導航盲杖的機械設計原理

李賓　李聰聰　孫穎　部德強

摘 要：該文介紹的作品是一個為了方便盲人行走、加入了感覺障礙物方位和感應路面情況的導盲裝置，辨別障礙方向的杠桿傳動機構以及辨別路面凹凸情況的擺動導桿機構可以使盲人朋友在生活中行動自如，不再因自己感覺不到障礙物而困擾。盲人朋友手持手柄即可以感觸到障礙物及路面凹凸情況。作品含有射頻識別裝置、超聲波避障模塊、語音模塊。其中，射頻識別裝置可以完成對路面導航標簽的識別以達到導航的目的，超聲波避障模塊則可以完成對懸空障礙物的識別。

關鍵詞：導盲 障礙物檢測 射頻識別

中圖分類號：TP249 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（c）-0065-03

在生活中，我們往往會忽視一樣我們的“心靈之窗”——眼睛，我們每人都會忽視它而不會保護它，但當你體會了盲人的生活，你就會知道眼睛是多么的重要。當我們蒙著眼睛去體會失去眼睛該怎么走路、日常工作時，才能真正體會盲人不能感知外界事物的痛苦。

作品的研究目標是為了方便盲人行走，使其感覺障礙物方位和感應路面情況的導盲裝置，辨別障礙方向的杠桿傳動機構以及辨別路面凹凸情況的擺動導桿機構可以使盲人學生在校園行動方便，不再因自己感覺不到障礙物而困擾。盲人朋友手持手柄即可以感觸到障礙物及路面凹凸情況。作品含有射頻識別裝置可以完成對路面導航標簽的識別，達到導航的目的。

1 設計方案

1.1 作品底部行動機構

行動機構是由辨別障礙方向的杠桿傳動部分以及辨別路面凹凸情況的擺動導桿機構構成。其中零部件為感觸桿、萬向輪、鉸鏈、軟鐵絲、彈簧。6個萬向輪與地面接觸，其中鉸鏈上的5個感觸桿用來接觸障礙物，連接件上的萬向輪通過導桿機構反饋地面凹凸情況。每兩個輪子之間的角度是45°，整體范圍為180°，鉸鏈與中間固定桿連接。

1.2 行動機構中辨別障礙方向的杠桿傳動部分

行動機構中辨別障礙物方向的杠桿傳動中，其中鉸鏈上的5個感觸桿用來接觸障礙物，這樣就構成了一個力偶機構。首先我們的鉸鏈和感觸桿L11，L21，L31，L41，L51的底端通過彈簧相連接，L11，L21，L31，L41，L51的頂端和軟鐵絲相連接，而軟鐵絲和球型鉸鏈相連接，這樣，就構成了一個簡單的力偶矩結構，形成一對方向相反的力偶。當帶有杠桿傳動部分的感觸桿碰到某個方位的障礙物，這個障礙物時會相應的給感觸桿一個力，然后桿L11的底端就會受到反作用力，方向指向靠近中間固定桿，由于兩個力偶的方向相反，L11桿的頂端就會受到一個遠離中間固定桿的力，這個力帶動軟鐵絲L12，繼而拉動手柄上的球型鉸鏈，手柄向障礙物相反的方向擺動，握著手柄的盲人同學就會感受到LII所在的方向碰到了障礙物。

當這個感觸桿L21碰到障礙物時會受到一個外力，然后桿L21的底端就會受到一個遠離中間固定桿的力，這個力帶動軟鐵絲L22，繼而向相應方向擺動，握著手柄的盲人同學就會感受到L2I所在的方向碰到了障礙物。同理L31，L41，L51等所在方向的應用也是如此如圖1所示。

這里的彈簧起到支持、回復原狀的作用，當路面無障礙物的時候，彈簧可以保持機構穩(wěn)定，而遇到障礙物后，避開后則會恢復原狀。

1.3 作品底部辨別路面凹凸情況的擺動導桿部分

凹凸部分是利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能的。如說明圖，圖2所示，5個圓形萬向輪與鉸鏈相連，鉸鏈與萬向輪連接部分可以上下轉動，因此當發(fā)生路面的顛簸或者障礙物的阻擋情況時，萬向輪出現(xiàn)上下擺動，帶動導桿上下移動，繼而傳遞到手柄部分，盲人便可以通過手部的觸覺，感知路面的情況。在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。所以，使用者可以根據(jù)導桿的上下移動以及整體的受力情況，可以較為準確地推測出即將通過的相應路面的實際情況（圖3）。

1.4 上部手柄方向轉動

上部手柄部分包括球型鉸鏈，手柄。當杠桿傳動部分的感觸桿受到障礙物的作用力，帶動軟鐵絲，將力傳遞到手柄部分。具體流程是桿體通過球型鉸鏈與手柄相連，當受到某個方向的力的作用時，鐵絲拉動球型鉸鏈上端帶孔裝置，而孔的方向與下部5個萬向輪方向一一對應，位置上完全相反，這樣會使手柄轉動方向與障礙物的位置方向完全相反，方便身體感知。并且與導桿連接時，感受路面凹凸情況。例如左上方障礙物，手柄會向右下轉動。符合人體感受事物的方向特征，更直觀的感受障礙物方向，加之感受此處路段路面情況。

1.5 固定支架

如圖4，固定支架是由一個中間固定桿和連接件組成，其中萬向輪固定在連接件圓柱體部分中心。盲人校園通的支架起固定作品行動機構的作用，支架地面的萬向輪與行動機構的另外5個萬向輪組成一個平衡系統(tǒng)，使作品能夠在這個平衡力的作用下保持平衡并且靈活的使用。

1.6 射頻識別技術

射頻技術（RFID）可以完成對含有路面導航標簽建筑物的識別，從而達到導航的目的。我們通過射頻識別技術使無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，在作品行動機構部分里的萬向輪的連接件底部接入一個讀卡器（Reader），各個建筑、路標等地安置路面導航標簽即應答器（Transponder）。讀卡器識別導向信息接收解讀數(shù)據(jù)，做相應的處理后通過語音提示盲人目前位置，達到導航的目的。射頻識別的優(yōu)勢是無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸，F(xiàn)ID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

1.7 超聲波避障技術

超聲波避障技術可以完成對路面懸空障礙物的識別，已達到避障目的。超聲波避障技術通過超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物被反射回來，再被超聲波傳感器接收從而識別懸空處障礙物，并通過單片機系統(tǒng)做相應的處理后，語音提示盲人朋友，以幫助盲人躲避懸空處障礙物。endprint

超聲波避障的優(yōu)點是實現(xiàn)方法簡單技術成熟，受外界環(huán)境因素影響小、靈敏性強，相對于其他傳感器，探測距離更長，精度更高等優(yōu)點。

1.8 語音技術

語音技術通過單片機系統(tǒng)、超聲波傳感器，射頻識別及語音模塊組成。射頻識別裝置接收信號后傳遞到單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)通過控制語音模塊進行語音導航提示，以幫助盲人朋友確定所在位置。其次是當超聲波傳感器發(fā)出超聲波，遇到障礙物被反射回來后，信號傳到單片機系統(tǒng)并通過單片機系統(tǒng)控制的語音模塊進行語音提示，以幫助盲人朋友辨別障礙物所在位置，達到幫助盲人導航及避障的目的。從而為盲人朋友的行走提供便利。

語音模塊優(yōu)點是語音模塊能幫助盲人朋友在行走中擺托障礙物所帶來的困擾及黑暗世界給他們帶來的不便。

其次它是通過清楚明了的提示性語言為盲人朋友提供幫助，讓盲人朋友更加精確地辨別障礙物所處位置，以便能讓盲人朋友更好的避開障礙物。達到提示避障目的。

2 工作原理及性能分析

2.1 辨別障礙方向的杠桿傳動部分

障礙物時會受到一個外力，然后感觸桿L21的底端就會受到一個向里的力，而L21桿的頂端就會受到一個向外的力，這個外力就會拉動軟鐵絲L22，感觸桿拉動手柄，手柄就會向與障礙物相反的方向擺動動。

2.2 辨別路面凹凸情況的部分

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

2.3 上部手柄感知部分

上部手柄部分包括球型鉸鏈，手柄。當杠桿傳動部分受到障礙物的作用力，拉動軟鐵絲，將力傳遞到手柄部分。

2.4 射頻識別技術

利用射頻識別技術，在作品行動機構部分里的萬向輪的鉸鏈底部接入一個閱讀器（Reader），各個建筑、路標等地安置導向電子標簽即應答器（Transponder），利用射頻識別裝置，當路過貼有導向電子標簽時，讀卡器讀取導向信息，通過語音提示盲人所在位置，以及周邊道路和建筑物的信息，達到導航的目的。

2.5 超聲波避障技術

利用超聲波避障技術，在作品中安裝了超聲波傳感器，通過超聲波的回聲定位的特性確定懸空處是否有障礙物及障礙物所在位置，從而通過語音提示盲人朋友避開障礙物，達到避障目的。

3 創(chuàng)新點及應用

3.1 辨別障礙物方向

杠桿受到前進阻力，上下兩端形成一個方向相反的力偶，帶動軟鐵絲，使手柄向與障礙物方向相反方向擺動。

3.2 辨別路況信息

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

3.3 語音導航功能

射頻讀卡器，讀取路面導航標簽，進行語音提示導航。

4 結語

在國內外，沒有很好的儀器來幫助盲人，而且盲道周圍的狀況并不好，平時總能看到自行車停在盲道上，或者是樹枝垂落在盲道上空，可想而知，這樣的狀況是不能方便盲人行走的。而且對于沒有自理能力的盲人來說，導盲犬的價格也不是每一個盲人能夠承受的起的，在這樣的情況下，我們這樣一個新穎的設計必能給盲人帶來新的曙光，低廉的價格和實用性都是此設計的巧妙點。本作品為原創(chuàng)方案，我們設計的初衷是幫助盲人用最小的成本、最方便地行走在盲道上，減少他們的不便。在設計中，我們也人性化地考慮到了盲人行走的速度，這樣提示的時效性就更為明顯了本作品的價格對于盲人朋友可以接受，并且操作簡單，可以得到大量的推廣使用。并且我們認為經過我們進一步完善我們作品，此作品可以在社會上得到大量推廣占有一定的市場。

參考文獻

[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 徐錦康.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 呂廣庶，張遠明.工程材料及其成形技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5] 秦曾煌.電工學電子技術[M].高等教育出版社，2009.endprint

超聲波避障的優(yōu)點是實現(xiàn)方法簡單技術成熟，受外界環(huán)境因素影響小、靈敏性強，相對于其他傳感器，探測距離更長，精度更高等優(yōu)點。

1.8 語音技術

語音技術通過單片機系統(tǒng)、超聲波傳感器，射頻識別及語音模塊組成。射頻識別裝置接收信號后傳遞到單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)通過控制語音模塊進行語音導航提示，以幫助盲人朋友確定所在位置。其次是當超聲波傳感器發(fā)出超聲波，遇到障礙物被反射回來后，信號傳到單片機系統(tǒng)并通過單片機系統(tǒng)控制的語音模塊進行語音提示，以幫助盲人朋友辨別障礙物所在位置，達到幫助盲人導航及避障的目的。從而為盲人朋友的行走提供便利。

語音模塊優(yōu)點是語音模塊能幫助盲人朋友在行走中擺托障礙物所帶來的困擾及黑暗世界給他們帶來的不便。

其次它是通過清楚明了的提示性語言為盲人朋友提供幫助，讓盲人朋友更加精確地辨別障礙物所處位置，以便能讓盲人朋友更好的避開障礙物。達到提示避障目的。

2 工作原理及性能分析

2.1 辨別障礙方向的杠桿傳動部分

障礙物時會受到一個外力，然后感觸桿L21的底端就會受到一個向里的力，而L21桿的頂端就會受到一個向外的力，這個外力就會拉動軟鐵絲L22，感觸桿拉動手柄，手柄就會向與障礙物相反的方向擺動動。

2.2 辨別路面凹凸情況的部分

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

2.3 上部手柄感知部分

上部手柄部分包括球型鉸鏈，手柄。當杠桿傳動部分受到障礙物的作用力，拉動軟鐵絲，將力傳遞到手柄部分。

2.4 射頻識別技術

利用射頻識別技術，在作品行動機構部分里的萬向輪的鉸鏈底部接入一個閱讀器（Reader），各個建筑、路標等地安置導向電子標簽即應答器（Transponder），利用射頻識別裝置，當路過貼有導向電子標簽時，讀卡器讀取導向信息，通過語音提示盲人所在位置，以及周邊道路和建筑物的信息，達到導航的目的。

2.5 超聲波避障技術

利用超聲波避障技術，在作品中安裝了超聲波傳感器，通過超聲波的回聲定位的特性確定懸空處是否有障礙物及障礙物所在位置，從而通過語音提示盲人朋友避開障礙物，達到避障目的。

3 創(chuàng)新點及應用

3.1 辨別障礙物方向

杠桿受到前進阻力，上下兩端形成一個方向相反的力偶，帶動軟鐵絲，使手柄向與障礙物方向相反方向擺動。

3.2 辨別路況信息

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

3.3 語音導航功能

射頻讀卡器，讀取路面導航標簽，進行語音提示導航。

4 結語

在國內外，沒有很好的儀器來幫助盲人，而且盲道周圍的狀況并不好，平時總能看到自行車停在盲道上，或者是樹枝垂落在盲道上空，可想而知，這樣的狀況是不能方便盲人行走的。而且對于沒有自理能力的盲人來說，導盲犬的價格也不是每一個盲人能夠承受的起的，在這樣的情況下，我們這樣一個新穎的設計必能給盲人帶來新的曙光，低廉的價格和實用性都是此設計的巧妙點。本作品為原創(chuàng)方案，我們設計的初衷是幫助盲人用最小的成本、最方便地行走在盲道上，減少他們的不便。在設計中，我們也人性化地考慮到了盲人行走的速度，這樣提示的時效性就更為明顯了本作品的價格對于盲人朋友可以接受，并且操作簡單，可以得到大量的推廣使用。并且我們認為經過我們進一步完善我們作品，此作品可以在社會上得到大量推廣占有一定的市場。

參考文獻

[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 徐錦康.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 呂廣庶，張遠明.工程材料及其成形技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5] 秦曾煌.電工學電子技術[M].高等教育出版社，2009.endprint

超聲波避障的優(yōu)點是實現(xiàn)方法簡單技術成熟，受外界環(huán)境因素影響小、靈敏性強，相對于其他傳感器，探測距離更長，精度更高等優(yōu)點。

1.8 語音技術

語音技術通過單片機系統(tǒng)、超聲波傳感器，射頻識別及語音模塊組成。射頻識別裝置接收信號后傳遞到單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)通過控制語音模塊進行語音導航提示，以幫助盲人朋友確定所在位置。其次是當超聲波傳感器發(fā)出超聲波，遇到障礙物被反射回來后，信號傳到單片機系統(tǒng)并通過單片機系統(tǒng)控制的語音模塊進行語音提示，以幫助盲人朋友辨別障礙物所在位置，達到幫助盲人導航及避障的目的。從而為盲人朋友的行走提供便利。

語音模塊優(yōu)點是語音模塊能幫助盲人朋友在行走中擺托障礙物所帶來的困擾及黑暗世界給他們帶來的不便。

其次它是通過清楚明了的提示性語言為盲人朋友提供幫助，讓盲人朋友更加精確地辨別障礙物所處位置，以便能讓盲人朋友更好的避開障礙物。達到提示避障目的。

2 工作原理及性能分析

2.1 辨別障礙方向的杠桿傳動部分

障礙物時會受到一個外力，然后感觸桿L21的底端就會受到一個向里的力，而L21桿的頂端就會受到一個向外的力，這個外力就會拉動軟鐵絲L22，感觸桿拉動手柄，手柄就會向與障礙物相反的方向擺動動。

2.2 辨別路面凹凸情況的部分

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

2.3 上部手柄感知部分

上部手柄部分包括球型鉸鏈，手柄。當杠桿傳動部分受到障礙物的作用力，拉動軟鐵絲，將力傳遞到手柄部分。

2.4 射頻識別技術

利用射頻識別技術，在作品行動機構部分里的萬向輪的鉸鏈底部接入一個閱讀器（Reader），各個建筑、路標等地安置導向電子標簽即應答器（Transponder），利用射頻識別裝置，當路過貼有導向電子標簽時，讀卡器讀取導向信息，通過語音提示盲人所在位置，以及周邊道路和建筑物的信息，達到導航的目的。

2.5 超聲波避障技術

利用超聲波避障技術，在作品中安裝了超聲波傳感器，通過超聲波的回聲定位的特性確定懸空處是否有障礙物及障礙物所在位置，從而通過語音提示盲人朋友避開障礙物，達到避障目的。

3 創(chuàng)新點及應用

3.1 辨別障礙物方向

杠桿受到前進阻力，上下兩端形成一個方向相反的力偶，帶動軟鐵絲，使手柄向與障礙物方向相反方向擺動。

3.2 辨別路況信息

利用擺動導桿機構，實現(xiàn)路面凹凸感知功能，每個萬向輪帶動導桿上下移動，在壓過凸起障礙物或者上坡時，萬向輪上翹，使導桿下移；在遇到坑陷或者下坡時，萬向輪下垂，使導桿上移。

3.3 語音導航功能

射頻讀卡器，讀取路面導航標簽，進行語音提示導航。

4 結語

在國內外，沒有很好的儀器來幫助盲人，而且盲道周圍的狀況并不好，平時總能看到自行車停在盲道上，或者是樹枝垂落在盲道上空，可想而知，這樣的狀況是不能方便盲人行走的。而且對于沒有自理能力的盲人來說，導盲犬的價格也不是每一個盲人能夠承受的起的，在這樣的情況下，我們這樣一個新穎的設計必能給盲人帶來新的曙光，低廉的價格和實用性都是此設計的巧妙點。本作品為原創(chuàng)方案，我們設計的初衷是幫助盲人用最小的成本、最方便地行走在盲道上，減少他們的不便。在設計中，我們也人性化地考慮到了盲人行走的速度，這樣提示的時效性就更為明顯了本作品的價格對于盲人朋友可以接受，并且操作簡單，可以得到大量的推廣使用。并且我們認為經過我們進一步完善我們作品，此作品可以在社會上得到大量推廣占有一定的市場。

參考文獻

[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 徐錦康.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 呂廣庶，張遠明.工程材料及其成形技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[5] 秦曾煌.電工學電子技術[M].高等教育出版社，2009.endprint