一種多功能智能導盲杖的設計思路

王一帆 王曉鳳 辛凱軒 張懷斌

濱州醫學院 山東煙臺 264003

視障人群在殘疾人群中占有較大的比重,據世衛組織統計,全世界有盲人數量達到9000萬人,我國盲人的數量預計會以每年45萬人的速度增長[1]。由于視力障礙,導致他們獨立出行的能力降低,自由活動受限,增加了意外受傷的可能性,其生活質量受到不同程度的影響[2]。隨著國家和社會文明的進步,視障群體的生活、學習和工作等受到國家的高度重視,國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要中指出要建設可持續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、便捷適用的導盲運動方式,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行調查,在調查結果基礎上針對視障人群開發設計了一款導盲杖和手環相結合的智能便攜導盲設備,幫助視障人群改善出行安全系數、提高視障人群的工作、生活質量和幸福感。

1 對象及方法

本次調查根據視障人群的自身特點和學習、生活和工作實際、文獻檢索內容,自編調查問卷,對某市視障學生、社會視障人員320人進行問卷調查,重點調查“導盲方式”對視障人群出行活動的影響,及視障人群對智能化導盲設備的需求。調研數據結果采用百分比表示,智能導盲設備的設計思路通過文獻搜集、整理分析獲得,導盲設備的使用情況和市場前景通過文獻搜索對比獲得。

2 結果

此次調查對在校盲生發放問卷200份,對社會盲人發放問卷120份,收回調查問卷320份,收回率和有效率均為100%。調研內容包括盲人常用的導盲出行方式、理想的導盲出行方式和智能導盲設備的認知與使用及現有導盲運動方式的優缺點。

受訪者調研結果顯示,超過80%以上的盲人在使用傳統導盲設備,認為傳統的導盲手杖、盲道和導盲犬存在較多不足,65%的盲人渴望使用智能的導盲設備,但超70%的盲人希望智能導盲設備應該充分考慮盲人的經濟情況和操作設備的能力,制造具有價格較為低廉、性能優越、便攜智能的導盲設備。

文獻調查顯示,傳統手杖、盲道、導盲犬是目前引導盲人出行的主要方式[4]。隨著科技的飛速發展和生活需要,智能性高、簡單方便的智能導盲設備不斷涌現。張仁朝等在傳統導盲杖功能的基礎上,設計了一種具有語音導盲、一鍵求救、遙控呼喚、實時定位功能的導盲杖,大大降低了盲人出行的危險系數,使盲人的出行變得更加方便[5]。杜宇崧等設計了一種多功能導盲杖,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,在導盲杖上安裝了夜間燈光警示,還可以對盲人倒地進行提前監測,保護盲人安全[6]。有研究人員設計的智能導盲杖以雷達測距為核心技術生成景深圖像,并獲得三維空間坐標。根據三維空間坐標,判斷前方路況地形,預知其危險因素,并通過智能語音將信息播報給盲人[7]。國內外研究人員還設計了一系列智能導盲機器人,為盲人出行提供更為安全的保障[3]。目前,專家學者還將人工智能等技術應用于智能導盲杖的設計上,通過人工智能完善現有導盲手段,提升盲人的生活質量[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;尋路需要導盲設備準確定位,幫助盲人準確到達目的地[8]。傳統手杖價格便宜,重量輕,可折疊,方便攜帶,但無法判斷周圍障礙物的位置,能夠為盲人提供的幫助十分有限;盲道引導受周圍交通環境等影響,具有不可確定性;導盲犬訓練時間長,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盲杖功能較為簡單,但可拓展性差;功能增強型智能導盲設備成本較高,使用較為復雜,不便于盲人操作[8]。基于國內導盲設備調研情況和市場需求,研究人員設計的智能導盲杖是致力于解決現有智能化導盲工具存在的適用范圍小、性能單一、安全性低等問題,針對視障人群開發設計的一款智能便攜導盲工具,是一款綜合多項人工智能技術、具有自動導航、紅綠燈識別、GPS定位、語音提醒和應急求助等功能的智能導盲杖,該導盲杖通過配備專用手環聯網導航平臺,提高視障人群運動安全,節約時間成本和經濟成本,提高視障人群的學習、生活和工作質量。

3.2 產品整體設計構思

該產品的商品名稱為:小醫小醫—智能導盲杖,該產品分為導盲杖和手環兩部分。導盲杖具有雷達測距、緊急呼救、夜燈模式和太陽能充電等功能;手環具有GPS定位、智能語音、盲杖找回和紅綠燈識別等功能。該產品功能齊全、運算能力強大的人工智能進行信號傳輸、接受、檢測和運算處理,進而指揮各個單元器件發揮功能。總體設計架構如圖1所示。

圖1 總體設計架構

3.3 產品結構與功能

3.3.1 產品外體結構

3.3.2 導盲杖功能

導盲杖的材質為鋁合金,全長135cm,折疊后35cm,手柄長度20cm、寬度6cm,便于攜帶,外觀結構如圖2所示。手環采用市場上常見手環,提高使用的舒適感和方便程度,外觀結構如圖3所示。

圖2 導盲杖結構圖

圖3 手環外觀功能結構圖

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

雷達測距:導盲杖中前端安裝雷達測距傳感器,通過雷達測距傳感器檢測一定范圍內的障礙物[10]。當雷達測距傳感器檢測到上空障礙物的最低點至導盲杖的水平距離在1.5m以內時,雷達測距傳感器將信號傳輸給手柄,手柄及時做出強振動反應,提示盲人上空存在障礙物,及時躲避障礙物;當雷達測距傳感器檢測到障礙物的最低點至導盲杖傳感器的水平距離在1.5時,做出弱振動提醒;當雷達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,此模塊同時聯通GPS定位提前小范圍內更改路線,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。

輔助功能:當光線較暗或夜間出行時,導盲杖會自動開啟夜燈模式,夜燈模式會周期性散發可見光,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。導盲杖使用完畢后,盲人可以觸及導盲杖易折疊處的突起提示點,導盲杖自動折疊,減少導盲杖的空間占用率,提高盲杖的實用性和便捷性。

3.3.3 智能手環

GPS定位導航:可以通過手環上的GPS定位導航系統將規劃設計好的路線導入手柄GPS定位系統中,路線規劃采用系統自動智能規劃和人工語音設定兩種方式。智能規劃是由程序按照盲人行進過程中的變化設置路線,供盲人選擇;人工設定則是由盲人通過語音自主設置路線圖。

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:在手環上設計紅綠燈識別功能,在紅綠燈路口處與交通指示燈安置輸出端口對接,手環內置接收端口,兩者相互協同交互,當盲人將要到達紅綠燈路口時(<10米時),手環會提前進行語音提示,“將要到達紅綠燈路口”;當盲人走到路口時,若該路口為紅燈,手環會語音提醒,“紅燈請停”,提示盲人停下;若該路口為綠燈,手環會語音提醒綠燈的秒數,盲人根據秒數來判斷前進還是停止。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、失手等原因導致導盲杖從手中滑落而找不到時,可按下手環顯示屏旁邊的盲杖找回鍵,通過藍牙與導盲杖對接,導盲杖即可發出聲音,提示盲人導盲杖的位置。新增的藍牙找回功能,有效避免使用者無法找到導盲杖的問題,保障其安全。

其他功能:手環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,保障導盲杖正常使用。當盲人長時間處于跌倒狀態時可長按此鍵3秒,即可向路人發出語音求救報警信號,并將盲人所處位置發送給家人,并且家人可查詢歷史軌跡。當導盲杖電量下降至30%時,手環會自動語音播報及時充電提醒信號,電量至20%時,手環會再次提醒充電。

3.4 設計創新性

導盲杖與智能手環結合使用,智能手環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。導盲杖與智能手環配合使用,功能更加強大。本產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。手柄的旋轉和振動可以更加有效地指引盲人出行。藍牙找回功能可以快速找回導盲杖,緊急呼救功能可以大大保障盲人的安全。

結語

一種有效的盲人出行產品可以大大提高視障人群等殘疾人群體的生活水平。本文設計的“小醫小醫—智能導盲杖”具有非常完備的功能體系,穩定性和準確性更高、安全可靠。其設計充分考慮了視障人群的實際需求,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,應用前景廣泛,具有較高的市場前景和社會效益。