基于人機協作系統的視障者輔助設備優化設計研究

王士順

關鍵詞：人機協作系統;視力障礙;輔助設備設計

據估計，全世界至少有 22 億人患有中度或重度視力障礙（世界衛生組織，2021 年）[1]。在全球，殘疾人中最常見的障礙是視力障礙，視障人士的比例最高。盲人或視障人士在進行日?；顒訒r會遇到許多困難，例如獨立的從一個地方移動到另一個地方[2]。盡管他們簡單且負擔得起，但訓練有素的狗和手杖無法為視障人士提供安全出行所需的所有信息。這種對更可靠的導航和定向方法的需求，促使研究人員使用新技術來開發視障人士專用的輔助系統。但在視障人士實際的使用過程中也出現了很多問題。文章將綜合輔助設備的優缺點完善基于人機協作系統的優化設計。

1 概念闡述

1.1 人機協作系統

“協作系統理論”是社會系統學派創始人巴納德在研究組織問題時提出的理論。他認為，“任何一個組織都是一個協作系統，雖然其是由個人組成，但是個人只有通過與他人的協作才能發揮作用”。協作系統有三個協作要素：（1） 協作意愿;（2） 共同目標，協作意愿以共同目標為前提，而目標實現以協作意愿為基礎;（3） 信息聯系，其作用在于溝通上述兩個要素的聯系，使它們成為一個動態發展的過程。人機協作系統理論在協作理論的基礎上又包含了人機交互、人機融合和人機共創三大部分[3]。人機協作系統更加注重人和機器在同一系統、不同維度的變化，在協作系統范圍內，注重不同側面，人的認知和行為注重的是心理建設層面，較為主觀，而機器的認知層面則側重于物理方向，較為客觀[4]。兩者雖然存在不一致性，但僅單方面考慮機器而忽略人的協作方式，會使機器產生的數據缺少相對變化性，不能達到目標效果。較早關于人機協作系統的研究是在人機協作一體化方法上采用人機共同合作策略，注重的是人和機器之間的關系、人和人之間的關系[5]。

1.2 視障移動輔助設備

電子助行器可以是主動的，也可以是被動的。主動助行器收集環境信息，并將其轉化為視障人士用戶可以感覺感知的形式;被動出行輔助設備包括不同類型的攝像頭和旨在提高視障人士用戶移動性的高復雜度算法。但與更詳細、更準確的環境信息同樣重要的是易于攜帶。

2 現有視障人士輔助設備的問題

正如多位研究人員所指出的，任何旨在促進殘疾人士生活和融入的輔助設備都應考慮用戶的需求和意愿[6]。然而現有視障人士輔助設備的問題主要體現在以下幾方面：（1） 大量的電子旅行輔助設備或可穿戴避障電子助行器，目標定位均在產品的品質功能，以及對視障人士提供有效的幫助;（2） 在設備的設計開發過程中，收集的信息不是作為開發過程的一部分，而是作為提供最先進系統和比較概覽的標準;（3） 視障輔助設備的實際作用與視障人士的使用需求并不匹配，并未從視障者的實際使用過程中進行評估反饋到整個設計的開發過程中。因此，它們似乎都不能滿足視障人士的需求，這表明在研究過程中沒有充分考慮視障者的需求。

3 視障者輔助設備優化設計的意義

首先，這項工作的意義之一是在設計之初便提出要考慮視障人士的意見，使輔助設備特征能夠更好地滿足用戶的需求。其次，用戶參與輔助設備開發的不同階段將有助于開發更強大和可靠的解決方案。再次，通過優化設計可以幫助視障人士群體采用前沿的、先進的設備。然而，最近的一些調查指出，只有少數輔助系統能夠滿足視障人士的需求，這反過來也表明視障人士的意見在開發過程中很少考慮。因此，視障者輔助設備優化設計最重要的意義是可以讓視障人士群體更積極地參與輔助系統的開發中，協同整個設計過程，并開發出更好的解決方案。

4 視障者輔助設備優化設計的整體流程

文章中提出的人機協作系統的整體優化流程，應該是在個人研究機器的基礎上，通過與他人的協作或協同完成工作，具體表現為既要表達開發人員本身的設計觀點，又要結合參與人員的需求，使整個過程達成最后共有的目標行為，形成系統化的設計選擇和設計需求。使信息能夠聯通分享，使視障者輔助設備優化設計成為一個動態的發展過程。比如，協作系統輔助設備的設計要求是能夠檢測到用戶面前的任何障礙物及潛在的危險。每當檢測到障礙物時，與它的接近度和高度相關的信息都會通過音頻消息和振動警報傳遞給用戶。關于障礙物高度，考慮了三個垂直水平：足部水平、軀干水平和頭部水平。此外，該系統還應包括實用操作、免提、可充電電池操作、輕巧便宜等，如圖1 所示。

4.1 人機協作系統的協作設計

4.1.1 人機協作系統輔助設備的調查過程

為了讓最終用戶更積極地參與開發過程，文章使用了3 項調查來收集他們的意見和建議。分別包括：（1） 你知道視障人士的電子輔助設備嗎？請告知品牌或者名稱;（2） 您認為電子輔助設備應包括哪些功能;（3） 如果系統是可穿戴的，你想如何使用它。10名年齡在 20 至 60 歲之間的視障人士受試者參與了調查。

4.1.2 根據調查需求和意愿選擇輔助設備

障礙物檢測設備由三個傳感器實現：兩個 HC-SR04 超聲波傳感器和一個GP2Y0A02YK0F 紅外傳感器。具體來說，HCSR04由高頻超聲波脈沖的發射器和接收器組成，當傳感器處于活動狀態時，這些脈沖會不斷地在空氣中傳播。傳感器和障礙物之間的距離可以通過測量超聲波脈沖返回傳感器所用的時間，并將其乘以空氣中的聲速來估計。該傳感器的精度為 3 mm，成本相對較低。由于其檢測范圍和視角可以結合兩個傳感器來檢測用戶前方 4 米范圍內的障礙物，無論是頭部還是軀干水平。紅外傳感器用于檢測腳下的障礙物和落差，與其對應的超聲波傳感器一樣，紅外傳感器也能抵抗電磁干擾。但是，它們的性能可能會受到環境光照條件和反射表面的影響。盡管如此，這些傳感器也經常用于為視障人士開發電子輔助系統，因為它們具有較高的方向靈敏度且成本較低。文章使用的兩個超聲波傳感器和紅外傳感器的布置如圖2 所示。

ATmega328 微控制器嵌入在 Arduino Nano 板中，處理傳感器提供的信號，并控制用于聽覺和振動警報的電子設備。ISD1760音頻錄制或者播放模塊用于傳遞與障礙物的語音消息。

4.2 人機協作系統輔助設備動態操作

協作系統的操作過程是由使用 Arduino 開源環境以 C++ 編程語言編寫的代碼控制。參數初始化后，依次連續記錄每個傳感器提供的距離值。HC-SR04 傳感器以 100 毫秒的延遲觸發，以避免超聲波脈沖之間的任何干擾。如果兩個超聲波傳感器提供的距離值都低于閾值，則會向用戶發送一條語音消息，告訴用戶“前方有垂直障礙物”（例如，墻壁或門）。相反，如果只有一個超聲波傳感器提供的距離值低于閾值，則傳遞給用戶的語音消息將取決于哪個傳感器報告的距離較近。例如，如果放置在頂部的超聲波傳感器報告較近的距離（參見圖2），則會發送一條語音消息，告訴用戶“頭部有障礙物”。距離值越短，變頻電機的振動強度越高。關于乘坐交通工具上下車，如果紅外傳感器提供的距離值大于下車閾值，則會生成高強度振動警報和語音消息。該閾值是在測量在地面上朝下樓梯行走時紅外傳感器報告的距離變化后設置的。傳感器報告的距離在平面上約為 110 cm，但當傳感器與下樓梯之間的距離小于 2 m 時，該距離會急劇增加（超過 450cm）。相反，當發現腳部水平的障礙物時，紅外傳感器報告的距離會減小，因此系統中也會包含相應的警報。

4.3 人機協作系統視障者輔助設備的性能評估

文章進行了一系列測試來分析所提出系統的性能。在參與研究之前獲得了他們的意愿和同意，所有實驗均由訓練有素的工作人員和老師進行監督。10 名視障人士用戶自愿參加了測試，并選擇了兩種不同的導航場景來模擬幾個真實世界的條件。對于在室內進行的第一個測試，視障人士用戶被要求直線行走，直到到達墻壁。三個障礙物、一個在頭部水平、一個在軀干水平、一個在腳水平，交替放置在起點和終點之間（如圖3a）。一旦檢測到障礙物，參與者必須根據其高度報告發出語音消息。一名訓練有素的工作人員幫助視障人士用戶在檢測到障礙物時轉向何處。第二項測試與前一項類似，不同之處在于該測試是在室外進行的，受試者必須在到達終點之前避免下臺階（如圖3b）。文章允許視障人士志愿者在績效評估階段使用白手杖。

整個實驗過程中協作系統的視障者輔助設備如圖4 所示，測試過程中同時總結了第一次調查的答案分布。當被問及他們是否知道任何針對視障者的電子輔助設備時，大多數參與者（73%）的回答是否定的（問題 1）。第二個問題為電子輔助設備應包括哪些功能？視障人士受訪者認為最重要的功能應該是舒適、易于使用和障礙物檢測警報。當參與者被問及他們想如何使用電子輔助設備時（問題3），大多數人認為他們更喜歡把它戴在腰上，就像系上腰帶一樣。

雖然在第一次測試中正確檢測和識別了頭部、軀干和足部的障礙物，但在第二次測試的十二次試驗中有四次沒有檢測到足部障礙物。相反，所提出的系統能夠檢測到的后一種情況所有下降。系統在室內進行測試時成功檢測到足部障礙物，但在室外進行測試時，十二次試驗中有四次失敗。一種可能是紅外傳感器的性能受到環境光照條件（例如，陽光）的影響。對環境光的高靈敏度是基于紅外檢測系統的一個主要缺點[7]。解決此問題的另一種方法是將 GP2Y0A02YK0F 紅外傳感器替換為另一個可調節靈敏度的紅外傳感器。因此，從亮度傳感器獲取的數據可使腳部障礙物的檢測更加可靠。然而，它可能會增加計算負擔、功耗和經濟成本。另一種選擇是用另一個超聲波傳感器替換紅外傳感器，這也可以防止由于反射表面而導致的錯誤檢測。然而，由于多個前視圖對齊的超聲波傳感器產生的寬感應場，檢測誤差可能會增加。相反，紅外傳感器的感應范圍較窄，因此在精心選擇方向時它們可能會表現良好。

5 總結與展望

5.1 總結

白手杖用戶無法檢測到頭頂障礙物，因此各種視覺輔助設備包括多個傳感器，為視障人士用戶提供垂直平面的全覆蓋。先前的研究報告稱，當與振動警報結合使用時，聽覺反饋已廣泛用于視障人士的輔助設備中[8]。聽覺警報的優勢包括更詳細的周圍環境信息和最佳導航路線建議。盡管如此，開發人員仍需要對輔助設備可以傳遞的預錄消息的數量和持續時間保持謹慎，尤其是在播放消息會干擾障礙物檢測的情況下。協作系統提供的語音指令會持續 1.2 秒到 1.5 秒。未來的工作可能包括將音頻消息與其他形式的聽覺反饋相結合，例如嗶嗶聲序列、音樂聲和雙耳聲學。

在績效考核階段，實驗允許視障人士志愿者使用白手杖。令人驚訝的是，大多數參與者沒有使用它。當被問及解釋時，視障人士用戶回答說，他們希望能夠使用不顯眼且視覺上不引人注意的設備，因此一些研究人員也要考慮他們的想法和需求。

5.2 展望

協作系統的一個限制是無法為視障人士用戶提供精準的方向信息。盡管能夠在三個不同的高度檢測用戶正前方的物體，但文章的原型并未提供有關用戶周圍環境的信息。提供方向和導航消息的能力是視障人士專用輔助設備應滿足的主要功能之一。這種信息可以幫助用戶到達特定目的地或確定最安全的路線。盡管如此，視障人士用戶通常會向前走，他們對更遠的橫向障礙不太感興趣。對于視障人士用戶來說，必須在所有高度檢測他們正前方的物體，尤其是當障礙物可能導致跌倒或受傷時（例如，墜落、樹枝）。因此，實驗決定一次解決一個問題，并專注于開發能夠檢測三個不同高度障礙物的原型。文章的其他局限性還包括在績效評估階段使用的場景數量較少。此外，樣本量也比較少。然而，這項工作可能有助于鼓勵其他研究人員參與到開發過程中，有助于視障人士融入社會。