盲人用简易声控跑步机的产品设计及市场调研
周辰菲 尤鸣宇
摘 要：目前关于盲人群体的科学研究多聚焦在如何安全出行等最基本的生活问题上，但是盲人群体在健身运动上所遇到的困难也是需要认真对待的重大社会问题。本研究的课题是如何帮助盲人进行方便安全的健身运动，提高盲人的身心健康。为了解决上述问题，本研究开发了可以简单安装于现有跑步机上的声控按钮位置引导用机器人GuideRobot，同时对该产品的市场前景等方面也进行了充分地调研及分析。论文也汇报了GuideRobot的设计及实现的技术细节，并在现有的跑步机上进行了安装调试。实验结果证明该设备可以通过语音来引导盲人快速地寻找到关键按键的位置。市场调查结果也得出了该产品对于盲人群体，尤其是后天盲人群体的健身运动有着一定程度的帮助作用。
关键词：盲人健身需求;声控跑步机;GuideRobot开发
全球范围内，每年有数10万因车祸、疾病及过度疲劳导致的后天性失明，有近10亿人患有尚未解决的视力障碍[1]。这10亿人中包括因屈光不正的患者1.237亿人、白内障患者6520万人、青光眼患者690万人、角膜混浊患者420万人、糖尿病视网膜病变患者300万人和沙眼患者200万人[2]。因为上述疾病而导致的视力严重下降或视网膜脱落、受损的中度或重度失明患者也不在少数。这些人统称为后天性致盲的盲人。后天失明的盲人因难以接受突然失明造成的心理压力，绝大部分都会产生心理疾病，轻者易患忧郁症，重者悲观绝望，更甚者会产生轻生的念头，或严重暴力倾向[3]。所以相对于先天失明的盲人，后天失明的盲人是个更加容易被忽视的弱势群体。
盲人和正常人一样，需要人际交往和社会生活，这一切的基础是和普通人一样健康的身体。健康的身体源于合理的饮食和必要的锻炼。实际上，锻炼不仅能帮助保持身体机能持续运转，维持健康。它也是保持良好社交方式与健康心理的一味良药。而且，即便是残疾人，他们也希望在不求助于其他人，尽量利用辅助工具的前提下，可以和健康人一样进行日常生活锻炼和社交活动。这不仅仅是为了高质量的生活，也是残疾人维护自身尊严的一种基本的想法和要求[4，5]。
相对于室外运动，研究小组将目光落在更简单更安全的健身方法——室内健身运动。即便是室内运动，我国目前也很少有专门服务于盲人室内运动的器械和装置。因此，研究小组目标是设计一款可以帮助盲人利用语音来安全使用目前健身房中的绝大多数跑步机的辅助设备，研究小组称之为GuideRobot。
一、文献综述
（一） 盲人运动的重要意义与困难方面的研究
运动对于盲人是十分重要的。文献[4]的研究显示，视力的残疾很容易造成盲人身体形态及其运动方面的异常，比如很多盲人养成了低头耸肩、弓腰缩颈、动作笨拙、手脚运动不协调及晃头晃脑、抖手、等不良形态。因此，体育锻炼对与盲人来说具有特殊的意义，进行体育锻炼可以提高盲人的机体灵活性、皮肤的灵敏度和机体运用等能力，并以弥补视觉缺陷[6，7]。此外，朴永馨[7]还指出，运动可以帮助盲人更好的融入社会。体育锻炼提升盲人身体素质与心理健康的发展。因此，合适的运动量能使盲人更好参与社会生活。虽然针对盲人的足球[9]和门球[10]等团队运动有所开展，但是远远没有得到大面积的普及，使盲人朋友普遍受惠。根据王建宏[11]的统计，郭卫等[12]也指出，宁夏某盲校表示，虽然盲生们很喜欢体育运动，但由于可供盲人使用的体育器材严重短缺，所以得不到很好的锻炼。
（二） 目前为盲人特殊设计的设备的综述
有一种设备被称作导盲眼镜[13]，它的三个核心科技即是超声波、电子芯片以及语音合成模块。在盲人出行时此项设备通过发射超声波并计算声波发射至接受的时间长度从而判断出障碍物距离人的远近。另一项设备是智能盲人出行辅助设备，这一设备统共由两部分组成：眼镜[13]和拐杖[14]。其具备多种功能，如震动功能，方位功能，GPS定位功能及报警功能等。上述绝大部分的盲人用智能产品都紧紧围绕着盲人日常出行为目的而开发的，但是针对盲人室内运动类产品基本上还是空白，有待人们研究开发。
二、 市场调研的方法
本课题前期主要是针对盲人运动需求方面的调查研究。研究方法主要包括问卷调查、残疾人组织和盲人学校及工作单位的访谈。
（一） 问卷调查
本问卷面向人群为浙江省残疾人协会中后天性的盲人群体，问卷的发放方式有纸张发放与网络问卷。问卷里面调查了盲人们的性别，年龄，收入，先天性失明还是后天性失明这些个人信息，这些信息可以帮助研究者划分人群以及了解盲人群体是否可以负担得起我们设计出来的跑步机。通过这份问卷，研究小组可以了解到受访人群分类，收入水平，运动习惯，使用健身器材的习惯，对跑步器材的喜好，不运动的原因和对为她们特别设计的设备的期待。
问卷最终得到了有效的答卷126份。本问卷是为了了解盲人对运动健身的需求，平时的运动习惯和对运动器材的要求等这一系列问题。该问卷有效了解到盲人倾向性的运动类型，和什么样的运动器材可以真正帮到他们运动。填写本问卷的人群可以分为20岁以下，20到30岁，30到40岁，和40岁以上的人群。有效答卷中20岁以下13人，20到30岁24人，30到40岁39人，和40岁以上50人。
（二） 访谈调查
在本调查研究中，线上线下的访谈内容占了较大的部分。下面是我们的访谈调查结果。
2.2.1 殘疾人组织访谈
我们采访了上海市盲人协会的工作人员来进一步了解更多盲人的生活习惯。上面的问答记录是访谈内容的节选部分。本研究选择去参访残疾人协会是为了扩大研究样本，让研究小组得到的结论更加具有普适性。由于一些疫情的原因，小队不能直接去残疾人协会进行直接采访，但是小队成员通过最了解他们协会当中事情的工作人员进行了一个访谈。残疾人协会当中不仅有后天性的盲人，还有先天性的盲人。通过对这个大样本的研究，小队得到了一个更加准确的结论。
2.2.2 盲人按摩店访谈
小队成员在盲人按摩店里采访了他们的盲人师傅。选择去采访他们是为了了解他们的生活，他们代表了平时生活中的盲人，让研究结论包括到更多人群，使结果更加丰富。经过采访，小队成员发现店里的盲人师傅都属于后天性，这也让小队成员知道了他们的需求，得到了结论。
2.2.3 跑步机厂家的访谈
为了更好地了解当前市面上跑步机厂家是如何考虑盲人群体这个特殊人群，小队成员也通过淘宝、线下实体和实际生产厂家的销售人员的访谈来实际了解厂家目前是否有语音识别功能的跑步机，如果有大约价格是多少，是否是目前盲人能够承受的范围。如果目前没有该类产品，是否有意愿和动力来开发。
三、市场调研的结果
（一）调查问卷的结果
在调查的样本当中，有42%的男性，有58%的女性。他们半数左右为40岁以上的人群，收入64%都在2000元以上。填写问卷的人群当中，先天性失明和后天性失明的人数各占50%。
3.1.1 盲人普遍缺少运动
如图1（a）所示，根据调查，和预想的一样，42%的人，也就是将近一半的人，是不做运动的。在剩下的那些做运动的人群里面，他们做的具体运动也是散步这一类的运动，没有太大的运动量，也达不到运动本身应该有的效果。
3.1.2 跑步有困难但跑步机受青睐
在是否有跑步习惯的这项问题当中，图1（c）所示，86%的人是没有跑步的习惯的，占到了大部分，并百分之63%人给出原因是方向感不好，剩下人中大部分的则给出的原因是平衡感不好。之后，小队又调查了是否有使用健身器材的经历，在有使用健身器材的人群当中，使用跑步机的人群占到一半，也就是说，跑步机还是大家比较青睐的器材（见图1（b））。
3.1.3 语音控制的跑步机
如图1（d）所示，问卷对象的盲人们也提出，92%的盲人希望可以拥有有语音控制功能的跑步机，并且认为对他们的身心健康会有帮助。
（二） 访谈结果
3.2.1 残疾人协会访谈
通过工作人员的聊天，小队成员了解到语音控制的设备不尽对后天性，不能读懂盲文的盲人有用，对那些先天性失明的人也是有用的。对于先天性的盲人来说，虽然他们可以摸到盲文，但是摸到盲文一直到了解到盲文中传递的信息需要时间，所以在跑步的时候用触摸盲文的方法来按按钮很不安全。从这次访谈中，小队成员了解到语音识别控制的跑步机不仅对后天性的盲人有用，对先天性的盲人也是有用的。
3.2.2 盲人按摩店访谈
经过小队成员和盲人师傅们的访谈，了解到在店里的所有师傅都属于后天性失明，在之前也都有运动的习惯，在失明之后，因为出门会麻烦别人，所以他们大部分的时间里都会呆在家里。“你们在失明以后还会有运动吗？” “在失明以后那肯定没怎么运动了，偶尔也就举一下哑铃。”“在失明以后你们还会出门锻炼吗？” “那是不会了，不太方便，会给别人造成麻烦的。”他们的适应环境能力比较差，大部分的时间都是在室内，没有什么机会会到外面去锻炼。“你们可以使用跑步机吗？” “跑步機对我们来说还是可以使用的”跑步机对他们来说是一个熟悉并且可以接受的工具，但市面上的跑步机对于盲人来说还是有些不便，他们看不到上面的按键，也不知道按键对应的功能，所以小队成员想到带有语音识别功能的跑步机会很好的解决他们运动的需求。
3.2.3 跑步机厂家的访谈
绝大多数跑步机厂家都提出目前市场上基本上没有针对盲人的跑步机，即便有个别还处于样机阶段的产品，其价格由于开发成本等问题也是居高不下的。相对于盲人来说，普通人的群体实在是绝大多数，所以厂家目前基本上没有考虑盲人群体的需求。目前唯一可以应对盲人的措施就是在按键附件设置盲文。但是根据访谈后天失明的盲人有很大一部分不懂盲文，即便是懂盲文，在运动的器材上摸索寻找按键也是不安全和不现实的。所以可以说目前市面上健身房中绝大多数跑步机盲人朋友都不能用。所以如何利用较小的成本改造现有设备成了一个不可躲避的话题。
四、 GuideRobot的开发
本项目就是针对市面上大多数跑步机设计的声控按钮引导设备。如图2所示，我们的设备只需通过扎线带固定在跑步机的面板上。为了适应面板不同大小的跑步机，设备的框架设计为可以横纵方向可以伸缩。
本产品最大的贡献是可以快捷地安装于目前绝大多数跑步机上，所以不需要更改现有跑步机的软硬件，成本低廉，安装方便。使盲人可以有效地使用现有的健身器材。偏于在现有健身房进行大面积普及。
（一） GuideRobot的软硬件系统介绍：
GuideRobot是基于树莓派进行控制。安装于树莓派上的扩展板上的控制器控制了机器人两端的舵机旋转。基于树莓派上的LINUX系统开发了及舵机控制、语音识别等功能。
（二）控制系统的软件框架
本研究基于树莓派的LINUX系统，利用Python语言开发的控制系统。图3所示，控制系统分两个模式：初始化设置模式和实际运行模式。初始化设置模式是根据跑步机面板上各按钮的实际位置，手动设置设置两个引导杆的旋转角度。每个按钮对应的舵机旋转角度和按钮名称设置后会记录与数据库中。在实际运行模式下，盲人说出按钮的名称，语音文档通过网络上传于百度语音识别云服务，识别后的字符回传给系统，系统利用该字符检索数据库得到两个舵机应该旋转的角度，利用这个角度控制舵机旋转。从而引导杆交叉与事先设定的位置。
（三） GuideRobot的实验
为了证明GuideRobot的可行性，本研究在普通的跑步机上安装并运行了本设备。如图4所示，GuideRobot安装与跑步机的控制面板上，登记的按钮位及实际实验场景。
实验结果表明本系统的识别成功率达到95%以上，识别错误率在0.01%以下;马达重复定位精度误差在0.1度以下。完全可以达到使用华的程度。为了证明本产品的泛用性，我们还将该设备安装于舒华、爱康、岱宇、锐步等多家国内外品牌的跑步机上。性能基本没有太大变化。
五、研究的不足及改进的讨论
目前研究也有一些不足之处。比如，问卷收集的数量太少，只有126份，这个结果不一定精准。团队成员可能只是了解到了盲人当中一小部分人的需求，很多其他的盲人可能有不一样的需求团队成员并没有了解到。除此以外，由于疫情的原因，小队成员访谈的人群也比较小，只有少数盲人按摩店的员工和残疾人协会的工作人员，从这里得到的信息也同样可能存在一些偏差。在今后的研究中，团队成员可以尽量加大研究群体的样本量。
目前设备由于时间紧迫，所有还有如下几点需要改进：（1）设备走线凌乱，外观需要从新设计制作，尽量减少外部走线。（2）软件有闪退的BUG，需要改进提高。实验过程中发现，GUI界面的程序中有与语音识别冲突的地方，需要改良。（3）语音识别需要提高速度。压缩语音识别前的预处理操作步骤。
六、 结 论
在这项研究当中，最初提出来的研究假设得到了验证：盲人有运动的需求，室内运动最为适合盲人，并且语音控制的跑步机对盲人的运动有帮助。在收到的问卷当中，大部分的盲人都说他们由于一些自身原因，比如方向感或者平衡感不好，导致不运动，语音控制的设备会方便他们的运动。在访谈中，团队成员了解到了语音控制设备不仅对后天性的盲人有好处，对先天性的盲人也有好处。在和跑步机厂家的访谈当中，团队成员了解到为盲人特殊设计的设备一直没有的原因：价格高昂，需求量也小。综上所述，本研究计划开发的基于声音控制的机器人可以一定程度帮助盲人进行运动。从而提高他们的身体素质，增大他们的社交范围，增强自立自强的自信心。GuideRobot正是基于上述调研为基础开发并进行了一系列的实验，实验结果表明本设备完全可以达到调研中盲人所期待的效果。
参考文献：
[1]奚从清.中国特色残疾人事业的理论研究与服务实践——从人道主义的延续性说起. 残疾人研究（03），14-18.
[2]Ruth Tevlin， Eva Doherty & Oscar Traynor. Improving disclosure and management of medical error – An opportunity to transform the surgeons of tomorrow. The Surgeon （6）， 82-120.
[3]朱晓.浅析后天失明盲童心理健康教育方法与对策. 教育现代化（43），253-257.
[4]中国残疾人体育协会. 残疾人体育基本知识导读. 华夏出版社.
[5]国家体育总局《全民健身指导丛书》编委会编. （2003）.积极人生.体育大学出版社.
[6]马洪路.中国残疾人社會福利. 中国社会出版社.
[7]朴永馨.特殊教育概论. 华夏出版社.
[8]吴厚德.残疾人心理分析. 华夏出版社.
[9]邱林，施志社.我国盲人足球运动发展研究. 体育文化导刊（12），32-36.
[10]叶米川，朱江天.盲人门球投球时肌肉运动感觉的心理训练探讨. 长春大学学报（04），76-79.
[11]王建宏.依据运动表象形成规律 优化盲人体育教学. 现代特殊教育（05），60-62.
[12]郭卫，贾勇，谭涌.残疾人体育. 北京体育大学出版社.
[13]何腾鹏，张荣芬，刘超，房乐楠，刘宇红.基于机器视觉的智能导盲眼镜设计.电子技术应用（04），58-61.
[14]刘宇红，刘超 & 何腾鹏.基于机器视觉的智能导盲系统的开发与设计. 电子技术与软件工程（03）， 45-46.
作者介绍：
周辰菲（2004-），女，汉族，上海人，高中生，研究方向：机器人编程;
尤鸣宇（1981-），女，汉族，浙江省象山人，博士学历，研究方向：机器学习，机器人工学。
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