一種多功能智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計思路

王一帆 王曉鳳 辛凱軒 張懷斌

濱州醫(yī)學(xué)院 山東煙臺 264003

視障人群在殘疾人群中占有較大的比重,據(jù)世衛(wèi)組織統(tǒng)計,全世界有盲人數(shù)量達(dá)到9000萬人,我國盲人的數(shù)量預(yù)計會以每年45萬人的速度增長[1]。由于視力障礙,導(dǎo)致他們獨(dú)立出行的能力降低,自由活動受限,增加了意外受傷的可能性,其生活質(zhì)量受到不同程度的影響[2]。隨著國家和社會文明的進(jìn)步,視障群體的生活、學(xué)習(xí)和工作等受到國家的高度重視,國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中指出要建設(shè)可持續(xù)的多層次社會保障體系[3]。因此,如何給盲人提供一個安全可靠、智能高效、便捷適用的導(dǎo)盲運(yùn)動方式,是一個值得深入探討的問題。基于此,本文研究人員對某市部分視障人群進(jìn)行調(diào)查,在調(diào)查結(jié)果基礎(chǔ)上針對視障人群開發(fā)設(shè)計了一款導(dǎo)盲杖和手環(huán)相結(jié)合的智能便攜導(dǎo)盲設(shè)備,幫助視障人群改善出行安全系數(shù)、提高視障人群的工作、生活質(zhì)量和幸福感。

1 對象及方法

本次調(diào)查根據(jù)視障人群的自身特點(diǎn)和學(xué)習(xí)、生活和工作實(shí)際、文獻(xiàn)檢索內(nèi)容,自編調(diào)查問卷,對某市視障學(xué)生、社會視障人員320人進(jìn)行問卷調(diào)查,重點(diǎn)調(diào)查“導(dǎo)盲方式”對視障人群出行活動的影響,及視障人群對智能化導(dǎo)盲設(shè)備的需求。調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果采用百分比表示,智能導(dǎo)盲設(shè)備的設(shè)計思路通過文獻(xiàn)搜集、整理分析獲得,導(dǎo)盲設(shè)備的使用情況和市場前景通過文獻(xiàn)搜索對比獲得。

2 結(jié)果

此次調(diào)查對在校盲生發(fā)放問卷200份,對社會盲人發(fā)放問卷120份,收回調(diào)查問卷320份,收回率和有效率均為100%。調(diào)研內(nèi)容包括盲人常用的導(dǎo)盲出行方式、理想的導(dǎo)盲出行方式和智能導(dǎo)盲設(shè)備的認(rèn)知與使用及現(xiàn)有導(dǎo)盲運(yùn)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

受訪者調(diào)研結(jié)果顯示,超過80%以上的盲人在使用傳統(tǒng)導(dǎo)盲設(shè)備,認(rèn)為傳統(tǒng)的導(dǎo)盲手杖、盲道和導(dǎo)盲犬存在較多不足,65%的盲人渴望使用智能的導(dǎo)盲設(shè)備,但超70%的盲人希望智能導(dǎo)盲設(shè)備應(yīng)該充分考慮盲人的經(jīng)濟(jì)情況和操作設(shè)備的能力,制造具有價格較為低廉、性能優(yōu)越、便攜智能的導(dǎo)盲設(shè)備。

文獻(xiàn)調(diào)查顯示,傳統(tǒng)手杖、盲道、導(dǎo)盲犬是目前引導(dǎo)盲人出行的主要方式[4]。隨著科技的飛速發(fā)展和生活需要,智能性高、簡單方便的智能導(dǎo)盲設(shè)備不斷涌現(xiàn)。張仁朝等在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖功能的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種具有語音導(dǎo)盲、一鍵求救、遙控呼喚、實(shí)時定位功能的導(dǎo)盲杖,大大降低了盲人出行的危險系數(shù),使盲人的出行變得更加方便[5]。杜宇崧等設(shè)計了一種多功能導(dǎo)盲杖,用超聲波探測后將獲取的信息通過語音播報和震動反饋給使用者,在導(dǎo)盲杖上安裝了夜間燈光警示,還可以對盲人倒地進(jìn)行提前監(jiān)測,保護(hù)盲人安全[6]。有研究人員設(shè)計的智能導(dǎo)盲杖以雷達(dá)測距為核心技術(shù)生成景深圖像,并獲得三維空間坐標(biāo)。根據(jù)三維空間坐標(biāo),判斷前方路況地形,預(yù)知其危險因素,并通過智能語音將信息播報給盲人[7]。國內(nèi)外研究人員還設(shè)計了一系列智能導(dǎo)盲機(jī)器人,為盲人出行提供更為安全的保障[3]。目前,專家學(xué)者還將人工智能等技術(shù)應(yīng)用于智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計上,通過人工智能完善現(xiàn)有導(dǎo)盲手段,提升盲人的生活質(zhì)量[1]。

3 討論

3.1 研究意義

盲人出行主要存在尋路、碰撞和定位三大困難。避免碰撞就要了解道路狀況,及時避開障礙物;尋路需要導(dǎo)盲設(shè)備準(zhǔn)確定位,幫助盲人準(zhǔn)確到達(dá)目的地[8]。傳統(tǒng)手杖價格便宜,重量輕,可折疊,方便攜帶,但無法判斷周圍障礙物的位置,能夠?yàn)槊と颂峁┑膸椭钟邢?盲道引導(dǎo)受周圍交通環(huán)境等影響,具有不可確定性;導(dǎo)盲犬訓(xùn)練時間長,成本較高,不便于普及[4];利用超聲波傳感器、紅外傳感器等智能導(dǎo)盲杖功能較為簡單,但可拓展性差;功能增強(qiáng)型智能導(dǎo)盲設(shè)備成本較高,使用較為復(fù)雜,不便于盲人操作[8]?；趪鴥?nèi)導(dǎo)盲設(shè)備調(diào)研情況和市場需求,研究人員設(shè)計的智能導(dǎo)盲杖是致力于解決現(xiàn)有智能化導(dǎo)盲工具存在的適用范圍小、性能單一、安全性低等問題,針對視障人群開發(fā)設(shè)計的一款智能便攜導(dǎo)盲工具,是一款綜合多項人工智能技術(shù)、具有自動導(dǎo)航、紅綠燈識別、GPS定位、語音提醒和應(yīng)急求助等功能的智能導(dǎo)盲杖,該導(dǎo)盲杖通過配備專用手環(huán)聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航平臺,提高視障人群運(yùn)動安全,節(jié)約時間成本和經(jīng)濟(jì)成本,提高視障人群的學(xué)習(xí)、生活和工作質(zhì)量。

3.2 產(chǎn)品整體設(shè)計構(gòu)思

該產(chǎn)品的商品名稱為:小醫(yī)小醫(yī)—智能導(dǎo)盲杖,該產(chǎn)品分為導(dǎo)盲杖和手環(huán)兩部分。導(dǎo)盲杖具有雷達(dá)測距、緊急呼救、夜燈模式和太陽能充電等功能;手環(huán)具有GPS定位、智能語音、盲杖找回和紅綠燈識別等功能。該產(chǎn)品功能齊全、運(yùn)算能力強(qiáng)大的人工智能進(jìn)行信號傳輸、接受、檢測和運(yùn)算處理,進(jìn)而指揮各個單元器件發(fā)揮功能?？傮w設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計架構(gòu)

3.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能

3.3.1 產(chǎn)品外體結(jié)構(gòu)

3.3.2 導(dǎo)盲杖功能

導(dǎo)盲杖的材質(zhì)為鋁合金,全長135cm,折疊后35cm,手柄長度20cm、寬度6cm,便于攜帶,外觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。手環(huán)采用市場上常見手環(huán),提高使用的舒適感和方便程度,外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 導(dǎo)盲杖結(jié)構(gòu)圖

圖3 手環(huán)外觀功能結(jié)構(gòu)圖

智能手柄:通過手柄的前推和轉(zhuǎn)動提示盲人行進(jìn)的方向和路徑。手柄前推即直行,向左旋轉(zhuǎn)90度即向左拐,向左旋轉(zhuǎn)30度即向左稍偏離。智能手柄還可以對盲人進(jìn)行摔倒檢測,預(yù)測判斷盲人摔倒的概率,提示盲人行進(jìn)安全[9]。

雷達(dá)測距:導(dǎo)盲杖中前端安裝雷達(dá)測距傳感器,通過雷達(dá)測距傳感器檢測一定范圍內(nèi)的障礙物[10]。當(dāng)雷達(dá)測距傳感器檢測到上空障礙物的最低點(diǎn)至導(dǎo)盲杖的水平距離在1.5m以內(nèi)時,雷達(dá)測距傳感器將信號傳輸給手柄,手柄及時做出強(qiáng)振動反應(yīng),提示盲人上空存在障礙物,及時躲避障礙物;當(dāng)雷達(dá)測距傳感器檢測到障礙物的最低點(diǎn)至導(dǎo)盲杖傳感器的水平距離在1.5時,做出弱振動提醒;當(dāng)雷達(dá)測距傳感器檢測到距離地面大于0.1m時,做出語音提醒“小心凹地”。視障人群中部分存在四肢行動不便、無法快速做出躲避動作時,此模塊同時聯(lián)通GPS定位提前小范圍內(nèi)更改路線,幫助視障人群躲避障礙物,極大地提高了視障人群出行的安全系數(shù)。

輔助功能:當(dāng)光線較暗或夜間出行時,導(dǎo)盲杖會自動開啟夜燈模式,夜燈模式會周期性散發(fā)可見光,引起視障人群周圍行人的注意,提醒行人注意避讓視障人群或主動提供幫助,提高盲人出行的安全系數(shù)。導(dǎo)盲杖使用完畢后,盲人可以觸及導(dǎo)盲杖易折疊處的突起提示點(diǎn),導(dǎo)盲杖自動折疊,減少導(dǎo)盲杖的空間占用率,提高盲杖的實(shí)用性和便捷性。

3.3.3 智能手環(huán)

GPS定位導(dǎo)航:可以通過手環(huán)上的GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)將規(guī)劃設(shè)計好的路線導(dǎo)入手柄GPS定位系統(tǒng)中,路線規(guī)劃采用系統(tǒng)自動智能規(guī)劃和人工語音設(shè)定兩種方式。智能規(guī)劃是由程序按照盲人行進(jìn)過程中的變化設(shè)置路線,供盲人選擇;人工設(shè)定則是由盲人通過語音自主設(shè)置路線圖。

智能語音:可以直接將信號以語音的方式傳遞給盲人。

紅綠燈識別:在手環(huán)上設(shè)計紅綠燈識別功能,在紅綠燈路口處與交通指示燈安置輸出端口對接,手環(huán)內(nèi)置接收端口,兩者相互協(xié)同交互,當(dāng)盲人將要到達(dá)紅綠燈路口時(<10米時),手環(huán)會提前進(jìn)行語音提示,“將要到達(dá)紅綠燈路口”;當(dāng)盲人走到路口時,若該路口為紅燈,手環(huán)會語音提醒,“紅燈請?！?提示盲人停下;若該路口為綠燈,手環(huán)會語音提醒綠燈的秒數(shù),盲人根據(jù)秒數(shù)來判斷前進(jìn)還是停止。此功能大大降低了盲人過馬路時的危險性,并且可增強(qiáng)盲人的安全感和社會生活幸福感。

盲杖找回功能:盲人遇到因跌倒、失手等原因?qū)е聦?dǎo)盲杖從手中滑落而找不到時,可按下手環(huán)顯示屏旁邊的盲杖找回鍵,通過藍(lán)牙與導(dǎo)盲杖對接,導(dǎo)盲杖即可發(fā)出聲音,提示盲人導(dǎo)盲杖的位置。新增的藍(lán)牙找回功能,有效避免使用者無法找到導(dǎo)盲杖的問題,保障其安全。

其他功能:手環(huán)同時配有緊急呼救和低電量提醒功能,提高視障人群出行的安全感,保障導(dǎo)盲杖正常使用。當(dāng)盲人長時間處于跌倒?fàn)顟B(tài)時可長按此鍵3秒,即可向路人發(fā)出語音求救報警信號,并將盲人所處位置發(fā)送給家人,并且家人可查詢歷史軌跡。當(dāng)導(dǎo)盲杖電量下降至30%時,手環(huán)會自動語音播報及時充電提醒信號,電量至20%時,手環(huán)會再次提醒充電。

3.4 設(shè)計創(chuàng)新性

導(dǎo)盲杖與智能手環(huán)結(jié)合使用,智能手環(huán)的人工智能語音提示功能使盲人在使用時更加方便;智能手環(huán)體積小,重量輕,易操作,佩戴到手腕處便捷舒適美觀,方便佩戴且位置固定。導(dǎo)盲杖與智能手環(huán)配合使用,功能更加強(qiáng)大。本產(chǎn)品新增的紅綠燈識別提醒功能,指引使用者安全通過路口,大大提高了盲人過路口的安全性。手柄的旋轉(zhuǎn)和振動可以更加有效地指引盲人出行。藍(lán)牙找回功能可以快速找回導(dǎo)盲杖,緊急呼救功能可以大大保障盲人的安全。

結(jié)語

一種有效的盲人出行產(chǎn)品可以大大提高視障人群等殘疾人群體的生活水平。本文設(shè)計的“小醫(yī)小醫(yī)—智能導(dǎo)盲杖”具有非常完備的功能體系,穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性更高、安全可靠。其設(shè)計充分考慮了視障人群的實(shí)際需求,能夠較好地解決視障人群出行安全問題,使視障人群出行簡單便捷,應(yīng)用前景廣泛,具有較高的市場前景和社會效益。