基于视障人群行为特征的盲文智能织物手镯设计

陈宇刚

(东华理工大学 美术与设计学院,江西 南昌 330013)

近几年,我国老年人口迎来总量高峰,老龄化程度加重。据2020年第七次人口普查数据[1]显示,60岁及以上的老年人口总量为2.64亿,占总人口的18.7%。有研究发现,人口老龄化将促使视力障碍(盲或低视力)人数的增长[2],另外电子产品的普及也导致青少年的视障率呈现上升趋势。据世卫组织统计,截止2022年我国视障人数高达1 731万人,近830万人完全失明,是世界上盲人数量最多的国家[3]。视力障碍严重影响人们的身体健康与生活质量,加重家庭和社会的负担,是涉及民生的重大公共卫生和社会问题,给社会经济可持续发展产生消极影响。

随着5G技术、物联网、芯片技术的快速发展,近年来为视障人群开发智能产品被较多研究者关注,研究成果逐渐丰富,有保障安全出行的导航眼镜、智能鞋、智能手杖;辅助学习的阅读器、学习机、智能手表;辅助生活的盲文炉灶、智能插座、智能温度计、智能药箱等[4];另外,Microsoft、Apple、HUAWEI等科技公司和个人研究者也着力开发视障辅助技术,通过互联网、产品媒介与视障用户建立联系,帮助视障人群更便捷地使用产品[5],解决日常生活中的困难。值得注意的是,国内外学者在帮助视障人群安全出行方面的研究成果较多,而立足于视障人群健康管理需求,将盲文识别、智能技术、产品设计相结合的研究有待深入研究和发展。

本文基于人文关怀视角,以及视障人群的健康管理需求,将具有检测功能的手镯与盲文(靠触觉感知的文字)相结合,探索盲文智能织物手镯的设计方法。此款手镯适合视障人群使用,能通过触觉自行读取检测数据以管理身体健康,可为视障人群提供更实用、更便捷的健康管理新体验,具有重要的学术价值和意义。

1 视力障碍的定义

视力障碍又称视力减退、视力不足,是指视觉功能受到一定程度的损害,引起视功能减弱、显著下降或消失,包括视野受到影响、视觉敏锐度降低等[6]。视力障碍的常见原因有眼部炎症、近视远视、斜视弱视、眼外伤、老年性病变等。GB/T 26341—2010《残疾人残疾分类和分级》规定,双眼最佳矫正视力均在0.02～0.30之间,就可定义为视力残疾或障碍对象。视力残疾标准一般以双眼视力判定,如果双眼视力不同,则以视力最佳的一只眼睛为准;若仅有单眼为视力残疾,而另一眼的视力达到或优于0.3,则不属于视力残疾的范畴。视野以注视点为中心,视野半径小于10°者,不论其视力如何均属于盲。GB/T 26341—2010《残疾人残疾分类和分级》对视力残疾等级的划分见表1。

表1 视力残疾等级划分标准Tab.1 Criteria for classification of visual disability

2 视障人群的行为特征

视障人群的行为特征与其心理状况、个体适应能力、行动能力等密切相关。视障人群在日常工作生活中的观察、阅读和书写能力都受到极大限制,由于与外界的沟通机会减少,从外界获取信息的能力下降,甚至社交、语言、思维分析能力也会迅速下降,常会伴有焦虑、孤独、忧伤、自卑、愤怒的心理反应,且极度缺乏安全感。部分有过视觉经验的视障人群个体会有强烈的康复意愿,对未来医疗技术和视觉辅助产品的期待值很高,愿意接受使用新型产品,如果在产品使用过程中,能够感受到新型产品的便利性,对思维和情感的发展会有积极作用,有助于提升视障人群的社交能力[7]。

视障人群的认识空间能力较差,由于对空间概念的缺失,其无法或难以判断在环境中的相对位置,使得按预定目标行动的能力受到限制,主要表现为动作定向障碍、行走定向障碍[8]。动作定向障碍是指视障患者完成精细目标动作时协调能力差,表现出震颤、迟缓或僵直,如接打电话、开关电器时易出错;行走定向障碍是指视障患者处于陌生环境下行动受制,难以正确判断行走方向,需要触觉、听觉、嗅觉等感觉器官共同参与感知。可见视障人群与正常人群相比,其心理特点、行动方式有许多不同之处,这对盲人智能辅助产品设计提出了更高的要求和挑战。

3 盲文的形式及特点

盲人无法通过视觉来感知对象,缺乏对信息认知的机会。1824年法国人路易·布莱叶发明盲文,盲文又称凸字或点字,是一种专为盲人设计的触觉感知文字[9]。盲文由63个编码字符构成,每个字符由平行排列的1～6个突起的点组成,能够表达最简单的文字。例如左上1个点突出代表1,盲文数字对照表见图1。

图1 盲文数字对照表Fig.1 Braille numerical comparison table

盲文的出现为视障人群与外界建立起信息沟通的桥梁,因其适用性强而得到广泛应用[10-11]。2011年,中国残联、国家语委将《通用盲文研究》列为重大项目,支持国家通用盲文规范标准的研究,2018年《国家通用盲文标准》发布实施。现在电商平台、线下市场陆续出现表面刻有盲文的产品销售,在盲人外出活动的场所,也可以看到印有盲文的公共设施,如“双语”电梯、公共厕所盲文标牌等。

4 盲人智能产品的研究现状

目前,在政府主导下,各国科研院校、企事业单位均加大了对盲人辅助产品的研发力度,利用IT、物联网技术、生物传感技术与智能分析软件相结合,相继推出了各种各样的盲人智能产品[12],如导盲棍、盲人出行鞋、盲人导航仪、盲文纸牌等,给盲人日常生活及娱乐带来了许多便利。

2019年德国Werteloberfell工作室[13]开发了一款智能盲人拐杖,见图2。将摄像装置和声音传感器集成到手柄,使用者轻敲地面,内置摄像头就会主动捕获环境图像,识别物体和障碍物,如果遇到障碍物,智能拐杖会提醒使用者避让。

图2 智能拐杖Fig.2 Smart walking stick

2020年微软公司推出了一款智能太阳镜[14],见图3。利用无障碍技术、音频技术(提供音频反馈和环境描述),用来帮助视障人群选择行走路线,使其在陌生的环境中不会感到紧张。另外,该款眼镜集成了蓝牙耳机功能,可以接打电话、播放音乐以及访问语音助手。

图3 智能太阳镜Fig.3 Smart sunglasses

设计师Park[15]开发了一款盲文炉灶,见图4。盲文炉灶融入物理元素,将炉脊和加热板设计成凸起状,旋钮带有指示不同功能的盲文,盲人通过触觉可以控制炉灶。智能炉灶配备语音控制,可以记录操作命令。

图4 盲文炉灶Fig.4 Braille cooktops

Gao[16]设计了一款学习记录器,见图5。设备装有3个同心圆的旋钮和按钮,用来标记关键时间,帮助盲人记录、理解和分享课程知识,教师可以向记录器上传课程资料,以拓展学生知识面。

图5 学习记录器Fig.5 Recorder of learning

Kapoor[17]设计了一款盲文手表,见图6。表盘采用电活性聚合物(EAP)材料制作,具有较强的诱导形变能力,在受到电刺激后,会产生微小形变。利用EAP的特性,表盘会突起相应时间的盲文数字,包含小时和分钟的精确时间,盲人可以通过触摸来阅读时间。另外,国内外相继推出了无障碍盲文板,盲文打印机,盲人专用饮水壶等[18-19]。

图6 盲文手表Fig.6 Watch in braille

通过对盲人智能产品的调查显示,为盲人日常出行和生活提供帮助而开发的产品较常见,但是既有健康监测功能,又能够方便视障人群使用的智能产品设计案例较少。因此,本文专注于视障人群读取自身健康检测数据的需求,结合技术成熟且已产业化的智能手环,设计了一款集装饰性、实用性和功能性于一体的盲文智能织物手镯。

5 盲文智能织物手镯设计

5.1 设计思路

基于视障人群行为特征及健康管理的需求,分析得到盲文智能织物手镯设计思路如下:

①手镯需造型简洁、穿戴方便,保证操作性和实用性强;②以生物传感器(PPG)、重力传感器(GS)、盲文显示模块、微控制器(MCU)、锂电池等元件组合成智能检测系统,用于监测用户的静息心率、血压和睡眠质量数据;③健康信息数据以盲文数字显示,用户可通过触觉读取信息;④选用低功耗、高效益、低热阻、低损耗角的电子元件,保证质量稳定、安全性高。电路设计简单,各个电子元件模块的连接方式需科学合理;⑤智能检测模块外壳选用软性ABS材质,其他部位尽可能使用纺织材料以保证手镯的可穿戴性。

盲文智能织物手镯由手镯本体、微控制器、盲文显示模块、生物传感器模块、重力传感器模块、电源管理模块和控制按键等构成,整个智能手镯的软硬系统设计方案合理,集多种功能于一体,能够满足视障人群自我管理健康的需求。

5.2 硬件设计

5.2.1 盲文显示模块

盲文显示模块由MCU、盲文显示组件和锂电池构成。其作用机制是MCU控制锂电池施加电压到球形介电弹性体(DED)上,引发DED发生机械形变而凸出,用以模拟盲文数字。DED是一种电活性聚合物,在电场作用下可以产生较大的形变,将电能转化为机械功,并在电场撤去后立即恢复到原来的尺寸。盲文显示模块的分解图见图7。

智能织物手镯设计了4组DED组件,以盲文数字表示用户的健康监测数据,从左到右设计4组数字,依次为个位、十位、百位、千位。盲文读数时从左至右读,假设视障用户将智能手镯切换成心率检测模式,DED显示静息心率数字是96次/min(正常静息心率范围为60～100次/min),表明心率正常;假设视障用户在进行血压检测时,DED显示的收缩压183 mmHg,舒张压54 mmHg(正常血压标准范围是收缩压90～140 mmHg/舒张压60～90 mmHg),表明血压不正常。盲文智能手镯数字显示信息示例见图8。

图8 盲文数字显示信息示例Fig.8 Example Braille digital display information

5.2.2 健康检测模块

健康检测模块主要由传感器、信号处理系统及算法3部分组成。本文选用 MAX30102型生物传感器(Maxim公司),其具有集成心率和血氧数据采集功能;选用 BMA250E型重力传感器(Bosch公司)实现睡眠监测功能。信号处理系统搭载Cortex-M33型MCU(Arm公司),利用MCU自带的模拟/数字转换器(ADC)对生物和重力传感器检测的信号进行采集,通过MCU对捕获的数据样本进行计算和校验,利用DED输出盲文数字信息。盲文智能手镯数字信号处理过程见图9。

图9 数字信号处理过程Fig.9 Digital signal processing

5.3 软件设计

盲文智能织物手镯采取定时中断与主循环相结合的程序框架,见图10。定时中断装置对生物、重力传感器进行定时数据采集及算法处理,主循环中实现盲文数字显示功能。心率传感器基于光电容积脉冲波原理,检测通过身体器官的血液量变化,由于光被血液吸收,信号脉冲相当于心跳脉冲,再运用音频算法处理信号;血氧传感器利用反射原理对人体红细胞的含氧量进行检测,运用滤波算法处理信号;重力传感器根据体动原理进行睡眠监测,在一定的时间内(20 min或更长),用户如果无较大动作或者动作比较少,系统就判定处于睡眠状态,如果几乎不动,系统就则判定为深度睡眠状态[20]。

图10 软件系统框架Fig.10 Software system framework

5.4 手镯设计

5.4.1 造型设计

智能手镯的造型设计趋于个性化、人性化的方向发展,其造型要符合人体工程学原理。本文设计了2款盲文智能织物手镯,手镯主体由智能模块(盲文显示、健康检测模块)和手镯本体2部分构成,智能手镯外观整体设计呈现简洁的几何形态。图11所示为手镯造型及细节,手镯分布4组DED组件及功能切换按键,手镯背面设计了传感器采集窗口和磁吸充电口;手镯本体采用织物编织成带状,并钉镶亚克力钻石,整体时尚、美观大方。

图11 盲文智能织物手镯Fig.11 Braille smart fabric bracelet

5.4.2 图案色彩设计

智能手镯的织物图案追求简约时尚风格,利用编织技法形成丰富的图案花纹,第1款智能手镯为斜纹编织图案,表面有明显斜向纹路,织物立体感强、手感柔软、弹性好;第2款智能手镯为平纹编织图案,采用粗棉纱线的经纱和纬纱以1上1下的规律交织,织物平整、坚牢、硬挺、耐磨。

手镯色彩设计尝试了2种配色方式,第1款智能手镯采用对比色搭配,DED组件、功能按键、装饰线配以橙色,手镯本体织物色彩选择天蓝色,整体色调时尚醒目;第2款智能手镯以黑白灰配色,织物手镯点缀橙色亚克力钻石,整体给人简洁、精致的感觉。

5.4.3 工艺设计

智能模块中集成多个电子元件,考虑到视障人群的安全性要求,外部应用ABS材料注塑成型,ABS质轻且易加工,外观成型效果良好。手镯本体运用编织技法完成,常见编织工艺有编织、包缠、钉镶、盘结等,本文设计的智能手镯结合编织与钉镶工艺制作完成,多种材质、工艺的组合与烘托,使得整件手镯更具时尚与优雅感。

6 结束语

智能科技的快速发展,给人们的生活工作带来了许多便利,为了实现科技与人、自然和社会的协调发展,立足于视障人群对健康管理的需求,进行了盲文智能织物手镯设计研究。通过文献研究法、调查研究法和实验研究法,从视障人群的行为特征、盲文的形式及特点、盲人智能产品的研究现状及盲文手镯软硬件设计等方面,对盲文智能织物手镯进行深入研究,并提出了2款盲文智能织物手镯设计方案。将盲文技术、传感技术、编程技术及编织技术相融合进行智能产品设计,是一种全新的实践探索,有助于拓展盲人智能产品的设计范围;另外,盲文智能织物手镯能够有效弥补盲人的视觉信息缺失,提高自身管理健康的能力,改善生活质量,帮助盲人更好地融入社会,体现了国家和社会对视障人群的人文关怀,具有深远的社会价值和意义。