智能導盲杖的造型設計與技術研究

周可盈　施語

摘要：當今我國的視障群體出行仍有很多不便，智能導盲杖的設計不僅有助于他們在出行時能較好地識別障礙物，而且給他們的日常生活帶來了極大的便利。智能導導盲杖主要是利用超聲波來探測周圍環境中的信息，并將環境中的信息以其他的形式快速反饋給用戶，同時該導盲杖還有基于卷積神經網絡的識別人行橫道線邊紅綠燈功能，相比傳統導盲杖具有精度高、符合人機工程學、使用便捷等特點。

關鍵詞：智能導盲;視障人群;超聲波;卷積神經網絡

中圖分類號：TH789 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2020）16-00-05

0 引言

我國每年將新增約45萬名盲人和135萬名低視力者，即每分鐘將有1名盲人和3名低視力者產生。到2020年，中國視障人口將超過5000萬人[1]。來自全國盲人預防技術指導小組辦公室的數據顯示，中國的盲人人數占世界總數的五分之一。隨著人們生活水平的不斷提高，人們普遍希望讓生活變得更為輕松和方便。盲人作為視障人士，不僅是我們普通人中的一員，更是一個特殊的群體。由于先天或后天的意外生理缺陷，他們不能準確及時地發現和避開障礙物，因此，提高他們生活質量、人身安全和幫助他們安全出行具有重要意義。同時隨著國家對弱勢群體的關注，視障人群的呼聲漸漸被聽見。

1 視障人群現狀

視障是指視覺功能受到一定程度的損害，患者因為視覺清晰度降低或視野范圍受損，視力無法達到常人水平，會對日常生活造成一定的影響。我國視障人群根據視敏度分為一級、二級、三級和四級（如圖1）。目前隨著國家、非政府組織、專業人員越來越重視這一群體，推動了一系列勞動保護、社會保障、扶貧開發等項目，使得他們的生活質量、就業水平、受教育程度均有明顯提高。

2018年世界衛生組織（WHO）公布數據，在全球范圍約有13億人患有某種形式的視力損害。其中我國視障人數量高達1700萬。在日常生活中，出行仍是視障人群亟待解決的首要問題。據WTO調查顯示，美國70%的18歲以上的殘疾人日?；顒有枰揽考胰撕团笥训膸椭底只瘯r代與智能化的發展，讓視覺器官在人類生活中占據著越來越重要的位置，這進一步增加了該群體的生活挑戰。視障人群的出行安全問題難以保障，多數盲人的活動范圍特別狹窄，基本限定在自己熟悉的環境內。

2 現狀分析

2.1 導盲產品現狀

目前，全球各國關于導盲輔助方面的研究工作開展積極，研究重點集中在手杖類多功能性研究、穿戴式“機器視覺”研究，以及移動式多功能性輔具三方面。早在2010年5月20日，在日本秋田市舉行的全國盲人福祉大會上日本研發人員就公開了其自行研發的電子導盲杖[2]，利用超聲波感應器讓視障人群感受到障礙物，并通過震動手柄對用戶進行有效提醒。美國大學機器人實驗室Shoval開發的腰帶式行動輔具，則是借助超聲波為用戶營造岀區域全景地圖。此外，國外對于智能手推車、智能輪椅等輔具的硏發，也為移動式導盲輔具的硏發提供了基礎和幫助。

2.2 導盲道現狀

目前國內許多盲道大部分是直行盲道，這樣無法及時提示視障者轉彎口或者樓梯口，容易發生危險;在分叉路上沒有安裝幫助弱視者的警示磚塊;在人行橫道線處沒有紅綠燈變化提示音;許多公交車站未安裝來車提醒，導致視障人群難以分辨到站車輛。

2.3 導盲杖現狀分析

自1992年國內首次出現關于超聲波導盲手杖的論文[3]，通過自動（或鍵控）選通回波聲時比較法測距，窄波束測向的研究方式，新設計了一種超聲波導盲手杖，此為出發點。隨著科技發展，對于導盲手杖的要求傾向于多功能、實用性和便攜性。而隨著電子傳感器，機器視覺，超聲波技術的不斷完善，導盲手杖的功能更趨近于實用化、多功能化、圖像處理化。

中國的智能導盲杖市場，現在還處于初始階段，通過對盲人的問卷調查了解到多數盲人更側重于使用一般的導盲杖，原因是智能的導盲杖存在精準度、價格與性能等因素限制。

目前，現有導盲杖沒有主動檢測障礙物的功能，往往需要用戶憑借自己的經驗去判斷，不僅準確性不髙，而且容易造成用戶疲勞。市場上已有的導盲拐杖功能單一，無法滿足盲人現代生活的需求。盲人外岀時會遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況或者因為監護人不在而走丟等。

2.4 調查問卷

根據收集到的問卷，有效投票為83票的問卷可視化結果來看（如圖2）：現階段視障群體在功能上對有智能導盲杖的語音導航、智能提醒方面有著較高的期待。準確導航并提供明確的信息提示對視障群體出行有著極大的幫助;在盲杖的材質方面，材質輕價格低且耐磨損的鋼材質，是盲杖桿體使用的首選和保障;在盲杖手柄部分的舒適度也不容忽視，適合人體的握持感、合理的功能按鍵的布置和便捷的操作可以為使用者提供更優體驗，同時也可以緩解使用盲杖時手腕的壓迫感;對于更加優化的盲杖，視障群體對智能提醒、人性化、多功能使用三個方面也較大期許。

3 智能導盲杖方案設計內容

3.1 智能導盲杖設計目標

以視障人群為核心用戶，了解和分析國內外最新可用于導盲的科技成果。同時，對我國視障人群現階段出行難點、需求傾向以及造型喜好等進行基本調查，并結合實際情況，分析視障人群出行的現存問題，總結設計需求。最終的設計將從色彩識別度、功能性、出行安全性、便攜性等方面考慮，本著以人為本的原則設計適用于視障人群的導盲產品。

3.2 智能導盲杖設計中人體機能學的體現

智能導盲杖是一款以人為本的產品，“人的因素”是優化設計的核心。智能導盲杖的使用過程與使用者息息相關，因此產品尺寸數據要盡可能貼合人體尺寸。

3.2.1 長度

視障群體在使用盲杖的時候身體活動范圍大多集中在站姿和坐姿。一般男性站姿肘高1079mm～1128mm，女性1009mm～1050mm;男性手功能高787mm～828mm，女性746mm～778mm;坐姿肘高291mm～312mm，女性277mm～299mm[4]。人體的高度，肩部的寬度和步幅的大小都會影響到盲杖的長度問題，盲杖的長度如果能在人體直立時盲杖的末端觸底，其頂端可以到達人的心臟高度時，其長度便滿足符合桿長與人體身高的比例。以此為依據，繪制了盲杖長度與身高比例表（如表1）為了滿足絕大多數人的使用，在持杖行走時滿足盲杖可探知前方一步的距離。所以伸縮桿體最長可以伸展120cm。

3.2.2 手柄

手握部分也是人機因素考慮的重中之重，符合人機學設計的手柄設計可適當避免手部與腕部長期活動所導致的積累損傷。按人機工程學數據，人均手掌寬10.5cm，手部最大背屈曲角度為65°，最大掌屈曲角度75°，內收最大角度30°，外展最大角度15°。所以在設計手柄的外形時，著重考慮了手腕部分的舒適性和手掌握姿的合理性。

3.3 智能導盲杖材料、顏色及使用功能

基于能夠為視障群體設計實用、操作簡單并且便攜的智能導盲杖，我們設計為智能導盲杖設計了盲文控制按鍵、收縮桿及防滑輪三個基本功能。（如圖3）

為了給視障群體帶來更加輕便的使用體驗，導盲杖的收縮桿體使用重量輕、韌性好的鋁合金材料。根據我國《國家盲杖標準》，盲杖的杖體采用紅白安全對色，使盲杖更具警示作用。盲杖末端安裝萬向輪，使得產品能夠在路面上穩定并順暢的在各個方向上使用。（如圖4）

為了能讓視障人士使用時更舒適、便捷，我們在導盲杖手握的部分的手把啟動開關上增加了盲文并設置了音量控制按鈕，使視障群體夠更清晰地獲取訊息。（如圖5）

在智能導盲杖主體部分設置攝像頭卷積神經網絡提供機器視覺與圖像識別的功能，主體底端設超聲波收發器提供排障工作。（如圖6）

3.4 智能導盲杖功能工作框架及系統設計

3.4.1 工作框架

系統總體框架圖如圖7所示，智能導盲杖以STM32作為主控處理芯片，卷積神經網絡、超聲波和GPS作為核心技術。以震動頻率來提示障礙物的遠近，語音提示主要告知使用者的位置或交通信號燈的顯示[5]。

3.4.2 系統設計

卷積神經網絡主要通過“機器視覺”遠程識別地物紋理特征、準確度近似人眼識別?？梢灾苯虞斎雸D像數據，無須人工對圖像進行更多的處理或額外的特征抽取等復雜操作，而且以其特有的細粒度特征提取方式，使得對圖像的識別處理達到了幾近人力的水平。本設計將卷積神經網絡運用于識別人行橫道線邊的紅綠燈，并為視障群體進行信號提示。

超聲波的特性使其遇到障礙物可反射，所以可用于反復測量人與障礙物之間的距離。而且超聲波測距原理的主要計算變量為介質傳播速度和時間差，計算過程便捷。本智能導盲杖設計將超聲波作為避障的核心技術，獲取障礙物的距離信息，通過震動模塊的不同振幅，提示視障群體障礙物與自身的間距，如圖8。

GPS是利用GPS定位衛星進行實時定位、導航的系統。它能為使用者提供低成本、高精度的三維位置和精確定時等導航信息。在智能導盲杖的設計中加入GPS技術，是為了讓視障群體在行走的過程中更多地了解到身邊所在環境和位置的信息。另一方面，GPS技術可讓家屬、醫護人員、交通警察實時掌握視障者的位置，從而在一定程度上減少安全問題的發生。

4 結語

視障群體由于視覺先天或后天意外受損，給工作、生活、日常社交帶來了一定困難。安全出行仍是視障人群亟待解決的首要問題。針對視障人群安全出行和有效識別人行橫道線信號燈的問題，設計一款使視障群體能更好地融入社會生活的產品，造型設計符合人體工學，簡潔合理的功能性設置使視障群體能自如地使用智能導盲杖。運用現有的技術幫助視障群體提高出行的便利性與安全程度。希望這個智能導盲杖產品能實際運用到視障人群的出行中去，為以后的盲人產品設計提供一種設計思路。

參考文獻：

[1] 俞國華，朱廣偉，張珂.基于多傳感器融合的智能導盲杖研制[J].測控技術，2015，34（04）：20-23.

[2] 孟湘君.日本發明電子導盲杖可感知臉部高度障礙物 [EB/OL]. http：//www.chinane

ws.comgivgi-sjkynews/2010/05-21/2296545.shtml，2010-05-21.

[3] 呂杰.超聲波導盲手杖的原理與設計[J].應用聲學，1992，12（06）：30-32.

[4] 劉剛田.人機工程學[M].北京大學出版社，2015：72-78.

[5] 孫二杰，汪東軍，石震，等.超聲波智能導盲杖的設計[J].計算機系統應用，2015，24（08）：273-276.

作者簡介：周可盈（1998—），女，湖北武漢人，本科，研究方向：環境藝術設計。

施語（1998—），女，湖北武漢人，本科，研究方向：工業設計。

張銳（1983—），男，湖北武漢人，研究生，碩士，副教授，系本文指導老師，研究方向：工業產品設計。