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摘要：当今我国的视障群体出行仍有很多不便，智能导盲杖的设计不仅有助于他们在出行时能较好地识别障碍物，而且给他们的日常生活带来了极大的便利。智能导导盲杖主要是利用超声波来探测周围环境中的信息，并将环境中的信息以其他的形式快速反馈给用户，同时该导盲杖还有基于卷积神经网络的识别人行横道线边红绿灯功能，相比传统导盲杖具有精度高、符合人机工程学、使用便捷等特点。
关键词：智能导盲;视障人群;超声波;卷积神经网络
中图分类号：TH789 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2020）16-00-05
0 引言
我国每年将新增约45万名盲人和135万名低视力者，即每分钟将有1名盲人和3名低视力者产生。到2020年，中国视障人口将超过5000万人[1]。来自全国盲人预防技术指导小组办公室的数据显示，中国的盲人人数占世界总数的五分之一。随着人们生活水平的不断提高，人们普遍希望让生活变得更为轻松和方便。盲人作为视障人士，不仅是我们普通人中的一员，更是一个特殊的群体。由于先天或后天的意外生理缺陷，他们不能准确及时地发现和避开障碍物，因此，提高他们生活质量、人身安全和帮助他们安全出行具有重要意义。同时随着国家对弱势群体的关注，视障人群的呼声渐渐被听见。
1 视障人群现状
视障是指视觉功能受到一定程度的损害，患者因为视觉清晰度降低或视野范围受损，视力无法达到常人水平，会对日常生活造成一定的影响。我国视障人群根据视敏度分为一级、二级、三级和四级（如图1）。目前随着国家、非政府组织、专业人员越来越重视这一群体，推动了一系列劳动保护、社会保障、扶贫开发等项目，使得他们的生活质量、就业水平、受教育程度均有明显提高。
2018年世界卫生组织（WHO）公布数据，在全球范围约有13亿人患有某种形式的视力损害。其中我国视障人数量高达1700万。在日常生活中，出行仍是视障人群亟待解决的首要问题。据WTO调查显示，美国70%的18岁以上的残疾人日常活动需要依靠家人和朋友的帮助。数字化时代与智能化的发展，让视觉器官在人类生活中占据着越来越重要的位置，这进一步增加了该群体的生活挑战。视障人群的出行安全问题难以保障，多数盲人的活动范围特别狭窄，基本限定在自己熟悉的环境内。
2 现状分析
2.1 导盲产品现状
目前，全球各国关于导盲辅助方面的研究工作开展积极，研究重点集中在手杖类多功能性研究、穿戴式“机器视觉”研究，以及移动式多功能性辅具三方面。早在2010年5月20日，在日本秋田市举行的全国盲人福祉大会上日本研发人员就公开了其自行研发的电子导盲杖[2]，利用超声波感应器让视障人群感受到障碍物，并通过震动手柄对用户进行有效提醒。美国大学机器人实验室Shoval开发的腰带式行动辅具，则是借助超声波为用户营造岀区域全景地图。此外，国外对于智能手推车、智能轮椅等辅具的硏发，也为移动式导盲辅具的硏发提供了基础和帮助。
2.2 导盲道现状
目前国内许多盲道大部分是直行盲道，这样无法及时提示视障者转弯口或者楼梯口，容易发生危险;在分叉路上没有安装帮助弱视者的警示砖块;在人行横道线处没有红绿灯变化提示音;许多公交车站未安装来车提醒，导致视障人群难以分辨到站车辆。
2.3 导盲杖现状分析
自1992年国内首次出现关于超声波导盲手杖的论文[3]，通过自动（或键控）选通回波声时比较法测距，窄波束测向的研究方式，新设计了一种超声波导盲手杖，此为出发点。随着科技发展，对于导盲手杖的要求倾向于多功能、实用性和便携性。而随着电子传感器，机器视觉，超声波技术的不断完善，导盲手杖的功能更趋近于实用化、多功能化、图像处理化。
中国的智能导盲杖市场，现在还处于初始阶段，通过对盲人的问卷调查了解到多数盲人更侧重于使用一般的导盲杖，原因是智能的导盲杖存在精准度、价格与性能等因素限制。
目前，现有导盲杖没有主动检测障碍物的功能，往往需要用户凭借自己的经验去判断，不仅准确性不髙，而且容易造成用户疲劳。市场上已有的导盲拐杖功能单一，无法满足盲人现代生活的需求。盲人外岀时会遇到各种情况，如遇到障礙物，不清楚路况或者因为监护人不在而走丢等。
2.4 调查问卷
根据收集到的问卷，有效投票为83票的问卷可视化结果来看（如图2）：现阶段视障群体在功能上对有智能导盲杖的语音导航、智能提醒方面有着较高的期待。准确导航并提供明确的信息提示对视障群体出行有着极大的帮助;在盲杖的材质方面，材质轻价格低且耐磨损的钢材质，是盲杖杆体使用的首选和保障;在盲杖手柄部分的舒适度也不容忽视，适合人体的握持感、合理的功能按键的布置和便捷的操作可以为使用者提供更优体验，同时也可以缓解使用盲杖时手腕的压迫感;对于更加优化的盲杖，视障群体对智能提醒、人性化、多功能使用三个方面也较大期许。
3 智能导盲杖方案设计内容
3.1 智能导盲杖设计目标
以视障人群为核心用户，了解和分析国内外最新可用于导盲的科技成果。同时，对我国视障人群现阶段出行难点、需求倾向以及造型喜好等进行基本调查，并结合实际情况，分析视障人群出行的现存问题，总结设计需求。最终的设计将从色彩识别度、功能性、出行安全性、便携性等方面考虑，本着以人为本的原则设计适用于视障人群的导盲产品。
3.2 智能导盲杖设计中人体机能学的体现
智能导盲杖是一款以人为本的产品，“人的因素”是优化设计的核心。智能导盲杖的使用过程与使用者息息相关，因此产品尺寸数据要尽可能贴合人体尺寸。
3.2.1 长度
视障群体在使用盲杖的时候身体活动范围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]。人体的高度，肩部的宽度和步幅的大小都会影响到盲杖的长度问题，盲杖的长度如果能在人体直立时盲杖的末端触底，其顶端可以到达人的心脏高度时，其长度便满足符合杆长与人体身高的比例。以此为依据，绘制了盲杖长度与身高比例表（如表1）为了满足绝大多数人的使用，在持杖行走时满足盲杖可探知前方一步的距离。所以伸缩杆体最长可以伸展120cm。 3.2.2 手柄
手握部分也是人机因素考虑的重中之重，符合人机学设计的手柄设计可适当避免手部与腕部长期活动所导致的积累损伤。按人机工程学数据，人均手掌宽10.5cm，手部最大背屈曲角度为65°，最大掌屈曲角度75°，内收最大角度30°，外展最大角度15°。所以在设计手柄的外形时，着重考虑了手腕部分的舒适性和手掌握姿的合理性。
3.3 智能导盲杖材料、颜色及使用功能
基于能够为视障群体设计实用、操作简单并且便携的智能导盲杖，我们设计为智能导盲杖设计了盲文控制按键、收缩杆及防滑轮三个基本功能。（如图3）
为了给视障群体带来更加轻便的使用体验，导盲杖的收缩杆体使用重量轻、韧性好的铝合金材料。根据我国《国家盲杖标准》，盲杖的杖体采用红白安全对色，使盲杖更具警示作用。盲杖末端安装万向轮，使得产品能够在路面上稳定并顺畅的在各个方向上使用。（如图4）
为了能让视障人士使用时更舒适、便捷，我们在导盲杖手握的部分的手把启动开关上增加了盲文并设置了音量控制按钮，使视障群体够更清晰地获取讯息。（如图5）
在智能导盲杖主体部分设置摄像头卷积神经网络提供机器视觉与图像识别的功能，主体底端设超声波收发器提供排障工作。（如图6）
3.4 智能导盲杖功能工作框架及系统设计
3.4.1 工作框架
系統总体框架图如图7所示，智能导盲杖以STM32作为主控处理芯片，卷积神经网络、超声波和GPS作为核心技术。以震动频率来提示障碍物的远近，语音提示主要告知使用者的位置或交通信号灯的显示[5]。
3.4.2 系统设计
卷积神经网络主要通过“机器视觉”远程识别地物纹理特征、准确度近似人眼识别。可以直接输入图像数据，无须人工对图像进行更多的处理或额外的特征抽取等复杂操作，而且以其特有的细粒度特征提取方式，使得对图像的识别处理达到了几近人力的水平。本设计将卷积神经网络运用于识别人行横道线边的红绿灯，并为视障群体进行信号提示。
超声波的特性使其遇到障碍物可反射，所以可用于反复测量人与障碍物之间的距离。而且超声波测距原理的主要计算变量为介质传播速度和时间差，计算过程便捷。本智能导盲杖设计将超声波作为避障的核心技术，获取障碍物的距离信息，通过震动模块的不同振幅，提示视障群体障碍物与自身的间距，如图8。
GPS是利用GPS定位卫星进行实时定位、导航的系统。它能为使用者提供低成本、高精度的三维位置和精确定时等导航信息。在智能导盲杖的设计中加入GPS技术，是为了让视障群体在行走的过程中更多地了解到身边所在环境和位置的信息。另一方面，GPS技术可让家属、医护人员、交通警察实时掌握视障者的位置，从而在一定程度上减少安全问题的发生。
4 结语
视障群体由于视觉先天或后天意外受损，给工作、生活、日常社交带来了一定困难。安全出行仍是视障人群亟待解决的首要问题。针对视障人群安全出行和有效识别人行横道线信号灯的问题，设计一款使视障群体能更好地融入社会生活的产品，造型设计符合人体工学，简洁合理的功能性设置使视障群体能自如地使用智能导盲杖。运用现有的技术帮助视障群体提高出行的便利性与安全程度。希望这个智能导盲杖产品能实际运用到视障人群的出行中去，为以后的盲人产品设计提供一种设计思路。
参考文献：
[1] 俞国华，朱广伟，张珂.基于多传感器融合的智能导盲杖研制[J].测控技术，2015，34（04）：20-23.
[2] 孟湘君.日本发明电子导盲杖可感知脸部高度障碍物 [EB/OL]. http：//www.chinane
ws.comgivgi-sjkynews/2010/05-21/2296545.shtml，2010-05-21.
[3] 吕杰.超声波导盲手杖的原理与设计[J].应用声学，1992，12（06）：30-32.
[4] 刘刚田.人机工程学[M].北京大学出版社，2015：72-78.
[5] 孙二杰，汪东军，石震，等.超声波智能导盲杖的设计[J].计算机系统应用，2015，24（08）：273-276.
作者简介：周可盈（1998—），女，湖北武汉人，本科，研究方向：环境艺术设计。
施语（1998—），女，湖北武汉人，本科，研究方向：工业设计。
张锐（1983—），男，湖北武汉人，研究生，硕士，副教授，系本文指导老师，研究方向：工业产品设计。
关键词：智能导盲;视障人群;超声波;卷积神经网络
中图分类号：TH789 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2020）16-00-05
0 引言
我国每年将新增约45万名盲人和135万名低视力者，即每分钟将有1名盲人和3名低视力者产生。到2020年，中国视障人口将超过5000万人[1]。来自全国盲人预防技术指导小组办公室的数据显示，中国的盲人人数占世界总数的五分之一。随着人们生活水平的不断提高，人们普遍希望让生活变得更为轻松和方便。盲人作为视障人士，不仅是我们普通人中的一员，更是一个特殊的群体。由于先天或后天的意外生理缺陷，他们不能准确及时地发现和避开障碍物，因此，提高他们生活质量、人身安全和帮助他们安全出行具有重要意义。同时随着国家对弱势群体的关注，视障人群的呼声渐渐被听见。
1 视障人群现状
视障是指视觉功能受到一定程度的损害，患者因为视觉清晰度降低或视野范围受损，视力无法达到常人水平，会对日常生活造成一定的影响。我国视障人群根据视敏度分为一级、二级、三级和四级（如图1）。目前随着国家、非政府组织、专业人员越来越重视这一群体，推动了一系列劳动保护、社会保障、扶贫开发等项目，使得他们的生活质量、就业水平、受教育程度均有明显提高。
2018年世界卫生组织（WHO）公布数据，在全球范围约有13亿人患有某种形式的视力损害。其中我国视障人数量高达1700万。在日常生活中，出行仍是视障人群亟待解决的首要问题。据WTO调查显示，美国70%的18岁以上的残疾人日常活动需要依靠家人和朋友的帮助。数字化时代与智能化的发展，让视觉器官在人类生活中占据着越来越重要的位置，这进一步增加了该群体的生活挑战。视障人群的出行安全问题难以保障，多数盲人的活动范围特别狭窄，基本限定在自己熟悉的环境内。
2 现状分析
2.1 导盲产品现状
目前，全球各国关于导盲辅助方面的研究工作开展积极，研究重点集中在手杖类多功能性研究、穿戴式“机器视觉”研究，以及移动式多功能性辅具三方面。早在2010年5月20日，在日本秋田市举行的全国盲人福祉大会上日本研发人员就公开了其自行研发的电子导盲杖[2]，利用超声波感应器让视障人群感受到障碍物，并通过震动手柄对用户进行有效提醒。美国大学机器人实验室Shoval开发的腰带式行动辅具，则是借助超声波为用户营造岀区域全景地图。此外，国外对于智能手推车、智能轮椅等辅具的硏发，也为移动式导盲辅具的硏发提供了基础和帮助。
2.2 导盲道现状
目前国内许多盲道大部分是直行盲道，这样无法及时提示视障者转弯口或者楼梯口，容易发生危险;在分叉路上没有安装帮助弱视者的警示砖块;在人行横道线处没有红绿灯变化提示音;许多公交车站未安装来车提醒，导致视障人群难以分辨到站车辆。
2.3 导盲杖现状分析
自1992年国内首次出现关于超声波导盲手杖的论文[3]，通过自动（或键控）选通回波声时比较法测距，窄波束测向的研究方式，新设计了一种超声波导盲手杖，此为出发点。随着科技发展，对于导盲手杖的要求倾向于多功能、实用性和便携性。而随着电子传感器，机器视觉，超声波技术的不断完善，导盲手杖的功能更趋近于实用化、多功能化、图像处理化。
中国的智能导盲杖市场，现在还处于初始阶段，通过对盲人的问卷调查了解到多数盲人更侧重于使用一般的导盲杖，原因是智能的导盲杖存在精准度、价格与性能等因素限制。
目前，现有导盲杖没有主动检测障碍物的功能，往往需要用户凭借自己的经验去判断，不仅准确性不髙，而且容易造成用户疲劳。市场上已有的导盲拐杖功能单一，无法满足盲人现代生活的需求。盲人外岀时会遇到各种情况，如遇到障礙物，不清楚路况或者因为监护人不在而走丢等。
2.4 调查问卷
根据收集到的问卷，有效投票为83票的问卷可视化结果来看（如图2）：现阶段视障群体在功能上对有智能导盲杖的语音导航、智能提醒方面有着较高的期待。准确导航并提供明确的信息提示对视障群体出行有着极大的帮助;在盲杖的材质方面，材质轻价格低且耐磨损的钢材质，是盲杖杆体使用的首选和保障;在盲杖手柄部分的舒适度也不容忽视，适合人体的握持感、合理的功能按键的布置和便捷的操作可以为使用者提供更优体验，同时也可以缓解使用盲杖时手腕的压迫感;对于更加优化的盲杖，视障群体对智能提醒、人性化、多功能使用三个方面也较大期许。
3 智能导盲杖方案设计内容
3.1 智能导盲杖设计目标
以视障人群为核心用户，了解和分析国内外最新可用于导盲的科技成果。同时，对我国视障人群现阶段出行难点、需求倾向以及造型喜好等进行基本调查，并结合实际情况，分析视障人群出行的现存问题，总结设计需求。最终的设计将从色彩识别度、功能性、出行安全性、便携性等方面考虑，本着以人为本的原则设计适用于视障人群的导盲产品。
3.2 智能导盲杖设计中人体机能学的体现
智能导盲杖是一款以人为本的产品，“人的因素”是优化设计的核心。智能导盲杖的使用过程与使用者息息相关，因此产品尺寸数据要尽可能贴合人体尺寸。
3.2.1 长度
视障群体在使用盲杖的时候身体活动范围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]。人体的高度，肩部的宽度和步幅的大小都会影响到盲杖的长度问题，盲杖的长度如果能在人体直立时盲杖的末端触底，其顶端可以到达人的心脏高度时，其长度便满足符合杆长与人体身高的比例。以此为依据，绘制了盲杖长度与身高比例表（如表1）为了满足绝大多数人的使用，在持杖行走时满足盲杖可探知前方一步的距离。所以伸缩杆体最长可以伸展120cm。 3.2.2 手柄
手握部分也是人机因素考虑的重中之重，符合人机学设计的手柄设计可适当避免手部与腕部长期活动所导致的积累损伤。按人机工程学数据，人均手掌宽10.5cm，手部最大背屈曲角度为65°，最大掌屈曲角度75°，内收最大角度30°，外展最大角度15°。所以在设计手柄的外形时，着重考虑了手腕部分的舒适性和手掌握姿的合理性。
3.3 智能导盲杖材料、颜色及使用功能
基于能够为视障群体设计实用、操作简单并且便携的智能导盲杖，我们设计为智能导盲杖设计了盲文控制按键、收缩杆及防滑轮三个基本功能。（如图3）
为了给视障群体带来更加轻便的使用体验，导盲杖的收缩杆体使用重量轻、韧性好的铝合金材料。根据我国《国家盲杖标准》，盲杖的杖体采用红白安全对色，使盲杖更具警示作用。盲杖末端安装万向轮，使得产品能够在路面上稳定并顺畅的在各个方向上使用。（如图4）
为了能让视障人士使用时更舒适、便捷，我们在导盲杖手握的部分的手把启动开关上增加了盲文并设置了音量控制按钮，使视障群体够更清晰地获取讯息。（如图5）
在智能导盲杖主体部分设置摄像头卷积神经网络提供机器视觉与图像识别的功能，主体底端设超声波收发器提供排障工作。（如图6）
3.4 智能导盲杖功能工作框架及系统设计
3.4.1 工作框架
系統总体框架图如图7所示，智能导盲杖以STM32作为主控处理芯片，卷积神经网络、超声波和GPS作为核心技术。以震动频率来提示障碍物的远近，语音提示主要告知使用者的位置或交通信号灯的显示[5]。
3.4.2 系统设计
卷积神经网络主要通过“机器视觉”远程识别地物纹理特征、准确度近似人眼识别。可以直接输入图像数据，无须人工对图像进行更多的处理或额外的特征抽取等复杂操作，而且以其特有的细粒度特征提取方式，使得对图像的识别处理达到了几近人力的水平。本设计将卷积神经网络运用于识别人行横道线边的红绿灯，并为视障群体进行信号提示。
超声波的特性使其遇到障碍物可反射，所以可用于反复测量人与障碍物之间的距离。而且超声波测距原理的主要计算变量为介质传播速度和时间差，计算过程便捷。本智能导盲杖设计将超声波作为避障的核心技术，获取障碍物的距离信息，通过震动模块的不同振幅，提示视障群体障碍物与自身的间距，如图8。
GPS是利用GPS定位卫星进行实时定位、导航的系统。它能为使用者提供低成本、高精度的三维位置和精确定时等导航信息。在智能导盲杖的设计中加入GPS技术，是为了让视障群体在行走的过程中更多地了解到身边所在环境和位置的信息。另一方面，GPS技术可让家属、医护人员、交通警察实时掌握视障者的位置，从而在一定程度上减少安全问题的发生。
4 结语
视障群体由于视觉先天或后天意外受损，给工作、生活、日常社交带来了一定困难。安全出行仍是视障人群亟待解决的首要问题。针对视障人群安全出行和有效识别人行横道线信号灯的问题，设计一款使视障群体能更好地融入社会生活的产品，造型设计符合人体工学，简洁合理的功能性设置使视障群体能自如地使用智能导盲杖。运用现有的技术帮助视障群体提高出行的便利性与安全程度。希望这个智能导盲杖产品能实际运用到视障人群的出行中去，为以后的盲人产品设计提供一种设计思路。
参考文献：
[1] 俞国华，朱广伟，张珂.基于多传感器融合的智能导盲杖研制[J].测控技术，2015，34（04）：20-23.
[2] 孟湘君.日本发明电子导盲杖可感知脸部高度障碍物 [EB/OL]. http：//www.chinane
ws.comgivgi-sjkynews/2010/05-21/2296545.shtml，2010-05-21.
[3] 吕杰.超声波导盲手杖的原理与设计[J].应用声学，1992，12（06）：30-32.
[4] 刘刚田.人机工程学[M].北京大学出版社，2015：72-78.
[5] 孙二杰，汪东军，石震，等.超声波智能导盲杖的设计[J].计算机系统应用，2015，24（08）：273-276.
作者简介：周可盈（1998—），女，湖北武汉人，本科，研究方向：环境艺术设计。
施语（1998—），女，湖北武汉人，本科，研究方向：工业设计。
张锐（1983—），男，湖北武汉人，研究生，硕士，副教授，系本文指导老师，研究方向：工业产品设计。