基于視障人群行為特征的盲文智能織物手鐲設(shè)計(jì)

陳宇剛

(東華理工大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,江西 南昌 330013)

近幾年,我國(guó)老年人口迎來(lái)總量高峰,老齡化程度加重。據(jù)2020年第七次人口普查數(shù)據(jù)[1]顯示,60歲及以上的老年人口總量為2.64億,占總?cè)丝诘?8.7%。有研究發(fā)現(xiàn),人口老齡化將促使視力障礙(盲或低視力)人數(shù)的增長(zhǎng)[2],另外電子產(chǎn)品的普及也導(dǎo)致青少年的視障率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。據(jù)世衛(wèi)組織統(tǒng)計(jì),截止2022年我國(guó)視障人數(shù)高達(dá)1 731萬(wàn)人,近830萬(wàn)人完全失明,是世界上盲人數(shù)量最多的國(guó)家[3]。視力障礙嚴(yán)重影響人們的身體健康與生活質(zhì)量,加重家庭和社會(huì)的負(fù)擔(dān),是涉及民生的重大公共衛(wèi)生和社會(huì)問(wèn)題,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生消極影響。

隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、芯片技術(shù)的快速發(fā)展,近年來(lái)為視障人群開(kāi)發(fā)智能產(chǎn)品被較多研究者關(guān)注,研究成果逐漸豐富,有保障安全出行的導(dǎo)航眼鏡、智能鞋、智能手杖;輔助學(xué)習(xí)的閱讀器、學(xué)習(xí)機(jī)、智能手表;輔助生活的盲文爐灶、智能插座、智能溫度計(jì)、智能藥箱等[4];另外,Microsoft、Apple、HUAWEI等科技公司和個(gè)人研究者也著力開(kāi)發(fā)視障輔助技術(shù),通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)品媒介與視障用戶建立聯(lián)系,幫助視障人群更便捷地使用產(chǎn)品[5],解決日常生活中的困難。值得注意的是,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在幫助視障人群安全出行方面的研究成果較多,而立足于視障人群健康管理需求,將盲文識(shí)別、智能技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的研究有待深入研究和發(fā)展。

本文基于人文關(guān)懷視角,以及視障人群的健康管理需求,將具有檢測(cè)功能的手鐲與盲文(靠觸覺(jué)感知的文字)相結(jié)合,探索盲文智能織物手鐲的設(shè)計(jì)方法。此款手鐲適合視障人群使用,能通過(guò)觸覺(jué)自行讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)以管理身體健康,可為視障人群提供更實(shí)用、更便捷的健康管理新體驗(yàn),具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和意義。

1 視力障礙的定義

視力障礙又稱視力減退、視力不足,是指視覺(jué)功能受到一定程度的損害,引起視功能減弱、顯著下降或消失,包括視野受到影響、視覺(jué)敏銳度降低等[6]。視力障礙的常見(jiàn)原因有眼部炎癥、近視遠(yuǎn)視、斜視弱視、眼外傷、老年性病變等。GB/T 26341—2010《殘疾人殘疾分類和分級(jí)》規(guī)定,雙眼最佳矯正視力均在0.02～0.30之間,就可定義為視力殘疾或障礙對(duì)象。視力殘疾標(biāo)準(zhǔn)一般以雙眼視力判定,如果雙眼視力不同,則以視力最佳的一只眼睛為準(zhǔn);若僅有單眼為視力殘疾,而另一眼的視力達(dá)到或優(yōu)于0.3,則不屬于視力殘疾的范疇。視野以注視點(diǎn)為中心,視野半徑小于10°者,不論其視力如何均屬于盲。GB/T 26341—2010《殘疾人殘疾分類和分級(jí)》對(duì)視力殘疾等級(jí)的劃分見(jiàn)表1。

表1 視力殘疾等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Criteria for classification of visual disability

2 視障人群的行為特征

視障人群的行為特征與其心理狀況、個(gè)體適應(yīng)能力、行動(dòng)能力等密切相關(guān)。視障人群在日常工作生活中的觀察、閱讀和書(shū)寫(xiě)能力都受到極大限制,由于與外界的溝通機(jī)會(huì)減少,從外界獲取信息的能力下降,甚至社交、語(yǔ)言、思維分析能力也會(huì)迅速下降,常會(huì)伴有焦慮、孤獨(dú)、憂傷、自卑、憤怒的心理反應(yīng),且極度缺乏安全感。部分有過(guò)視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的視障人群個(gè)體會(huì)有強(qiáng)烈的康復(fù)意愿,對(duì)未來(lái)醫(yī)療技術(shù)和視覺(jué)輔助產(chǎn)品的期待值很高,愿意接受使用新型產(chǎn)品,如果在產(chǎn)品使用過(guò)程中,能夠感受到新型產(chǎn)品的便利性,對(duì)思維和情感的發(fā)展會(huì)有積極作用,有助于提升視障人群的社交能力[7]。

視障人群的認(rèn)識(shí)空間能力較差,由于對(duì)空間概念的缺失,其無(wú)法或難以判斷在環(huán)境中的相對(duì)位置,使得按預(yù)定目標(biāo)行動(dòng)的能力受到限制,主要表現(xiàn)為動(dòng)作定向障礙、行走定向障礙[8]。動(dòng)作定向障礙是指視障患者完成精細(xì)目標(biāo)動(dòng)作時(shí)協(xié)調(diào)能力差,表現(xiàn)出震顫、遲緩或僵直,如接打電話、開(kāi)關(guān)電器時(shí)易出錯(cuò);行走定向障礙是指視障患者處于陌生環(huán)境下行動(dòng)受制,難以正確判斷行走方向,需要觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等感覺(jué)器官共同參與感知。可見(jiàn)視障人群與正常人群相比,其心理特點(diǎn)、行動(dòng)方式有許多不同之處,這對(duì)盲人智能輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

3 盲文的形式及特點(diǎn)

盲人無(wú)法通過(guò)視覺(jué)來(lái)感知對(duì)象,缺乏對(duì)信息認(rèn)知的機(jī)會(huì)。1824年法國(guó)人路易·布萊葉發(fā)明盲文,盲文又稱凸字或點(diǎn)字,是一種專為盲人設(shè)計(jì)的觸覺(jué)感知文字[9]。盲文由63個(gè)編碼字符構(gòu)成,每個(gè)字符由平行排列的1～6個(gè)突起的點(diǎn)組成,能夠表達(dá)最簡(jiǎn)單的文字。例如左上1個(gè)點(diǎn)突出代表1,盲文數(shù)字對(duì)照表見(jiàn)圖1。

圖1 盲文數(shù)字對(duì)照表Fig.1 Braille numerical comparison table

盲文的出現(xiàn)為視障人群與外界建立起信息溝通的橋梁,因其適用性強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用[10-11]。2011年,中國(guó)殘聯(lián)、國(guó)家語(yǔ)委將《通用盲文研究》列為重大項(xiàng)目,支持國(guó)家通用盲文規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究,2018年《國(guó)家通用盲文標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布實(shí)施。現(xiàn)在電商平臺(tái)、線下市場(chǎng)陸續(xù)出現(xiàn)表面刻有盲文的產(chǎn)品銷售,在盲人外出活動(dòng)的場(chǎng)所,也可以看到印有盲文的公共設(shè)施,如“雙語(yǔ)”電梯、公共廁所盲文標(biāo)牌等。

4 盲人智能產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀

目前,在政府主導(dǎo)下,各國(guó)科研院校、企事業(yè)單位均加大了對(duì)盲人輔助產(chǎn)品的研發(fā)力度,利用IT、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生物傳感技術(shù)與智能分析軟件相結(jié)合,相繼推出了各種各樣的盲人智能產(chǎn)品[12],如導(dǎo)盲棍、盲人出行鞋、盲人導(dǎo)航儀、盲文紙牌等,給盲人日常生活及娛樂(lè)帶來(lái)了許多便利。

2019年德國(guó)Werteloberfell工作室[13]開(kāi)發(fā)了一款智能盲人拐杖,見(jiàn)圖2。將攝像裝置和聲音傳感器集成到手柄,使用者輕敲地面,內(nèi)置攝像頭就會(huì)主動(dòng)捕獲環(huán)境圖像,識(shí)別物體和障礙物,如果遇到障礙物,智能拐杖會(huì)提醒使用者避讓。

圖2 智能拐杖Fig.2 Smart walking stick

2020年微軟公司推出了一款智能太陽(yáng)鏡[14],見(jiàn)圖3。利用無(wú)障礙技術(shù)、音頻技術(shù)(提供音頻反饋和環(huán)境描述),用來(lái)幫助視障人群選擇行走路線,使其在陌生的環(huán)境中不會(huì)感到緊張。另外,該款眼鏡集成了藍(lán)牙耳機(jī)功能,可以接打電話、播放音樂(lè)以及訪問(wèn)語(yǔ)音助手。

圖3 智能太陽(yáng)鏡Fig.3 Smart sunglasses

設(shè)計(jì)師Park[15]開(kāi)發(fā)了一款盲文爐灶,見(jiàn)圖4。盲文爐灶融入物理元素,將爐脊和加熱板設(shè)計(jì)成凸起狀,旋鈕帶有指示不同功能的盲文,盲人通過(guò)觸覺(jué)可以控制爐灶。智能爐灶配備語(yǔ)音控制,可以記錄操作命令。

圖4 盲文爐灶Fig.4 Braille cooktops

Gao[16]設(shè)計(jì)了一款學(xué)習(xí)記錄器,見(jiàn)圖5。設(shè)備裝有3個(gè)同心圓的旋鈕和按鈕,用來(lái)標(biāo)記關(guān)鍵時(shí)間,幫助盲人記錄、理解和分享課程知識(shí),教師可以向記錄器上傳課程資料,以拓展學(xué)生知識(shí)面。

圖5 學(xué)習(xí)記錄器Fig.5 Recorder of learning

Kapoor[17]設(shè)計(jì)了一款盲文手表,見(jiàn)圖6。表盤(pán)采用電活性聚合物(EAP)材料制作,具有較強(qiáng)的誘導(dǎo)形變能力,在受到電刺激后,會(huì)產(chǎn)生微小形變。利用EAP的特性,表盤(pán)會(huì)突起相應(yīng)時(shí)間的盲文數(shù)字,包含小時(shí)和分鐘的精確時(shí)間,盲人可以通過(guò)觸摸來(lái)閱讀時(shí)間。另外,國(guó)內(nèi)外相繼推出了無(wú)障礙盲文板,盲文打印機(jī),盲人專用飲水壺等[18-19]。

圖6 盲文手表Fig.6 Watch in braille

通過(guò)對(duì)盲人智能產(chǎn)品的調(diào)查顯示,為盲人日常出行和生活提供幫助而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品較常見(jiàn),但是既有健康監(jiān)測(cè)功能,又能夠方便視障人群使用的智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例較少。因此,本文專注于視障人群讀取自身健康檢測(cè)數(shù)據(jù)的需求,結(jié)合技術(shù)成熟且已產(chǎn)業(yè)化的智能手環(huán),設(shè)計(jì)了一款集裝飾性、實(shí)用性和功能性于一體的盲文智能織物手鐲。

5 盲文智能織物手鐲設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)思路

基于視障人群行為特征及健康管理的需求,分析得到盲文智能織物手鐲設(shè)計(jì)思路如下:

①手鐲需造型簡(jiǎn)潔、穿戴方便,保證操作性和實(shí)用性強(qiáng);②以生物傳感器(PPG)、重力傳感器(GS)、盲文顯示模塊、微控制器(MCU)、鋰電池等元件組合成智能檢測(cè)系統(tǒng),用于監(jiān)測(cè)用戶的靜息心率、血壓和睡眠質(zhì)量數(shù)據(jù);③健康信息數(shù)據(jù)以盲文數(shù)字顯示,用戶可通過(guò)觸覺(jué)讀取信息;④選用低功耗、高效益、低熱阻、低損耗角的電子元件,保證質(zhì)量穩(wěn)定、安全性高。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,各個(gè)電子元件模塊的連接方式需科學(xué)合理;⑤智能檢測(cè)模塊外殼選用軟性ABS材質(zhì),其他部位盡可能使用紡織材料以保證手鐲的可穿戴性。

盲文智能織物手鐲由手鐲本體、微控制器、盲文顯示模塊、生物傳感器模塊、重力傳感器模塊、電源管理模塊和控制按鍵等構(gòu)成,整個(gè)智能手鐲的軟硬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理,集多種功能于一體,能夠滿足視障人群自我管理健康的需求。

5.2 硬件設(shè)計(jì)

5.2.1 盲文顯示模塊

盲文顯示模塊由MCU、盲文顯示組件和鋰電池構(gòu)成。其作用機(jī)制是MCU控制鋰電池施加電壓到球形介電彈性體(DED)上,引發(fā)DED發(fā)生機(jī)械形變而凸出,用以模擬盲文數(shù)字。DED是一種電活性聚合物,在電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生較大的形變,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功,并在電場(chǎng)撤去后立即恢復(fù)到原來(lái)的尺寸。盲文顯示模塊的分解圖見(jiàn)圖7。

智能織物手鐲設(shè)計(jì)了4組DED組件,以盲文數(shù)字表示用戶的健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從左到右設(shè)計(jì)4組數(shù)字,依次為個(gè)位、十位、百位、千位。盲文讀數(shù)時(shí)從左至右讀,假設(shè)視障用戶將智能手鐲切換成心率檢測(cè)模式,DED顯示靜息心率數(shù)字是96次/min(正常靜息心率范圍為60～100次/min),表明心率正常;假設(shè)視障用戶在進(jìn)行血壓檢測(cè)時(shí),DED顯示的收縮壓183 mmHg,舒張壓54 mmHg(正常血壓標(biāo)準(zhǔn)范圍是收縮壓90～140 mmHg/舒張壓60～90 mmHg),表明血壓不正常。盲文智能手鐲數(shù)字顯示信息示例見(jiàn)圖8。

圖8 盲文數(shù)字顯示信息示例Fig.8 Example Braille digital display information

5.2.2 健康檢測(cè)模塊

健康檢測(cè)模塊主要由傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)及算法3部分組成。本文選用 MAX30102型生物傳感器(Maxim公司),其具有集成心率和血氧數(shù)據(jù)采集功能;選用 BMA250E型重力傳感器(Bosch公司)實(shí)現(xiàn)睡眠監(jiān)測(cè)功能。信號(hào)處理系統(tǒng)搭載Cortex-M33型MCU(Arm公司),利用MCU自帶的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)生物和重力傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行采集,通過(guò)MCU對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行計(jì)算和校驗(yàn),利用DED輸出盲文數(shù)字信息。盲文智能手鐲數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程見(jiàn)圖9。

圖9 數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程Fig.9 Digital signal processing

5.3 軟件設(shè)計(jì)

盲文智能織物手鐲采取定時(shí)中斷與主循環(huán)相結(jié)合的程序框架,見(jiàn)圖10。定時(shí)中斷裝置對(duì)生物、重力傳感器進(jìn)行定時(shí)數(shù)據(jù)采集及算法處理,主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)盲文數(shù)字顯示功能。心率傳感器基于光電容積脈沖波原理,檢測(cè)通過(guò)身體器官的血液量變化,由于光被血液吸收,信號(hào)脈沖相當(dāng)于心跳脈沖,再運(yùn)用音頻算法處理信號(hào);血氧傳感器利用反射原理對(duì)人體紅細(xì)胞的含氧量進(jìn)行檢測(cè),運(yùn)用濾波算法處理信號(hào);重力傳感器根據(jù)體動(dòng)原理進(jìn)行睡眠監(jiān)測(cè),在一定的時(shí)間內(nèi)(20 min或更長(zhǎng)),用戶如果無(wú)較大動(dòng)作或者動(dòng)作比較少,系統(tǒng)就判定處于睡眠狀態(tài),如果幾乎不動(dòng),系統(tǒng)就則判定為深度睡眠狀態(tài)[20]。

圖10 軟件系統(tǒng)框架Fig.10 Software system framework

5.4 手鐲設(shè)計(jì)

5.4.1 造型設(shè)計(jì)

智能手鐲的造型設(shè)計(jì)趨于個(gè)性化、人性化的方向發(fā)展,其造型要符合人體工程學(xué)原理。本文設(shè)計(jì)了2款盲文智能織物手鐲,手鐲主體由智能模塊(盲文顯示、健康檢測(cè)模塊)和手鐲本體2部分構(gòu)成,智能手鐲外觀整體設(shè)計(jì)呈現(xiàn)簡(jiǎn)潔的幾何形態(tài)。圖11所示為手鐲造型及細(xì)節(jié),手鐲分布4組DED組件及功能切換按鍵,手鐲背面設(shè)計(jì)了傳感器采集窗口和磁吸充電口;手鐲本體采用織物編織成帶狀,并釘鑲亞克力鉆石,整體時(shí)尚、美觀大方。

圖11 盲文智能織物手鐲Fig.11 Braille smart fabric bracelet

5.4.2 圖案色彩設(shè)計(jì)

智能手鐲的織物圖案追求簡(jiǎn)約時(shí)尚風(fēng)格,利用編織技法形成豐富的圖案花紋,第1款智能手鐲為斜紋編織圖案,表面有明顯斜向紋路,織物立體感強(qiáng)、手感柔軟、彈性好;第2款智能手鐲為平紋編織圖案,采用粗棉紗線的經(jīng)紗和緯紗以1上1下的規(guī)律交織,織物平整、堅(jiān)牢、硬挺、耐磨。

手鐲色彩設(shè)計(jì)嘗試了2種配色方式,第1款智能手鐲采用對(duì)比色搭配,DED組件、功能按鍵、裝飾線配以橙色,手鐲本體織物色彩選擇天藍(lán)色,整體色調(diào)時(shí)尚醒目;第2款智能手鐲以黑白灰配色,織物手鐲點(diǎn)綴橙色亞克力鉆石,整體給人簡(jiǎn)潔、精致的感覺(jué)。

5.4.3 工藝設(shè)計(jì)

智能模塊中集成多個(gè)電子元件,考慮到視障人群的安全性要求,外部應(yīng)用ABS材料注塑成型,ABS質(zhì)輕且易加工,外觀成型效果良好。手鐲本體運(yùn)用編織技法完成,常見(jiàn)編織工藝有編織、包纏、釘鑲、盤(pán)結(jié)等,本文設(shè)計(jì)的智能手鐲結(jié)合編織與釘鑲工藝制作完成,多種材質(zhì)、工藝的組合與烘托,使得整件手鐲更具時(shí)尚與優(yōu)雅感。

6 結(jié)束語(yǔ)

智能科技的快速發(fā)展,給人們的生活工作帶來(lái)了許多便利,為了實(shí)現(xiàn)科技與人、自然和社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展,立足于視障人群對(duì)健康管理的需求,進(jìn)行了盲文智能織物手鐲設(shè)計(jì)研究。通過(guò)文獻(xiàn)研究法、調(diào)查研究法和實(shí)驗(yàn)研究法,從視障人群的行為特征、盲文的形式及特點(diǎn)、盲人智能產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀及盲文手鐲軟硬件設(shè)計(jì)等方面,對(duì)盲文智能織物手鐲進(jìn)行深入研究,并提出了2款盲文智能織物手鐲設(shè)計(jì)方案。將盲文技術(shù)、傳感技術(shù)、編程技術(shù)及編織技術(shù)相融合進(jìn)行智能產(chǎn)品設(shè)計(jì),是一種全新的實(shí)踐探索,有助于拓展盲人智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)范圍;另外,盲文智能織物手鐲能夠有效彌補(bǔ)盲人的視覺(jué)信息缺失,提高自身管理健康的能力,改善生活質(zhì)量,幫助盲人更好地融入社會(huì),體現(xiàn)了國(guó)家和社會(huì)對(duì)視障人群的人文關(guān)懷,具有深遠(yuǎn)的社會(huì)價(jià)值和意義。