盲人用簡(jiǎn)易聲控跑步機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及市場(chǎng)調(diào)研

周辰菲 尤鳴宇

摘? 要：目前關(guān)于盲人群體的科學(xué)研究多聚焦在如何安全出行等最基本的生活問題上，但是盲人群體在健身運(yùn)動(dòng)上所遇到的困難也是需要認(rèn)真對(duì)待的重大社會(huì)問題。本研究的課題是如何幫助盲人進(jìn)行方便安全的健身運(yùn)動(dòng)，提高盲人的身心健康。為了解決上述問題，本研究開發(fā)了可以簡(jiǎn)單安裝于現(xiàn)有跑步機(jī)上的聲控按鈕位置引導(dǎo)用機(jī)器人GuideRobot，同時(shí)對(duì)該產(chǎn)品的市場(chǎng)前景等方面也進(jìn)行了充分地調(diào)研及分析。論文也匯報(bào)了GuideRobot的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)，并在現(xiàn)有的跑步機(jī)上進(jìn)行了安裝調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該設(shè)備可以通過語音來引導(dǎo)盲人快速地尋找到關(guān)鍵按鍵的位置。市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果也得出了該產(chǎn)品對(duì)于盲人群體，尤其是后天盲人群體的健身運(yùn)動(dòng)有著一定程度的幫助作用。

關(guān)鍵詞：盲人健身需求;聲控跑步機(jī);GuideRobot開發(fā)

全球范圍內(nèi)，每年有數(shù)10萬因車禍、疾病及過度疲勞導(dǎo)致的后天性失明，有近10億人患有尚未解決的視力障礙[1]。這10億人中包括因屈光不正的患者1.237億人、白內(nèi)障患者6520萬人、青光眼患者690萬人、角膜混濁患者420萬人、糖尿病視網(wǎng)膜病變患者300萬人和沙眼患者200萬人[2]。因?yàn)樯鲜黾膊《鴮?dǎo)致的視力嚴(yán)重下降或視網(wǎng)膜脫落、受損的中度或重度失明患者也不在少數(shù)。這些人統(tǒng)稱為后天性致盲的盲人。后天失明的盲人因難以接受突然失明造成的心理壓力，絕大部分都會(huì)產(chǎn)生心理疾病，輕者易患憂郁癥，重者悲觀絕望，更甚者會(huì)產(chǎn)生輕生的念頭，或嚴(yán)重暴力傾向[3]。所以相對(duì)于先天失明的盲人，后天失明的盲人是個(gè)更加容易被忽視的弱勢(shì)群體。

盲人和正常人一樣，需要人際交往和社會(huì)生活，這一切的基礎(chǔ)是和普通人一樣健康的身體。健康的身體源于合理的飲食和必要的鍛煉。實(shí)際上，鍛煉不僅能幫助保持身體機(jī)能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，維持健康。它也是保持良好社交方式與健康心理的一味良藥。而且，即便是殘疾人，他們也希望在不求助于其他人，盡量利用輔助工具的前提下，可以和健康人一樣進(jìn)行日常生活鍛煉和社交活動(dòng)。這不僅僅是為了高質(zhì)量的生活，也是殘疾人維護(hù)自身尊嚴(yán)的一種基本的想法和要求[4，5]。

相對(duì)于室外運(yùn)動(dòng)，研究小組將目光落在更簡(jiǎn)單更安全的健身方法——室內(nèi)健身運(yùn)動(dòng)。即便是室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，我國目前也很少有專門服務(wù)于盲人室內(nèi)運(yùn)動(dòng)的器械和裝置。因此，研究小組目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款可以幫助盲人利用語音來安全使用目前健身房中的絕大多數(shù)跑步機(jī)的輔助設(shè)備，研究小組稱之為GuideRobot。

一、文獻(xiàn)綜述

（一） 盲人運(yùn)動(dòng)的重要意義與困難方面的研究

運(yùn)動(dòng)對(duì)于盲人是十分重要的。文獻(xiàn)[4]的研究顯示，視力的殘疾很容易造成盲人身體形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)方面的異常，比如很多盲人養(yǎng)成了低頭聳肩、弓腰縮頸、動(dòng)作笨拙、手腳運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)及晃頭晃腦、抖手、等不良形態(tài)。因此，體育鍛煉對(duì)與盲人來說具有特殊的意義，進(jìn)行體育鍛煉可以提高盲人的機(jī)體靈活性、皮膚的靈敏度和機(jī)體運(yùn)用等能力，并以彌補(bǔ)視覺缺陷[6，7]。此外，樸永馨[7]還指出，運(yùn)動(dòng)可以幫助盲人更好的融入社會(huì)。體育鍛煉提升盲人身體素質(zhì)與心理健康的發(fā)展。因此，合適的運(yùn)動(dòng)量能使盲人更好參與社會(huì)生活。雖然針對(duì)盲人的足球[9]和門球[10]等團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)有所開展，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到大面積的普及，使盲人朋友普遍受惠。根據(jù)王建宏[11]的統(tǒng)計(jì)，郭衛(wèi)等[12]也指出，寧夏某盲校表示，雖然盲生們很喜歡體育運(yùn)動(dòng)，但由于可供盲人使用的體育器材嚴(yán)重短缺，所以得不到很好的鍛煉。

（二）? 目前為盲人特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備的綜述

有一種設(shè)備被稱作導(dǎo)盲眼鏡[13]，它的三個(gè)核心科技即是超聲波、電子芯片以及語音合成模塊。在盲人出行時(shí)此項(xiàng)設(shè)備通過發(fā)射超聲波并計(jì)算聲波發(fā)射至接受的時(shí)間長度從而判斷出障礙物距離人的遠(yuǎn)近。另一項(xiàng)設(shè)備是智能盲人出行輔助設(shè)備，這一設(shè)備統(tǒng)共由兩部分組成：眼鏡[13]和拐杖[14]。其具備多種功能，如震動(dòng)功能，方位功能，GPS定位功能及報(bào)警功能等。上述絕大部分的盲人用智能產(chǎn)品都緊緊圍繞著盲人日常出行為目的而開發(fā)的，但是針對(duì)盲人室內(nèi)運(yùn)動(dòng)類產(chǎn)品基本上還是空白，有待人們研究開發(fā)。

二、 市場(chǎng)調(diào)研的方法

本課題前期主要是針對(duì)盲人運(yùn)動(dòng)需求方面的調(diào)查研究。研究方法主要包括問卷調(diào)查、殘疾人組織和盲人學(xué)校及工作單位的訪談。

（一） 問卷調(diào)查

本問卷面向人群為浙江省殘疾人協(xié)會(huì)中后天性的盲人群體，問卷的發(fā)放方式有紙張發(fā)放與網(wǎng)絡(luò)問卷。問卷里面調(diào)查了盲人們的性別，年齡，收入，先天性失明還是后天性失明這些個(gè)人信息，這些信息可以幫助研究者劃分人群以及了解盲人群體是否可以負(fù)擔(dān)得起我們?cè)O(shè)計(jì)出來的跑步機(jī)。通過這份問卷，研究小組可以了解到受訪人群分類，收入水平，運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，使用健身器材的習(xí)慣，對(duì)跑步器材的喜好，不運(yùn)動(dòng)的原因和對(duì)為她們特別設(shè)計(jì)的設(shè)備的期待。

問卷最終得到了有效的答卷126份。本問卷是為了了解盲人對(duì)運(yùn)動(dòng)健身的需求，平時(shí)的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣和對(duì)運(yùn)動(dòng)器材的要求等這一系列問題。該問卷有效了解到盲人傾向性的運(yùn)動(dòng)類型，和什么樣的運(yùn)動(dòng)器材可以真正幫到他們運(yùn)動(dòng)。填寫本問卷的人群可以分為20歲以下，20到30歲，30到40歲，和40歲以上的人群。有效答卷中20歲以下13人，20到30歲24人，30到40歲39人，和40歲以上50人。

（二） 訪談?wù){(diào)查

在本調(diào)查研究中，線上線下的訪談內(nèi)容占了較大的部分。下面是我們的訪談?wù){(diào)查結(jié)果。

2.2.1? 殘疾人組織訪談

我們采訪了上海市盲人協(xié)會(huì)的工作人員來進(jìn)一步了解更多盲人的生活習(xí)慣。上面的問答記錄是訪談內(nèi)容的節(jié)選部分。本研究選擇去參訪殘疾人協(xié)會(huì)是為了擴(kuò)大研究樣本，讓研究小組得到的結(jié)論更加具有普適性。由于一些疫情的原因，小隊(duì)不能直接去殘疾人協(xié)會(huì)進(jìn)行直接采訪，但是小隊(duì)成員通過最了解他們協(xié)會(huì)當(dāng)中事情的工作人員進(jìn)行了一個(gè)訪談。殘疾人協(xié)會(huì)當(dāng)中不僅有后天性的盲人，還有先天性的盲人。通過對(duì)這個(gè)大樣本的研究，小隊(duì)得到了一個(gè)更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

2.2.2? 盲人按摩店訪談

小隊(duì)成員在盲人按摩店里采訪了他們的盲人師傅。選擇去采訪他們是為了了解他們的生活，他們代表了平時(shí)生活中的盲人，讓研究結(jié)論包括到更多人群，使結(jié)果更加豐富。經(jīng)過采訪，小隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)店里的盲人師傅都屬于后天性，這也讓小隊(duì)成員知道了他們的需求，得到了結(jié)論。

2.2.3? 跑步機(jī)廠家的訪談

為了更好地了解當(dāng)前市面上跑步機(jī)廠家是如何考慮盲人群體這個(gè)特殊人群，小隊(duì)成員也通過淘寶、線下實(shí)體和實(shí)際生產(chǎn)廠家的銷售人員的訪談來實(shí)際了解廠家目前是否有語音識(shí)別功能的跑步機(jī)，如果有大約價(jià)格是多少，是否是目前盲人能夠承受的范圍。如果目前沒有該類產(chǎn)品，是否有意愿和動(dòng)力來開發(fā)。

三、市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果

（一）調(diào)查問卷的結(jié)果

在調(diào)查的樣本當(dāng)中，有42%的男性，有58%的女性。他們半數(shù)左右為40歲以上的人群，收入64%都在2000元以上。填寫問卷的人群當(dāng)中，先天性失明和后天性失明的人數(shù)各占50%。

3.1.1? 盲人普遍缺少運(yùn)動(dòng)

如圖1（a）所示，根據(jù)調(diào)查，和預(yù)想的一樣，42%的人，也就是將近一半的人，是不做運(yùn)動(dòng)的。在剩下的那些做運(yùn)動(dòng)的人群里面，他們做的具體運(yùn)動(dòng)也是散步這一類的運(yùn)動(dòng)，沒有太大的運(yùn)動(dòng)量，也達(dá)不到運(yùn)動(dòng)本身應(yīng)該有的效果。

3.1.2? 跑步有困難但跑步機(jī)受青睞

在是否有跑步習(xí)慣的這項(xiàng)問題當(dāng)中，圖1（c）所示，86%的人是沒有跑步的習(xí)慣的，占到了大部分，并百分之63%人給出原因是方向感不好，剩下人中大部分的則給出的原因是平衡感不好。之后，小隊(duì)又調(diào)查了是否有使用健身器材的經(jīng)歷，在有使用健身器材的人群當(dāng)中，使用跑步機(jī)的人群占到一半，也就是說，跑步機(jī)還是大家比較青睞的器材（見圖1（b））。

3.1.3? 語音控制的跑步機(jī)

如圖1（d）所示，問卷對(duì)象的盲人們也提出，92%的盲人希望可以擁有有語音控制功能的跑步機(jī)，并且認(rèn)為對(duì)他們的身心健康會(huì)有幫助。

（二）? 訪談結(jié)果

3.2.1? 殘疾人協(xié)會(huì)訪談

通過工作人員的聊天，小隊(duì)成員了解到語音控制的設(shè)備不盡對(duì)后天性，不能讀懂盲文的盲人有用，對(duì)那些先天性失明的人也是有用的。對(duì)于先天性的盲人來說，雖然他們可以摸到盲文，但是摸到盲文一直到了解到盲文中傳遞的信息需要時(shí)間，所以在跑步的時(shí)候用觸摸盲文的方法來按按鈕很不安全。從這次訪談中，小隊(duì)成員了解到語音識(shí)別控制的跑步機(jī)不僅對(duì)后天性的盲人有用，對(duì)先天性的盲人也是有用的。

3.2.2? 盲人按摩店訪談

經(jīng)過小隊(duì)成員和盲人師傅們的訪談，了解到在店里的所有師傅都屬于后天性失明，在之前也都有運(yùn)動(dòng)的習(xí)慣，在失明之后，因?yàn)槌鲩T會(huì)麻煩別人，所以他們大部分的時(shí)間里都會(huì)呆在家里?！澳銈?cè)谑饕院筮€會(huì)有運(yùn)動(dòng)嗎？” “在失明以后那肯定沒怎么運(yùn)動(dòng)了，偶爾也就舉一下啞鈴。”“在失明以后你們還會(huì)出門鍛煉嗎？” “那是不會(huì)了，不太方便，會(huì)給別人造成麻煩的?！彼麄兊倪m應(yīng)環(huán)境能力比較差，大部分的時(shí)間都是在室內(nèi)，沒有什么機(jī)會(huì)會(huì)到外面去鍛煉?！澳銈兛梢允褂门懿綑C(jī)嗎？” “跑步機(jī)對(duì)我們來說還是可以使用的”跑步機(jī)對(duì)他們來說是一個(gè)熟悉并且可以接受的工具，但市面上的跑步機(jī)對(duì)于盲人來說還是有些不便，他們看不到上面的按鍵，也不知道按鍵對(duì)應(yīng)的功能，所以小隊(duì)成員想到帶有語音識(shí)別功能的跑步機(jī)會(huì)很好的解決他們運(yùn)動(dòng)的需求。

3.2.3? 跑步機(jī)廠家的訪談

絕大多數(shù)跑步機(jī)廠家都提出目前市場(chǎng)上基本上沒有針對(duì)盲人的跑步機(jī)，即便有個(gè)別還處于樣機(jī)階段的產(chǎn)品，其價(jià)格由于開發(fā)成本等問題也是居高不下的。相對(duì)于盲人來說，普通人的群體實(shí)在是絕大多數(shù)，所以廠家目前基本上沒有考慮盲人群體的需求。目前唯一可以應(yīng)對(duì)盲人的措施就是在按鍵附件設(shè)置盲文。但是根據(jù)訪談后天失明的盲人有很大一部分不懂盲文，即便是懂盲文，在運(yùn)動(dòng)的器材上摸索尋找按鍵也是不安全和不現(xiàn)實(shí)的。所以可以說目前市面上健身房中絕大多數(shù)跑步機(jī)盲人朋友都不能用。所以如何利用較小的成本改造現(xiàn)有設(shè)備成了一個(gè)不可躲避的話題。

四、 GuideRobot的開發(fā)

本項(xiàng)目就是針對(duì)市面上大多數(shù)跑步機(jī)設(shè)計(jì)的聲控按鈕引導(dǎo)設(shè)備。如圖2所示，我們的設(shè)備只需通過扎線帶固定在跑步機(jī)的面板上。為了適應(yīng)面板不同大小的跑步機(jī)，設(shè)備的框架設(shè)計(jì)為可以橫縱方向可以伸縮。

本產(chǎn)品最大的貢獻(xiàn)是可以快捷地安裝于目前絕大多數(shù)跑步機(jī)上，所以不需要更改現(xiàn)有跑步機(jī)的軟硬件，成本低廉，安裝方便。使盲人可以有效地使用現(xiàn)有的健身器材。偏于在現(xiàn)有健身房進(jìn)行大面積普及。

（一） GuideRobot的軟硬件系統(tǒng)介紹：

GuideRobot是基于樹莓派進(jìn)行控制。安裝于樹莓派上的擴(kuò)展板上的控制器控制了機(jī)器人兩端的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)?；跇漭缮系腖INUX系統(tǒng)開發(fā)了及舵機(jī)控制、語音識(shí)別等功能。

（二）控制系統(tǒng)的軟件框架

本研究基于樹莓派的LINUX系統(tǒng)，利用Python語言開發(fā)的控制系統(tǒng)。圖3所示，控制系統(tǒng)分兩個(gè)模式：初始化設(shè)置模式和實(shí)際運(yùn)行模式。初始化設(shè)置模式是根據(jù)跑步機(jī)面板上各按鈕的實(shí)際位置，手動(dòng)設(shè)置設(shè)置兩個(gè)引導(dǎo)桿的旋轉(zhuǎn)角度。每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和按鈕名稱設(shè)置后會(huì)記錄與數(shù)據(jù)庫中。在實(shí)際運(yùn)行模式下，盲人說出按鈕的名稱，語音文檔通過網(wǎng)絡(luò)上傳于百度語音識(shí)別云服務(wù)，識(shí)別后的字符回傳給系統(tǒng)，系統(tǒng)利用該字符檢索數(shù)據(jù)庫得到兩個(gè)舵機(jī)應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度，利用這個(gè)角度控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)。從而引導(dǎo)桿交叉與事先設(shè)定的位置。

（三） GuideRobot的實(shí)驗(yàn)

為了證明GuideRobot的可行性，本研究在普通的跑步機(jī)上安裝并運(yùn)行了本設(shè)備。如圖4所示，GuideRobot安裝與跑步機(jī)的控制面板上，登記的按鈕位及實(shí)際實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)的識(shí)別成功率達(dá)到95%以上，識(shí)別錯(cuò)誤率在0.01%以下;馬達(dá)重復(fù)定位精度誤差在0.1度以下。完全可以達(dá)到使用華的程度。為了證明本產(chǎn)品的泛用性，我們還將該設(shè)備安裝于舒華、愛康、岱宇、銳步等多家國內(nèi)外品牌的跑步機(jī)上。性能基本沒有太大變化。

五、研究的不足及改進(jìn)的討論

目前研究也有一些不足之處。比如，問卷收集的數(shù)量太少，只有126份，這個(gè)結(jié)果不一定精準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)成員可能只是了解到了盲人當(dāng)中一小部分人的需求，很多其他的盲人可能有不一樣的需求團(tuán)隊(duì)成員并沒有了解到。除此以外，由于疫情的原因，小隊(duì)成員訪談的人群也比較小，只有少數(shù)盲人按摩店的員工和殘疾人協(xié)會(huì)的工作人員，從這里得到的信息也同樣可能存在一些偏差。在今后的研究中，團(tuán)隊(duì)成員可以盡量加大研究群體的樣本量。

目前設(shè)備由于時(shí)間緊迫，所有還有如下幾點(diǎn)需要改進(jìn)：（1）設(shè)備走線凌亂，外觀需要從新設(shè)計(jì)制作，盡量減少外部走線。（2）軟件有閃退的BUG，需要改進(jìn)提高。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，GUI界面的程序中有與語音識(shí)別沖突的地方，需要改良。（3）語音識(shí)別需要提高速度。壓縮語音識(shí)別前的預(yù)處理操作步驟。

六、 結(jié) 論

在這項(xiàng)研究當(dāng)中，最初提出來的研究假設(shè)得到了驗(yàn)證：盲人有運(yùn)動(dòng)的需求，室內(nèi)運(yùn)動(dòng)最為適合盲人，并且語音控制的跑步機(jī)對(duì)盲人的運(yùn)動(dòng)有幫助。在收到的問卷當(dāng)中，大部分的盲人都說他們由于一些自身原因，比如方向感或者平衡感不好，導(dǎo)致不運(yùn)動(dòng)，語音控制的設(shè)備會(huì)方便他們的運(yùn)動(dòng)。在訪談中，團(tuán)隊(duì)成員了解到了語音控制設(shè)備不僅對(duì)后天性的盲人有好處，對(duì)先天性的盲人也有好處。在和跑步機(jī)廠家的訪談當(dāng)中，團(tuán)隊(duì)成員了解到為盲人特殊設(shè)計(jì)的設(shè)備一直沒有的原因：價(jià)格高昂，需求量也小。綜上所述，本研究計(jì)劃開發(fā)的基于聲音控制的機(jī)器人可以一定程度幫助盲人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。從而提高他們的身體素質(zhì)，增大他們的社交范圍，增強(qiáng)自立自強(qiáng)的自信心。GuideRobot正是基于上述調(diào)研為基礎(chǔ)開發(fā)并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本設(shè)備完全可以達(dá)到調(diào)研中盲人所期待的效果。

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作者介紹：

周辰菲（2004-），女，漢族，上海人，高中生，研究方向：機(jī)器人編程;

尤鳴宇（1981-），女，漢族，浙江省象山人，博士學(xué)歷，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)器人工學(xué)。