基于人机协作系统的视障者辅助设备优化设计研究

王士顺

关键词：人机协作系统;视力障碍;辅助设备设计

据估计，全世界至少有 22 亿人患有中度或重度视力障碍（世界卫生组织，2021 年）[1]。在全球，残疾人中最常见的障碍是视力障碍，视障人士的比例最高。盲人或视障人士在进行日常活动时会遇到许多困难，例如独立的从一个地方移动到另一个地方[2]。尽管他们简单且负担得起，但训练有素的狗和手杖无法为视障人士提供安全出行所需的所有信息。这种对更可靠的导航和定向方法的需求，促使研究人员使用新技术来开发视障人士专用的辅助系统。但在视障人士实际的使用过程中也出现了很多问题。文章将综合辅助设备的优缺点完善基于人机协作系统的优化设计。

1 概念阐述

1.1 人机协作系统

“协作系统理论”是社会系统学派创始人巴纳德在研究组织问题时提出的理论。他认为，“任何一个组织都是一个协作系统，虽然其是由个人组成，但是个人只有通过与他人的协作才能发挥作用”。协作系统有三个协作要素：（1） 协作意愿;（2） 共同目标，协作意愿以共同目标为前提，而目标实现以协作意愿为基础;（3） 信息联系，其作用在于沟通上述两个要素的联系，使它们成为一个动态发展的过程。人机协作系统理论在协作理论的基础上又包含了人机交互、人机融合和人机共创三大部分[3]。人机协作系统更加注重人和机器在同一系统、不同维度的变化，在协作系统范围内，注重不同侧面，人的认知和行为注重的是心理建设层面，较为主观，而机器的认知层面则侧重于物理方向，较为客观[4]。两者虽然存在不一致性，但仅单方面考虑机器而忽略人的协作方式，会使机器产生的数据缺少相对变化性，不能达到目标效果。较早关于人机协作系统的研究是在人机协作一体化方法上采用人机共同合作策略，注重的是人和机器之间的关系、人和人之间的关系[5]。

1.2 视障移动辅助设备

电子助行器可以是主动的，也可以是被动的。主动助行器收集环境信息，并将其转化为视障人士用户可以感觉感知的形式;被动出行辅助设备包括不同类型的摄像头和旨在提高視障人士用户移动性的高复杂度算法。但与更详细、更准确的环境信息同样重要的是易于携带。

2 现有视障人士辅助设备的问题

正如多位研究人员所指出的，任何旨在促进残疾人士生活和融入的辅助设备都应考虑用户的需求和意愿[6]。然而现有视障人士辅助设备的问题主要体现在以下几方面：（1） 大量的电子旅行辅助设备或可穿戴避障电子助行器，目标定位均在产品的品质功能，以及对视障人士提供有效的帮助;（2） 在设备的设计开发过程中，收集的信息不是作为开发过程的一部分，而是作为提供最先进系统和比较概览的标准;（3） 视障辅助设备的实际作用与视障人士的使用需求并不匹配，并未从视障者的实际使用过程中进行评估反馈到整个设计的开发过程中。因此，它们似乎都不能满足视障人士的需求，这表明在研究过程中没有充分考虑视障者的需求。

3 视障者辅助设备优化设计的意义

首先，这项工作的意义之一是在设计之初便提出要考虑视障人士的意见，使辅助设备特征能够更好地满足用户的需求。其次，用户参与辅助设备开发的不同阶段将有助于开发更强大和可靠的解决方案。再次，通过优化设计可以帮助视障人士群体采用前沿的、先进的设备。然而，最近的一些调查指出，只有少数辅助系统能够满足视障人士的需求，这反过来也表明视障人士的意见在开发过程中很少考虑。因此，视障者辅助设备优化设计最重要的意义是可以让视障人士群体更积极地参与辅助系统的开发中，协同整个设计过程，并开发出更好的解决方案。

4 视障者辅助设备优化设计的整体流程

文章中提出的人机协作系统的整体优化流程，应该是在个人研究机器的基础上，通过与他人的协作或协同完成工作，具体表现为既要表达开发人员本身的设计观点，又要结合参与人员的需求，使整个过程达成最后共有的目标行为，形成系统化的设计选择和设计需求。使信息能够联通分享，使视障者辅助设备优化设计成为一个动态的发展过程。比如，协作系统辅助设备的设计要求是能够检测到用户面前的任何障碍物及潜在的危险。每当检测到障碍物时，与它的接近度和高度相关的信息都会通过音频消息和振动警报传递给用户。关于障碍物高度，考虑了三个垂直水平：足部水平、躯干水平和头部水平。此外，该系统还应包括实用操作、免提、可充电电池操作、轻巧便宜等，如图1 所示。

4.1 人机协作系统的协作设计

4.1.1 人机协作系统辅助设备的调查过程

为了让最终用户更积极地参与开发过程，文章使用了3 项调查来收集他们的意见和建议。分别包括：（1） 你知道视障人士的电子辅助设备吗？请告知品牌或者名称;（2） 您认为电子辅助设备应包括哪些功能;（3） 如果系统是可穿戴的，你想如何使用它。10名年龄在 20 至 60 岁之间的视障人士受试者参与了调查。

4.1.2 根据调查需求和意愿选择辅助设备

障碍物检测设备由三个传感器实现：两个 HC-SR04 超声波传感器和一个GP2Y0A02YK0F 红外传感器。具体来说，HCSR04由高频超声波脉冲的发射器和接收器组成，当传感器处于活动状态时，这些脉冲会不断地在空气中传播。传感器和障碍物之间的距离可以通过测量超声波脉冲返回传感器所用的时间，并将其乘以空气中的声速来估计。该传感器的精度为 3 mm，成本相对较低。由于其检测范围和视角可以结合两个传感器来检测用户前方 4 米范围内的障碍物，无论是头部还是躯干水平。红外传感器用于检测脚下的障碍物和落差，与其对应的超声波传感器一样，红外传感器也能抵抗电磁干扰。但是，它们的性能可能会受到环境光照条件和反射表面的影响。尽管如此，这些传感器也经常用于为视障人士开发电子辅助系统，因为它们具有较高的方向灵敏度且成本较低。文章使用的两个超声波传感器和红外传感器的布置如图2 所示。

ATmega328 微控制器嵌入在 Arduino Nano 板中，处理传感器提供的信号，并控制用于听觉和振动警报的电子设备。ISD1760音频录制或者播放模块用于传递与障碍物的语音消息。

4.2 人机协作系统辅助设备动态操作

协作系统的操作过程是由使用 Arduino 开源环境以 C++ 编程语言编写的代码控制。参数初始化后，依次连续记录每个传感器提供的距离值。HC-SR04 传感器以 100 毫秒的延迟触发，以避免超声波脉冲之间的任何干扰。如果两个超声波传感器提供的距离值都低于阈值，则会向用户发送一条语音消息，告诉用户“前方有垂直障碍物”（例如，墙壁或门）。相反，如果只有一个超声波传感器提供的距离值低于阈值，则传递给用户的语音消息将取决于哪个传感器报告的距离较近。例如，如果放置在顶部的超声波传感器报告较近的距离（参见图2），则会发送一条语音消息，告诉用户“头部有障碍物”。距离值越短，变频电机的振动强度越高。关于乘坐交通工具上下车，如果红外传感器提供的距离值大于下车阈值，则会生成高强度振动警报和语音消息。该阈值是在测量在地面上朝下楼梯行走时红外传感器报告的距离变化后设置的。传感器报告的距离在平面上约为 110 cm，但当传感器与下楼梯之间的距离小于 2 m 时，该距离会急剧增加（超过 450cm）。相反，当发现脚部水平的障碍物时，红外传感器报告的距离会减小，因此系统中也会包含相应的警报。

4.3 人机协作系统视障者辅助设备的性能评估

文章进行了一系列测试来分析所提出系统的性能。在参与研究之前获得了他们的意愿和同意，所有实验均由训练有素的工作人员和老师进行监督。10 名视障人士用户自愿参加了测试，并选择了两种不同的导航场景来模拟几个真实世界的条件。对于在室内进行的第一个测试，视障人士用户被要求直线行走，直到到达墙壁。三个障碍物、一个在头部水平、一个在躯干水平、一个在脚水平，交替放置在起点和终点之间（如图3a）。一旦检测到障碍物，参与者必须根据其高度报告发出语音消息。一名训练有素的工作人员帮助视障人士用户在检测到障碍物时转向何处。第二项测试与前一项类似，不同之处在于该测试是在室外进行的，受试者必须在到达终点之前避免下台阶（如图3b）。文章允许视障人士志愿者在绩效评估阶段使用白手杖。

整个实验过程中协作系统的视障者辅助设备如图4 所示，测试过程中同时总结了第一次调查的答案分布。当被问及他们是否知道任何针对视障者的电子辅助设备时，大多数参与者（73%）的回答是否定的（问题 1）。第二个问题为电子辅助设备应包括哪些功能？视障人士受访者认为最重要的功能应该是舒适、易于使用和障碍物检测警报。当参与者被问及他们想如何使用电子辅助设备时（问题3），大多数人认为他们更喜欢把它戴在腰上，就像系上腰带一样。

虽然在第一次测试中正确检测和识别了头部、躯干和足部的障礙物，但在第二次测试的十二次试验中有四次没有检测到足部障碍物。相反，所提出的系统能够检测到的后一种情况所有下降。系统在室内进行测试时成功检测到足部障碍物，但在室外进行测试时，十二次试验中有四次失败。一种可能是红外传感器的性能受到环境光照条件（例如，阳光）的影响。对环境光的高灵敏度是基于红外检测系统的一个主要缺点[7]。解决此问题的另一种方法是将 GP2Y0A02YK0F 红外传感器替换为另一个可调节灵敏度的红外传感器。因此，从亮度传感器获取的数据可使脚部障碍物的检测更加可靠。然而，它可能会增加计算负担、功耗和经济成本。另一种选择是用另一个超声波传感器替换红外传感器，这也可以防止由于反射表面而导致的错误检测。然而，由于多个前视图对齐的超声波传感器产生的宽感应场，检测误差可能会增加。相反，红外传感器的感应范围较窄，因此在精心选择方向时它们可能会表现良好。

5 总结与展望

5.1 总结

白手杖用户无法检测到头顶障碍物，因此各种视觉辅助设备包括多个传感器，为视障人士用户提供垂直平面的全覆盖。先前的研究报告称，当与振动警报结合使用时，听觉反馈已广泛用于视障人士的辅助设备中[8]。听觉警报的优势包括更详细的周围环境信息和最佳导航路线建议。尽管如此，开发人员仍需要对辅助设备可以传递的预录消息的数量和持续时间保持谨慎，尤其是在播放消息会干扰障碍物检测的情况下。协作系统提供的语音指令会持续 1.2 秒到 1.5 秒。未来的工作可能包括将音频消息与其他形式的听觉反馈相结合，例如哔哔声序列、音乐声和双耳声学。

在绩效考核阶段，实验允许视障人士志愿者使用白手杖。令人惊讶的是，大多数参与者没有使用它。当被问及解释时，视障人士用户回答说，他们希望能够使用不显眼且视觉上不引人注意的设备，因此一些研究人员也要考虑他们的想法和需求。

5.2 展望

协作系统的一个限制是无法为视障人士用户提供精准的方向信息。尽管能够在三个不同的高度检测用户正前方的物体，但文章的原型并未提供有关用户周围环境的信息。提供方向和导航消息的能力是视障人士专用辅助设备应满足的主要功能之一。这种信息可以帮助用户到达特定目的地或确定最安全的路线。尽管如此，视障人士用户通常会向前走，他们对更远的横向障碍不太感兴趣。对于视障人士用户来说，必须在所有高度检测他们正前方的物体，尤其是当障碍物可能导致跌倒或受伤时（例如，坠落、树枝）。因此，实验决定一次解决一个问题，并专注于开发能够检测三个不同高度障碍物的原型。文章的其他局限性还包括在绩效评估阶段使用的场景数量较少。此外，样本量也比较少。然而，这项工作可能有助于鼓励其他研究人员参与到开发过程中，有助于视障人士融入社会。