Thiết kế chế tạo gậy điện tử cho người khiếm thị

Nội dung text: Thiết kế chế tạo gậy điện tử cho người khiếm thị

1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO GẬY ĐIỆN TỬ CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ (ELECTRONIC BLIND CANE) Thái Anh Tùng1,Huỳnh Ngọc Tiến Đạt2. 1Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM. (Email:anhtungthai1812@gmail.com) 2Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao, TrườngĐại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM. (Email:hntd10692@gmail.com) TÓM TẮT ĐỀ TÀI hiện tại, phân tích môi trường như bước chân âm thanh hay tiếng vang và lưu giữ theo dõi thông qua Trong cuộc sống hàng ngày con người cần quá trình ghi nhớ cho đến khi đến được vị trí phải di chuyển, cho dù trong công việc hay cuộc muốn tới là một thách thức lớn đối với họ. Do đó sống sinh hoạt hằng ngày.Đối với những người cần thiết phải có một sản phẩm trợ giúp điều khiếm thị hay người cóthị giác suy giảm là một hướng họ để việc di chuyển trở nên dễ dàng và an điều gây cản trở và khó khăn rất nhiều cho cuộc toàn hơn. sống của họ. Hiện nay, các phương tiện phổ biến nhất và được sử dụng bởi người khiếm thị Trong bài viết này chúng tôi đề xuất một sản là những cây gậy hoặc những con chó; tuy phẩm công nghệ hướng dẫn người khiếm thị để di nhiên chúng có một số hạn chế nhất định chưa chuyển trong môi trường ngoài trời hay trong nhà, đáp ứng được những mong mỏi của phần lớn bổ sung cho các cây gậy truyền thống về các tính người khiếm thị như họ phải khua gậy liên tục năng phát hiện, lỗ hố xung quanh, các địa hình hay không thể phạt hiện vật cản ở tầm nửa trên dốc,bậc thang vật cản trở ngại trên hành lang hoặc người. Trong hoàn cảnh này dựa trên những đường phố đi bộ rộng, cửa ra vào. Hệ thống này sử nhu cầu cấp thiết này của cuộc sống, chúng tôi dụng các cảm biến khoảng cách để quét môi đề xuất một sản phẩm,được đặt tên Electronic trường xung quanh người khiếm thị trả về tín hiệu Blind Caneđể cho người mù có thể di chuyển dễ rung của motor mà người khiếm thị có thể cảm dàng hơn ở môi trường ngoài trời hay trong nhận được bằng xúc giác. Công việc này mục tiêu nhà. Trong bài báo này cây gậy mà chúng tôi đề chính của một dự án có tên là "Electronic Blind xuất có khả năng quét môi trường xung Cane – gậy điện tử cho người mù". quanhmột góc 120° giúp cho người khiếm thị có thể nhận biết vật cản môi trường tạo môi trường II.MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU an toàn từ đó giúp người khiếm thị di chuyển LIÊN QUAN an toàn. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công trình I.GIỚI THIỆU nghiên cứu về thiết bị hỗ trợ di chuyển cho người mù, trong đó có 2 nghiên cứu quan trọng [1][2], đã Người khiếm thị thường gặp hạn chế lớn khi giải quyết được một số vấn đề như phát hiện vật di chuyển. Nhiệm vụ di chuyển từ nơi này đến nơi cản trong môi trường, dẫn đường người khiếm thị khác đồng thời phải tránh chướng ngại vật, ở trên bằng GPS đường đi, tìm kiếm cửa ra vào, biết đặc điểm vị trí 1
2. 2.1Dự án SmartVision sử dụng công nghệ RFID và GPS để định hướng cho người mù Nhóm nghiên cứu của trường đại học Đại học Tras-os-Montes e Alto Douro của Bồ Đào Nha đã phát triển một hệ thống định vị, định hướng cho người mù trong cả hai môi trường trong nhà và ngoài trời [1].Các công nghệ được sử dụng trong dự án này là công nghệ định vị toàn cầu GPS để Hình 2Sản phẩm thực tế xác định vị trí người mù và công nghệ RFID để giảm thiểu lỗi vị trí của GPS tại một số nơi xác Thiết bị có những ưu điểm như khả năng định định. Trong dự án này các thẻ RFID được đạt ở hướng người dùng đi chính xác các lối đi đã bố trí các vị trí dọc theo lối đi,hành lanvà có một đầu sẵn các thiết bị và giúp cho người thân của họ có đọc nằm trên đầu cây gậy để đọc và bám sát theo thể biết được họ ở đâu bất kỳ lúc nào và đưa ra vị trí các thẻ RFID. hướng dẫn hay trợ giúp lúc cần thiết tuy nhiên cũng còn những nhược điểm như dự án này đòi Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) với dữ hỏi có cơ sở vật chất riêng dành cho người tham liệu được cập nhật từ GPSMột ứng dụng web quản gia giao thông là người mù với những lối đi, các lý dễ dàng và cập nhật của tất cả các thông tin nút giao thông được lắp đạt sẵn các thẻ RFID. trong GIS cũng được xây dựng cho hệ thống này.Những công nghệ này được sử dụng với hai 2.2 Dự án Guidecane mục tiêu khác nhau. Mối quan tâm đầu tiên là Sản phẩm được phát triển tại Lab chuyển hướng của người mù khi nhận tín hiệu thẻ university of Michigan’s Mobile Robotics[2].Thiết RFID. Mối quan tâm thứ hai là hướng dẫn người bị được thiết kế để giúp người mù hoặc khiếm thị mù bằngcách cung cấp thông tin về môi trường giúp họ điều hướng một cách an toàn và nhanh xung quanh mình (khoảng bán kính 2-3 mét)thông chóng trong môi trường chướng ngại vật và các qua internet khi một người dùng truy cập hệ thống mối nguy hiểm khác người đi bộ phải đối GIS xác định vị trí và hướng di chuyển của người mặt.Thiết bị bao gồm cây gậy với một tay cầm dài mù. Trong số các chức năng khác, dự án thực hiện và một đầu cảm biến được gắn ở đầu cuối của gậy các tính toán và sử dụng các tuyến đườngchỉ định được gắn với hai bánh dẫn. Hai bánh dẫn này được và xác định các điểm giao lộ, các tòa nhà hoặc các lái điều hướng bởi một động cơ servo, trên hai chướng ngại vật, vv bánh này còn có thêm một la bàn để định hướng hệ thống. Đầu trên của gậy có một joytick nhỏ với chức năng như bàn điều khiển giúp người mù dẫn hướng cho hệ thống. Khi người mù chọn hướng mà họ định di chuyển hai bánh sẽ chủ động lái dò tìm khi nào tín hiệu trả về từ la bàn đúng với hướng đã chọn thì hệ thống sẽ khóa bánh theo hướng đã xác định. Trong khi di Hình 1 Tổng quan hệ thống SmartVision chuyển khi cảm biến siêu âm phát hiện ra vật cản khu vực rộng 120° phía trước gậy. Hệ thống để ngay lập tức xác định một hướng tối ưu để di chuyển bằng kỹ thuật tránh vật cản được gọi là “Vector Field Histogram” (VFH) kết hợp với kỹ 2
3. thuật “Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing” (EERUF). Hình 4Cách phát hiện cầu thang của Guidecane Hệ thống này có những ưu điểm như khả năng giúp người mù di chuyển linh hoạt trong môi trường có vật cản, nhận biết được cầu thang,lỗ hố. Khả năng giúp người sử dụng chọn lối đi theo thuật toán tối ưu để họ tới đích đến với con dường thuận lợi ngắn nhất. Nhưng nó cũng có những nhược điểm như hệ thống này vẫn chưa đảm bảo việc phát hiện các vật cản ở tầm trung và cao chẳng hạn như các thanh chắn ngang người. Tuy hệ thống đã phát hiện được bậc thang nhưng đó là những trường hợp cầu thang theo tiêu chuẩn cho trước. Hình 3Guidecane dẫn người đi qua vật cản III.DỰ ÁNELECTRONIC BLIND CANE Trong thực tế, quỹ đạo của người đitheo sauquỹ đạo của các bánh xe dẫn tương tự nhưcách một Trong phần này chúng tôi chỉ đề cập tới một trailer sau một chiếc xe tải. vài thành phần chi tiết của hệ thống và cách thức nguyên lý hoạt động của chúng để đáp ứng nhu Một vấn đề đặc biệt khó khăn cho người mù cầu mục đích tạo ra hệ thống giúp cho người mù di khi đi bộ là cầu thang. Guidecane cung cấp các chuyển dễ dàng, nhanh hơn và an toàn hơn. giải pháp riêng biệt cho lúc bước xuống và bước lên cầu thang. Khi bước xuống các bánh xe của 3.1 Mô tả hệ thống. các Guidecane thả rơi xuống như một tín hiệu phản hồi về người dùng. Bước lênthì khó phát hiện Electronic Blind Cane có kết cấu gọn gàng có hơn. Cảm biến mặt trước phát hiện bậc dưới cầu thể gấp lại được hoặc thay đổi kích thước theo nhu thang như một vật cản bình thường với một cầu người dùng. Thiết kế theo kiểu mô đun các bộ khoảng cách R1. Nhưng một cảm biến tiếp theo phận có thể được tháo lắp dễ dàng,nhanh chóng được gọi là “forward-up” sẽ phát hiện bậc thang điều này vô cùng thích hợp và tiện dụng cho cao hơn với một khoảng cách R2 Sự khác biệt những trường hợp người dùng xoay sở trong giữa R1 và R2, được tính toán và, nếu nó đáp ứng không gian hẹp như xe buýt, trong hẻm nhỏ Hệ một tiêu chí được lập trình trước cho cầu thống có hai cảm biến hồng ngoại có tầm đo thangGuidecane xác định các đối tượng như cầu khoảng 1.5m để phát hiện chướng ngại vật có thể thang. quét góc 120°nhờ vào cơ cấu lái dùng RC servo được đặt ở hai phần trên và dưới của gậy. Phần dưới của gậy được đặt trên hai bánh lái dẫn hướng 3
4. có khả năng đổi hướng linh hoạt. Phần trên của gậy bố trí hai động cơ rung ở hai góc trái và phải của khung gậy để chỉ hướng di chuyển cho người dùng. 3.2 Mô tả chức năng Trong suốt quá trình sử dụng, khi một trong hai cảm biến phát hiện vật cản trong ngưỡng an toàn được lập trình sẵn thì motor rung ở đầu gậy sẽ rung lên tùy vị trí. Phát hiện vật cản ở bên nào thì motor bên đó rung lên. Nếu phát hiện vật cản ở giữa thì cả hai motor sẽ rung. Tần số rung của motor vào khoảng 250 Hz đến 300 Hz [6] đây là ngưỡng rung mà dây thần kinh hướng tâm ở ngón tay cảm nhận tốt nhất. Khi nhận được tín hiệu rung Hình 6 Sơ đồ khối của hệ thống ở tay thì người dùng có thể điều hướng bánh lái 3.4 Thiết kế hệ thống để tránh vật cản bằng cách đưa nhẹ cổ tay về hướng định di chuyển mà gần như không tốn chút Tổng quan hệ thống: sức lực nào. Để quét được góc 120° môi trường trước mặt người sử dụng thì hệ thống dùng RC servo vì ưu điểm nhỏ nhẹ, tiết kiệm năng lượng. 3.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống Hình 7 Thiết kế tổng quan Electronic Blind Cane 3.4.1 Thiết kế cơ khí Cơ cấu xoay cảm biến: Cơ cấu xoay cảm biến gồm có hai part gá. Part gá thứ nhất để gá cảm biến lên động cơ RC servo. Hình 5 Tổng quan hệ thống Part gá thứ hai dùng để gá động cơ RC servo lên phần thân của gậy. Part gá thứ hai này có trục xoay để điều chỉnh góc xoay cảm biến theo trục Y như [Hình 8]. Cảm biến có thể xoay quanh trục Z nhờ chuyển động xoay của RC servo, chuyển động này giúp cảm biến có thể quét tối đa góc 180°. 4
5. Chuyển động quanh trục Y do người dùng điều chỉnh để xoay cảm biến quét song song với mặt đất phù hợp với chiều cao mỗi người dùng. Hình 10 Cơ cấu điều chỉnh kích thước gậy 3.4.2 Lưu đồ thuật toán Hình 8 cơ cấu xoay cảm biến Cơ cấu bánh lái: Với yêu cầu di chuyển đổi hướng linh hoạt, không những đi được trên địa hình bằng phẳng mà còn phải di chuyển được trên địa hình dốc, gồ ghề, sỏi đá nên chúng tôi đã thiết kế trục bánh xe theo phương thẳng đứng theo trục Z do đó bánh xe có thể xoay mọi hướng xung quanh trục Z như [Hình 9]. Hình 11 Lưu đồ thuật toán 3.4.3 Xác định vùng phát hiện vật cản Vùng không gian quét trước mặt người khiếm thị sẽ được chia ra làm 3 vùng. Vùng thứ nhất là Hình 9 Cơ cấu bánh lái vùng quét bên trái β2, vùng thứ hai là vùng quét Cơ cấu điều chỉnh chiều dài. bên phải β1, vùng quét thứ ba là vùng ở giữa 2α. Công thức xác định góc: 120−2α β1= β2= (3.3) 2 với α được tính như sau: ℎ α = arcsin( ) (3.4) 2푙 Trong đó: h là bề rộng vai (m). 5
6. l là tầm quét cảm biến (m). 4.7 Kết quả Qua kết quả bảng khảo sát ta thấy được những nhận xét khách quan về ưu điểm, nhược điểm và những vấn đề cần nghiên cứu thêm cho thiết bị. Ưu điểm: Thiết bị có thể giúp người khiếm thị định hướng vật cản trong môi trường tốt giúp họ tránh né vật cản hiệu quả. Di chuyển bằng gậy điện tử có nhiều tiện lợi, đổi hướng di chuyển linh hoạt. Thiết bị có thể phát hiện lỗ hố giúp người khiếm thị di chuyển an toàn hơn. Sử dụng được trong cả hai môi trường ngoài trời và trong nhà. Hình 12 Phân vùng quét trong không gian Nhược điểm: Thiết bị còn hơi nặng cần gọn hơn nữa, không phát hiện được cầu thang, ngã ba 4.5 Sản phẩm thực tế đường. Chưa thể phát hiện và cảnh báo các đối tượng một cách cụ thể. Chưa có tính năng chọn tầm đo cho người dùng tự chọn. IV. KẾT LUẬN Từ những kết quả sơ bộ cho thấythiết bị Electronic Blind Cane được sử dụng hiệu quả để mang lại một giải pháp di chuyển an toàn cho người mù. Link_video: &feature=youtu.be V. HƯỚNG PHÁT TRIỂN DỰ ÁN Dự án còn những nhược điểm cần được nghiên Hình 13 Electronic Blind Cane cứu cải tiến hơn nữanhư về mặt vật liệu chế tạo để 4.6 Thực nghiệm giảm tối đa khối lượng của thiết bị mà vẫn đảm bảo độ cứng vững. Cần có thêm phướng án giúp Để kiểm chứng hiệu quả hoạt động của hệ thống người mù qua đường an toàn hơn và có thể sử chúng tôi đã xây dựng một thí nghiệm với sự tham dụng thêm cảm biến màu để người khiếm thị có gia của 10 tình nguyện viên. Họ tham gia chương thể nhận biết màu sắc vật chẳng hạn như tín hiệu trình vì mục đích nghiên cứu không vì bất kì một đèn xanh, đèn đỏ để di chuyển. lợi ích nào khác. Trong 10 người này có 5 người mắt sáng khi tham gia thí nghiệm họ đóng vai trò như người mù không nhìn thấy gì và cùng với họ là 5 người mù. Họ sẽ được cung cấp thiết bị và đi bộ một đoạn đường 20m. Sau đó những người tham gia sẽ trả lời câu hỏi trong một phiếu hỏi mà chúng tôi phát cho mỗi người. 6
7. VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Faria.J, Lopes.S, Fernandes.H, Martin.S, Barroso.J, “ Electronic White Cane for blind people navigation assistance”, University of Tras-os-Montes e Alto Douro, 5001-801 Vila Real, Portugal; GECAD, Knowledge Engineering and Decision Support Research Group, Institute of Engineering ofPorto, 4200- 072 Porto, Portugal Address. [2]Johann Borenstein, Iwan Ulrich, “ The Guidecane –A competurized Treval Aid for the Active Guidance of Blind Podestrians, The university of Michigan, Advanced Technologies Lab, 1101 Beal Avenue, Ann Abor, MI 48109- 2110. [3]Adrea Serino,Michela Bassolino, Alessandro Farne, Elisabetta Ladavas, “Extended Multisensory Space in Blind Cane User s”, Dipartimento di Psicologia, Universita` degli Studi di Bologna,Bologna, Italy; Centro Studi e Ricerche in Neuroscienze Cognitive, Cesena, Italy; Istituto David Chiossone, Genova, Italy, 2007. [4] Scooter Willis, Sumi Helal, “A Passvie RFID Information Grid for Location and Proximity Sensing the Blind Users”University of Florida,Computer and Iformation Science and Engineering, Department University of Florida. [5] Laehuyn Kim, Sehyung Park, Sooyong Lee, Sungdo Ha, “An electronic traveler aid for the Bind using multiple range sensor”, Institude of Science and Technology, 39-1 Hawelgo-dong, Sungbuk-gu, Seoul, Korea; Department of Mechanical and System design Engineering, Hongik University, 72-1 Sangsu-dong, Mapo-gu, Seoul, Korea, June 10, 2009. [6] Expressing Emotions throught Vibration for perception and control, Digital Media Lab, Department of Applied Physics and Electronics, Umea University, Umea Sweden. 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.