智能残疾人辅助装置设计

李 治，黄志东，张跃辉，徐天浩，温子翾，马 亮

(1.辽宁科技学院 中美双百学院，辽宁 本溪 117004；2.本钢板材股份有限公司，辽宁 本溪 117000)

据统计，我国现有残疾人口约8 296万，大约占中国总人口的比例的6.34%[1]。残疾人是社会中的弱势群体，在我国更是一个数量庞大，特性突出，分布广泛的特殊群体。

随着社会的不断发展和人们生活水平的不断提高，残疾人的生活也受到了广泛的关注，尤其是那些肢体残疾的人的安全出行显得尤为重要[2]。通常残疾人乘坐轮椅外出需要其家人或陪护人员的陪同，这在很大程度上增加了亲人的负担，而且制约了残疾人的出行自由。基于此类问题，文章以残疾人轮椅为原型来创新，设计了一套残疾人辅助监护系统[3]。

1 系统总体设计

该系统主要是由图像输入系统、超声波模块、机器人臂操控系统、语言播报系统以及APP数据收集模块等构成,其系统的总框图如图1所示。其中，超声波模块对辅助系统各个方向进行测距，判断是否安全和是否方便操作；机械臂控制模块用于帮助残疾人拿取远处物品；视频传输模块和语音播报模块则由监护人远程监护并操作语音传输，保证和提醒残疾人提高其本身的安全性；APP数据采集模块，对监护人收集信息进行数据分析[4]。

图1 系统功能模块图

2 硬件设计

2.1 单片机控制部分

(1)主控模块

选用51系列单片机中的STC89C52单片机作为系统的主控芯片，在确保预算足够的前提下，保证程序利用率达到最大，充分利用C52单片机的借口和片上资源，对四个I/O口模组进行分配，分别控制其他重要模块并且及时通信，使得系统的反应速度加快且方便，为后期的进一步扩展其他模块打下基础。

(2)WT588D语音芯片模块

WT588D 语音芯片作为系统的核心语音部分，展现了其强大的语音识别、语音导入、语音播放等功能。通过对预先确定的语音库的信息导入其中，可以保证精准的识别并快速的做出反应，操作机械部分进行移动和物品抓取，而且软件运行方法简单易懂,并融合了多种语言组合技术,从而大大减少了语言编写的时间。

(3)超声波测距模块

选用HC-SRO4超声波检测模块，用于测量盲人到障碍物间的距离。用STC89C52单片机程序,令其向该模组的TRIG接口注入最少十微秒的脉冲,从而激发该模组产生8个40 kHz的脉动序列,并测试回波，如果得到回波，但在ECHO接口产生一个脉冲信号时，此脉宽为从超声波发射到实际接受到的时间差。

3 软件设计

3.1 主程序设计

本程序的主程序采用C语言进行编程。在初始化之后，四个方向的超声波对四周距离进行测量，当测量值小于设置报警距离2 dm时，蜂鸣器报警，语音模块播报“前/后/左/右/有障碍物，请小心操作”；当测量值大于最小夹取距离且小于最大夹取距离时，再对用户是否有选择夹取物品操作进行判断，若收到信号，机械臂开始工作，如此循环。若监护人端从APP发送数据指令，蜂鸣器也会报警，语音模块对报警信息进行播报。主程序系统设计框图如图2。

图2 主程序流程图

3.2 APP模块设计

(1)前端UI设计开发

HTML+CSS+JAVAScript记性初步前段的创建，以vue为基础进行前段的整体开发，并利用JS+JQuery对页面动画进行美化。

(2)后端程序开发

（1）建筑工程设计环节应用。建筑项目工程管理中应用BIM技术，能够利用BIM技术强大的三维信息成像模型，以及强大的数据计算模型，能够帮助项目设计人员直观了解建筑工程项目的构成。从而在设计阶段便可以将建筑施工量、结构组成、设备类型等精确的测算出来，并根据业主方的需求，进行管道、电气、结构等局部优化完善，即使在此过程中某个建设项目发生了修改，与其有着密切关联的项目也会实现自动修改和自我校核，减少设计及修改的工作量，提高设计的科学性和合理性。此外，BIM技术利用三维成像模型能够解决了传统二维成像模型的诸多弊端，如可以随时对建筑项目施工管线作出调整，使其更加科学合理，避免后期施工过程发生返工的风险。

以Java语言为基础，利用spring + springMVC + Mybatis框架进行后端的搭建。

(3)爬虫技术

利用爬虫技术在网上爬取智能导盲拐杖的针对用户，并对其进行系统性的推荐商品，提高产品的人性化。

(4)接口对接

将智能盲人拐杖APP与智能盲人拐杖对接，完成APP的初步开发。

(5)开发环境

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

(6)APP风格设计

以人性化为根本基点，并以智能、简约、易操作为根基的智能APP。

4 测试

测试阶段选择在辽宁科技学院中美双百学院测控实验室内，以残疾人的视角，使用者坐在椅子上不进行移动，仅根据视频信号和声音信号对远处和柜子后物品进行送取操作从而对本装置进行性能检测如图3。

图3 智能残疾人辅助装置样机

经检测发现：

(1)在测试过程中，装置靠近墙、柜子边缘、桌子边缘共四处，均可在2 dm报警距离左右时发出警报和语音警示，且制动效果良好，得出用户可以很好地使用本装置躲避障碍物并且达到保护装置的目的。

(2)将装置驶离实验室，间隔两个房间，对其远程操作，信号接受正常，传输信号模块可以完全覆盖正常家庭范围，装置安全可靠。

(3)测试的3小时内，用户可随时进行再次启动操作，装置的续航能力得以保障。

(4)以监护人视角，通过APP的数据收集，可以随时对残疾人用户的实时当前状态和实时需求进行获悉，同时可以通过APP远程数据传输对残疾人用户进行消息传达和安全报警，使监护人群更加方便，不需一直在残疾人身边看护。

5 结论

本设计具有超声波报警保护，机械臂远程夹取，监护人远程APP监护与报警的优点，很大程度上解决了现在残疾人群亟待解决的生活和安全问题，提高了残疾人群的生活便利度和生活幸福感。