對(duì)于新型智能盲杖的研究

張沙沙 周若倫 李卓倫

摘 要：在對(duì)現(xiàn)有盲人手杖研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用地磁傳感器測(cè)量地磁信息、GPS定位及ZigBee等先進(jìn)技術(shù)與已有手杖在功能上進(jìn)行集成研發(fā)出智能盲人手杖。使盲人在看不見(jiàn)的情況下，能夠識(shí)別前方的障礙物而正常行走，從而起到保護(hù)盲人安全的作用。

關(guān)鍵詞：智能避障;超聲波測(cè)距;ZigBee

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測(cè)距和識(shí)別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的運(yùn)用與發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到民用領(lǐng)域已變得十分重要。智能導(dǎo)盲手杖的運(yùn)用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導(dǎo)致的事故的發(fā)生，它將對(duì)提高人體智能化設(shè)計(jì)起到重要的意義。

1 考慮“人的因素”為智能手杖提供參數(shù)

設(shè)計(jì)作業(yè)空間時(shí)，必須考慮人體尺寸的約束條件，以我國(guó)成年男性第95百分位身高為基準(zhǔn)，女性約為男性的0.9346倍。設(shè)計(jì)作業(yè)空間時(shí)，人體測(cè)量的結(jié)構(gòu)尺寸和功能尺寸都有用處，對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐紤]身體各部位的關(guān)聯(lián)和影響，所以必須基于功能尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。人體測(cè)量數(shù)據(jù)在運(yùn)用時(shí)，必須反映設(shè)計(jì)對(duì)象使用者群體的特征。

對(duì)于設(shè)計(jì)至為重要的人體尺度。確定設(shè)計(jì)對(duì)象的使用者群體，以決定必須考慮的尺度范圍。確定數(shù)據(jù)運(yùn)用準(zhǔn)則：個(gè)體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、可調(diào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、平均設(shè)計(jì)原則。“個(gè)體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”，即按照群體某特征的最大值或最小值進(jìn)行設(shè)計(jì)。重要操縱器與操作者之間的距離、常用操縱器的操縱力要按最小值設(shè)計(jì)?！翱烧{(diào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”是對(duì)于重要的尺寸給出范圍，使操作者群體的大多數(shù)能舒適地操作或使用，運(yùn)用的數(shù)據(jù)通常為95百分位之間的范圍?！捌骄O(shè)計(jì)準(zhǔn)則”，盡管使用“平均數(shù)據(jù)”是不準(zhǔn)確的，但某些設(shè)計(jì)要素按群體特征平均值進(jìn)行考慮也是可行的。選擇合適設(shè)計(jì)定位群體的百分位。查找與定位群體特征相符合的人體測(cè)量數(shù)據(jù)表，選擇有關(guān)的數(shù)據(jù)值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修改，群體的尺寸是隨時(shí)間而變化的，有時(shí)，數(shù)據(jù)的測(cè)量與公布時(shí)間相隔數(shù)年，差異比較明顯，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使用近期測(cè)得的數(shù)據(jù)，考慮人體測(cè)量數(shù)據(jù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性質(zhì)。

根據(jù)人體解剖學(xué)，建立人體測(cè)量參照系并依據(jù)我國(guó)國(guó)標(biāo)GB 3975-83《人體測(cè)量術(shù)語(yǔ)》中規(guī)定的22個(gè)人體測(cè)量參數(shù)的測(cè)點(diǎn)和69項(xiàng)測(cè)量項(xiàng)目，應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)、人體力學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對(duì)人體結(jié)構(gòu)尺寸、人體功能尺寸、人體機(jī)能特征進(jìn)行研究，提供人體各部分的尺寸和體重，人體體積和體表面積計(jì)算公式，人體各體段的長(zhǎng)度、人體各體段的體積、人體各體段的質(zhì)量等人體生物力學(xué)參數(shù)，比重、重心以及人體各部分在活動(dòng)時(shí)相互關(guān)系和動(dòng)作速度、頻率、重心變化以及動(dòng)作時(shí)慣性等動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)以及對(duì)肢體感覺(jué)器官的機(jī)能特征分析，以及人在勞動(dòng)時(shí)的生理變化、疲勞程度以及對(duì)各種勞動(dòng)負(fù)荷的適應(yīng)能力，影響心理狀態(tài)的因素。

人體工程學(xué)的研究，為各類(lèi)設(shè)計(jì)全面考慮“人的因素”提供了人體結(jié)構(gòu)尺度、人體生理尺度和人的心理尺度等依據(jù)，這些數(shù)據(jù)可有效地運(yùn)用到盲杖設(shè)計(jì)中。

在作業(yè)設(shè)計(jì)中，基于整個(gè)手杖的質(zhì)量輕型化設(shè)計(jì)需求，手杖選用質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度高的外殼。手柄應(yīng)選用具有韌性好、易加工、強(qiáng)度高的材料;底座應(yīng)具有彈性高，耐磨損的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)方便攜帶的要求，設(shè)計(jì)的手柄、桿體與底座應(yīng)有合適的連接方式。

人具有獨(dú)立的思維和精神活動(dòng)的能力，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到作業(yè)空間對(duì)人的精神感受上所產(chǎn)生的特殊作用。從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，研制出一種集智能導(dǎo)向系統(tǒng)，交通燈辨識(shí)，避障功能于一體的智能化手杖。智能導(dǎo)向模塊利用GPS實(shí)時(shí)精確定位，地磁傳感器測(cè)量方向，處理器采集GPS經(jīng)緯度信息和地磁信息，經(jīng)算法設(shè)計(jì)得到手杖航向偏角，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，帶動(dòng)拐杖行進(jìn);ZigBee模塊用于獲取交通燈信號(hào);避障模塊通過(guò)超聲波傳感器探測(cè)障礙物并指引盲人正確避障;語(yǔ)音模塊用于輸入輸出語(yǔ)音信息。

2 為新型智能盲杖設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)理論依據(jù)

通過(guò)TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論對(duì)現(xiàn)有盲杖使用問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)新改造，將實(shí)際存在的矛盾用TRIZ 的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行表述，依據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣找到解決矛盾的一般解并將其應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中，得出盲人智能手杖的創(chuàng)新之處。在新型智能盲杖手柄與桿體上加裝的超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)和主動(dòng)避障功能，提高行走的效率和安全性。

基于ZigBee技術(shù)的交通信號(hào)燈辨識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。新型盲杖加裝了ZigBee模塊可實(shí)現(xiàn)不同工況下交通燈信號(hào)的及時(shí)準(zhǔn)確獲取，進(jìn)而全面探測(cè)路況信息。具體技術(shù)方案為將ZigBee模塊中的ZigBee協(xié)調(diào)器與控制芯片相接，使得各節(jié)點(diǎn)與交通燈系統(tǒng)相連，來(lái)采集交通燈信息，并向ZigBee協(xié)調(diào)器無(wú)限發(fā)送交通燈信號(hào)。協(xié)調(diào)器收到信號(hào)后，將信息傳給控制芯片，控制芯片通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)交通燈信息，提高盲人行走尤其是過(guò)馬路的效率和安全性。

利用磁性傳感器與地球磁感線平行方向夾角發(fā)生變化時(shí)，LR震蕩電路的磁感應(yīng)系數(shù)隨之發(fā)生變化，利用其變化量可計(jì)算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，進(jìn)而得到當(dāng)前的二維方向?？紤]到地磁場(chǎng)是矢量，水平方向的兩個(gè)分量的矢量和總是指向磁北的。因此，采用反正切公式計(jì)算出角a具體值結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，得出手杖航向與正北方向夾角，驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)工作，引導(dǎo)盲人前行。

3 結(jié)語(yǔ)

新型智能盲杖的運(yùn)用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導(dǎo)致的事故的發(fā)生具有重要意義。新型智能手杖能避開(kāi)路面及空中不易探測(cè)到的障礙物，而且能夠識(shí)別交通燈信號(hào)，主動(dòng)引導(dǎo)盲人行進(jìn)，使盲人順利達(dá)到目的地。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上根據(jù)盲人生活習(xí)慣結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，使其桿體部分能夠根據(jù)盲人需求自由伸縮，實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，手柄部分符合盲人生活習(xí)慣，以及根據(jù)室內(nèi)室外兩種環(huán)境設(shè)計(jì)的可更換套組，方便易操作。

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