對于新型智能盲杖的研究

張沙沙 周若倫 李卓倫

摘 要：在對現有盲人手杖研究基礎上，運用地磁傳感器測量地磁信息、GPS定位及ZigBee等先進技術與已有手杖在功能上進行集成研發出智能盲人手杖。使盲人在看不見的情況下，能夠識別前方的障礙物而正常行走，從而起到保護盲人安全的作用。

關鍵詞：智能避障;超聲波測距;ZigBee

隨著計算機技術、自動化技術及工業機器人的不斷出現，測距和識別技術在工業中已經得到了普遍的運用與發展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術應用到民用領域已變得十分重要。智能導盲手杖的運用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導致的事故的發生，它將對提高人體智能化設計起到重要的意義。

1 考慮“人的因素”為智能手杖提供參數

設計作業空間時，必須考慮人體尺寸的約束條件，以我國成年男性第95百分位身高為基準，女性約為男性的0.9346倍。設計作業空間時，人體測量的結構尺寸和功能尺寸都有用處，對大多數設計來說，因為要考慮身體各部位的關聯和影響，所以必須基于功能尺寸進行設計。人體測量數據在運用時，必須反映設計對象使用者群體的特征。

對于設計至為重要的人體尺度。確定設計對象的使用者群體，以決定必須考慮的尺度范圍。確定數據運用準則：個體設計準則、可調設計準則、平均設計原則?！皞€體設計準則”，即按照群體某特征的最大值或最小值進行設計。重要操縱器與操作者之間的距離、常用操縱器的操縱力要按最小值設計?！翱烧{設計準則”是對于重要的尺寸給出范圍，使操作者群體的大多數能舒適地操作或使用，運用的數據通常為95百分位之間的范圍?！捌骄O計準則”，盡管使用“平均數據”是不準確的，但某些設計要素按群體特征平均值進行考慮也是可行的。選擇合適設計定位群體的百分位。查找與定位群體特征相符合的人體測量數據表，選擇有關的數據值。對數據進行適當修改，群體的尺寸是隨時間而變化的，有時，數據的測量與公布時間相隔數年，差異比較明顯，設計時，應盡量使用近期測得的數據，考慮人體測量數據的靜態和動態性質。

根據人體解剖學，建立人體測量參照系并依據我國國標GB 3975-83《人體測量術語》中規定的22個人體測量參數的測點和69項測量項目，應用人體測量學、人體力學、生理學、心理學等學科的研究方法，對人體結構尺寸、人體功能尺寸、人體機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸和體重，人體體積和體表面積計算公式，人體各體段的長度、人體各體段的體積、人體各體段的質量等人體生物力學參數，比重、重心以及人體各部分在活動時相互關系和動作速度、頻率、重心變化以及動作時慣性等動態參數，對人的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺以及對肢體感覺器官的機能特征分析，以及人在勞動時的生理變化、疲勞程度以及對各種勞動負荷的適應能力，影響心理狀態的因素。

人體工程學的研究，為各類設計全面考慮“人的因素”提供了人體結構尺度、人體生理尺度和人的心理尺度等依據，這些數據可有效地運用到盲杖設計中。

在作業設計中，基于整個手杖的質量輕型化設計需求，手杖選用質量輕、抗拉強度高的外殼。手柄應選用具有韌性好、易加工、強度高的材料;底座應具有彈性高，耐磨損的優點。根據方便攜帶的要求，設計的手柄、桿體與底座應有合適的連接方式。

人具有獨立的思維和精神活動的能力，所以在設計時，必須考慮到作業空間對人的精神感受上所產生的特殊作用。從人機工程學角度出發，研制出一種集智能導向系統，交通燈辨識，避障功能于一體的智能化手杖。智能導向模塊利用GPS實時精確定位，地磁傳感器測量方向，處理器采集GPS經緯度信息和地磁信息，經算法設計得到手杖航向偏角，進而控制電機轉向，帶動拐杖行進;ZigBee模塊用于獲取交通燈信號;避障模塊通過超聲波傳感器探測障礙物并指引盲人正確避障;語音模塊用于輸入輸出語音信息。

2 為新型智能盲杖設計提供數據理論依據

通過TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）理論對現有盲杖使用問題進行創新改造，將實際存在的矛盾用TRIZ 的標準參數進行表述，依據阿奇舒勒矛盾矩陣找到解決矛盾的一般解并將其應用到實際問題中，得出盲人智能手杖的創新之處。在新型智能盲杖手柄與桿體上加裝的超聲波傳感器，實現障礙物探測和主動避障功能，提高行走的效率和安全性。

基于ZigBee技術的交通信號燈辨識系統設計。新型盲杖加裝了ZigBee模塊可實現不同工況下交通燈信號的及時準確獲取，進而全面探測路況信息。具體技術方案為將ZigBee模塊中的ZigBee協調器與控制芯片相接，使得各節點與交通燈系統相連，來采集交通燈信息，并向ZigBee協調器無限發送交通燈信號。協調器收到信號后，將信息傳給控制芯片，控制芯片通過語音模塊播報交通燈信息，提高盲人行走尤其是過馬路的效率和安全性。

利用磁性傳感器與地球磁感線平行方向夾角發生變化時，LR震蕩電路的磁感應系數隨之發生變化，利用其變化量可計算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，進而得到當前的二維方向?？紤]到地磁場是矢量，水平方向的兩個分量的矢量和總是指向磁北的。因此，采用反正切公式計算出角a具體值結合GPS定位系統，得出手杖航向與正北方向夾角，驅動芯片控制電機工作，引導盲人前行。

3 結語

新型智能盲杖的運用可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導致的事故的發生具有重要意義。新型智能手杖能避開路面及空中不易探測到的障礙物，而且能夠識別交通燈信號，主動引導盲人行進，使盲人順利達到目的地。同時，在結構上根據盲人生活習慣結合人機工程學，使其桿體部分能夠根據盲人需求自由伸縮，實現人性化設計，手柄部分符合盲人生活習慣，以及根據室內室外兩種環境設計的可更換套組，方便易操作。

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