朱祥成，劉亞俠，竹瀟瀟，胡 蘭

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029)

中國(guó)是世界上擁有盲人數(shù)量最多的國(guó)家，大約有1 400萬(wàn)人，同時(shí)每年還會(huì)新增大約45萬(wàn)的盲人[1]，因此盲人的出行安全應(yīng)該引起人們的廣泛關(guān)注。在很多地區(qū)，盲道破損、盲道設(shè)計(jì)不合理、盲道被占用的情況比較嚴(yán)重[2-3]，導(dǎo)致盲人的出行十分不便。在我國(guó)，盲人出行時(shí)一般會(huì)選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的盲杖作為出行的輔助裝備[4]，但是盲杖的探測(cè)空間有限，如果盲人在行走時(shí)沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)盲道被占用等情況，就容易發(fā)生意外。

目前導(dǎo)盲輔具一般分為4大類：①導(dǎo)盲犬類。導(dǎo)盲犬是一種可以幫助盲人外出行動(dòng)的服務(wù)犬，具有溫順、聰明、親和性好等特點(diǎn)。我國(guó)導(dǎo)盲犬訓(xùn)練工作開始較晚[5]，其存在培養(yǎng)周期長(zhǎng)、培養(yǎng)費(fèi)用高、人均分配導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量低等問題。②手持類導(dǎo)盲輔具。在我國(guó)使用范圍最廣的是普通盲杖，這種盲杖取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，盲杖材質(zhì)通常為竹子、樹枝、不銹鋼管等。但普通盲杖未經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計(jì)與制作，所以在安全性與功能性上無(wú)法得到保證。近年來(lái)出現(xiàn)了許多在傳統(tǒng)盲杖基礎(chǔ)上加上電子設(shè)備的智能手杖，方仁杰等[6]設(shè)計(jì)了一款具有GPS定位和超聲波測(cè)障功能的智能拐杖，通過控制能夠?qū)崿F(xiàn)燈光閃爍與聲音報(bào)警。俞國(guó)華等[7]對(duì)盲杖添加了多種環(huán)境狀況勘測(cè)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路面積水、下行臺(tái)階的檢測(cè)。③穿戴類導(dǎo)盲輔具。一般以頭盔、腰帶、鞋的形式出現(xiàn)，通過傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并為穿戴者及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。美國(guó)大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室Shoval以避障系統(tǒng)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出一款腰帶式輔助裝備，其可以帶領(lǐng)使用者繞過障礙物,并告知使用者障礙物的大小、遠(yuǎn)近等信息[8]，但是其特殊的造型會(huì)引起旁人的過度關(guān)注，給使用者帶來(lái)心理上的不適。④移動(dòng)類導(dǎo)盲輔具。一般以導(dǎo)盲機(jī)器人為主，其可以引導(dǎo)盲人前進(jìn)，也能與盲人進(jìn)行信息交流。張瑩[9]以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了一款導(dǎo)盲機(jī)器人，能指引盲人正常轉(zhuǎn)體、前行、后退，也能有效避開前方障礙物，識(shí)別出盲道、斑馬線和信號(hào)燈顏色等。導(dǎo)盲機(jī)器人功能豐富，可以為盲人提供精確的導(dǎo)航信息，但也存在體積碩大，不易使用等缺點(diǎn)。

目前已有的導(dǎo)盲輔具存在著探測(cè)空間局限、笨重不易攜帶、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，所以經(jīng)濟(jì)高效的盲人輔助工具成為了廣大盲人群眾迫切的需求。

1 設(shè)計(jì)思路

本文根據(jù)盲人出行特點(diǎn)及特殊需求，通過Arduino智能服裝平臺(tái)[10]，利用導(dǎo)電縫紉線(由可導(dǎo)電的不銹鋼材料制作，具有質(zhì)地柔軟、不生銹等特點(diǎn))以及易拆卸連接設(shè)計(jì)，將可穿戴電子硬件與普通服裝巧妙結(jié)合，設(shè)計(jì)制作了一款不受運(yùn)動(dòng)干擾、價(jià)格低廉、可拆卸能水洗的盲人輔助服裝。

盲人在行動(dòng)過程中使用盲杖對(duì)路況進(jìn)行探測(cè)，盲杖在正常使用過程中存在局限性，僅能對(duì)盲人身體中下部分的路況進(jìn)行簡(jiǎn)單探測(cè)，對(duì)處于人體上半身的懸空物體無(wú)法進(jìn)行探測(cè)，這樣會(huì)給盲人的出行帶來(lái)一定的危險(xiǎn)。因此本文設(shè)計(jì)了一款上衣，可以有效的探測(cè)前方懸空障礙物，并能夠給盲人及時(shí)提供反饋信息，根據(jù)盲人和障礙物的距離遠(yuǎn)近，服裝可以及時(shí)給出不同的聲音提示。盲人輔助智能服裝同時(shí)也會(huì)有一些其他有利于盲人出行的設(shè)計(jì)，包括夜間出行安全設(shè)計(jì)、服裝顏色識(shí)別設(shè)計(jì)、物品識(shí)別設(shè)計(jì)等[11]。盲人輔助服裝可以配合普通盲杖，為盲人的出行安全構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單、全方位的預(yù)警機(jī)制，這樣在一定程度上可以避免懸空物體對(duì)盲人造成傷害。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過資料對(duì)比研究，本文所設(shè)計(jì)的盲人輔助服裝將通過探測(cè)盲人與障礙物之間的距離，根據(jù)預(yù)設(shè)程序及時(shí)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)盲人對(duì)障礙物的躲避。

Arduino控制器根據(jù)型號(hào)不同可以分為Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino LilyPad等，在本文電子系統(tǒng)中采用的控制核心是LilyPad Simple Snap，屬于Arduino LilyPad系列的一種口袋式按扣型Arduino控制器，可以使用Arduino IDE軟件進(jìn)行編程。Arduino LilyPad系列產(chǎn)品是專為可穿戴設(shè)備而設(shè)計(jì)的，具備微型、功能齊全、能耗低等特點(diǎn)。根據(jù)盲人輔助服裝的功能設(shè)定，在系統(tǒng)中使用的傳感器是防水超聲波測(cè)距傳感器，超聲波傳感器與紅外線傳感器相比較，具有較強(qiáng)的方向性，能夠精準(zhǔn)地進(jìn)行測(cè)量，而且超聲波傳感器能量消耗較慢，能夠識(shí)別透明物體，如玻璃等[12]。防水超聲波測(cè)距傳感器不同于傳統(tǒng)超聲波距離傳感器，其在探測(cè)部位采用防水全封閉設(shè)計(jì)，超聲波的收發(fā)集于一體，這樣的設(shè)計(jì)方便在戶外場(chǎng)景中使用，尤其是在雨天中使用，該傳感器在測(cè)量精度與美觀度上也有很大的提升。盲人輔助服裝中使用的執(zhí)行器是LilyPad Buzzer，這是一款為L(zhǎng)ilyPad配套設(shè)計(jì)的蜂鳴器，其在使用上十分方便，只需要占用LilyPad單片機(jī)的2個(gè)串口,就可以根據(jù)程序的設(shè)置實(shí)現(xiàn)聲音的變化，這款蜂鳴器還具備聲音大、不刺耳的特點(diǎn)。

2.1 電路設(shè)計(jì)

盲人輔助智能服裝的基本工作原理是，在服裝上安裝的3個(gè)超聲波傳感器，可以主動(dòng)發(fā)出超聲波并進(jìn)行距離探測(cè)，服裝的控制核心會(huì)對(duì)3個(gè)超聲波傳感器傳回的信號(hào)分別進(jìn)行距離判斷,當(dāng)其中任意一個(gè)傳感器探測(cè)到的距離處于預(yù)設(shè)報(bào)警距離時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)聲報(bào)警，蜂鳴器將會(huì)根據(jù)人與障礙物距離的遠(yuǎn)近改變提示音，當(dāng)距離遠(yuǎn)時(shí)，聲音是高頻低音，當(dāng)距離變近時(shí)，聲音就會(huì)變?yōu)榈皖l高音[13]。盲人輔助服裝電路系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)見圖1。盲人輔助服裝電路硬件連接見圖2。

圖1 盲人輔助服裝電路系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

圖2 盲人輔助服裝電路硬件連接

2.2 電路連接設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的盲人輔助智能服裝，在硬件連接中沒有使用由絕緣皮包裹的傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線，而采用了一種導(dǎo)電縫紉線，該導(dǎo)電縫紉線的柔軟性良好，同時(shí)還具備抗彎折能力強(qiáng)和拉伸強(qiáng)度高等特點(diǎn)，埋藏在服裝中不會(huì)有明顯的異物感，導(dǎo)電縫紉線見圖3。

圖3 導(dǎo)電縫紉線

由于紡織導(dǎo)電縫紉線沒有絕緣層，所以在進(jìn)行服裝布線的時(shí)候，需要使用普通縫紉線將各個(gè)導(dǎo)電線隔離，防止其相交造成電路短路。盲人輔助智能服裝的硬件與導(dǎo)線之間是可拆卸的，通過金屬按扣與接線端子將導(dǎo)線與硬件連接，該設(shè)計(jì)可以讓服裝內(nèi)的電路系統(tǒng)，在具有良好信號(hào)穩(wěn)定性的同時(shí)，也具備了可拆卸性。根據(jù)實(shí)際需求可拆卸電子硬件，從而實(shí)現(xiàn)該智能服裝的可水洗功能，金屬按扣連接方式見圖4，接線端子連接方式見圖5。

圖4 金屬按扣連接方式

圖5 接線端子連接方式

2.3 程序邏輯設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Arduino IDE軟件中對(duì)單片機(jī)中所使用到的程序進(jìn)行編寫，通過主控制芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)硬件部分的控制。主程序邏輯設(shè)計(jì)如圖6示。

圖6 主程序邏輯圖

超聲波傳感器3點(diǎn)測(cè)距代碼如下所示:

int selectDistance(int distance1,int distance2,int distance3){

if(distance1==distance2 || distance1==distance3)

return distance1;

else if(distance2==distance3)

return min(distance1,distance2);

else

return min(min(distance1, distance2), distance3);

部分判斷程序代碼如下所示:

if(distance>80&distance<150){

for(int x=0;x<180;x++){

sinVal=(sin(x*(5/180)));

toneVal=(int(sinVal*100000));

tone(10,toneVal);

delay(2);

}

}else if(distance<80&distance>0){

for(int x=0;x<180;x++){

sinVal=(sin(x*(3.1412/180)));

toneVal=2000+(int(sinVal*1000));

tone(10,toneVal);

delay(2);

}

}else{

noTone(A);

}

3 盲人輔助服裝設(shè)計(jì)方案

3.1 款式設(shè)計(jì)

盲人群體有視覺障礙，不能像平常人那樣可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別一件服裝的正反及服裝的顏色。盲人失去了視覺，僅僅依靠聽覺與觸覺去感知世界，很容易造成安全感的缺失。本文根據(jù)盲人的部分特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款半開拉鏈翻領(lǐng)衛(wèi)衣。當(dāng)盲人穿上這款衛(wèi)衣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種包覆感，通過這種方式讓盲人的安全感得到一定的提升。盲人可以根據(jù)拉鏈或者領(lǐng)子的位置快速識(shí)別服裝的正反，同時(shí)還可以根據(jù)設(shè)置在服裝背面的顏色識(shí)別卡，來(lái)確定所穿服裝的顏色。顏色識(shí)別卡是用3個(gè)凸起半球來(lái)代表服裝顏色，凸起半球以時(shí)鐘刻度的形式均勻分布在圓盤上，不同顏色代表的凸起半球在顏色識(shí)別卡上分布的位置不同，盲人可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的顏色位置，通過觸摸得知此件衣服的顏色。此款服裝還設(shè)計(jì)了多個(gè)口袋，盲人可以根據(jù)物品放置的位置，方便快捷地找到所需要的物品。根據(jù)人體肢體的動(dòng)作特點(diǎn)，在服裝上肢常動(dòng)部位與后背位置設(shè)計(jì)了反光帶，這在一定程度上也提高了盲人夜間出行的安全性。盲人輔助服裝正背款式圖如圖7所示。

圖7 盲人輔助服裝正背款式圖

3.2 面料的選擇

盲人輔助服裝的面料采用了TPU貼膜的緯編雙面針織物，織物正反兩面均可以看見正面線圈，織物成分為100%滌綸，其具有防水、透氣、彈性適度等特點(diǎn)，而且還具有良好的耐磨性與柔韌性，一般用于戶外服裝。

3.3 傳感器及其他硬件定位

在對(duì)服裝的研究過程中，使用OptiTrack 全身動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，采集測(cè)試者模擬盲人使用普通盲杖行走時(shí)，貼在服裝表面標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息。通過對(duì)輸出圖像與輸出數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)模擬盲人使用盲杖時(shí)，手臂會(huì)在身體正前方做左右以及上下掃擺動(dòng)作，如果在掃擺動(dòng)作范圍內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器，會(huì)讓電子系統(tǒng)造成誤判提醒。因此綜合左右手臂的活動(dòng)范圍，在上肢動(dòng)作范圍死角所對(duì)應(yīng)的服裝位置上設(shè)置一個(gè)超聲波傳感器。當(dāng)測(cè)試者做轉(zhuǎn)體動(dòng)作時(shí)，設(shè)置在測(cè)試者左右肩部標(biāo)志點(diǎn)連線的旋轉(zhuǎn)角度，與身體的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度相一致，所以在身體正前方的左右肩部位置各設(shè)置一個(gè)超聲波傳感器。

據(jù)相關(guān)研究[14]顯示，盲人雖然失去了視覺能力，但在聽覺方面的能力得到了極大的提高，所以將蜂鳴器設(shè)置于左領(lǐng)的下方，可以讓盲人及時(shí)清晰的收到報(bào)警信息。通過調(diào)節(jié)縮小蜂鳴器聲波的傳播范圍，在一定程度上保護(hù)了盲人群體的隱私，減少了心理上的不適感?？刂坪诵牡臄[放位置，以到各個(gè)硬件設(shè)備距離最短為原則，并且將其放在服裝的中心位置，使得整件盲人輔助服裝更加美觀。

4 服裝效果測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

為保證實(shí)驗(yàn)的安全性與數(shù)據(jù)結(jié)果的科學(xué)性，本文實(shí)驗(yàn)選取6名身高均為172 cm的男性在校大學(xué)生，他們將完成2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：蒙眼繞行多組障礙物、轉(zhuǎn)彎直行；躲避固定墻面。將6名測(cè)試者分為2組，每組3人，第1組測(cè)試者僅手持普通盲杖進(jìn)行測(cè)試，第2組測(cè)試者手持普通盲杖并身穿盲人輔助智能服裝進(jìn)行測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，每位測(cè)試者預(yù)先佩戴眼罩，手持盲杖進(jìn)行20 min的自由活動(dòng)，保證測(cè)試者熟悉黑視環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)一的內(nèi)容是2組蒙眼測(cè)試者在陌生場(chǎng)地中進(jìn)行繞行多組障礙物、轉(zhuǎn)彎直行能力測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，由工作人員帶領(lǐng)測(cè)試者到測(cè)試場(chǎng)地開始行走測(cè)試，并記錄通過測(cè)試內(nèi)容的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)一的判定標(biāo)準(zhǔn)為：測(cè)試者通過所有障礙物且不撞上障礙物，最后到達(dá)指定位置就表示測(cè)試成功，否則表示測(cè)試失敗。在測(cè)試完成后，記錄2組蒙眼測(cè)試者在測(cè)試時(shí)的主觀感受，并對(duì)描述內(nèi)容進(jìn)行比較分析。

實(shí)驗(yàn)二的內(nèi)容是2組蒙眼測(cè)試者躲避固定墻面反應(yīng)能力的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，由工作人員帶領(lǐng)測(cè)試者到距離墻面5 m遠(yuǎn)的固定點(diǎn)位處，測(cè)試者面向墻面開始行走測(cè)試，記錄測(cè)試者從開始出發(fā)到發(fā)現(xiàn)障礙物并轉(zhuǎn)身的時(shí)長(zhǎng)，通過對(duì)比時(shí)長(zhǎng)來(lái)比較測(cè)試者躲避固定墻面的反應(yīng)能力。在實(shí)驗(yàn)二中的時(shí)間記錄原則為，以測(cè)試者邁出第1步作為時(shí)間記錄的開始點(diǎn)，以測(cè)試者轉(zhuǎn)身作為時(shí)間記錄的終止點(diǎn)。

4.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)一測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在第1組僅使用普通盲杖進(jìn)行蒙眼測(cè)試的3位測(cè)試者中，僅有1位測(cè)試者通過了測(cè)試且耗時(shí)較長(zhǎng)，其他2位測(cè)試者分別因?yàn)闊o(wú)法走出測(cè)試區(qū)域或多次撞上障礙物導(dǎo)致測(cè)試失敗。第2組使用普通盲杖并穿著盲人輔助智能服裝的3位測(cè)試者中，有2位測(cè)試者順利準(zhǔn)確的通過了測(cè)試區(qū)域，另1位測(cè)試者在測(cè)試過程中輕微撞上了障礙物，但最后也通過了測(cè)試區(qū)域。結(jié)果表明穿著盲人輔助服裝后，對(duì)于測(cè)試者蒙眼行走有一定的幫助，可以提高測(cè)試者通過障礙區(qū)域的速度與準(zhǔn)確性。

6位測(cè)試者對(duì)進(jìn)行蒙眼行走測(cè)試時(shí)的感受描述如下。第1組測(cè)試者在蒙眼行走測(cè)試過程中，表示會(huì)有輕微的焦慮感與緊張感，缺乏安全感，感覺四肢冰冷，身體局部有汗液出現(xiàn)。第2組測(cè)試者在蒙眼行走測(cè)試過程中，表示僅有緊張感，無(wú)明顯不適感。因此穿著盲人輔助服裝在一定程度上可以提高人體的舒適感與安全感，減少心理上的緊張情緒。

實(shí)驗(yàn)二的測(cè)試結(jié)果如表2所示。可知，僅使用普通盲杖進(jìn)行蒙眼躲避固定墻面的3位測(cè)試者，發(fā)現(xiàn)障礙物并轉(zhuǎn)身所耗費(fèi)的時(shí)間明顯多于穿著盲人輔助智能服裝的測(cè)試者。結(jié)果表明盲人輔助智能服裝在一定程度上提升了盲人躲避障礙物的反應(yīng)速度。

表2 實(shí)驗(yàn)二測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從服裝的功能設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)等方面，對(duì)盲人輔助智能服裝進(jìn)行了研究，以超聲波傳感器的測(cè)距功能為基礎(chǔ)，提出了一種針對(duì)盲人出行安全的智能輔助服裝設(shè)計(jì)方法，以及2種盲人輔助智能服裝效果測(cè)試方法，得出這款盲人輔助智能服裝可以幫助盲人快速識(shí)別并躲避障礙物的結(jié)論。同時(shí)服裝的顏色識(shí)別設(shè)計(jì)、夜間出行安全設(shè)計(jì)，使得盲人輔助智能服裝在使用過程中更加人性化與合理化。

隨著社會(huì)大眾對(duì)盲人群體關(guān)注度不斷地增加以及科技水平的不斷提高，專為盲人群體設(shè)計(jì)的智能服裝在一定程度上將改變他們的生活方式。本文的盲人輔助智能服裝的設(shè)計(jì)思路以及服裝效果測(cè)試方法，可為盲人群體智能服裝提供參考。