一种多功能智能导盲杖的设计思路

王一帆 王晓凤 辛凯轩 张怀斌

滨州医学院 山东烟台 264003

视障人群在残疾人群中占有较大的比重,据世卫组织统计,全世界有盲人数量达到9000万人,我国盲人的数量预计会以每年45万人的速度增长[1]。由于视力障碍,导致他们独立出行的能力降低,自由活动受限,增加了意外受伤的可能性,其生活质量受到不同程度的影响[2]。随着国家和社会文明的进步,视障群体的生活、学习和工作等受到国家的高度重视,国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要中指出要建设可持续的多层次社会保障体系[3]。因此,如何给盲人提供一个安全可靠、智能高效、便捷适用的导盲运动方式,是一个值得深入探讨的问题。基于此,本文研究人员对某市部分视障人群进行调查,在调查结果基础上针对视障人群开发设计了一款导盲杖和手环相结合的智能便携导盲设备,帮助视障人群改善出行安全系数、提高视障人群的工作、生活质量和幸福感。

1 对象及方法

本次调查根据视障人群的自身特点和学习、生活和工作实际、文献检索内容,自编调查问卷,对某市视障学生、社会视障人员320人进行问卷调查,重点调查“导盲方式”对视障人群出行活动的影响,及视障人群对智能化导盲设备的需求。调研数据结果采用百分比表示,智能导盲设备的设计思路通过文献搜集、整理分析获得,导盲设备的使用情况和市场前景通过文献搜索对比获得。

2 结果

此次调查对在校盲生发放问卷200份,对社会盲人发放问卷120份,收回调查问卷320份,收回率和有效率均为100%。调研内容包括盲人常用的导盲出行方式、理想的导盲出行方式和智能导盲设备的认知与使用及现有导盲运动方式的优缺点。

受访者调研结果显示,超过80%以上的盲人在使用传统导盲设备,认为传统的导盲手杖、盲道和导盲犬存在较多不足,65%的盲人渴望使用智能的导盲设备,但超70%的盲人希望智能导盲设备应该充分考虑盲人的经济情况和操作设备的能力,制造具有价格较为低廉、性能优越、便携智能的导盲设备。

文献调查显示,传统手杖、盲道、导盲犬是目前引导盲人出行的主要方式[4]。随着科技的飞速发展和生活需要,智能性高、简单方便的智能导盲设备不断涌现。张仁朝等在传统导盲杖功能的基础上,设计了一种具有语音导盲、一键求救、遥控呼唤、实时定位功能的导盲杖,大大降低了盲人出行的危险系数,使盲人的出行变得更加方便[5]。杜宇崧等设计了一种多功能导盲杖,用超声波探测后将获取的信息通过语音播报和震动反馈给使用者,在导盲杖上安装了夜间灯光警示,还可以对盲人倒地进行提前监测,保护盲人安全[6]。有研究人员设计的智能导盲杖以雷达测距为核心技术生成景深图像,并获得三维空间坐标。根据三维空间坐标,判断前方路况地形,预知其危险因素,并通过智能语音将信息播报给盲人[7]。国内外研究人员还设计了一系列智能导盲机器人,为盲人出行提供更为安全的保障[3]。目前,专家学者还将人工智能等技术应用于智能导盲杖的设计上,通过人工智能完善现有导盲手段,提升盲人的生活质量[1]。

3 讨论

3.1 研究意义

盲人出行主要存在寻路、碰撞和定位三大困难。避免碰撞就要了解道路状况,及时避开障碍物;寻路需要导盲设备准确定位,帮助盲人准确到达目的地[8]。传统手杖价格便宜,重量轻,可折叠,方便携带,但无法判断周围障碍物的位置,能够为盲人提供的帮助十分有限;盲道引导受周围交通环境等影响,具有不可确定性;导盲犬训练时间长,成本较高,不便于普及[4];利用超声波传感器、红外传感器等智能导盲杖功能较为简单,但可拓展性差;功能增强型智能导盲设备成本较高,使用较为复杂,不便于盲人操作[8]。基于国内导盲设备调研情况和市场需求,研究人员设计的智能导盲杖是致力于解决现有智能化导盲工具存在的适用范围小、性能单一、安全性低等问题,针对视障人群开发设计的一款智能便携导盲工具,是一款综合多项人工智能技术、具有自动导航、红绿灯识别、GPS定位、语音提醒和应急求助等功能的智能导盲杖,该导盲杖通过配备专用手环联网导航平台,提高视障人群运动安全,节约时间成本和经济成本,提高视障人群的学习、生活和工作质量。

3.2 产品整体设计构思

该产品的商品名称为:小医小医—智能导盲杖,该产品分为导盲杖和手环两部分。导盲杖具有雷达测距、紧急呼救、夜灯模式和太阳能充电等功能;手环具有GPS定位、智能语音、盲杖找回和红绿灯识别等功能。该产品功能齐全、运算能力强大的人工智能进行信号传输、接受、检测和运算处理,进而指挥各个单元器件发挥功能。总体设计架构如图1所示。

图1 总体设计架构

3.3 产品结构与功能

3.3.1 产品外体结构

3.3.2 导盲杖功能

导盲杖的材质为铝合金,全长135cm,折叠后35cm,手柄长度20cm、宽度6cm,便于携带,外观结构如图2所示。手环采用市场上常见手环,提高使用的舒适感和方便程度,外观结构如图3所示。

图2 导盲杖结构图

图3 手环外观功能结构图

智能手柄:通过手柄的前推和转动提示盲人行进的方向和路径。手柄前推即直行,向左旋转90度即向左拐,向左旋转30度即向左稍偏离。智能手柄还可以对盲人进行摔倒检测,预测判断盲人摔倒的概率,提示盲人行进安全[9]。

雷达测距:导盲杖中前端安装雷达测距传感器,通过雷达测距传感器检测一定范围内的障碍物[10]。当雷达测距传感器检测到上空障碍物的最低点至导盲杖的水平距离在1.5m以内时,雷达测距传感器将信号传输给手柄,手柄及时做出强振动反应,提示盲人上空存在障碍物,及时躲避障碍物;当雷达测距传感器检测到障碍物的最低点至导盲杖传感器的水平距离在1.5时,做出弱振动提醒;当雷达测距传感器检测到距离地面大于0.1m时,做出语音提醒“小心凹地”。视障人群中部分存在四肢行动不便、无法快速做出躲避动作时,此模块同时联通GPS定位提前小范围内更改路线,帮助视障人群躲避障碍物,极大地提高了视障人群出行的安全系数。

辅助功能:当光线较暗或夜间出行时,导盲杖会自动开启夜灯模式,夜灯模式会周期性散发可见光,引起视障人群周围行人的注意,提醒行人注意避让视障人群或主动提供帮助,提高盲人出行的安全系数。导盲杖使用完毕后,盲人可以触及导盲杖易折叠处的突起提示点,导盲杖自动折叠,减少导盲杖的空间占用率,提高盲杖的实用性和便捷性。

3.3.3 智能手环

GPS定位导航:可以通过手环上的GPS定位导航系统将规划设计好的路线导入手柄GPS定位系统中,路线规划采用系统自动智能规划和人工语音设定两种方式。智能规划是由程序按照盲人行进过程中的变化设置路线,供盲人选择;人工设定则是由盲人通过语音自主设置路线图。

智能语音:可以直接将信号以语音的方式传递给盲人。

红绿灯识别:在手环上设计红绿灯识别功能,在红绿灯路口处与交通指示灯安置输出端口对接,手环内置接收端口,两者相互协同交互,当盲人将要到达红绿灯路口时(<10米时),手环会提前进行语音提示,“将要到达红绿灯路口”;当盲人走到路口时,若该路口为红灯,手环会语音提醒,“红灯请停”,提示盲人停下;若该路口为绿灯,手环会语音提醒绿灯的秒数,盲人根据秒数来判断前进还是停止。此功能大大降低了盲人过马路时的危险性,并且可增强盲人的安全感和社会生活幸福感。

盲杖找回功能:盲人遇到因跌倒、失手等原因导致导盲杖从手中滑落而找不到时,可按下手环显示屏旁边的盲杖找回键,通过蓝牙与导盲杖对接,导盲杖即可发出声音,提示盲人导盲杖的位置。新增的蓝牙找回功能,有效避免使用者无法找到导盲杖的问题,保障其安全。

其他功能:手环同时配有紧急呼救和低电量提醒功能,提高视障人群出行的安全感,保障导盲杖正常使用。当盲人长时间处于跌倒状态时可长按此键3秒,即可向路人发出语音求救报警信号,并将盲人所处位置发送给家人,并且家人可查询历史轨迹。当导盲杖电量下降至30%时,手环会自动语音播报及时充电提醒信号,电量至20%时,手环会再次提醒充电。

3.4 设计创新性

导盲杖与智能手环结合使用,智能手环的人工智能语音提示功能使盲人在使用时更加方便;智能手环体积小,重量轻,易操作,佩戴到手腕处便捷舒适美观,方便佩戴且位置固定。导盲杖与智能手环配合使用,功能更加强大。本产品新增的红绿灯识别提醒功能,指引使用者安全通过路口,大大提高了盲人过路口的安全性。手柄的旋转和振动可以更加有效地指引盲人出行。蓝牙找回功能可以快速找回导盲杖,紧急呼救功能可以大大保障盲人的安全。

结语

一种有效的盲人出行产品可以大大提高视障人群等残疾人群体的生活水平。本文设计的“小医小医—智能导盲杖”具有非常完备的功能体系,稳定性和准确性更高、安全可靠。其设计充分考虑了视障人群的实际需求,能够较好地解决视障人群出行安全问题,使视障人群出行简单便捷,应用前景广泛,具有较高的市场前景和社会效益。