武曌晗，榮學(xué)文，范 永

1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061

2.山東交通學(xué)院 軌道交通學(xué)院，濟(jì)南 250357

1 引言

視力障礙者是指視力下降到一定程度，無法用常規(guī)方法矯正視力、保障日常生活水平的人。視力障礙到一定程度的患者稱為盲人。隨著人口的增長(zhǎng)和老齡化程度的加深，到2050年，全球預(yù)計(jì)會(huì)有7.03億人面臨中重度視力損害或失明[1]。根據(jù)中國(guó)殘聯(lián)的數(shù)據(jù)，目前我國(guó)至少有500萬盲人，且盲人數(shù)量正在以每年45萬的速度迅速增加。中國(guó)作為全球人口數(shù)量最多的發(fā)展中國(guó)家，為視力障礙人群提供醫(yī)療、教育、幫助就業(yè)等服務(wù)的任務(wù)巨大。

即使有盲道、導(dǎo)盲杖的幫助，當(dāng)盲人獨(dú)自來到陌生且復(fù)雜的環(huán)境，也會(huì)因?yàn)闊o法獲取足夠的視覺信息而寸步難行。盲人在陌生的戶外環(huán)境中獨(dú)自出行所需的信息主要有：（1）環(huán)境信息，包括路面狀況、路面障礙物、行人、車輛等；（2）交通信息，包括斑馬線、盲道和人行道的位置、交通燈及交通標(biāo)志的指示信息等；（3）導(dǎo)向信息，包括自身位置、朝向、目的地位置及前往目的地的合理路徑信息?，F(xiàn)今多款輔助盲人出行的電子設(shè)備的基本原理都是將盲人無法獲取的部分以上信息轉(zhuǎn)換為其他感官信息。其中，觸覺和聽覺，或兩者的組合是相對(duì)理想和常用的選擇。

本文介紹了近年來科研人員為使用現(xiàn)代科技幫助盲人獨(dú)立出行所做的嘗試，比較、分析了各類導(dǎo)盲機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，總結(jié)了導(dǎo)盲機(jī)器人多項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了導(dǎo)盲機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為相關(guān)科研人員提供參考。

2 導(dǎo)盲機(jī)器人分類概述

根據(jù)聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織所采納的、美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)下的定義，機(jī)器人是：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)”。那么，以引導(dǎo)和幫助盲人出行為目的而設(shè)計(jì)的可編程操作機(jī)或?qū)ｉT系統(tǒng)，均可稱為“導(dǎo)盲機(jī)器人”。

在這一定義的基礎(chǔ)上，歸納了多種導(dǎo)盲機(jī)器人，并分類說明其研究現(xiàn)狀。

2.1 導(dǎo)盲機(jī)器人研究現(xiàn)狀

50多年來，全球科研人員不斷嘗試通過導(dǎo)盲機(jī)器人幫助盲人導(dǎo)航、提高盲人生活質(zhì)量，多形式、多功能的導(dǎo)盲機(jī)器人不斷進(jìn)入公共視野。目前功能較為完善的導(dǎo)盲機(jī)器人可以分為智能導(dǎo)盲杖、穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備、手持式導(dǎo)盲儀、基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)和移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人五類。

2.1.1 智能導(dǎo)盲杖

智能導(dǎo)盲杖在傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖的基礎(chǔ)上增加多種傳感器和微控單片機(jī)，向盲人提供路面信息及導(dǎo)航信息。

美國(guó)Gao R X等人[2]研發(fā)的導(dǎo)盲杖利用超聲波傳感器專門檢測(cè)用戶頭部前方5 m內(nèi)的障礙物，印度Mohapatra S等人[3]則用3個(gè)超聲波傳感器同時(shí)檢測(cè)正前方、前方地下、前方偏上區(qū)域的障礙物。同濟(jì)大學(xué)馬宏平等人[4]的紅外探測(cè)導(dǎo)盲杖使用蜂鳴器和MP3模塊的雙語音報(bào)警系統(tǒng)引導(dǎo)盲人快速安全地行走。張克華等人[5]開發(fā)了基于單一kinect傳感器的導(dǎo)盲系統(tǒng)（如圖1），該系統(tǒng)能夠運(yùn)用深度圖像翻轉(zhuǎn)算法和障礙物識(shí)別算法同時(shí)檢測(cè)盲人身高、1 m寬度、3 m距離內(nèi)的所有地面障礙物、坑洞和懸空障礙物，并根據(jù)各障礙物的類型、距離規(guī)劃出3 m內(nèi)的最佳避障路線。

當(dāng)盲人需要去某個(gè)確定的目的地時(shí)，需要更多的導(dǎo)航信息。在室內(nèi)，可利用RFID射頻識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)定位，泰國(guó)Chumkamon S等人[6]在室內(nèi)環(huán)境中布置RFID標(biāo)簽，導(dǎo)盲杖上安裝RFID閱讀器，當(dāng)閱讀器讀到某個(gè)標(biāo)簽時(shí)，盲人正處于該標(biāo)簽記錄的位置。在室外環(huán)境中，印度尼西亞共和國(guó)的Mutiara G A等人在導(dǎo)盲杖中使用羅盤告知用戶8個(gè)基本方向[7]，并加入GPS定位功能以通知盲人是否達(dá)到目的地[8]，但暫時(shí)不能提供具體的導(dǎo)航信息。

2.1.2 穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備

穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備將導(dǎo)盲系統(tǒng)裝配在盲人的外套、眼鏡、背包、鞋子等裝備上，解放盲人的雙手，讓盲人可以更自由地步行在大街上。設(shè)計(jì)穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備不僅要考慮一般的導(dǎo)盲和安全需求，還要考慮裝備的重量、穿戴舒適度和盲人群體的接受度。

韋中超等人[9]在用戶頭部前方配置一個(gè)超聲波傳感器、兩側(cè)各配置一個(gè)紅外線傳感器，探測(cè)方向隨盲人的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。美國(guó)Ram S等人[10]在盲人胸前配置超聲波和熱電傳感器，可分辨街頭的行人和物體。

密歇根大學(xué)的Borenstein J及其團(tuán)隊(duì)[11]研發(fā)的導(dǎo)航腰帶NavBelt裝配了2排共16個(gè)超聲波傳感器探測(cè)前方120°范圍，并利用左、右耳聲音的相位差使人產(chǎn)生方向性的印象，以實(shí)現(xiàn)聲音圖像模式和聲音導(dǎo)航模式。在聲音圖像模式下，環(huán)境信息被轉(zhuǎn)化成虛擬的聲學(xué)圖像，用戶可以“聽到”從右到左的環(huán)境信息，根據(jù)聲音的大小和方向在腦內(nèi)建立虛擬環(huán)境地圖。在聲音導(dǎo)航模式下，NavBelt用立體聲指導(dǎo)盲人跟隨根據(jù)GPS和障礙物信息確定的導(dǎo)航路線：當(dāng)行走方向與建議方向相差不超過5°時(shí)，立體聲為250 Hz的低音；當(dāng)盲人走錯(cuò)或距離障礙物過近時(shí)，立體聲的振動(dòng)頻率增快、振幅增大[12]。

朱愛斌等人[13]用多圖像傳感器進(jìn)行3D場(chǎng)景重建，配合用戶腰部和腳腕處的超聲波傳感器檢測(cè)障礙物。葡萄牙Filipe V等人[14]用盲人胸前的Microsoft Kinetic攝像機(jī)斜向下45°進(jìn)行拍攝，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)從圖像中提取的6條豎直線上的深度信息進(jìn)行分類，對(duì)比預(yù)先定義的環(huán)境模式，從而識(shí)別前方2 m范圍內(nèi)的障礙和樓梯。但Kinect攝像機(jī)尺寸太大，且需要連接電腦傳輸數(shù)據(jù)，尚不適合隨身攜帶。Bai J等人[15]設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲眼鏡集成了超聲波測(cè)距儀、深度攝像機(jī)和魚眼攝像機(jī)，根據(jù)采集的信息利用A*算法生成感興趣的點(diǎn)分布圖，規(guī)劃出全局最短路徑，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)目標(biāo)選擇策略的虛擬盲道跟蹤方案，在語音導(dǎo)航的同時(shí)還可通過眼鏡上的顯示屏向擁有部分視力的用戶補(bǔ)充周圍環(huán)境信息，如圖2所示。德國(guó)Manuel Martinez等人[16]獨(dú)具創(chuàng)意地將無人駕駛技術(shù)中使用的傳感器、平臺(tái)和Stixels算法移植到穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備中，用戶可背著處理器行走，胸前攝像頭采集到的圖像被劃分為基于視差分割的垂直區(qū)域，從而判斷出障礙物和地面，如圖3所示。

圖2 基于虛擬盲道跟蹤技術(shù)設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲眼鏡

圖3 使用無人駕駛技術(shù)的穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備

2.1.3 手持式導(dǎo)盲儀

手持式導(dǎo)盲儀最大的特點(diǎn)就是輕巧方便、易攜帶。

印度Pravin M等人[17]用固定的白色LED燈作為發(fā)射器，用戶手持PIN二極管接收器讀取不同頻率光線對(duì)應(yīng)的信息以確定位置。該系統(tǒng)簡(jiǎn)易低價(jià)、不受電磁干擾的影響，但受遮擋物、反光物和其他光源的影響大，只適合簡(jiǎn)單、黑暗的室內(nèi)環(huán)境。日本Amemiya T等人[18]開發(fā)的“偽吸引力”手持導(dǎo)盲設(shè)備利用人感知力的習(xí)慣，在扁圓柱型導(dǎo)航儀中產(chǎn)生一種特殊的振動(dòng)，用2D平面內(nèi)任意方向的“推/拉力”指導(dǎo)用戶前進(jìn)。

2014年，以色列Maidenbaum S等人[19]研發(fā)的手持導(dǎo)盲儀EyeCane使用多個(gè)窄光束紅外線傳感器同時(shí)向前方和斜下方精確測(cè)距，用盲人手腕處和拇指處的振動(dòng)表示兩處距離，距離越近振動(dòng)越強(qiáng)。經(jīng)過幾分鐘的學(xué)習(xí)，盲人可以通過不斷轉(zhuǎn)動(dòng)手腕掃描周圍環(huán)境來躲避障礙物，穿過含多個(gè)轉(zhuǎn)角的走廊。如圖4所示，該團(tuán)隊(duì)還結(jié)合谷歌3D地圖設(shè)計(jì)了虛擬EyeCane導(dǎo)盲系統(tǒng)[20]，方便盲人在出行前，通過電腦模擬行走，以熟悉陌生的室內(nèi)環(huán)境。

圖4 EyeCane手持導(dǎo)盲設(shè)備

在德國(guó)Hub A等人[21]提出的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，手持設(shè)備使用攝像頭拍攝前方物體的同時(shí)使用WiFi定位確定設(shè)備位置、超聲波測(cè)距儀測(cè)量設(shè)備距地高度、數(shù)字羅盤和3D傾斜傳感器確定攝像頭朝向，并在3D環(huán)境模型中利用上述信息確定虛擬攝像機(jī)的位置、高度和朝向進(jìn)行拍攝，通過對(duì)比真實(shí)照片與虛擬照片識(shí)別被拍攝物體。

2.1.4 基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)

基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)充分利用了智能終端集成了大量傳感器且自帶導(dǎo)航功能的優(yōu)勢(shì)。胡浩明等人[22]以Google公司Project Tango平臺(tái)下的深度感知技術(shù)為核心，調(diào)用移動(dòng)設(shè)備的深度感知攝像頭和點(diǎn)云傳感器進(jìn)行測(cè)距。英國(guó)Lock J等人[23]同樣依靠Project Tango平臺(tái)下的設(shè)備搭建導(dǎo)盲系統(tǒng)，學(xué)習(xí)用戶隨時(shí)間變化的行為，調(diào)整系統(tǒng)的反饋參數(shù)以提高性能，從而幫助盲人更快到達(dá)目的地。2019年，Li Bing等人[24]結(jié)合了Google Tango設(shè)備中的視覺定位服務(wù)和預(yù)先建立的語音地圖，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的語音定位；利用RBG-D攝像頭和基于時(shí)間戳圖的卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)了高效的障礙物檢測(cè)，如圖5所示。用戶可利用鍵盤選擇目的地，Google Tango設(shè)備將規(guī)劃好的路線通過無線藍(lán)牙技術(shù)發(fā)送到智能手杖中，智能手杖利用語音和振動(dòng)信息引導(dǎo)用戶前往目的地。

圖5 基于視覺的盲人室內(nèi)移動(dòng)輔助導(dǎo)航設(shè)備

智能手機(jī)自帶的導(dǎo)航功能也可服務(wù)于導(dǎo)盲系統(tǒng)，墨西哥Velázquez R等人[25]結(jié)合智能手機(jī)的導(dǎo)航功能和穿戴式設(shè)備提出了一種導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖6所示。手機(jī)從衛(wèi)星接收GPS數(shù)據(jù)，將其同步到筆記本電腦進(jìn)行路徑規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果通過電磁波發(fā)送到盲人腳腕處的電子設(shè)備中，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)盲鞋底部的振動(dòng)信號(hào)引導(dǎo)盲人前往目的地。該導(dǎo)盲裝置可連續(xù)工作6 h，但電腦與穿戴設(shè)備的通信距離只有200 m。

美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款在室內(nèi)、室外環(huán)境均適用的導(dǎo)盲軟件NavCog[26]，可配合安裝在城市街頭的藍(lán)牙信標(biāo)使用，如圖7所示。該軟件的手機(jī)界面圖標(biāo)位置固定、易記憶，盲人通過短暫學(xué)習(xí)便可自主下載標(biāo)記了可行走區(qū)域、路口和電梯口等決策點(diǎn)、商店和擋路的柱子等值得關(guān)注的地點(diǎn)及藍(lán)牙信標(biāo)安裝地點(diǎn)的地圖并進(jìn)行導(dǎo)航。為了提高用戶體驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)根據(jù)用戶步行速度調(diào)整交互的時(shí)間和內(nèi)容、根據(jù)用戶喜好調(diào)整導(dǎo)航技巧與風(fēng)格[27]。2018年，該團(tuán)隊(duì)在日本的一個(gè)3座5層大型商場(chǎng)內(nèi)部署藍(lán)牙信標(biāo)，用多元回歸的方法從數(shù)學(xué)上分析了建筑墻壁、盲道布置、周圍場(chǎng)景、路線、定位誤差及導(dǎo)航指令類型對(duì)用戶跟隨計(jì)劃路線情況的影響[28]，并提出了一系列增強(qiáng)概率定位算法準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)[29]，將NavCog的平均定位誤差從3 m降到1.7 m。針對(duì)室外地圖復(fù)雜、手動(dòng)標(biāo)記工作量過大的問題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)NavCog進(jìn)行了優(yōu)化[30]：從OpenStreetMap線上地圖中自主下載并處理地圖，用點(diǎn)和線表示決策點(diǎn)和道路；從熱門點(diǎn)評(píng)軟件Yelp和FourSquare上獲取商家地址、名稱、評(píng)價(jià)等用戶可能感興趣的信息補(bǔ)充到地圖中?？紤]到現(xiàn)有較為完善的導(dǎo)盲系統(tǒng)大多需要長(zhǎng)期維護(hù)、成本過高的問題，該團(tuán)隊(duì)又提出了基于眾包的、非專家維護(hù)的導(dǎo)航系統(tǒng)LuzDeploy[31]：志愿者根據(jù)軟件的指導(dǎo)了解商場(chǎng)內(nèi)藍(lán)牙信標(biāo)的安裝、校準(zhǔn)方法及分布圖，從而參與到系統(tǒng)維護(hù)中來。目前127位志愿者在幾個(gè)月內(nèi)，于一棟7層建筑完成了455項(xiàng)維護(hù)任務(wù)，這是進(jìn)行長(zhǎng)期有效的智能導(dǎo)航系統(tǒng)維護(hù)的有效嘗試。

2.1.5 移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人

目前最常見的移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人為輪式小車和牽引桿的組合，最典型的例子是Borenstein J等人[32]推出移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人，使用時(shí)盲人將牽引桿推到身體前方，通過手柄感受到明顯的牽引力作為轉(zhuǎn)向命令。這種導(dǎo)盲方式不需要聲音、振動(dòng)等交互信息，即可輕松、安全地引導(dǎo)盲人。

圖6 基于GPS和腳部觸覺反饋的戶外導(dǎo)航系統(tǒng)

圖7 基于NavCog軟件的智能導(dǎo)盲系統(tǒng)

如圖8所示，加州理工學(xué)院的Siagian C等人[33]研發(fā)的輪式移動(dòng)機(jī)器人在采集到畫面中用一組線表示道路，通過確定其消失點(diǎn)判斷道路的指向，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。該移動(dòng)機(jī)器人不是專門為導(dǎo)盲設(shè)置，可自行移動(dòng)（在4個(gè)行人眾多的大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，可獨(dú)自前行5 km），也可引導(dǎo)盲人步行跟隨。

移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人適合跟隨軌跡或結(jié)合GPS、固定標(biāo)簽等方式協(xié)助盲人前往確定的目的地。2018年，中國(guó)臺(tái)灣的Chuang T K等人[34]研發(fā)的循跡機(jī)器人同時(shí)對(duì)車身左30°、正前方、右30°進(jìn)行拍攝，可識(shí)別黃藍(lán)條帶軌跡和美國(guó)波士頓的“自由軌跡”。如圖9所示，系統(tǒng)可以通過兩種方式訓(xùn)練深度CNN模型，其中，“行為反射”方式將輸入圖像直接映射為“左轉(zhuǎn)”“直行”和“右轉(zhuǎn)”三個(gè)運(yùn)動(dòng)指令；“直接感知”方式采集軌道距畫面中心的橫向距離和機(jī)器人航向，通過改進(jìn)的濾波算法來指導(dǎo)機(jī)器人跟隨軌跡。該團(tuán)隊(duì)不僅在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行了測(cè)試，還在ROS平臺(tái)上搭建了仿真地鐵站，驗(yàn)證了來往行人造成的陰影不會(huì)影響機(jī)器人循跡。

圖8 戶外自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人Beobot 2.0

圖9 深度循跡導(dǎo)盲機(jī)器人

虛弱或年老的盲人群體多數(shù)需要大型的導(dǎo)盲設(shè)備支撐其行走。愛爾蘭的Lacey G等人[35]研制的大型移動(dòng)助行器通過動(dòng)力升降機(jī)調(diào)節(jié)高度，支撐盲人進(jìn)行簡(jiǎn)單的散步。日本的Mori H等人[36]推出的大型移動(dòng)導(dǎo)盲裝置則可通過扶手支撐盲人在室外行走，且能夠識(shí)別交通牌、斑馬線和紅路燈，并通過左、右扶手的振動(dòng)提示盲人轉(zhuǎn)向。

為了彌補(bǔ)視力不足給盲人出行帶來的風(fēng)險(xiǎn)，印度Dr.Anand Kumar K M等人[37]另辟蹊徑，推出的四輪移動(dòng)小車搭配助盲軟件：盲人在軟件上選擇目的地并提出援助請(qǐng)求，志愿者通過小車前端攝像頭傳來的畫面判斷盲人位置并遠(yuǎn)程遙控小車，盲人握住車把末端皮帶以跟隨小車；同時(shí)服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控，若盲人偏離路線便發(fā)出警告。為了進(jìn)一步提升盲人用戶使用體驗(yàn)，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的Kulkarni A等人[38]給移動(dòng)機(jī)器人Pioneer 3DX安裝了木質(zhì)手柄設(shè)計(jì)成導(dǎo)盲機(jī)器人，放在商場(chǎng)供用戶自行取用，它可以記錄用戶性別、年齡、目的地等信息，從而學(xué)習(xí)不同用戶的使用習(xí)慣以改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)。同校的Nanavati A等人[39]則專門研究了用戶跟隨移動(dòng)小車接近目的地時(shí)，尋找目標(biāo)房間門把手位置的習(xí)慣，并據(jù)此設(shè)計(jì)多種靠近目的地的方法，讓用戶能輕松、準(zhǔn)確地打開房門。

2.2 導(dǎo)盲機(jī)器人對(duì)比與分析

各類導(dǎo)盲機(jī)器人基于獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到不同科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，也因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)類型而具有一定的局限性，現(xiàn)將各類導(dǎo)盲機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍歸納如表1。

智能導(dǎo)盲杖在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖類似，在不大量增加導(dǎo)盲杖質(zhì)量的前提下大大擴(kuò)展障礙物檢測(cè)的距離和范圍，兼具輕巧、低價(jià)、好上手等優(yōu)點(diǎn)，盲人群體的接受程度最高。但智能導(dǎo)盲杖對(duì)質(zhì)量的要求限制了其硬件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，往往存在功能單一的弱點(diǎn)，大部分智能導(dǎo)盲杖僅具備檢測(cè)障礙的功能。此外，在智能導(dǎo)盲杖底端安裝導(dǎo)輪即可構(gòu)成簡(jiǎn)單的移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人，故可以將智能導(dǎo)盲杖看作去除動(dòng)力系統(tǒng)的移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人；隨著用戶對(duì)導(dǎo)盲機(jī)器人功能多樣性要求的增加，智能導(dǎo)盲杖將逐漸向移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人演化。

穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備將負(fù)責(zé)智能探測(cè)的傳感器固定在盲人周身，讓盲人背著整套系統(tǒng)像正常人一樣行走，是“隱形”程度最高的機(jī)器人，有利于提高盲人的自信心。穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備可通過增加盲人攜帶的傳感器數(shù)量和種類，實(shí)現(xiàn)全方位的危險(xiǎn)預(yù)測(cè)，但會(huì)給盲人造成裝備過重、信息過雜的負(fù)擔(dān)。除了對(duì)盲人的行動(dòng)造成干擾以外，穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備最大的缺陷是難以向“空手”行走的盲人提供心理層面上足夠的安全感。進(jìn)行室外復(fù)雜街區(qū)處的導(dǎo)航時(shí)，穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備需要與智能導(dǎo)盲杖或移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人相結(jié)合。

表1 導(dǎo)盲機(jī)器人分類對(duì)比

手持式導(dǎo)盲儀結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、便于攜帶，但同智能導(dǎo)盲杖一樣被質(zhì)量限制了功能的豐富性。在使用過程中，手持式導(dǎo)盲儀需要不斷地手動(dòng)掃描識(shí)別定位標(biāo)簽、檢測(cè)障礙物等，探測(cè)范圍小，且用戶必須經(jīng)過長(zhǎng)期訓(xùn)練才能熟練使用，只適合在較安全的室內(nèi)場(chǎng)合使用。

基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)構(gòu)建于現(xiàn)有智能終端上，可以批量安裝、跨平臺(tái)使用、跨操作系統(tǒng)運(yùn)行，具有極大的市場(chǎng)潛力。智能終端內(nèi)置攝像頭、羅盤、計(jì)步器、GPS模塊等，基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)定位和導(dǎo)航功能強(qiáng)大；但存在無法檢測(cè)障礙物或檢測(cè)效率低下的問題，盲人在單獨(dú)使用智能終端的情況下，必須搭配普通導(dǎo)盲杖摸索前進(jìn)。且因?yàn)橹悄芙K端常用的人機(jī)交互方式依賴于視覺通道，盲人使用時(shí)不僅存在大量資源浪費(fèi)的情況，還需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)才能記憶復(fù)雜的操作步驟。基于智能終端的導(dǎo)盲系統(tǒng)在現(xiàn)階段發(fā)展較快，但在未來將會(huì)被專為盲人設(shè)計(jì)的、功能健全且成本更低的導(dǎo)盲機(jī)器人取代。

移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人建立在移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)不需考慮對(duì)用戶造成的重量負(fù)擔(dān)，一般都裝備有多種傳感器和計(jì)算能力強(qiáng)大的控制計(jì)算機(jī)，且方便在原配置的基礎(chǔ)上直接擴(kuò)充硬件，從而保證了其功能的實(shí)用性和豐富性。市面上已有多款成熟的在售移動(dòng)式機(jī)器人具備了自主建模避障、定位導(dǎo)航等功能，加強(qiáng)恰當(dāng)?shù)娜藱C(jī)接口設(shè)計(jì)后即可用于導(dǎo)盲領(lǐng)域。綜合來說，移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的功能完全覆蓋其他導(dǎo)盲機(jī)器人，且可擴(kuò)展性強(qiáng)，是近年來廣受關(guān)注、發(fā)展迅速的導(dǎo)盲機(jī)器人類型。此外，移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人采用機(jī)器人先行、盲人跟隨的導(dǎo)航方式，大大降低了盲人受傷的概率，顯著提高了盲人在室內(nèi)外行走的效率和安全性。

目前限制移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人普及的最大問題是不能適應(yīng)復(fù)雜地形以及硬件和開發(fā)成本高，前者可以通過優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)來解決，后者隨著移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展將不再明顯；因此，移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人將在未來進(jìn)一步凸顯優(yōu)勢(shì)，成為導(dǎo)盲機(jī)器人研發(fā)的主流方向。

3 導(dǎo)盲機(jī)器人的共性關(guān)鍵技術(shù)

為滿足盲人獨(dú)自出行的基本需要，導(dǎo)盲機(jī)器人的主要功能包括障礙物與路況識(shí)別、地圖構(gòu)建、精準(zhǔn)定位、智能導(dǎo)航等。本章討論了導(dǎo)盲機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)上述功能，在環(huán)境檢測(cè)、定位與導(dǎo)航和人機(jī)交互等方面所采取的共性關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 環(huán)境檢測(cè)技術(shù)

導(dǎo)盲機(jī)器人可提供的環(huán)境信息包括：四周障礙物大小與方位，地面凹陷情況，樓梯及電梯位置，其他行人方位，室內(nèi)設(shè)施位置，室外斑馬線、交通燈、交通指示牌等交通標(biāo)志信息。目前導(dǎo)盲機(jī)器人領(lǐng)域在環(huán)境檢測(cè)方面采用的關(guān)鍵技術(shù)概括于表2。

自20世紀(jì)70年代起，超聲波測(cè)距技術(shù)和紅外線測(cè)距技術(shù)因精度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)盲領(lǐng)域，此時(shí)的導(dǎo)盲機(jī)器人只需具備簡(jiǎn)單的距離檢測(cè)和報(bào)警功能[40]。碰撞傳感器雖然檢測(cè)范圍極小，但可以用作保護(hù)導(dǎo)盲機(jī)器人和用戶的最后一道防線。時(shí)至今日，超聲波測(cè)距技術(shù)也未被淘汰，并通過不斷地創(chuàng)新改進(jìn)，大幅提高測(cè)距性能，如李姝穎等人[41]對(duì)醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的超聲波相控陣進(jìn)行改進(jìn)，采用輪流激勵(lì)發(fā)射探頭防串?dāng)_、增加數(shù)據(jù)采集量，可檢測(cè)大范圍內(nèi)多障礙物的尺寸和位置。

表2 導(dǎo)盲機(jī)器人環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)

20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，視覺傳感器在導(dǎo)盲機(jī)器人環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域越來越常用，配置了視覺傳感器的系統(tǒng)能從環(huán)境中獲取更豐富、全面的信息。普通攝像頭拍攝的圖案可以用于對(duì)比、識(shí)別常見物體，既能幫助盲人躲避障礙物，也可以幫助盲人尋找特定物體。深度相機(jī)拍攝的結(jié)果可用于快速確定物體的位置、尺寸及形狀，能夠描述坑洞、高臺(tái)、樓梯等復(fù)雜的環(huán)境。視覺傳感器的引入大大提高了導(dǎo)盲系統(tǒng)的智能性，尤其在室外環(huán)境中，機(jī)器人不僅要考慮到行人、車輛帶來的危險(xiǎn)，也要考慮十字路口、紅路燈、斑馬線、交通指示牌等交通信息，配備視覺傳感器是保障導(dǎo)盲機(jī)器人及用戶安全必須的選擇。

21世紀(jì)后，科研人員開始使用固定標(biāo)簽技術(shù)補(bǔ)充環(huán)境信息，將標(biāo)簽閱讀器用作環(huán)境傳感器。巴西Sim?es W C S S等人[50]將視覺標(biāo)簽貼在地面上，用戶通過智能眼鏡識(shí)別標(biāo)簽以了解周圍環(huán)境。陳超[48]給屋內(nèi)所有設(shè)施配置RFID標(biāo)簽，機(jī)器人不需測(cè)距裝置即可自行躲避已知障礙物。佛羅里達(dá)大學(xué)的Willis S等人[49]在室內(nèi)網(wǎng)格狀鋪設(shè)RFID標(biāo)簽，向用戶提供豐富的環(huán)境信息，比如房門處的標(biāo)簽記錄了門的位置、開門方式和該門通向的房間信息。將固定標(biāo)簽放置在活動(dòng)范圍內(nèi)，讓盲人攜帶閱讀器了解環(huán)境逐漸成為一種常見思路。

隨著環(huán)境傳感器種類的日漸豐富，以及環(huán)境檢測(cè)算法的不斷優(yōu)化，導(dǎo)盲機(jī)器人的環(huán)境檢測(cè)功能日趨完善、檢測(cè)正確率和速度不斷提高、檢測(cè)的目標(biāo)也從單一趨于多樣。為了向盲人用戶提供全面、可靠的環(huán)境信息，未來導(dǎo)盲機(jī)器人的設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)向多傳感器信息融合的方向發(fā)展，以提供實(shí)時(shí)更新的精測(cè)檢測(cè)結(jié)果。

3.2 定位與導(dǎo)航技術(shù)

當(dāng)盲人進(jìn)行有目的的遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要精確的自身位置信息、目的地位置信息及與目的地之間路線信息。導(dǎo)盲機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)如表3所示。

阿爾及利亞的Bousbia-Salah M等[51]提出了依靠“記憶”的、不需要定位的導(dǎo)盲方式，在視力正常的人陪同盲人攜帶導(dǎo)盲杖完成第一次導(dǎo)航路線時(shí)，盲人通過鍵盤記錄路途中的每次決策（轉(zhuǎn)彎、穿過人行道等），加速度儀記錄步行距離；盲人可選擇重放或倒放存儲(chǔ)的路線信息來實(shí)現(xiàn)獨(dú)自往返。但這種導(dǎo)航方式存在很大的不穩(wěn)定性，路徑長(zhǎng)度計(jì)算失誤會(huì)導(dǎo)致盲人迷失在危險(xiǎn)的路口，為保障盲人出行安全，導(dǎo)盲系統(tǒng)必須引入實(shí)時(shí)定位功能。在室外環(huán)境中，最常用、經(jīng)濟(jì)的定位方式是借助民用GPS提供的信息。前文提到的各類導(dǎo)航設(shè)備中大多結(jié)合了GPS技術(shù)，基于智能終端設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲系統(tǒng)則直接利用了內(nèi)置的GPS定位導(dǎo)航功能，如馬來西亞Akbar I等人[57]給智能機(jī)增加豐富的語音指導(dǎo)，生成了簡(jiǎn)單的導(dǎo)盲系統(tǒng)。但GPS導(dǎo)航系統(tǒng)并不是針對(duì)盲人設(shè)計(jì)的，實(shí)際應(yīng)用時(shí)須補(bǔ)充大量通過視覺獲取的交通信息，所以設(shè)計(jì)盲人專門地圖是現(xiàn)今室外導(dǎo)盲系統(tǒng)的重要研究方向，如Balata J等人[52]在GPS和GIS數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上補(bǔ)充信息，構(gòu)建了強(qiáng)調(diào)馬路、人行道、建筑等地標(biāo)的盲人專用地圖。

在室內(nèi)環(huán)境中，由于建筑物的遮蔽，民用GPS系統(tǒng)定位精度明顯下降，已不適用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航。對(duì)于小型室內(nèi)環(huán)境，可建立匹配的3D環(huán)境模型，再結(jié)合室內(nèi)定位手段進(jìn)行導(dǎo)航。例如，比較導(dǎo)盲機(jī)器人前端攝像頭與3D環(huán)境地圖中虛擬攝像頭拍攝的畫面進(jìn)行物體識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)定位[21]。對(duì)于大型室內(nèi)環(huán)境，如醫(yī)院、校園、博物館等，建立詳細(xì)、仿真的3D模型成本太高，不如在地面鋪設(shè)軌跡或大量布置固定標(biāo)簽進(jìn)行平穩(wěn)導(dǎo)航。

表3 導(dǎo)盲機(jī)器人定位與導(dǎo)航領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)

各類固定標(biāo)在室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在Ma J等人[58]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，Android手機(jī)通過識(shí)別超寬帶無線定位標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)分米級(jí)別的導(dǎo)航，但盲人需與進(jìn)行定位計(jì)算的電腦處于同一WiFi下。保加利亞的Ivanov R[59]在大型醫(yī)院的各個(gè)房間門上粘貼RFID標(biāo)簽，用戶可識(shí)別存儲(chǔ)在其中的房間介紹信息和該房間與其他各房間之間的導(dǎo)航信息。陳超等人[60]用超高頻RFID標(biāo)簽標(biāo)記房間內(nèi)的障礙物、低頻RFID標(biāo)簽標(biāo)記路口；系統(tǒng)可自主構(gòu)建電子地圖，并結(jié)合可視圖法和A*算法規(guī)劃出房間內(nèi)任意點(diǎn)間的路徑。葡萄牙的Gomes J P等人[54]根據(jù)不同地點(diǎn)的不同定位精度需求分別布置藍(lán)牙低能信標(biāo)、視覺標(biāo)簽和NFC標(biāo)簽，并配合WiFi定位構(gòu)建了大型盲人友好超市，方便盲人自主尋找商品。

少數(shù)走在前沿的科研人員正在將室內(nèi)、室外導(dǎo)航進(jìn)行結(jié)合。佛羅里達(dá)大學(xué)Ran L等人[56]設(shè)計(jì)的穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備在室外借助DGPS數(shù)據(jù)導(dǎo)航，在室內(nèi)結(jié)合OME超聲波定位系統(tǒng)和用ArcView制作的室內(nèi)地圖，提供詳細(xì)的室內(nèi)設(shè)施介紹。構(gòu)建了適用于室外的盲人專用地圖的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過在盲人活動(dòng)區(qū)域內(nèi)布置盡可能少的藍(lán)牙信標(biāo)來提高定位精度，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)、室外、公交車站導(dǎo)航模式的無縫切換[53]。

綜合來看，GPS導(dǎo)航技術(shù)是導(dǎo)盲系統(tǒng)難以繞過的關(guān)鍵技術(shù)，但單純依靠民用GPS進(jìn)行導(dǎo)航是遠(yuǎn)不足以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、室外安全導(dǎo)航的精度要求的。鋪設(shè)可識(shí)別軌跡、布置固定標(biāo)簽和建立3D模型都是提高定位精度、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航的可用手段。另外，為提高更智能、更人性化的導(dǎo)盲服務(wù)，室內(nèi)、室外導(dǎo)航的結(jié)合也是科研人員需要研究的方向。

3.3 人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互功能是衡量系統(tǒng)“友善性”的一個(gè)重要因素，在智能導(dǎo)盲系統(tǒng)中，盲人得到的反饋信息應(yīng)該是豐富、實(shí)用的，盲人也可以向系統(tǒng)輸入指令，以求更人性化的導(dǎo)盲服務(wù)。導(dǎo)盲機(jī)器人人機(jī)交互方面的關(guān)鍵技術(shù)概括于表4。

導(dǎo)盲系統(tǒng)采用的輸入方式種類多樣，其中，固定的按鍵易于記憶，操作方便；語音輸入方式可表達(dá)詳細(xì)的指令信息，這兩種方式是導(dǎo)盲機(jī)器人最常選擇的輸入方式。此外，以色列Botzer A等人[61]的立體視覺導(dǎo)航設(shè)備中安裝了眼球跟蹤器，將用戶眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)作為輸入指令，根據(jù)用戶“看”的方向選擇測(cè)距方向，更適合非全盲或非先天性失明的用戶使用。盲人通過轉(zhuǎn)動(dòng)手腕[19]、頭部[9]、軀干[13]等來改變與之固定的傳感器掃描方向，向牽引桿施壓以觸發(fā)相連的壓力傳感器[62]來判斷盲人與設(shè)備的相對(duì)速度，以及通過手勢(shì)向機(jī)器人表述目的地[63]等行為都是對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)的輸入方式。

值得一提的是，按鍵輸入方式不受周圍環(huán)境的影響，穩(wěn)定可靠、響應(yīng)迅速，在緊急情況下通過按鍵制動(dòng)能大大提高系統(tǒng)的安全性。而完善語音輸入仍然是提高導(dǎo)盲系統(tǒng)智能性的重點(diǎn)之一，導(dǎo)盲系統(tǒng)人機(jī)輸入方式將在按鍵搭配語音的基礎(chǔ)上趨于多樣化。導(dǎo)盲機(jī)器人應(yīng)在不增加盲人負(fù)擔(dān)的前提下獲取更多指示信息，從而向盲人提供更全面、細(xì)致的服務(wù)。

除了移動(dòng)機(jī)器人在盲人前方直接牽引盲人前進(jìn)以外，導(dǎo)盲系統(tǒng)實(shí)用的反饋方式主要是振動(dòng)、聲音及兩者組合。其中，振動(dòng)信息不受環(huán)境噪音的影響，也不會(huì)干擾盲人獲取環(huán)境中的聲音，可通過多振動(dòng)馬達(dá)、多振動(dòng)類型組合的方式表達(dá)豐富的信息。除了用振動(dòng)強(qiáng)度表示障礙物距離這一常見方式以外，Johnson L A等人[65]研發(fā)的導(dǎo)盲腰帶上配備了14個(gè)振動(dòng)電機(jī)，用多種組合振動(dòng)方式表示對(duì)應(yīng)方向存在障礙物；王瑞榮等人[66]推出的導(dǎo)盲腰帶則通過用16個(gè)振動(dòng)馬達(dá)表示推薦行走的方向；吳涓等人[67]用8×8的振動(dòng)序列表示物體的簡(jiǎn)單輪廓；Bourbakis N等人[68]開發(fā)的Tyflos移動(dòng)輔助裝置只保留3D環(huán)境中的深度信息，將其經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換化為2D振動(dòng)信息以幫助盲人理解3D環(huán)境。

表4 導(dǎo)盲機(jī)器人人機(jī)交互領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)

聲音輸出包括語音形式的反饋和非語音形式的反饋。語音形式的信息輸出可表示詳細(xì)的導(dǎo)盲信息，尤其在室外導(dǎo)航中極為重要；非語音形式的聲音，如嗡鳴聲可通過兩耳相位差、響度來表示物體的方向和距離，反饋效率高。加州大學(xué)Loomis J M等人[69]在預(yù)定軌跡中規(guī)劃多個(gè)航路點(diǎn)，詳細(xì)對(duì)比了用戶對(duì)語音指示應(yīng)轉(zhuǎn)向角度、搭配羅盤采用立體音指示方向等多種導(dǎo)航方式的接受程度，驗(yàn)證了立體音導(dǎo)航的科學(xué)性。

聲音反饋方式提供的信息豐富多樣，但為保證嘈雜環(huán)境中的使用效果，需要求盲人攜帶耳機(jī)出行；耳機(jī)遮蓋環(huán)境聲音，會(huì)形成安全隱患。而振動(dòng)反饋方式能夠彌補(bǔ)這一缺陷，保證盲人在交通路口安全轉(zhuǎn)向?？傮w來說，振動(dòng)和聲音的組合反饋方式足以滿足盲人出行的需求，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲功能不需要采用過于復(fù)雜的反饋方式。

4 導(dǎo)盲機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

隨著人們生活水平的不斷提高、社會(huì)信息化的快速發(fā)展，盲人對(duì)提高生活獨(dú)立性、融入社會(huì)的愿望越來越強(qiáng)烈，從而對(duì)導(dǎo)盲機(jī)器人的更新迭代提出了更高的要求。適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境、構(gòu)建更智能的導(dǎo)盲系統(tǒng)和與社會(huì)深入共融是導(dǎo)盲機(jī)器人的必然發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 機(jī)器人移動(dòng)方式

除移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人，其他類型導(dǎo)盲機(jī)器人均由盲人用戶攜帶移動(dòng)，故本節(jié)探討的是移動(dòng)式導(dǎo)盲機(jī)器人未來適宜的移動(dòng)方式。

機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括輪式、履帶式和腿足式。輪式移動(dòng)機(jī)器人只能在相對(duì)平坦地面移動(dòng)，無法上下樓梯和適應(yīng)其他復(fù)雜地形。履帶式移動(dòng)機(jī)器人為草地、松軟地面及其他特殊地形而設(shè)計(jì)，在城市環(huán)境中優(yōu)勢(shì)不明顯。腿足式移動(dòng)機(jī)器人不僅適應(yīng)所有人類可步行通過的磚鋪路面、石子路、草地等復(fù)雜地形，且能夠跨越障礙、上下樓梯，是理想的導(dǎo)盲機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)。此外，依現(xiàn)有導(dǎo)盲犬為仿生對(duì)象研制的四足導(dǎo)盲機(jī)器人具有仿生性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將更易被視力障礙者接受。

目前，國(guó)內(nèi)外已研制出與導(dǎo)盲犬體形相當(dāng)?shù)亩嗫钏淖銠C(jī)器人，能夠適應(yīng)多種室內(nèi)、室外復(fù)雜地形環(huán)境，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、定位與導(dǎo)航、人機(jī)交互等多種功能并降低成本后即可用作導(dǎo)盲機(jī)器人。

4.2 高智能性機(jī)器人

高智能性的導(dǎo)盲機(jī)器人不僅能科學(xué)、高效地完成導(dǎo)盲任務(wù)，還能保證盲人群體優(yōu)秀的使用體驗(yàn)。為了提高導(dǎo)盲機(jī)器人的智能性，除了依靠更全面且高精度的環(huán)境傳感器、更成熟的環(huán)境分析和定位導(dǎo)航算法以及更強(qiáng)大的機(jī)器人核心計(jì)算能力，也要考慮將多模態(tài)人機(jī)交互、多機(jī)交互、人工智能等新興技術(shù)與導(dǎo)盲機(jī)器人的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

導(dǎo)盲系統(tǒng)中的多模態(tài)人機(jī)交互技術(shù)主要用于獲取更全面的用戶信息作為系統(tǒng)調(diào)整導(dǎo)航策略的輸入指令，并給予用戶多方面的反饋。盲人除了在視覺方面存在缺陷，在觸覺、嗅覺和聽覺方面往往擁有更大的優(yōu)勢(shì)。另外，特定情緒或狀態(tài)引起的面部表情、身體動(dòng)作、聲音變化和生理反應(yīng)，例如超負(fù)荷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的呼吸急促、緊張激動(dòng)導(dǎo)致的心跳加速等現(xiàn)象，也會(huì)出現(xiàn)在盲人身上。為導(dǎo)盲機(jī)器人設(shè)計(jì)人機(jī)交互方式時(shí)，不僅可以利用盲人的感官，還可以考慮盲人的體溫、心率、腦電和肌電信號(hào)等生理數(shù)據(jù)，根據(jù)盲人的身體狀況實(shí)時(shí)更換合理的導(dǎo)航模式。通過多模態(tài)人機(jī)交互提升機(jī)器人的“情緒智力”，可以使導(dǎo)盲機(jī)器人系統(tǒng)更人性化和智能化。

導(dǎo)盲機(jī)器人在城市中充分普及后，大量多種類、不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)盲機(jī)器人之間必須通過統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行通信交互。在多機(jī)實(shí)時(shí)交互模式下，各導(dǎo)盲機(jī)器人在城市中工作時(shí)的位置和獲取的環(huán)境信息都可以直接分享。例如，當(dāng)任一個(gè)導(dǎo)盲機(jī)器人檢測(cè)到臨時(shí)出現(xiàn)的大型障礙物或交通堵塞的情況時(shí)，全城每一個(gè)導(dǎo)盲機(jī)器人都能夠根據(jù)共享的信息重新規(guī)劃路線，從而預(yù)防危險(xiǎn)、及時(shí)繞路；當(dāng)某個(gè)導(dǎo)盲機(jī)器人出現(xiàn)故障或無法滿足用戶的需求，可以分享實(shí)時(shí)位置請(qǐng)求其他機(jī)器人幫助等。在多導(dǎo)盲機(jī)器人實(shí)時(shí)交互基礎(chǔ)上，可以快速構(gòu)建盲人的專屬城市地圖。

人工智能領(lǐng)域的多項(xiàng)技術(shù)也將應(yīng)用在導(dǎo)盲領(lǐng)域，例如，人臉識(shí)別技術(shù)用于識(shí)別用戶、快速解鎖機(jī)器人；表情、姿態(tài)識(shí)別技術(shù)用于判斷用戶的情緒和疲勞程度，調(diào)整移動(dòng)速度；行為預(yù)測(cè)技術(shù)用于預(yù)判用戶行動(dòng)，防止用戶因跟不上機(jī)器人速度引發(fā)摔倒事故；大數(shù)據(jù)分析技術(shù)用于處理機(jī)器人在導(dǎo)航過程中采集的大量用戶反饋信息，幫助科研人員了解大多數(shù)用戶的需求，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出更具有普適性的導(dǎo)盲系統(tǒng)等等。此外，高智能性的導(dǎo)盲機(jī)器人還需要掌握用戶特有的生活習(xí)慣、固定的出行規(guī)律、所在城市的天氣信息等，從而向盲人用戶提供個(gè)性化的服務(wù)，成為全面的個(gè)人出行助手。

4.3 協(xié)同、共融的導(dǎo)盲系統(tǒng)

車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域的集中體現(xiàn)，在未來的盲人友好城市中，導(dǎo)盲機(jī)器人也會(huì)是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一員。如圖10所示，加入了導(dǎo)盲機(jī)器人的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中需要考慮到導(dǎo)盲機(jī)器人相互之間、導(dǎo)盲機(jī)器人與車之間、導(dǎo)盲機(jī)器人與建筑物之間、導(dǎo)盲機(jī)器人與基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息交換，以及導(dǎo)盲機(jī)器人與行人、用戶之間的交互。隨著車聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部成員的豐富化，整個(gè)系統(tǒng)模型的復(fù)雜程度大大增加，對(duì)各成員之間通訊和信息傳輸過程的連續(xù)性和可靠性要求也會(huì)提高。正在迅速發(fā)展的第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和基于云計(jì)算技術(shù)建立的一體化時(shí)空信息云平臺(tái)將為構(gòu)建高度協(xié)同的、包含導(dǎo)盲機(jī)器人的智能車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

圖10 協(xié)同、共融的城市導(dǎo)盲系統(tǒng)

導(dǎo)盲機(jī)器人采集的大量數(shù)據(jù)通過5G技術(shù)傳送到云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和處理工作后，云平臺(tái)再將結(jié)合了車聯(lián)網(wǎng)其他成員的導(dǎo)航指示信息傳輸給機(jī)器人，大大緩解了單一導(dǎo)盲機(jī)器人有限的計(jì)算和存儲(chǔ)能力難以負(fù)擔(dān)的大量計(jì)算需求和低時(shí)延通信的壓力。但單憑借云平臺(tái)的集中式大數(shù)據(jù)處理技術(shù)并不能高效處理車聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，需要通過邊緣計(jì)算在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)提供端服務(wù)。對(duì)于導(dǎo)盲機(jī)器人來說，采用邊緣計(jì)算預(yù)先完成攝像頭采集的深度點(diǎn)云信息的處理、用戶語音輸入信息中有效內(nèi)容的提取、機(jī)器人周身障礙物的定位、紅路燈信號(hào)的讀取等操作后，再將處理后的數(shù)據(jù)傳送到云端進(jìn)行綜合計(jì)算的方式可以顯著減少延遲、提高響應(yīng)時(shí)間，從而節(jié)省時(shí)間和成本，提高安全性。與純粹的云端解決方案相比，采用包含邊緣計(jì)算的混合方案是促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，構(gòu)建協(xié)同、共融的導(dǎo)盲系統(tǒng)的必然趨勢(shì)。

5 總結(jié)

目前大多數(shù)導(dǎo)盲機(jī)器人均處于原型研發(fā)階段，尚未對(duì)視力障礙者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤實(shí)驗(yàn)。但隨著科研人員的努力，導(dǎo)盲機(jī)器人正朝著集成化、智能化、人性化的方向快速發(fā)展。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，構(gòu)建零歧視、無障礙的盲人友好城市，不僅要求導(dǎo)盲機(jī)器人具備完善的環(huán)境感知功能、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與高效導(dǎo)航、采用智能貼心的人機(jī)交互方案，更離不開服務(wù)人員對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的維護(hù)。同時(shí)，導(dǎo)盲機(jī)器人將進(jìn)一步優(yōu)化本體結(jié)構(gòu)，以提升運(yùn)動(dòng)水平、環(huán)境適應(yīng)能力；還需要結(jié)合人工智能、高速移動(dòng)通信、云平臺(tái)及邊緣計(jì)算等技術(shù)，提升導(dǎo)盲機(jī)器人的人機(jī)交互水平、應(yīng)急處理能力、自學(xué)習(xí)功能，提供云端豐富的后臺(tái)服務(wù)，構(gòu)建協(xié)同共融的生態(tài)系統(tǒng)，從而提升導(dǎo)盲機(jī)器人的整體服務(wù)能力，使導(dǎo)盲機(jī)器人更好地服務(wù)于視力障礙者，更好地服務(wù)于社會(huì)。