基于人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的視障者輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王士順

關(guān)鍵詞：人機(jī)協(xié)作系統(tǒng);視力障礙;輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

據(jù)估計(jì)，全世界至少有 22 億人患有中度或重度視力障礙（世界衛(wèi)生組織，2021 年）[1]。在全球，殘疾人中最常見的障礙是視力障礙，視障人士的比例最高。盲人或視障人士在進(jìn)行日?；顒?dòng)時(shí)會(huì)遇到許多困難，例如獨(dú)立的從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方[2]。盡管他們簡(jiǎn)單且負(fù)擔(dān)得起，但訓(xùn)練有素的狗和手杖無(wú)法為視障人士提供安全出行所需的所有信息。這種對(duì)更可靠的導(dǎo)航和定向方法的需求，促使研究人員使用新技術(shù)來(lái)開發(fā)視障人士專用的輔助系統(tǒng)。但在視障人士實(shí)際的使用過程中也出現(xiàn)了很多問題。文章將綜合輔助設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)完善基于人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 概念闡述

1.1 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)

“協(xié)作系統(tǒng)理論”是社會(huì)系統(tǒng)學(xué)派創(chuàng)始人巴納德在研究組織問題時(shí)提出的理論。他認(rèn)為，“任何一個(gè)組織都是一個(gè)協(xié)作系統(tǒng)，雖然其是由個(gè)人組成，但是個(gè)人只有通過與他人的協(xié)作才能發(fā)揮作用”。協(xié)作系統(tǒng)有三個(gè)協(xié)作要素：（1） 協(xié)作意愿;（2） 共同目標(biāo)，協(xié)作意愿以共同目標(biāo)為前提，而目標(biāo)實(shí)現(xiàn)以協(xié)作意愿為基礎(chǔ);（3） 信息聯(lián)系，其作用在于溝通上述兩個(gè)要素的聯(lián)系，使它們成為一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程。人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)理論在協(xié)作理論的基礎(chǔ)上又包含了人機(jī)交互、人機(jī)融合和人機(jī)共創(chuàng)三大部分[3]。人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)更加注重人和機(jī)器在同一系統(tǒng)、不同維度的變化，在協(xié)作系統(tǒng)范圍內(nèi)，注重不同側(cè)面，人的認(rèn)知和行為注重的是心理建設(shè)層面，較為主觀，而機(jī)器的認(rèn)知層面則側(cè)重于物理方向，較為客觀[4]。兩者雖然存在不一致性，但僅單方面考慮機(jī)器而忽略人的協(xié)作方式，會(huì)使機(jī)器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺少相對(duì)變化性，不能達(dá)到目標(biāo)效果。較早關(guān)于人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的研究是在人機(jī)協(xié)作一體化方法上采用人機(jī)共同合作策略，注重的是人和機(jī)器之間的關(guān)系、人和人之間的關(guān)系[5]。

1.2 視障移動(dòng)輔助設(shè)備

電子助行器可以是主動(dòng)的，也可以是被動(dòng)的。主動(dòng)助行器收集環(huán)境信息，并將其轉(zhuǎn)化為視障人士用戶可以感覺感知的形式;被動(dòng)出行輔助設(shè)備包括不同類型的攝像頭和旨在提高視障人士用戶移動(dòng)性的高復(fù)雜度算法。但與更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的環(huán)境信息同樣重要的是易于攜帶。

2 現(xiàn)有視障人士輔助設(shè)備的問題

正如多位研究人員所指出的，任何旨在促進(jìn)殘疾人士生活和融入的輔助設(shè)備都應(yīng)考慮用戶的需求和意愿[6]。然而現(xiàn)有視障人士輔助設(shè)備的問題主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1） 大量的電子旅行輔助設(shè)備或可穿戴避障電子助行器，目標(biāo)定位均在產(chǎn)品的品質(zhì)功能，以及對(duì)視障人士提供有效的幫助;（2） 在設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，收集的信息不是作為開發(fā)過程的一部分，而是作為提供最先進(jìn)系統(tǒng)和比較概覽的標(biāo)準(zhǔn);（3） 視障輔助設(shè)備的實(shí)際作用與視障人士的使用需求并不匹配，并未從視障者的實(shí)際使用過程中進(jìn)行評(píng)估反饋到整個(gè)設(shè)計(jì)的開發(fā)過程中。因此，它們似乎都不能滿足視障人士的需求，這表明在研究過程中沒有充分考慮視障者的需求。

3 視障者輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

首先，這項(xiàng)工作的意義之一是在設(shè)計(jì)之初便提出要考慮視障人士的意見，使輔助設(shè)備特征能夠更好地滿足用戶的需求。其次，用戶參與輔助設(shè)備開發(fā)的不同階段將有助于開發(fā)更強(qiáng)大和可靠的解決方案。再次，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以幫助視障人士群體采用前沿的、先進(jìn)的設(shè)備。然而，最近的一些調(diào)查指出，只有少數(shù)輔助系統(tǒng)能夠滿足視障人士的需求，這反過來(lái)也表明視障人士的意見在開發(fā)過程中很少考慮。因此，視障者輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)最重要的意義是可以讓視障人士群體更積極地參與輔助系統(tǒng)的開發(fā)中，協(xié)同整個(gè)設(shè)計(jì)過程，并開發(fā)出更好的解決方案。

4 視障者輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體流程

文章中提出的人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的整體優(yōu)化流程，應(yīng)該是在個(gè)人研究機(jī)器的基礎(chǔ)上，通過與他人的協(xié)作或協(xié)同完成工作，具體表現(xiàn)為既要表達(dá)開發(fā)人員本身的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，又要結(jié)合參與人員的需求，使整個(gè)過程達(dá)成最后共有的目標(biāo)行為，形成系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)選擇和設(shè)計(jì)需求。使信息能夠聯(lián)通分享，使視障者輔助設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過程。比如，協(xié)作系統(tǒng)輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)要求是能夠檢測(cè)到用戶面前的任何障礙物及潛在的危險(xiǎn)。每當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，與它的接近度和高度相關(guān)的信息都會(huì)通過音頻消息和振動(dòng)警報(bào)傳遞給用戶。關(guān)于障礙物高度，考慮了三個(gè)垂直水平：足部水平、軀干水平和頭部水平。此外，該系統(tǒng)還應(yīng)包括實(shí)用操作、免提、可充電電池操作、輕巧便宜等，如圖1 所示。

4.1 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的協(xié)作設(shè)計(jì)

4.1.1 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)輔助設(shè)備的調(diào)查過程

為了讓最終用戶更積極地參與開發(fā)過程，文章使用了3 項(xiàng)調(diào)查來(lái)收集他們的意見和建議。分別包括：（1） 你知道視障人士的電子輔助設(shè)備嗎？請(qǐng)告知品牌或者名稱;（2） 您認(rèn)為電子輔助設(shè)備應(yīng)包括哪些功能;（3） 如果系統(tǒng)是可穿戴的，你想如何使用它。10名年齡在 20 至 60 歲之間的視障人士受試者參與了調(diào)查。

4.1.2 根據(jù)調(diào)查需求和意愿選擇輔助設(shè)備

障礙物檢測(cè)設(shè)備由三個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)：兩個(gè) HC-SR04 超聲波傳感器和一個(gè)GP2Y0A02YK0F 紅外傳感器。具體來(lái)說(shuō)，HCSR04由高頻超聲波脈沖的發(fā)射器和接收器組成，當(dāng)傳感器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，這些脈沖會(huì)不斷地在空氣中傳播。傳感器和障礙物之間的距離可以通過測(cè)量超聲波脈沖返回傳感器所用的時(shí)間，并將其乘以空氣中的聲速來(lái)估計(jì)。該傳感器的精度為 3 mm，成本相對(duì)較低。由于其檢測(cè)范圍和視角可以結(jié)合兩個(gè)傳感器來(lái)檢測(cè)用戶前方 4 米范圍內(nèi)的障礙物，無(wú)論是頭部還是軀干水平。紅外傳感器用于檢測(cè)腳下的障礙物和落差，與其對(duì)應(yīng)的超聲波傳感器一樣，紅外傳感器也能抵抗電磁干擾。但是，它們的性能可能會(huì)受到環(huán)境光照條件和反射表面的影響。盡管如此，這些傳感器也經(jīng)常用于為視障人士開發(fā)電子輔助系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的方向靈敏度且成本較低。文章使用的兩個(gè)超聲波傳感器和紅外傳感器的布置如圖2 所示。

ATmega328 微控制器嵌入在 Arduino Nano 板中，處理傳感器提供的信號(hào)，并控制用于聽覺和振動(dòng)警報(bào)的電子設(shè)備。ISD1760音頻錄制或者播放模塊用于傳遞與障礙物的語(yǔ)音消息。

4.2 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)輔助設(shè)備動(dòng)態(tài)操作

協(xié)作系統(tǒng)的操作過程是由使用 Arduino 開源環(huán)境以 C++ 編程語(yǔ)言編寫的代碼控制。參數(shù)初始化后，依次連續(xù)記錄每個(gè)傳感器提供的距離值。HC-SR04 傳感器以 100 毫秒的延遲觸發(fā)，以避免超聲波脈沖之間的任何干擾。如果兩個(gè)超聲波傳感器提供的距離值都低于閾值，則會(huì)向用戶發(fā)送一條語(yǔ)音消息，告訴用戶“前方有垂直障礙物”（例如，墻壁或門）。相反，如果只有一個(gè)超聲波傳感器提供的距離值低于閾值，則傳遞給用戶的語(yǔ)音消息將取決于哪個(gè)傳感器報(bào)告的距離較近。例如，如果放置在頂部的超聲波傳感器報(bào)告較近的距離（參見圖2），則會(huì)發(fā)送一條語(yǔ)音消息，告訴用戶“頭部有障礙物”。距離值越短，變頻電機(jī)的振動(dòng)強(qiáng)度越高。關(guān)于乘坐交通工具上下車，如果紅外傳感器提供的距離值大于下車閾值，則會(huì)生成高強(qiáng)度振動(dòng)警報(bào)和語(yǔ)音消息。該閾值是在測(cè)量在地面上朝下樓梯行走時(shí)紅外傳感器報(bào)告的距離變化后設(shè)置的。傳感器報(bào)告的距離在平面上約為 110 cm，但當(dāng)傳感器與下樓梯之間的距離小于 2 m 時(shí)，該距離會(huì)急劇增加（超過 450cm）。相反，當(dāng)發(fā)現(xiàn)腳部水平的障礙物時(shí)，紅外傳感器報(bào)告的距離會(huì)減小，因此系統(tǒng)中也會(huì)包含相應(yīng)的警報(bào)。

4.3 人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)視障者輔助設(shè)備的性能評(píng)估

文章進(jìn)行了一系列測(cè)試來(lái)分析所提出系統(tǒng)的性能。在參與研究之前獲得了他們的意愿和同意，所有實(shí)驗(yàn)均由訓(xùn)練有素的工作人員和老師進(jìn)行監(jiān)督。10 名視障人士用戶自愿參加了測(cè)試，并選擇了兩種不同的導(dǎo)航場(chǎng)景來(lái)模擬幾個(gè)真實(shí)世界的條件。對(duì)于在室內(nèi)進(jìn)行的第一個(gè)測(cè)試，視障人士用戶被要求直線行走，直到到達(dá)墻壁。三個(gè)障礙物、一個(gè)在頭部水平、一個(gè)在軀干水平、一個(gè)在腳水平，交替放置在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間（如圖3a）。一旦檢測(cè)到障礙物，參與者必須根據(jù)其高度報(bào)告發(fā)出語(yǔ)音消息。一名訓(xùn)練有素的工作人員幫助視障人士用戶在檢測(cè)到障礙物時(shí)轉(zhuǎn)向何處。第二項(xiàng)測(cè)試與前一項(xiàng)類似，不同之處在于該測(cè)試是在室外進(jìn)行的，受試者必須在到達(dá)終點(diǎn)之前避免下臺(tái)階（如圖3b）。文章允許視障人士志愿者在績(jī)效評(píng)估階段使用白手杖。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中協(xié)作系統(tǒng)的視障者輔助設(shè)備如圖4 所示，測(cè)試過程中同時(shí)總結(jié)了第一次調(diào)查的答案分布。當(dāng)被問及他們是否知道任何針對(duì)視障者的電子輔助設(shè)備時(shí)，大多數(shù)參與者（73%）的回答是否定的（問題 1）。第二個(gè)問題為電子輔助設(shè)備應(yīng)包括哪些功能？視障人士受訪者認(rèn)為最重要的功能應(yīng)該是舒適、易于使用和障礙物檢測(cè)警報(bào)。當(dāng)參與者被問及他們想如何使用電子輔助設(shè)備時(shí)（問題3），大多數(shù)人認(rèn)為他們更喜歡把它戴在腰上，就像系上腰帶一樣。

雖然在第一次測(cè)試中正確檢測(cè)和識(shí)別了頭部、軀干和足部的障礙物，但在第二次測(cè)試的十二次試驗(yàn)中有四次沒有檢測(cè)到足部障礙物。相反，所提出的系統(tǒng)能夠檢測(cè)到的后一種情況所有下降。系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)成功檢測(cè)到足部障礙物，但在室外進(jìn)行測(cè)試時(shí)，十二次試驗(yàn)中有四次失敗。一種可能是紅外傳感器的性能受到環(huán)境光照條件（例如，陽(yáng)光）的影響。對(duì)環(huán)境光的高靈敏度是基于紅外檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)[7]。解決此問題的另一種方法是將 GP2Y0A02YK0F 紅外傳感器替換為另一個(gè)可調(diào)節(jié)靈敏度的紅外傳感器。因此，從亮度傳感器獲取的數(shù)據(jù)可使腳部障礙物的檢測(cè)更加可靠。然而，它可能會(huì)增加計(jì)算負(fù)擔(dān)、功耗和經(jīng)濟(jì)成本。另一種選擇是用另一個(gè)超聲波傳感器替換紅外傳感器，這也可以防止由于反射表面而導(dǎo)致的錯(cuò)誤檢測(cè)。然而，由于多個(gè)前視圖對(duì)齊的超聲波傳感器產(chǎn)生的寬感應(yīng)場(chǎng)，檢測(cè)誤差可能會(huì)增加。相反，紅外傳感器的感應(yīng)范圍較窄，因此在精心選擇方向時(shí)它們可能會(huì)表現(xiàn)良好。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

白手杖用戶無(wú)法檢測(cè)到頭頂障礙物，因此各種視覺輔助設(shè)備包括多個(gè)傳感器，為視障人士用戶提供垂直平面的全覆蓋。先前的研究報(bào)告稱，當(dāng)與振動(dòng)警報(bào)結(jié)合使用時(shí)，聽覺反饋已廣泛用于視障人士的輔助設(shè)備中[8]。聽覺警報(bào)的優(yōu)勢(shì)包括更詳細(xì)的周圍環(huán)境信息和最佳導(dǎo)航路線建議。盡管如此，開發(fā)人員仍需要對(duì)輔助設(shè)備可以傳遞的預(yù)錄消息的數(shù)量和持續(xù)時(shí)間保持謹(jǐn)慎，尤其是在播放消息會(huì)干擾障礙物檢測(cè)的情況下。協(xié)作系統(tǒng)提供的語(yǔ)音指令會(huì)持續(xù) 1.2 秒到 1.5 秒。未來(lái)的工作可能包括將音頻消息與其他形式的聽覺反饋相結(jié)合，例如嗶嗶聲序列、音樂聲和雙耳聲學(xué)。

在績(jī)效考核階段，實(shí)驗(yàn)允許視障人士志愿者使用白手杖。令人驚訝的是，大多數(shù)參與者沒有使用它。當(dāng)被問及解釋時(shí)，視障人士用戶回答說(shuō)，他們希望能夠使用不顯眼且視覺上不引人注意的設(shè)備，因此一些研究人員也要考慮他們的想法和需求。

5.2 展望

協(xié)作系統(tǒng)的一個(gè)限制是無(wú)法為視障人士用戶提供精準(zhǔn)的方向信息。盡管能夠在三個(gè)不同的高度檢測(cè)用戶正前方的物體，但文章的原型并未提供有關(guān)用戶周圍環(huán)境的信息。提供方向和導(dǎo)航消息的能力是視障人士專用輔助設(shè)備應(yīng)滿足的主要功能之一。這種信息可以幫助用戶到達(dá)特定目的地或確定最安全的路線。盡管如此，視障人士用戶通常會(huì)向前走，他們對(duì)更遠(yuǎn)的橫向障礙不太感興趣。對(duì)于視障人士用戶來(lái)說(shuō)，必須在所有高度檢測(cè)他們正前方的物體，尤其是當(dāng)障礙物可能導(dǎo)致跌倒或受傷時(shí)（例如，墜落、樹枝）。因此，實(shí)驗(yàn)決定一次解決一個(gè)問題，并專注于開發(fā)能夠檢測(cè)三個(gè)不同高度障礙物的原型。文章的其他局限性還包括在績(jī)效評(píng)估階段使用的場(chǎng)景數(shù)量較少。此外，樣本量也比較少。然而，這項(xiàng)工作可能有助于鼓勵(lì)其他研究人員參與到開發(fā)過程中，有助于視障人士融入社會(huì)。