基于視障人群行為特征的盲文智能織物手鐲設計

陳宇剛

(東華理工大學 美術與設計學院,江西 南昌 330013)

近幾年,我國老年人口迎來總量高峰,老齡化程度加重。據2020年第七次人口普查數據[1]顯示,60歲及以上的老年人口總量為2.64億,占總人口的18.7%。有研究發現,人口老齡化將促使視力障礙(盲或低視力)人數的增長[2],另外電子產品的普及也導致青少年的視障率呈現上升趨勢。據世衛組織統計,截止2022年我國視障人數高達1 731萬人,近830萬人完全失明,是世界上盲人數量最多的國家[3]。視力障礙嚴重影響人們的身體健康與生活質量,加重家庭和社會的負擔,是涉及民生的重大公共衛生和社會問題,給社會經濟可持續發展產生消極影響。

隨著5G技術、物聯網、芯片技術的快速發展,近年來為視障人群開發智能產品被較多研究者關注,研究成果逐漸豐富,有保障安全出行的導航眼鏡、智能鞋、智能手杖;輔助學習的閱讀器、學習機、智能手表;輔助生活的盲文爐灶、智能插座、智能溫度計、智能藥箱等[4];另外,Microsoft、Apple、HUAWEI等科技公司和個人研究者也著力開發視障輔助技術,通過互聯網、產品媒介與視障用戶建立聯系,幫助視障人群更便捷地使用產品[5],解決日常生活中的困難。值得注意的是,國內外學者在幫助視障人群安全出行方面的研究成果較多,而立足于視障人群健康管理需求,將盲文識別、智能技術、產品設計相結合的研究有待深入研究和發展。

本文基于人文關懷視角,以及視障人群的健康管理需求,將具有檢測功能的手鐲與盲文(靠觸覺感知的文字)相結合,探索盲文智能織物手鐲的設計方法。此款手鐲適合視障人群使用,能通過觸覺自行讀取檢測數據以管理身體健康,可為視障人群提供更實用、更便捷的健康管理新體驗,具有重要的學術價值和意義。

1 視力障礙的定義

視力障礙又稱視力減退、視力不足,是指視覺功能受到一定程度的損害,引起視功能減弱、顯著下降或消失,包括視野受到影響、視覺敏銳度降低等[6]。視力障礙的常見原因有眼部炎癥、近視遠視、斜視弱視、眼外傷、老年性病變等。GB/T 26341—2010《殘疾人殘疾分類和分級》規定,雙眼最佳矯正視力均在0.02～0.30之間,就可定義為視力殘疾或障礙對象。視力殘疾標準一般以雙眼視力判定,如果雙眼視力不同,則以視力最佳的一只眼睛為準;若僅有單眼為視力殘疾,而另一眼的視力達到或優于0.3,則不屬于視力殘疾的范疇。視野以注視點為中心,視野半徑小于10°者,不論其視力如何均屬于盲。GB/T 26341—2010《殘疾人殘疾分類和分級》對視力殘疾等級的劃分見表1。

表1 視力殘疾等級劃分標準Tab.1 Criteria for classification of visual disability

2 視障人群的行為特征

視障人群的行為特征與其心理狀況、個體適應能力、行動能力等密切相關。視障人群在日常工作生活中的觀察、閱讀和書寫能力都受到極大限制,由于與外界的溝通機會減少,從外界獲取信息的能力下降,甚至社交、語言、思維分析能力也會迅速下降,常會伴有焦慮、孤獨、憂傷、自卑、憤怒的心理反應,且極度缺乏安全感。部分有過視覺經驗的視障人群個體會有強烈的康復意愿,對未來醫療技術和視覺輔助產品的期待值很高,愿意接受使用新型產品,如果在產品使用過程中,能夠感受到新型產品的便利性,對思維和情感的發展會有積極作用,有助于提升視障人群的社交能力[7]。

視障人群的認識空間能力較差,由于對空間概念的缺失,其無法或難以判斷在環境中的相對位置,使得按預定目標行動的能力受到限制,主要表現為動作定向障礙、行走定向障礙[8]。動作定向障礙是指視障患者完成精細目標動作時協調能力差,表現出震顫、遲緩或僵直,如接打電話、開關電器時易出錯;行走定向障礙是指視障患者處于陌生環境下行動受制,難以正確判斷行走方向,需要觸覺、聽覺、嗅覺等感覺器官共同參與感知?？梢娨曊先巳号c正常人群相比,其心理特點、行動方式有許多不同之處,這對盲人智能輔助產品設計提出了更高的要求和挑戰。

3 盲文的形式及特點

盲人無法通過視覺來感知對象,缺乏對信息認知的機會。1824年法國人路易·布萊葉發明盲文,盲文又稱凸字或點字,是一種專為盲人設計的觸覺感知文字[9]。盲文由63個編碼字符構成,每個字符由平行排列的1～6個突起的點組成,能夠表達最簡單的文字。例如左上1個點突出代表1,盲文數字對照表見圖1。

圖1 盲文數字對照表Fig.1 Braille numerical comparison table

盲文的出現為視障人群與外界建立起信息溝通的橋梁,因其適用性強而得到廣泛應用[10-11]。2011年,中國殘聯、國家語委將《通用盲文研究》列為重大項目,支持國家通用盲文規范標準的研究,2018年《國家通用盲文標準》發布實施?，F在電商平臺、線下市場陸續出現表面刻有盲文的產品銷售,在盲人外出活動的場所,也可以看到印有盲文的公共設施,如“雙語”電梯、公共廁所盲文標牌等。

4 盲人智能產品的研究現狀

目前,在政府主導下,各國科研院校、企事業單位均加大了對盲人輔助產品的研發力度,利用IT、物聯網技術、生物傳感技術與智能分析軟件相結合,相繼推出了各種各樣的盲人智能產品[12],如導盲棍、盲人出行鞋、盲人導航儀、盲文紙牌等,給盲人日常生活及娛樂帶來了許多便利。

2019年德國Werteloberfell工作室[13]開發了一款智能盲人拐杖,見圖2。將攝像裝置和聲音傳感器集成到手柄,使用者輕敲地面,內置攝像頭就會主動捕獲環境圖像,識別物體和障礙物,如果遇到障礙物,智能拐杖會提醒使用者避讓。

圖2 智能拐杖Fig.2 Smart walking stick

2020年微軟公司推出了一款智能太陽鏡[14],見圖3。利用無障礙技術、音頻技術(提供音頻反饋和環境描述),用來幫助視障人群選擇行走路線,使其在陌生的環境中不會感到緊張。另外,該款眼鏡集成了藍牙耳機功能,可以接打電話、播放音樂以及訪問語音助手。

圖3 智能太陽鏡Fig.3 Smart sunglasses

設計師Park[15]開發了一款盲文爐灶,見圖4。盲文爐灶融入物理元素,將爐脊和加熱板設計成凸起狀,旋鈕帶有指示不同功能的盲文,盲人通過觸覺可以控制爐灶。智能爐灶配備語音控制,可以記錄操作命令。

圖4 盲文爐灶Fig.4 Braille cooktops

Gao[16]設計了一款學習記錄器,見圖5。設備裝有3個同心圓的旋鈕和按鈕,用來標記關鍵時間,幫助盲人記錄、理解和分享課程知識,教師可以向記錄器上傳課程資料,以拓展學生知識面。

圖5 學習記錄器Fig.5 Recorder of learning

Kapoor[17]設計了一款盲文手表,見圖6。表盤采用電活性聚合物(EAP)材料制作,具有較強的誘導形變能力,在受到電刺激后,會產生微小形變。利用EAP的特性,表盤會突起相應時間的盲文數字,包含小時和分鐘的精確時間,盲人可以通過觸摸來閱讀時間。另外,國內外相繼推出了無障礙盲文板,盲文打印機,盲人專用飲水壺等[18-19]。

圖6 盲文手表Fig.6 Watch in braille

通過對盲人智能產品的調查顯示,為盲人日常出行和生活提供幫助而開發的產品較常見,但是既有健康監測功能,又能夠方便視障人群使用的智能產品設計案例較少。因此,本文專注于視障人群讀取自身健康檢測數據的需求,結合技術成熟且已產業化的智能手環,設計了一款集裝飾性、實用性和功能性于一體的盲文智能織物手鐲。

5 盲文智能織物手鐲設計

5.1 設計思路

基于視障人群行為特征及健康管理的需求,分析得到盲文智能織物手鐲設計思路如下:

①手鐲需造型簡潔、穿戴方便,保證操作性和實用性強;②以生物傳感器(PPG)、重力傳感器(GS)、盲文顯示模塊、微控制器(MCU)、鋰電池等元件組合成智能檢測系統,用于監測用戶的靜息心率、血壓和睡眠質量數據;③健康信息數據以盲文數字顯示,用戶可通過觸覺讀取信息;④選用低功耗、高效益、低熱阻、低損耗角的電子元件,保證質量穩定、安全性高。電路設計簡單,各個電子元件模塊的連接方式需科學合理;⑤智能檢測模塊外殼選用軟性ABS材質,其他部位盡可能使用紡織材料以保證手鐲的可穿戴性。

盲文智能織物手鐲由手鐲本體、微控制器、盲文顯示模塊、生物傳感器模塊、重力傳感器模塊、電源管理模塊和控制按鍵等構成,整個智能手鐲的軟硬系統設計方案合理,集多種功能于一體,能夠滿足視障人群自我管理健康的需求。

5.2 硬件設計

5.2.1 盲文顯示模塊

盲文顯示模塊由MCU、盲文顯示組件和鋰電池構成。其作用機制是MCU控制鋰電池施加電壓到球形介電彈性體(DED)上,引發DED發生機械形變而凸出,用以模擬盲文數字。DED是一種電活性聚合物,在電場作用下可以產生較大的形變,將電能轉化為機械功,并在電場撤去后立即恢復到原來的尺寸。盲文顯示模塊的分解圖見圖7。

智能織物手鐲設計了4組DED組件,以盲文數字表示用戶的健康監測數據,從左到右設計4組數字,依次為個位、十位、百位、千位。盲文讀數時從左至右讀,假設視障用戶將智能手鐲切換成心率檢測模式,DED顯示靜息心率數字是96次/min(正常靜息心率范圍為60～100次/min),表明心率正常;假設視障用戶在進行血壓檢測時,DED顯示的收縮壓183 mmHg,舒張壓54 mmHg(正常血壓標準范圍是收縮壓90～140 mmHg/舒張壓60～90 mmHg),表明血壓不正常。盲文智能手鐲數字顯示信息示例見圖8。

圖8 盲文數字顯示信息示例Fig.8 Example Braille digital display information

5.2.2 健康檢測模塊

健康檢測模塊主要由傳感器、信號處理系統及算法3部分組成。本文選用 MAX30102型生物傳感器(Maxim公司),其具有集成心率和血氧數據采集功能;選用 BMA250E型重力傳感器(Bosch公司)實現睡眠監測功能。信號處理系統搭載Cortex-M33型MCU(Arm公司),利用MCU自帶的模擬/數字轉換器(ADC)對生物和重力傳感器檢測的信號進行采集,通過MCU對捕獲的數據樣本進行計算和校驗,利用DED輸出盲文數字信息。盲文智能手鐲數字信號處理過程見圖9。

圖9 數字信號處理過程Fig.9 Digital signal processing

5.3 軟件設計

盲文智能織物手鐲采取定時中斷與主循環相結合的程序框架,見圖10。定時中斷裝置對生物、重力傳感器進行定時數據采集及算法處理,主循環中實現盲文數字顯示功能。心率傳感器基于光電容積脈沖波原理,檢測通過身體器官的血液量變化,由于光被血液吸收,信號脈沖相當于心跳脈沖,再運用音頻算法處理信號;血氧傳感器利用反射原理對人體紅細胞的含氧量進行檢測,運用濾波算法處理信號;重力傳感器根據體動原理進行睡眠監測,在一定的時間內(20 min或更長),用戶如果無較大動作或者動作比較少,系統就判定處于睡眠狀態,如果幾乎不動,系統就則判定為深度睡眠狀態[20]。

圖10 軟件系統框架Fig.10 Software system framework

5.4 手鐲設計

5.4.1 造型設計

智能手鐲的造型設計趨于個性化、人性化的方向發展,其造型要符合人體工程學原理。本文設計了2款盲文智能織物手鐲,手鐲主體由智能模塊(盲文顯示、健康檢測模塊)和手鐲本體2部分構成,智能手鐲外觀整體設計呈現簡潔的幾何形態。圖11所示為手鐲造型及細節,手鐲分布4組DED組件及功能切換按鍵,手鐲背面設計了傳感器采集窗口和磁吸充電口;手鐲本體采用織物編織成帶狀,并釘鑲亞克力鉆石,整體時尚、美觀大方。

圖11 盲文智能織物手鐲Fig.11 Braille smart fabric bracelet

5.4.2 圖案色彩設計

智能手鐲的織物圖案追求簡約時尚風格,利用編織技法形成豐富的圖案花紋,第1款智能手鐲為斜紋編織圖案,表面有明顯斜向紋路,織物立體感強、手感柔軟、彈性好;第2款智能手鐲為平紋編織圖案,采用粗棉紗線的經紗和緯紗以1上1下的規律交織,織物平整、堅牢、硬挺、耐磨。

手鐲色彩設計嘗試了2種配色方式,第1款智能手鐲采用對比色搭配,DED組件、功能按鍵、裝飾線配以橙色,手鐲本體織物色彩選擇天藍色,整體色調時尚醒目;第2款智能手鐲以黑白灰配色,織物手鐲點綴橙色亞克力鉆石,整體給人簡潔、精致的感覺。

5.4.3 工藝設計

智能模塊中集成多個電子元件,考慮到視障人群的安全性要求,外部應用ABS材料注塑成型,ABS質輕且易加工,外觀成型效果良好。手鐲本體運用編織技法完成,常見編織工藝有編織、包纏、釘鑲、盤結等,本文設計的智能手鐲結合編織與釘鑲工藝制作完成,多種材質、工藝的組合與烘托,使得整件手鐲更具時尚與優雅感。

6 結束語

智能科技的快速發展,給人們的生活工作帶來了許多便利,為了實現科技與人、自然和社會的協調發展,立足于視障人群對健康管理的需求,進行了盲文智能織物手鐲設計研究。通過文獻研究法、調查研究法和實驗研究法,從視障人群的行為特征、盲文的形式及特點、盲人智能產品的研究現狀及盲文手鐲軟硬件設計等方面,對盲文智能織物手鐲進行深入研究,并提出了2款盲文智能織物手鐲設計方案。將盲文技術、傳感技術、編程技術及編織技術相融合進行智能產品設計,是一種全新的實踐探索,有助于拓展盲人智能產品的設計范圍;另外,盲文智能織物手鐲能夠有效彌補盲人的視覺信息缺失,提高自身管理健康的能力,改善生活質量,幫助盲人更好地融入社會,體現了國家和社會對視障人群的人文關懷,具有深遠的社會價值和意義。