎo)盲杖現(xiàn)狀分析

自1992年國(guó)內(nèi)首次出現(xiàn)關(guān)于超聲波導(dǎo)盲手杖的論文[3]，通過自動(dòng)（或鍵控）選通回波聲時(shí)比較法測(cè)距，窄波束測(cè)向的研究方式，新設(shè)計(jì)了一種超聲波導(dǎo)盲手杖，此為出發(fā)點(diǎn)。隨著科技發(fā)展，對(duì)于導(dǎo)盲手杖的要求傾向于多功能、實(shí)用性和便攜性。而隨著電子傳感器，機(jī)器視覺，超聲波技術(shù)的不斷完善，導(dǎo)盲手杖的功能更趨近于實(shí)用化、多功能化、圖像處理化。

中國(guó)的智能導(dǎo)盲杖市場(chǎng)，現(xiàn)在還處于初始階段，通過對(duì)盲人的問卷調(diào)查了解到多數(shù)盲人更側(cè)重于使用一般的導(dǎo)盲杖，原因是智能的導(dǎo)盲杖存在精準(zhǔn)度、價(jià)格與性能等因素限制。

目前，現(xiàn)有導(dǎo)盲杖沒有主動(dòng)檢測(cè)障礙物的功能，往往需要用戶憑借自己的經(jīng)驗(yàn)去判斷，不僅準(zhǔn)確性不髙，而且容易造成用戶疲勞。市場(chǎng)上已有的導(dǎo)盲拐杖功能單一，無法滿足盲人現(xiàn)代生活的需求。盲人外岀時(shí)會(huì)遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況或者因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人不在而走丟等。

2.4 調(diào)查問卷

根據(jù)收集到的問卷，有效投票為83票的問卷可視化結(jié)果來看（如圖2）：現(xiàn)階段視障群體在功能上對(duì)有智能導(dǎo)盲杖的語音導(dǎo)航、智能提醒方面有著較高的期待。準(zhǔn)確導(dǎo)航并提供明確的信息提示對(duì)視障群體出行有著極大的幫助;在盲杖的材質(zhì)方面，材質(zhì)輕價(jià)格低且耐磨損的鋼材質(zhì)，是盲杖桿體使用的首選和保障;在盲杖手柄部分的舒適度也不容忽視，適合人體的握持感、合理的功能按鍵的布置和便捷的操作可以為使用者提供更優(yōu)體驗(yàn)，同時(shí)也可以緩解使用盲杖時(shí)手腕的壓迫感;對(duì)于更加優(yōu)化的盲杖，視障群體對(duì)智能提醒、人性化、多功能使用三個(gè)方面也較大期許。

3 智能導(dǎo)盲杖方案設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)目標(biāo)

以視障人群為核心用戶，了解和分析國(guó)內(nèi)外最新可用于導(dǎo)盲的科技成果。同時(shí)，對(duì)我國(guó)視障人群現(xiàn)階段出行難點(diǎn)、需求傾向以及造型喜好等進(jìn)行基本調(diào)查，并結(jié)合實(shí)際情況，分析視障人群出行的現(xiàn)存問題，總結(jié)設(shè)計(jì)需求。最終的設(shè)計(jì)將從色彩識(shí)別度、功能性、出行安全性、便攜性等方面考慮，本著以人為本的原則設(shè)計(jì)適用于視障人群的導(dǎo)盲產(chǎn)品。

3.2 智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)中人體機(jī)能學(xué)的體現(xiàn)

智能導(dǎo)盲杖是一款以人為本的產(chǎn)品，“人的因素”是優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心。智能導(dǎo)盲杖的使用過程與使用者息息相關(guān)，因此產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)要盡可能貼合人體尺寸。

3.2.1 長(zhǎng)度

視障群體在使用盲杖的時(shí)候身體活動(dòng)范圍大多集中在站姿和坐姿。一般男性站姿肘高1079mm～1128mm，女性1009mm～1050mm;男性手功能高787mm～828mm，女性746mm～778mm;坐姿肘高291mm～312mm，女性277mm～299mm[4]。人體的高度，肩部的寬度和步幅的大小都會(huì)影響到盲杖的長(zhǎng)度問題，盲杖的長(zhǎng)度如果能在人體直立時(shí)盲杖的末端觸底，其頂端可以到達(dá)人的心臟高度時(shí)，其長(zhǎng)度便滿足符合桿長(zhǎng)與人體身高的比例。以此為依據(jù)，繪制了盲杖長(zhǎng)度與身高比例表（如表1）為了滿足絕大多數(shù)人的使用，在持杖行走時(shí)滿足盲杖可探知前方一步的距離。所以伸縮桿體最長(zhǎng)可以伸展120cm。

3.2.2 手柄

手握部分也是人機(jī)因素考慮的重中之重，符合人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)的手柄設(shè)計(jì)可適當(dāng)避免手部與腕部長(zhǎng)期活動(dòng)所導(dǎo)致的積累損傷。按人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)，人均手掌寬10.5cm，手部最大背屈曲角度為65°，最大掌屈曲角度75°，內(nèi)收最大角度30°，外展最大角度15°。所以在設(shè)計(jì)手柄的外形時(shí)，著重考慮了手腕部分的舒適性和手掌握姿的合理性。

3.3 智能導(dǎo)盲杖材料、顏色及使用功能

基于能夠?yàn)橐曊先后w設(shè)計(jì)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單并且便攜的智能導(dǎo)盲杖，我們?cè)O(shè)計(jì)為智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)了盲文控制按鍵、收縮桿及防滑輪三個(gè)基本功能。（如圖3）

為了給視障群體帶來更加輕便的使用體驗(yàn)，導(dǎo)盲杖的收縮桿體使用重量輕、韌性好的鋁合金材料。根據(jù)我國(guó)《國(guó)家盲杖標(biāo)準(zhǔn)》，盲杖的杖體采用紅白安全對(duì)色，使盲杖更具警示作用。盲杖末端安裝萬向輪，使得產(chǎn)品能夠在路面上穩(wěn)定并順暢的在各個(gè)方向上使用。（如圖4）

為了能讓視障人士使用時(shí)更舒適、便捷，我們?cè)趯?dǎo)盲杖手握的部分的手把啟動(dòng)開關(guān)上增加了盲文并設(shè)置了音量控制按鈕，使視障群體夠更清晰地獲取訊息。（如圖5）

在智能導(dǎo)盲杖主體部分設(shè)置攝像頭卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供機(jī)器視覺與圖像識(shí)別的功能，主體底端設(shè)超聲波收發(fā)器提供排障工作。（如圖6）

3.4 智能導(dǎo)盲杖功能工作框架及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4.1 工作框架

系統(tǒng)總體框架圖如圖7所示，智能導(dǎo)盲杖以STM32作為主控處理芯片，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、超聲波和GPS作為核心技術(shù)。以震動(dòng)頻率來提示障礙物的遠(yuǎn)近，語音提示主要告知使用者的位置或交通信號(hào)燈的顯示[5]。

3.4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要通過“機(jī)器視覺”遠(yuǎn)程識(shí)別地物紋理特征、準(zhǔn)確度近似人眼識(shí)別。可以直接輸入圖像數(shù)據(jù)，無須人工對(duì)圖像進(jìn)行更多的處理或額外的特征抽取等復(fù)雜操作，而且以其特有的細(xì)粒度特征提取方式，使得對(duì)圖像的識(shí)別處理達(dá)到了幾近人力的水平。本設(shè)計(jì)將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用于識(shí)別人行橫道線邊的紅綠燈，并為視障群體進(jìn)行信號(hào)提示。

超聲波的特性使其遇到障礙物可反射，所以可用于反復(fù)測(cè)量人與障礙物之間的距離。而且超聲波測(cè)距原理的主要計(jì)算變量為介質(zhì)傳播速度和時(shí)間差，計(jì)算過程便捷。本智能導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)將超聲波作為避障的核心技術(shù)，獲取障礙物的距離信息，通過震動(dòng)模塊的不同振幅，提示視障群體障礙物與自身的間距，如圖8。

GPS是利用GPS定位衛(wèi)星進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。它能為使用者提供低成本、高精度的三維位置和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息。在智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)中加入GPS技術(shù)，是為了讓視障群體在行走的過程中更多地了解到身邊所在環(huán)境和位置的信息。另一方面，GPS技術(shù)可讓家屬、醫(yī)護(hù)人員、交通警察實(shí)時(shí)掌握視障者的位置，從而在一定程度上減少安全問題的發(fā)生。

4 結(jié)語

視障群體由于視覺先天或后天意外受損，給工作、生活、日常社交帶來了一定困難。安全出行仍是視障人群亟待解決的首要問題。針對(duì)視障人群安全出行和有效識(shí)別人行橫道線信號(hào)燈的問題，設(shè)計(jì)一款使視障群體能更好地融入社會(huì)生活的產(chǎn)品，造型設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，簡(jiǎn)潔合理的功能性設(shè)置使視障群體能自如地使用智能導(dǎo)盲杖。運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)幫助視障群體提高出行的便利性與安全程度。希望這個(gè)智能導(dǎo)盲杖產(chǎn)品能實(shí)際運(yùn)用到視障人群的出行中去，為以后的盲人產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 孫二杰，汪東軍，石震，等.超聲波智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（08）：273-276.

作者簡(jiǎn)介：周可盈（1998—），女，湖北武漢人，本科，研究方向：環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)。

施語（1998—），女，湖北武漢人，本科，研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)。

張銳（1983—），男，湖北武漢人，研究生，碩士，副教授，系本文指導(dǎo)老師，研究方向：工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。