一種色溫感受輔助裝置的設(shè)計

李 芯 徐春梅 張慶樂

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 武漢：430080)

一種色溫感受輔助裝置的設(shè)計

李 芯 徐春梅 張慶樂

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 武漢：430080)

設(shè)計了一款可供視覺障礙人士使用的色溫感受輔助裝置，可將環(huán)境色溫轉(zhuǎn)換為可觸摸溫度，從而使視覺障礙人士可以間接感受環(huán)境色溫，輔助其判斷環(huán)境顏色狀態(tài)，有助于該人群生活品質(zhì)的提高。文中對該裝置進(jìn)行了功能原理設(shè)計及初步的總體設(shè)計，重點介紹了該裝置的部件布置和主機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，為后續(xù)研究和商品化提供思路。

視覺障礙；色溫；顏色傳感器；溫度傳感器；半導(dǎo)體制冷制熱

自2012年6月13日國務(wù)院第208次常務(wù)會議通過《無障礙環(huán)境建設(shè)條例》以來，無障礙設(shè)施建設(shè)和無障礙信息交流建設(shè)都在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，殘疾人環(huán)境狀況指數(shù)逐年上升。借由2016年末湖北省第二屆“仁愛家和杯”殘疾人輔助器具創(chuàng)新設(shè)計大賽的契機(jī)，筆者設(shè)計了一款可供視覺障礙人士使用的輔助裝置，該裝置可以將視覺看見不同環(huán)境色溫時產(chǎn)生的心理感受轉(zhuǎn)化為溫度的變化，方便使用者采用觸摸的方式來感覺周圍環(huán)境的色溫狀態(tài)。

1 功能原理設(shè)計

圖1所示為色溫感受輔助裝置功能分解的功能樹，它將裝置總功能分解為各級分功能，以便分析總功能實現(xiàn)的可行性和尋求最終的解決方案。

圖1 色溫感受輔助裝置功能分解的功能樹

根據(jù)功能樹的描述，筆者考慮采用顏色傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)和半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)等來完成其主要功能，其他無障礙輔助功能則依靠無線充電技術(shù)、藍(lán)牙通訊技術(shù)和蜂鳴器等實現(xiàn)。經(jīng)過多次實驗的分析和測試，筆者選定了功能原理方案，并繪制了色溫感受輔助裝置主要功能的控制流程圖， 見圖2。

圖2 色溫感受輔助裝置主要功能控制流程圖

2 總體設(shè)計

2.1 造型設(shè)計

綜合考慮人、機(jī)、環(huán)境和目標(biāo)客戶群體的使用特點的要求和矛盾，筆者將該裝置在無法目視使用時的安全、易雙手握持、易使用、不易損壞等作為外觀設(shè)計的重點。主機(jī)的外觀設(shè)計為最大直徑為150mm的蛋形，充電座的外觀設(shè)計為巢形，充電時只需將“蛋”放入“巢”中，即可完成無線充電，見圖3。

圖3 色溫感受輔助裝置造型設(shè)計示意圖

2.2 部件布置設(shè)計

模塊化設(shè)計的產(chǎn)品便于生產(chǎn)、組裝、維修、升級和回收，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)流程，故色溫感受輔助裝置采用模塊化設(shè)計。主機(jī)部分由傳感支撐、散熱控溫和充電控制三大部件構(gòu)成，如圖4～圖6所示。安裝時，將傳感支撐部件的中空支撐桿穿過其他兩個部件的中央孔(圖7)，用專用工具鎖緊六角螺母和扣緊螺母，最后合上充電控制部件的底蓋。顏色傳感器和環(huán)境溫度傳感器集成在主機(jī)頂端，最大程度避免遮擋、裝置自身熱量和人體溫度等因素的影響，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。半導(dǎo)體的散熱體設(shè)計在雙手握持時不易碰觸到的主機(jī)上半部，金屬感溫片布置在握持時食指方便觸碰的主機(jī)最大處直徑，保證非目視情況下的使用便利性。主機(jī)的下半部分是充電控制部件，在方便充電、接駁控制線等的同時，降低主機(jī)重心，增加放置的平穩(wěn)度和握持時的舒適度。充電座布置設(shè)計見圖8。

圖4 主機(jī)傳感支撐部件示意圖

圖5 主機(jī)散熱控溫部件示意圖

圖6 主機(jī)充電控制部件示意圖

圖7 組裝好的主機(jī)內(nèi)部部件布置示意圖

圖8 充電座內(nèi)部部件布置示意圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

該裝置依靠手部觸摸感溫片獲得溫冷感覺來判斷環(huán)境色溫帶來的心理感受，故需考慮觸摸溫度的安全。查標(biāo)準(zhǔn)可知人體皮膚接觸溫度的安全范圍約為0-42℃，考慮安全系數(shù)，感溫片的溫度變化范圍設(shè)計在2-40℃。雖然每個人的手部溫度基本相同，但人的手溫會隨環(huán)境溫度產(chǎn)生變化，保持在比環(huán)境溫度高5℃左右。為了克服環(huán)境溫度帶來的影響，該裝置需使用環(huán)境溫度與感溫片的溫度差來作為半導(dǎo)體制冷制熱時的目標(biāo)值。充分考慮上述條件和人手部溫度感應(yīng)敏感程度等因素，設(shè)計色溫感受輔助裝置的色溫分檔控制標(biāo)準(zhǔn)如下，見表1。

表1 色溫感受輔助裝置色溫分檔及控制標(biāo)準(zhǔn)

色溫感受輔助裝置主機(jī)工作時，首先開啟環(huán)境溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，當(dāng)溫度處于安全范圍時，裝置正常啟動，顏色傳感器感知光信號，通過計算得到相應(yīng)色溫值，并將該數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)電壓信號的大小將輸出信號歸入1、2、3檔，判定半導(dǎo)體制冷制熱片的極性控制，即決定制熱、不啟動或制冷。隨后單片機(jī)以5s為時基對半導(dǎo)體制冷制熱片循環(huán)通電，同時以熱電阻檢測感溫片的溫度，直到感溫片達(dá)到目標(biāo)溫度(見表1)，單片機(jī)停止對其通電，此時用手觸摸感溫片就可以感知當(dāng)前色溫下看見周圍環(huán)境時的心理感受了。根據(jù)以上分析，選取合適的硬件并設(shè)計主機(jī)控制電路如下，見圖9。充電座內(nèi)的控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能為充電、尋找主機(jī)與被尋找蜂鳴，采用無線充電技術(shù)與藍(lán)牙通訊技術(shù)完成，此兩種技術(shù)均為成熟技術(shù)，故文中不再詳細(xì)表述。

圖9 主機(jī)控制電路圖

3 小結(jié)

筆者設(shè)計的色溫感受輔助裝置采用顏色傳感器和半導(dǎo)體制冷制熱技術(shù)，將不同環(huán)境色溫引起的心理冷暖感受轉(zhuǎn)換為肢體觸覺上的冷暖感覺，可以幫助視覺障礙人士感受環(huán)境色溫的冷暖。另外，該裝置外觀圓潤光滑，可提高觸摸使用的安全性；使用巢形無線充電座，主機(jī)放入時自動對中，無需目視對準(zhǔn)；使用溫度反饋控制，保障感溫片溫度位于皮膚接觸的安全范圍；運(yùn)用藍(lán)牙通訊技術(shù)與蜂鳴器，提高充電時主機(jī)與充電座之間的尋找效率。從多個角度提升了無障礙使用體驗。

當(dāng)然，該裝置還有一些不足，仍需后續(xù)研究來改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：人手對溫度溫度感覺的敏感程度和皮膚接觸溫度的安全范圍導(dǎo)致只能辨別三檔色溫；人對溫冷感覺有顯著的適應(yīng)現(xiàn)象，故裝置使用時需要一定的技巧；綜合考慮接觸安全和半導(dǎo)體制冷制熱的特性，裝置使用時對環(huán)境溫度有所限制；半導(dǎo)體制冷時有冷凝現(xiàn)象，裝置要嚴(yán)格密封處理等。相信隨著研究的深入和科技的不斷發(fā)展，最終該裝置能夠商品化，幫助視覺障礙人士更好地感受生活。

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DesignofAuxiliaryColorTemperatureSensor

Li Xin Xu Chunmei Zhang Qingle

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

This paper introduces the design of an auxiliary color temperature sensor which can transfer surrounding color temperature to touchable temperature, so that people with vision disorder can feel their surrounding color temperature and live an easier life with the aid of this device. This paper describes basical theories and general design of this sensor with stress on layout of different parts and the main controlling system, hoping to provide reference to further study and commercialization of the product.

vision disorder; color temperature; color sensor; temperature sensor; semiconductor heating and cooling

TP216

A

1671-3524(2017)03-0036-04

2017-08-15

2017-08-25

李 芯(1982～)，女，碩士，講師.E-mail：akira7@foxmail.com

(責(zé)任編輯：李文英)