面向聾盲癥人群的震動觸覺感應手杖設計研究

摘 要：以Arduino作為主控制板，設計制作了一種面向聾盲癥人群的震動觸覺感應手杖。該手杖配備震動傳感器，可通過一系列檢測模塊檢測手杖周圍的環境，并通過不同頻率的震動反饋將四周環境信息傳達給使用者，幫助聾盲癥患者了解周圍路況。為減少意外的發生，手杖還設有防摔倒模塊與自動照明模塊等，為聾盲癥的患者出行提供保障，具有檢測精度高、使用簡便、安全性高等特點，對幫助聾盲癥患者增強獨立性、更好地融入社會具有重大意義。

關鍵詞：Arduino；震動觸覺感應；防摔倒模塊；檢測反饋

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）14-0157-05

Research on Design of Vibrotactile Induction Walking Stick for Deaf-blind People

XIN Yu， HAO Chuanzhu

（Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China）

Abstract： This paper uses Arduino as the main control board， designs and makes a vibrotactile induction walking stick for deaf-blind people. The walking stick is equipped with a vibration sensor， which can detect the environment around the walking stick through a series of detection modules， and communicate the surrounding environment information to the users through vibration feedback of different frequencies， helping deaf-blind people understand the surrounding road conditions. In order to reduce the occurrence of accidents， the walking stick is also equipped with an anti-fall module and an automatic lighting module and so on， so as to provide protection for the travel of deaf-blind patients， with high detection accuracy， easy to use， high safety and other characteristics. It helps them enhance their independence， and it is of great significance for them to better integrate into the society.

Keywords： Arduino; vibrotactile induction; anti-fall module; detection feedback

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.14.032

收稿日期：2024-01-13

基金項目：2023年省級大學生創新創業訓練計劃項目（S202313857042）

0 引 言

隨著各界人士對殘障人士的關注日益增多，人們也注意到了盲人群體中一個更為特殊的群體——被視覺聽覺雙重障礙困擾的聾盲癥患者。因特殊的缺陷，聾盲癥患者的出行比單純的盲人更加困難[1]。

據統計，中國每8萬名盲人才擁有一只導盲犬。且現實中領養導盲犬流程煩瑣冗長，花費較高。從基礎建設來說，我國盲人需要的設施并不完善，與發達國家相比仍有差距，且現有的基礎設施得不到保護，損壞也得不到立即修復[2]，這些情況加劇了盲人出行的難度。而聾盲癥患者由于同時失去了視覺與聽覺，與外界的交流則更傾向于憑借觸覺感知，他們的生活比單純的盲人更加困難，出行也越發不能得到保障。他們需要依靠其他方式來獲取環境信息并保證自身的安全，需要更為簡單易懂的操作來幫助自己出行。

為了解決這一問題，該文設計了一款震動感應手杖，可通過不同頻率的震動反饋將路況信息傳達給使用者。有相關研究表明，視障人群的觸覺感知比明眼人更加敏銳[3]。為保證使用者的安全性，另外設置防摔倒模塊與照明模塊等，旨在為聾盲癥患者提供更便捷、更安全的出行方式。

1 國內外的研究和發展動態

目前在國內外都有很多關于智能盲杖手杖的研究，主要集中在感知技術的研究，包括激光雷達、超聲波、紅外線、攝像頭等傳感器技術的應用。從20世紀開始，國外就一直在嘗試對白手杖進行重新設計，且已有超過100項可以檢測障礙物并具有相關電子功能的智能拐杖被發明出來。因此，國外在智能拐杖領域已經有了初步的進展，在盲用智能拐杖的產品研發方面也屢有突破。目前，國外的部分國家已推出很多具有創新性和新功能的產品。

一方面，設計這些智能手杖的工程師難以完全掌握盲人的行為特征和具體需求，因此，他們最終制造出的智能拐杖往往使用起來較為復雜，會干擾智能拐杖最重要的核心功能；另一方面，這些新興的盲人智能拐杖產品還有很多局限，比如感應范圍較小、精準度不夠、把手處體積較大重量較重、耗電量快，等等。同時，一些智能拐杖的價格也超出了盲人群體可以接受的范圍，對許多盲人來說無法承受[4]。

目前國內外盲用產品種類繁多，涉及盲人生活的方方面面，產品大都為通用性設計，但并沒有考慮到特殊群體的需求[4]。雖然國外在智能拐杖領域已經獲得了不少的成果，但針對聾盲癥患者聽不見也看不見的這一問題，很少有人在這一方面進行研究并制造出相應產品，給予他們相對便利安全的出行保障。

2 主要研究內容

Arduino板是一種基于微控制器的開發板，用于構建電子設備。它通常包含微控制器、輸入輸出端口、電源、編程接口等組件，并通過USB或其他接口與計算機連接。Arduino板支持多種硬件模塊，包括傳感器、執行器、顯示器等，簡單易用，成本低，且極具靈活性[5]。系統設計流程圖如圖1所示，通過控制系統實現以下功能：

1）手杖中安裝有震動馬達模塊，當超聲波測距模塊和積水探測模塊檢測到障礙物時，根據檢測到的不同方位傳導不同的信號至震動馬達模塊，生成不同頻率的震動，以便視聽障礙人士辨別障礙物的方向，并及時避開。

2）手杖設置了光照度傳感器，利用光照度傳感器測量環境光照強度。光線不足時光照度傳感器模塊通過檢測光照強度來使LED燈自動亮起以提醒行人和車輛避讓。

3）手杖中設有防摔倒模塊，通過震動傳感器來檢測使用者的情況。一旦遇到摔倒之類的突發狀況，將會通過語音模塊發出警報，向周圍路人尋求幫助，并向緊急聯系人發送短信。

4）手杖設有防誤報模塊，當檢測失誤或使用者無大礙的情況下，可按下防誤報按鍵，停止呼救信息的傳遞。

3 系統設計

手杖上下部分均采用可伸縮式設計，完全展開時高度可達1.8 m，可適宜大部分人群身高。手杖中部為手柄部分，與上下部分相接的邊緣處鑲嵌有LED燈，光線不足時自動亮起，提醒行人和車輛避讓。杖體中空，內含震動感應模塊、語音模塊、光照度傳感器模塊、超聲波模塊和積水探測模塊等各種模塊。手杖最下部裝有滑輪，使用更加省力[6]，整體電路圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

3.1 超聲波測距

手杖上下部分都裝有超聲波測距模塊，采用的是HC-SR04。該傳感器體積小，易于在任何機器人項目中使用，并提供2～400 cm之間出色的非接觸范圍檢測，精度為3 mm。它能夠實現對上下一定范圍內的障礙物進行檢測，并且通過震動進行提示。目前探測的距離設定為1.2 m，采用的傳感器波束角約為45°。

超聲波測距的方法主要有三種：幅值檢測法、相位檢測法與渡越時間檢測法。第三種方法利用了常用的距離計算公式，計算出超聲波發射與接收到回波的時間差，轉化成距離，這種方法比較常用，本文的測距過程就是采用這種方法[7]。

3.2 積水探測模塊

在手杖的底部安裝積水探測傳感器來檢測路面是否有積水，若附近地面有積水，則通過震動提醒使用者躲避積水。我們選擇性價比較高的積水探測傳感器[8]，它用探頭探測是否有水存在。由于液體導電原理，當有水時，探頭之間形成通路，控制器轉換成開關量輸出信號啟動震動馬達模塊。水浸探測器根據探測電極浸水后阻抗發生變化，通過信號處理電路對水浸輸入信號進行信號放大、整形、比較，輸出干接點或高低電平變化信號，指示探測器所在位置是否有水[9]。

3.3 震動馬達模塊

震動馬達模塊是高低電平震動小電機，主要裝有一個微型震動馬達，通過TIM16_CH1電平改變控制電路的通斷從而驅動震動馬達進行工作。馬達軸上有一個偏心輪，當馬達轉動的時候，偏心輪的圓心質點不在電機的轉心上，使得馬達處于不斷失去平衡狀態，由于慣性引起震動。

當超聲波測距模塊和積水探測模塊檢測到障礙物時，會根據檢測到的不同方位傳導不同的信號至震動馬達模塊，生成不同頻率的震動，以便視聽障礙人士辨別障礙物的方向，并及時避開。

3.4 光照度傳感器

光照度傳感器利用光敏傳感器測量周圍環境的光照強度。光線不足時，光照度傳感器模塊檢測到光照強度較低，使LED燈自動亮起以提醒行人和車輛避讓。光敏電阻工作原理是基于內光電效應，內光電效應是指在光線作用下使材料內部電阻率改變的現象。當光線照射在半導體材料上時，其導電性能增強，電阻值降低，各種環境下照度值如表1所示。

根據上表及日常生活常識，陰天時能見度變低，光敏電阻模塊對環境光線敏感，故當光敏傳感器檢測到照度值下降到50勒克斯以下時，開啟LED燈，提醒行人避讓。

3.5 防摔倒模塊

3.5.1 傳感器的選擇

為能夠準確靈敏地檢測使用者的情況，我們主要對常用的兩種傳感器進行了調研測試：

1）傾斜角傳感器。傾斜角傳感器通常具有特定的測量范圍，超出該范圍可能導致精度下降或無法測量。對于需要測量大角度范圍的應用，可能需要多個傳感器或使用其他測量方法。若須對摔倒進行精確的檢測，可能會因算法過于復雜導致主控板內存不足。且此傳感器通常對于放置方向有限制，不符合我們的需求。

2）震動傳感器。震動傳感器是一種能夠檢測并測量物體振動的設備或裝置。它可以感知物體在垂直、水平或其他方向上的運動，并將這些振動轉換為電信號或其他形式的可讀輸出。相較傾斜角模塊，它的優勢在于可任意角度觸發，檢測靈敏且能夠快速地響應并輸出電信號。震動傳感器的設計和制造經過嚴格的測試和驗證，因此具有較高的可靠性和穩定性，所以我們最終選用震動傳感器。

3.5.2 語音播報

語音模塊采用插卡方式存儲語音，操作簡單，可直接連接揚聲器來進行語音播放。

有很多聾盲癥患者是不會說話或說話不清晰的，當聾盲癥患者摔倒時，不能及時呼救也成了一大問題。在聾盲癥患者摔倒時，防摔倒模塊可以及時通過傳感器檢測到這一情況，并通過語音模塊及時向周圍人群自動呼救，尋求幫助。

3.6 GSM短信傳輸模塊

GSM通信模塊是數據傳輸的通信核心。檢測到聾盲癥患者摔倒后，系統便會向設置的緊急聯系人發送信息，使家屬及時獲知使用者現在的情況。SIM900A可以安全、快速、可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸以及短消息服務和傳真[10]。此模塊的優點在于串口電路采用TVS和磁珠保護器件來保護板子，使板子不會受到浪涌、高電壓的傷害；SIM卡電路增加SMF05C靜電釋放芯片；天線電路保證短且直，保證信號強度。

3.7 防誤報模塊

摔倒檢測模塊有時也會發生誤報或者聾盲癥患者摔倒后并未對身體造成嚴重傷害可以自己獨立起身的情況，為了排除這些情況，本設計專門設置了防誤報模塊。當摔倒檢測模塊中振動傳感器檢測到使用者摔倒，則通過語音模塊報警。一段時間（約30 s）未恢復正確狀態，GSM將發送報警信息至緊急聯系人手機。語音報警時，如果聾盲癥患者認為是誤報警，則按鍵按下，停止語音報警，如果問題持續存在仍會繼續報警，且短信處理過程有指示燈顯示。

3.8 測試

燒寫程序對系統進行測試。對角度傳感器的角度幅值進行監視，大于200閾值觸發，判定為使用者摔倒，如圖4所示。

當使用者被判定為摔倒時，則進行語音播報請求路人幫忙，同時會向緊急聯系人發送報警短信“WARNING！！！”，如圖5所示。

4 結 論

該手杖主要通過測距模塊與水浸傳感器檢測周圍環境，并通過不同頻率的震動來向使用者傳遞周圍的環境信息，幫助聾盲癥患者對當前路況做出判斷。為防止意外的出現，我們還利用光照度傳感器檢測環境亮度，在能見度低的環境下燈光亮起，警示行人車輛及時避讓。手杖可以通過震動觸覺反饋為患者提供環境信息，幫助他們了解周圍環境和障礙物的位置，從而避免碰撞和摔倒，增強他們對周圍環境的感知能力，并設置摔倒檢測語音求助模塊，滿足了聾盲癥患者這一特殊群體的特殊需求，保障了他們的權益。

希望未來相關特殊群體產品的設計與發展更加注重人文關懷，從而幫助聾盲癥患者更自信地行走，提高他們的獨立性和生活質量，幫助他們更好地融入社會。

參考文獻：

[1] 夏浩天.基于感官代償在殘障人士中的關懷性設計 [D].景德鎮：景德鎮陶瓷大學，2023.

[2] 胡淑欽.基于視障人士視角的出行公平與無障礙設施優化研究 [D].南京：東南大學，2021.

[3] 余娜娜.面向視障人群的導盲輔具設計研究 [D].廣州：廣東工業大學，2022.

[4] 高秀麗.環境感知下的盲用助行產品無障礙設計研究 [D].青島：青島理工大學，2021.

[5] 李岳，夏益民，蔡述庭，等.基于YOLOv5s的盲人出行輔助系統研究 [J].工業控制計算機，2023，36（12）：15-17.

[6] 原姚姚.基于感性工學的盲杖造型設計研究 [D].北京：北京郵電大學，2021.

[7] 馬倩倩.盲杖系統底層軟件模塊的開發 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

[8] 耿曉明.無線數據傳輸水位監測儀的研究 [D].南京：南京理工大學，2009.

[9] 宋玉娥，劉業輝，張小燕，等.基于STM32的智能導盲杖的設計 [J].電子器件，2020，43（5）：1180-1184.

[10] 朱鈺龍，胡宸鳳，竇研哲，等.基于物聯網技術的老年人防走丟與摔倒警報系統的設計及實現 [J].物聯網技術，2022，12（8）：3-6.

作者簡介：辛瑜（2003.03—），女，漢族，山東泰安人，本科在讀，研究方向：機器人工程；郝傳柱（1983.04—），男，漢族，山東聊城人，副教授，工程師，本科，研究方向：自動化、控制工程。