智能殘疾人輔助裝置設(shè)計(jì)

李 治，黃志東，張躍輝，徐天浩，溫子翾，馬 亮

(1.遼寧科技學(xué)院 中美雙百學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪 117000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有殘疾人口約8 296萬，大約占中國總?cè)丝诘谋壤?.34%[1]。殘疾人是社會(huì)中的弱勢(shì)群體，在我國更是一個(gè)數(shù)量龐大，特性突出，分布廣泛的特殊群體。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，殘疾人的生活也受到了廣泛的關(guān)注，尤其是那些肢體殘疾的人的安全出行顯得尤為重要[2]。通常殘疾人乘坐輪椅外出需要其家人或陪護(hù)人員的陪同，這在很大程度上增加了親人的負(fù)擔(dān)，而且制約了殘疾人的出行自由?；诖祟悊栴}，文章以殘疾人輪椅為原型來創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一套殘疾人輔助監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要是由圖像輸入系統(tǒng)、超聲波模塊、機(jī)器人臂操控系統(tǒng)、語言播報(bào)系統(tǒng)以及APP數(shù)據(jù)收集模塊等構(gòu)成,其系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。其中，超聲波模塊對(duì)輔助系統(tǒng)各個(gè)方向進(jìn)行測(cè)距，判斷是否安全和是否方便操作；機(jī)械臂控制模塊用于幫助殘疾人拿取遠(yuǎn)處物品；視頻傳輸模塊和語音播報(bào)模塊則由監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)并操作語音傳輸，保證和提醒殘疾人提高其本身的安全性；APP數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)監(jiān)護(hù)人收集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[4]。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制部分

(1)主控模塊

選用51系列單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，在確保預(yù)算足夠的前提下，保證程序利用率達(dá)到最大，充分利用C52單片機(jī)的借口和片上資源，對(duì)四個(gè)I/O口模組進(jìn)行分配，分別控制其他重要模塊并且及時(shí)通信，使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度加快且方便，為后期的進(jìn)一步擴(kuò)展其他模塊打下基礎(chǔ)。

(2)WT588D語音芯片模塊

WT588D 語音芯片作為系統(tǒng)的核心語音部分，展現(xiàn)了其強(qiáng)大的語音識(shí)別、語音導(dǎo)入、語音播放等功能。通過對(duì)預(yù)先確定的語音庫的信息導(dǎo)入其中，可以保證精準(zhǔn)的識(shí)別并快速的做出反應(yīng)，操作機(jī)械部分進(jìn)行移動(dòng)和物品抓取，而且軟件運(yùn)行方法簡(jiǎn)單易懂,并融合了多種語言組合技術(shù),從而大大減少了語言編寫的時(shí)間。

(3)超聲波測(cè)距模塊

選用HC-SRO4超聲波檢測(cè)模塊，用于測(cè)量盲人到障礙物間的距離。用STC89C52單片機(jī)程序,令其向該模組的TRIG接口注入最少十微秒的脈沖,從而激發(fā)該模組產(chǎn)生8個(gè)40 kHz的脈動(dòng)序列,并測(cè)試回波，如果得到回波，但在ECHO接口產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，此脈寬為從超聲波發(fā)射到實(shí)際接受到的時(shí)間差。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

本程序的主程序采用C語言進(jìn)行編程。在初始化之后，四個(gè)方向的超聲波對(duì)四周距離進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)置報(bào)警距離2 dm時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，語音模塊播報(bào)“前/后/左/右/有障礙物，請(qǐng)小心操作”；當(dāng)測(cè)量值大于最小夾取距離且小于最大夾取距離時(shí)，再對(duì)用戶是否有選擇夾取物品操作進(jìn)行判斷，若收到信號(hào)，機(jī)械臂開始工作，如此循環(huán)。若監(jiān)護(hù)人端從APP發(fā)送數(shù)據(jù)指令，蜂鳴器也會(huì)報(bào)警，語音模塊對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行播報(bào)。主程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2。

圖2 主程序流程圖

3.2 APP模塊設(shè)計(jì)

(1)前端UI設(shè)計(jì)開發(fā)

HTML+CSS+JAVAScript記性初步前段的創(chuàng)建，以vue為基礎(chǔ)進(jìn)行前段的整體開發(fā)，并利用JS+JQuery對(duì)頁面動(dòng)畫進(jìn)行美化。

(2)后端程序開發(fā)

（1）建筑工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)用。建筑項(xiàng)目工程管理中應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠利用BIM技術(shù)強(qiáng)大的三維信息成像模型，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算模型，能夠幫助項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員直觀了解建筑工程項(xiàng)目的構(gòu)成。從而在設(shè)計(jì)階段便可以將建筑施工量、結(jié)構(gòu)組成、設(shè)備類型等精確的測(cè)算出來，并根據(jù)業(yè)主方的需求，進(jìn)行管道、電氣、結(jié)構(gòu)等局部?jī)?yōu)化完善，即使在此過程中某個(gè)建設(shè)項(xiàng)目發(fā)生了修改，與其有著密切關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目也會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修改和自我校核，減少設(shè)計(jì)及修改的工作量，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。此外，BIM技術(shù)利用三維成像模型能夠解決了傳統(tǒng)二維成像模型的諸多弊端，如可以隨時(shí)對(duì)建筑項(xiàng)目施工管線作出調(diào)整，使其更加科學(xué)合理，避免后期施工過程發(fā)生返工的風(fēng)險(xiǎn)。

以Java語言為基礎(chǔ)，利用spring + springMVC + Mybatis框架進(jìn)行后端的搭建。

(3)爬蟲技術(shù)

利用爬蟲技術(shù)在網(wǎng)上爬取智能導(dǎo)盲拐杖的針對(duì)用戶，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性的推薦商品，提高產(chǎn)品的人性化。

(4)接口對(duì)接

將智能盲人拐杖APP與智能盲人拐杖對(duì)接，完成APP的初步開發(fā)。

(5)開發(fā)環(huán)境

Python，Java，Mysql，HTML+CSS+JAVAScript。

(6)APP風(fēng)格設(shè)計(jì)

以人性化為根本基點(diǎn)，并以智能、簡(jiǎn)約、易操作為根基的智能APP。

4 測(cè)試

測(cè)試階段選擇在遼寧科技學(xué)院中美雙百學(xué)院測(cè)控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以殘疾人的視角，使用者坐在椅子上不進(jìn)行移動(dòng)，僅根據(jù)視頻信號(hào)和聲音信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)處和柜子后物品進(jìn)行送取操作從而對(duì)本裝置進(jìn)行性能檢測(cè)如圖3。

圖3 智能殘疾人輔助裝置樣機(jī)

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：

(1)在測(cè)試過程中，裝置靠近墻、柜子邊緣、桌子邊緣共四處，均可在2 dm報(bào)警距離左右時(shí)發(fā)出警報(bào)和語音警示，且制動(dòng)效果良好，得出用戶可以很好地使用本裝置躲避障礙物并且達(dá)到保護(hù)裝置的目的。

(2)將裝置駛離實(shí)驗(yàn)室，間隔兩個(gè)房間，對(duì)其遠(yuǎn)程操作，信號(hào)接受正常，傳輸信號(hào)模塊可以完全覆蓋正常家庭范圍，裝置安全可靠。

(3)測(cè)試的3小時(shí)內(nèi)，用戶可隨時(shí)進(jìn)行再次啟動(dòng)操作，裝置的續(xù)航能力得以保障。

(4)以監(jiān)護(hù)人視角，通過APP的數(shù)據(jù)收集，可以隨時(shí)對(duì)殘疾人用戶的實(shí)時(shí)當(dāng)前狀態(tài)和實(shí)時(shí)需求進(jìn)行獲悉，同時(shí)可以通過APP遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸對(duì)殘疾人用戶進(jìn)行消息傳達(dá)和安全報(bào)警，使監(jiān)護(hù)人群更加方便，不需一直在殘疾人身邊看護(hù)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)具有超聲波報(bào)警保護(hù)，機(jī)械臂遠(yuǎn)程夾取，監(jiān)護(hù)人遠(yuǎn)程APP監(jiān)護(hù)與報(bào)警的優(yōu)點(diǎn)，很大程度上解決了現(xiàn)在殘疾人群亟待解決的生活和安全問題，提高了殘疾人群的生活便利度和生活幸福感。