梁秋艷，牛國玲，任典典，石輝輝，孫文龍，曹金陽

（佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

基于TRIZ理論的智能盲人拐杖創(chuàng)新設計

梁秋艷，牛國玲，任典典，石輝輝，孫文龍，曹金陽

（佳木斯大學 機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

針對現(xiàn)有的智能盲人拐杖存在的不能全面準確的監(jiān)控路況信息以及功能不全的問題，使用TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving)理論進行創(chuàng)新改造，將實際存在的矛盾用TRIZ的標準參數(shù)進行表達，依據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣找到解決矛盾的一般解，把一般解應用到實際問題中，得出解決問題的最終方案。相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ理論具有鮮明的特點和優(yōu)勢。

TRIZ理論；阿奇舒勒矛盾矩陣；盲人拐杖；創(chuàng)新

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，中國是世界上盲人最多的國家，約有1233萬，占到全世界盲人人口的20%，并且還在以每年45萬的數(shù)量激增[1]，到目前為止，輔助盲人日常出行的工具是導盲犬和拐杖。經(jīng)過訓練后的導盲犬可以幫助盲人去學校、商店等，可以帶領盲人安全地走路，當遇到障礙和需要拐彎時，會引導主人停下以免發(fā)生危險，但是導盲犬的訓練專業(yè)性強、時間長、耗資巨大，此外，多年來相關(guān)法規(guī)缺失，令國內(nèi)導盲犬 “車難乘、門難進”，難以對盲人提供全面幫助。所以，目前盲人單獨出行主要靠盲人拐杖，一般的盲人拐杖由撐桿和手柄組成，結(jié)構(gòu)簡單，但是實現(xiàn)的功能比較單一，沒有特殊的安全提示?，F(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)有一些智能盲人拐杖，基本上集成了GPS、超聲波傳感器、3G通訊、無線通訊技術(shù)和健康管理等功能，其中以GPS和超聲波傳感器為多，雖然超聲波傳感器能夠達到測障的目的，但是不能全面的監(jiān)控路況信息，而且各種智能盲人拐杖功能參差不齊，沒有一套系統(tǒng)的完整的功能模塊。針對這些存在的問題，運用TRIZ理論，對智能盲人拐杖進行創(chuàng)新性方案設計。

1 TRIZ理論及阿奇舒勒矛盾矩陣

TRIZ是專門研究創(chuàng)新設計的理論，作為技術(shù)問題或發(fā)明問題解決的一種強有力方法，并不是針對某個具體的機構(gòu)、機械或過程，而是要建立解決問題的模型及指明問題解決對策的探索方向，指導人們創(chuàng)造性解決問題并提供科學的方法、法則。

TRIZ理論認為，所有技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展遵循著客觀規(guī)律，通過TRIZ理論提供的問題解決工具和近似標準的問題分析和解決方法，可以為解決具體技術(shù)問題提供解決方案。TRIZ理論的出發(fā)點是借助于經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)事物中的矛盾，依據(jù)這些矛盾進行創(chuàng)造改進設計[2～3]。

如果改善系統(tǒng)的一個參數(shù)，就得惡化另一個參數(shù)，就說明該系統(tǒng)存在著技術(shù)矛盾，TRIZ理論總結(jié)了39個通用工程參數(shù)來描述矛盾，改善與惡化的參數(shù)就構(gòu)成了技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部的矛盾，TRIZ理論就是要克服這些矛盾，推進系統(tǒng)向理想化進化。實際應用中，把構(gòu)成矛盾的雙方內(nèi)部性能用這 39個工程參數(shù)中的某兩個來表示，TRIZ理論還總結(jié)了40個創(chuàng)新原理，只要正確、科學地應用這些原理，就可以逐步實現(xiàn)對技術(shù)矛盾的深入分析和標準化，最終實現(xiàn)技術(shù)矛盾的解決。把這39個通用工程參數(shù)和40個創(chuàng)新原理構(gòu)成的解決矛盾的矩陣表稱為阿奇舒勒矛盾矩陣[4]。阿奇舒勒矛盾矩陣的一般形式如圖1所示，縱向為從39個工程參數(shù)的選出的要改變的特性參數(shù)，同樣，橫向為不希望的工程參數(shù)，兩者的交叉數(shù)字代表在40個創(chuàng)新原理中選中的用來解決這兩個矛盾參數(shù)的最常用的創(chuàng)新原理，可以從這些常用原理中選擇適合實際問題的原理。

圖1 阿奇舒勒矛盾矩陣一般形式Fig.1 The general form of Altshuller contradiction matrix

2 TRIZ理論解決問題的技術(shù)路線

TRIZ理論解決技術(shù)問題的一般方式是先將要解決的普通技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ的一般問題，轉(zhuǎn)化的方法是按照TRIZ理論標準化參數(shù)分析并確定技術(shù)矛盾，并使用通用工程參數(shù)對問題進行表達，將問題TRIZ化，然后使用阿奇舒勒矛盾矩陣表找出解決該技術(shù)矛盾通常使用的創(chuàng)新原理，獲得TRIZ的一般解，再將這些一般解應用到具體的技術(shù)領域形成解決特定問題的特定解決方案，并在實際問題中加以實現(xiàn)，最終獲得問題的解決。技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 TRIZ理論解決問題的技術(shù)路線Fig.2 The technical route to solve problem by TRIZ theory

3 基于TRIZ矛盾解決原理的智能盲人拐杖創(chuàng)新方案設計

3.1 實際問題及工程參數(shù)的確定

普通的盲人拐杖結(jié)構(gòu)簡單，存在著探測的距離受限于拐杖的長度、難以發(fā)現(xiàn)懸掛的障礙物、無法及時獲取必要的路況及天氣信息、無法確定自己的位置等一系列的不足。目前出現(xiàn)的一些智能拐杖，有的具備了GPS自動定位功能[5]，有的在GPS模塊的基礎上又集成了超聲波傳感器，多了故障測距的功能[6]，有的在GPS模塊的基礎上增加了紅外線語音提示，求助，報警等功能[7]。但是這些智能拐杖普遍存在的問題是不能全面準確的監(jiān)控路況信息，而且各種類型拐杖功能的參差不齊，沒有一套系統(tǒng)的完整的功能模塊。

智能盲人拐杖存在的這兩方面問題都是希望改善的特性，對應到39個通用工程參數(shù)中選擇28測量準確度和37控制復雜性，以此作為改進的工程參數(shù)。改進的工程參數(shù)得到提高，必然會使得該產(chǎn)品在制造上變得不容易，同時提高了設備的復雜性，對應到通用工程參數(shù)中，選擇1移動物體的重量，7移動物體的體積，32制造性和36設備復雜性，作為被惡化的工程參數(shù)。

3.2 創(chuàng)新原理的分析

通過查找阿奇舒勒矛盾矩陣表來確定解決上述矛盾的一般方法，如表1所示。

表1 智能盲人拐杖的矛盾解決矩陣Tab.1 Contradiction solve matrix of intelligent blind cane

把從表1所得到的解決矛盾的一般方法與實際問題進行篩選分析，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新原理10、11、28適用于作為解決本問題矛盾的指導思想，其中以創(chuàng)新原理28為最優(yōu)。創(chuàng)新原理28更換機械系統(tǒng)體現(xiàn)在4個方面：①以視覺的、聽覺的或嗅覺的系統(tǒng)取代機械系統(tǒng)；②以電場、磁場或電磁場來使物體互相影響；③場的替代：從恒定場到可變場，從固定場到隨時間變化的場，從隨機場到有組織的場；④將場和鐵磁離子組合使用。

創(chuàng)新原理10先前動作體現(xiàn)在兩個方面：①事先完成部分或全部的動作或功能；②在方便的位置預先安置物體，使其在第一時間發(fā)揮作用，避免時間的浪費。

創(chuàng)新原理11預先應急措施：針對物體相對較低的可靠性，預先準備好相應的應急措施。

3.3 創(chuàng)新原理的應用

綜合以上創(chuàng)新原理的分析，并結(jié)合本問題實際情況，可以在智能盲人拐杖上加裝固定攝像頭，盲人正常行走時攝像頭進行全面路況信息采集，同時把圖像傳和GPS定位信息輸?shù)娇刂破鲗⑿畔⑼ㄟ^無線模塊將信息傳遞到電腦對路況信息進行及時處理，并通過超聲波傳感器輔助進行及時避障。無線語音導航模塊預先存儲大量的交通道路信息，通過無線連接將采集來的路況傳遞給盲人，方便并及時讓盲人了解路況信息，引導盲人到達目的地。健康管理模塊對盲人身體狀況進行監(jiān)控，對其身體狀況進行實時監(jiān)控，保障生命安全，在緊急狀況下做出相應措施。基于上述創(chuàng)新原理，改造后的新型智能盲人拐杖示意圖如圖3所示。

圖3 中智能拐杖包括手柄、杖桿兩部分，其中杖桿為空心，在杖外側(cè)設有攝像頭、LED燈、按鈕、超聲波傳感器、脈搏傳感器。控制器安裝在杖桿內(nèi)側(cè)，導線和控制器中的模塊相連接。盲人正常行走時攝像頭進行采像，傳輸?shù)娇刂破鲗β窙r信息進行及時處理，并通過超聲波傳感器輔助進行及時避障。攝像頭周圍有 LED燈，在夜間按下按鈕開啟LED燈，即為攝像頭照明也為盲人提供光防止別人的碰撞。GPS模塊進行實時地理信息采集，將信息傳輸?shù)娇刂破骷皶r告知盲人家屬，并對盲人反饋信息引導盲人行走。脈搏傳感器感知盲人脈搏，對盲人身體狀況進行監(jiān)督，并在出現(xiàn)危險時發(fā)出警報。

圖3 新型智能盲人拐杖設計示意圖Fig.3 The designschematic of new intelligent blind cane

4 結(jié)論

運用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，而且能夠得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品?；赥RIZ理論的智能盲人拐杖，通過將實際問題TRIZ化，依據(jù)阿奇舒勒矛盾解決矩陣及分析，解決了現(xiàn)有智能拐杖不能提供全面準確的路況信息和功能不全的問題，相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ理論具有鮮明的特點和優(yōu)勢。

[1]王冠生，鄭江華，等.盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用綜述[J].計算機應用與軟件，2012，12.

[2]彭慧娟，成思源，等.TRIZ的理論體系研究綜述[J].機械設計與制造，2013，10.

[3]高常青.TRIZ—發(fā)明問題解決理論[M].北京：科學出版社，2011.

[4]楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5]魏慶麗，許鵬，等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖設計[J].吉林大學學報（信息科學版），2012，5.

[6]方仁杰，朱維兵.基于GPS定位與超聲波導盲拐杖的設計[J].計算機測量與控制，2011，5.

[7]陳言.一種多功能智能拐杖的設計[J].藝術(shù)與設計，2010，209～210.

Innovative Design of Intelligent Blind Cane Based on TRIZ

LIANG Qiu-Yan，NIU Guo-Ling，REN Dian-Dian，SHI Hui-Hui，SUN Wen-Long，CAO Jin-Yang
(College of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi Heilongjiang 154007,China）

For the problem of that the existing intelligent blind cane can not get a comprehensive and accurate traffic information or dysfunction,using TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)theory to innovative reform.The actual existence conflicts expressed by the standard parameters of TRIZ,and according to the altshuller contradiction matrix to find the general solution to resolve the contradiction, then the general solution is applied to the practical problems,coming to the final plan of solve the practical problem.Compared with the traditional innovative methods,TRIZ theory has distinctive features and advantages.

TRIZ theory；altshuller contradiction matrix；blind cane；innovation

TB47

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.011

1002－6673（2014）03－029－03

2014－03－10

項目來源：2013年黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練重點項目（201310222045）

梁秋艷（1981-），女，黑龍江安達市人，在讀博士，講師。研究方向：智能檢測與控制；通訊作者：牛國玲（1975-），女，黑龍江省佳木斯人，碩士，副教授，教研室副主任。研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化。