【技術領域】本發明係有關於一種視障者智慧輔具系統，尤其係指一種以智慧眼鏡與智慧手杖搭配之智慧輔具系統，藉由紅外線技術偵測到前方障礙物，並以智慧手杖之震動提醒視障者須避開障礙物，當視障者跌倒時，亦可記錄位置並傳輸資訊給雲端平台，以告知視障者之家屬。
【先前技術】按，視障者因為視力的問題，於生活中會產生諸多的不便，時常需要仰賴各種輔具去協助生活上的需求，常見的輔具有導盲手杖、人行道的導盲磚、點字等工具；根據世界衛生組織統計，全球約有2.53億的視障人口，在視障人當口中又有2.17億的弱視族群以及3600萬的盲人，弱視與其他原因之視障者佔了總視障者86%，而全盲人數佔了14%，此外，以台灣而言，2017年衛福部統計目前台灣視障人口約為56,830人。
中華民國專利公告號TW M548990「供視障者使用的拐杖」提供一種可感測前方障礙物的拐杖，其拐杖上設有超音波感測模組、發光警示器與聲音警示器，透過超音波感測模組感測前方物體與視障者間的距離，並根據距離的長短令發光警示器顯示不同顏色的光源，且聲音警示器也根據距離的長短發出不同音階或音效，以提示視障者；中華民國專利公告號TW I474173「行走輔助系統及行走輔助方法」使用攝像裝置擷取現實的場景，並偵測物品與攝像裝置之間的距離，以建立場景的三維模型，再提醒視障者前方的物體距離。
由前案專利可知，目前有越來越多的輔具及輔助方法來協助視障者的生活，但對於視障者而言，戶外環境仍有許多的變數去限制視障者的行動，甚至造成視障者的危險。爰此，如何提供一種讓視障者於戶外行走時，能有更安全的輔具組合，此即本發明人所思及之方向。
【發明內容】今，發明人即是鑑於上述現有之視障者輔具於實際實施使用時仍具有多處缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種視障者智慧輔具系統，其主要係以智慧眼鏡以及智慧手杖所組成，智慧眼鏡與智慧手杖透過無線藍牙技術互相連接，當智慧眼鏡偵測到前方有障礙物時，即可讓智慧手杖以震動效果提醒視障者，讓視障者知道要避開前方障礙物。
為了達到上述實施目的，本發明一種視障者智慧輔具系統，其包含有：一智慧眼鏡，係具有一第一處理模組、一第一藍牙模組、一第一重力感測模組以及一紅外線感測模組，其中第一藍牙模組、第一重力感測模組以及紅外線感測模組皆電性連接第一處理模組；以及一智慧手杖，係具有一第二處理模組、一電性連接第一藍牙模組之第二藍牙模組、一第二重力感測模組、一定位模組、一震動模組以及一無線傳輸模組，其中第二藍牙模組、第二重力感測模組、定位模組、震動模組以及無線傳輸模組皆電性連接第二處理模組。
於本發明之一實施例中，第一重力感測模組與第二重力感測模組係皆包含有陀螺儀與加速度計。
於本發明之一實施例中，第一重力感測模組與第二重力感測模組係取樣智慧眼鏡與智慧手杖之加速度變化，以判斷是否為傾倒狀態。
於本發明之一實施例中，定位模組為GPS。
於本發明之一實施例中，無線傳輸模組係使用LoRa無線傳輸技術。
於本發明之一實施例中，智慧眼鏡進一步具有一電性連接第一處理模組之第一供電模組。
於本發明之一實施例中，智慧手杖進一步具有一電性連接第二處理模組之第二供電模組。
於本發明之一實施例中，無線傳輸模組進一步無線連接一雲端平台。
【實施方式】本發明之目的及其結構功能上的優點，將依據以下圖面所示之結構，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
請參閱第一圖~第三圖，本發明一種視障者智慧輔具系統，其包含有一智慧眼鏡(1)以及一智慧手杖(2)。智慧眼鏡(1)係具有一第一處理模組(11)、一第一藍牙模組(12)、一第一重力感測模組(13)以及一紅外線感測模組(14)，其中第一重力感測模組(13)係包含有陀螺儀與加速度計，而第一藍牙模組(12)、第一重力感測模組(13)以及紅外線感測模組(14)皆電性連接第一處理模組(11)，第一處理模組(11)又電性連接一第一供電模組(15)；
智慧手杖(2)係具有一第二處理模組(21)、一電性連接第一藍牙模組(12)之第二藍牙模組(22)、一第二重力感測模組(23)、一定位模組(24)、一震動模組(25)以及一使用LoRa無線傳輸技術之無線傳輸模組(26)，其中第二重力感測模組(23)係包含有陀螺儀與加速度計，且定位模組(24)為GPS，而第二藍牙模組(22)、第二重力感測模組(23)、定位模組(24)、震動模組(25)以及無線傳輸模組(26)皆電性連接第二處理模組(21)，第二處理模組(21)又電性連接一第二供電模組(27)；
使用時，第一重力感測模組(13)與第二重力感測模組(23)係取樣智慧眼鏡(1)與智慧手杖(2)之加速度變化，以判斷視障者是否為傾倒狀態，若判斷為傾倒狀態，智慧手杖(2)之無線傳輸模組(26)即會將此跌倒資訊以及位置資訊傳輸給無線連接之一雲端平台(3)。
此外，藉由下述具體實施例，可進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍。
請繼續參閱第一圖~第三圖，本發明視障者智慧輔具系統主要包括有一智慧眼鏡(1)以及一智慧手杖(2)，使用前，視障者可先戴上智慧眼鏡(1)，並透過第一藍牙模組(12)與智慧手杖(2)之第二藍牙模組(22)進行配對，配對成功後，即可開始使用本發明；
請一併參閱第四圖，本發明之使用方式大略如圖所示；首先，智慧眼鏡(1)上設置有紅外線感測模組(14)，由於是裝設在智慧眼鏡(1)上方，所以位置較高或較低的障礙物皆可被偵測到；紅外線感測模組(14)具有一紅外線發射器(141)與一位置感應器(142)(Position Sensing Detector, PSD)，其採用三角測量法，由一量測目標點及兩個已知座標的參考點形成一個三角形，其中兩個已知坐標的參考點即分別為紅外線感測模組(14)上的紅外線發射器(141)與位置感應器(142)，而量測目標點則是障礙物；實際使用時，紅外線發射器(141)會不斷發射出紅外線，當紅外線照射到障礙物時，障礙物就會將紅外線反射至位置感應器(142)，此反射資訊會傳輸給第一處理模組(11)進行計算，由於紅外線發射器(141)與位置感應器(142)兩參考點之間的距離為已知之參數，因此，透過計算三角形之兩邊的長度，並量測出兩參考點與量測目標點形成的角度，第一處理模組(11)即可計算出障礙物(量測目標點)的距離及座標。
當第一處理模組(11)判斷障礙物已經相當接近視障者時，即透過第一藍牙模組(12)將警示資訊傳輸給智慧手杖(2)的第二藍牙模組(22)，第二藍牙模組(22)接收到的警示資訊透過第二處理模組(21)傳輸給震動模組(25)，如此，震動模組(25)就會在智慧手杖(2)產生震動，並傳達到握持部分，讓視障者的手部可以感受到震動，以提醒視障者前方有障礙物。
紅外線感測模組(14)於測試時，智慧眼鏡(1)配戴於身上，並且每1公尺為一個單位，依序量測5個單位來進行距離轉換電壓的實際紀錄，選用的紅外線會將實際量測到的距離輸出成電壓讓第一處理模組(11)判讀距離，距離與電壓之關係如下表1。
表1
如表1所示，可知離障礙物的距離越近，電壓越高，第一處理模組(11)即係藉此數據判讀障礙物與智慧眼鏡(1)之間的距離；在測試過程中檢測的距離不易受到物體外型、物體反射率而有所改變，並且基於視障者的行走安全以及反應時間建議可將偵測的有效距離定為1.5公尺，代表當紅外線感測模組(14)偵測到前方1.5公尺有障礙物並且透過震動模組(25)給予視障者警示時，視障者剛好距離障礙物1.5公尺，在這距離內視障者可進行障礙物的閃避動作。
再者，請一併參閱第五圖，戶外環境的設施常有許多變數，其會造成視障者行動上的阻礙，若視障者沒有馬上發現阻礙，就會讓視障者發生跌倒的危險；據此，本發明之智慧眼鏡(1)有設置第一重力感測模組(13)，智慧手杖(2)中亦有設置第二重力感測模組(23)，其皆包含有3軸加速度計與3軸陀螺儀，可用以感測智慧眼鏡(1)與智慧手杖(2)的使用狀態，並判斷視障者之姿勢。
第一重力感測模組(13)與第二重力感測模組(23)所擷取到之訊號，會分別傳輸給第一處理模組(11)與第二處理模組(21)進行計算，其實際判斷方式如下所述；首先，需預先知道一般人體姿勢與地面的垂直夾角的關係，如第六圖所示，透過加速度計擷取之訊號能得知視障者與地面的垂直夾角θAcc，θAcc經由加入陀螺儀感測出角度θGyro，再利用卡爾曼濾波器(Kalman Filter)模型計算後，可得到人體的傾斜角度θ值；得知人體與地面實際垂直夾角時，就可以依角度門檻值(Dth)作分類，當角度門檻值為30度時，若測得角度小於30度，就分類為挺直類動作(走、跑、站)，若測得角度大於30度，就分類為傾倒類動作(坐、躺、跌倒)；
設定好角度門檻值後，實際使用時，第一重力感測模組(13)與第二重力感測模組(23)以3軸加速度計與陀螺儀感測智慧眼鏡(1)與智慧手杖(2)的傾斜角度，第一重力感測模組(13)會將此角度資訊傳輸給第一處理模組(11)，第二重力感測模組(23)則將此角度資訊傳輸給第二處理模組(21)，並判斷出目前視障者的姿勢，再透過四階龍格-庫塔(Runge-Kutta)積分方程式計算過去k個取樣之視障者垂直速度X(tk+1)，並利用視障者傾斜的角度θ與X(tk+1)兩個參數來辨識站、坐、躺、跑、走、跌倒等六個人體姿勢；
接續地，為了判斷視障者是否有姿勢上的轉變，第一處理模組(11)與第二處理模組(21)會計算每i個取樣時間段內所測得的最大與最小垂直加速度的最大差值(X MaxDiff)，於第i個取樣時間段內，當計算出的最大差值大於角度門檻值(X MaxDiffx ＞Dth)，第一處理模組(11)與第二處理模組(21)則判斷為姿勢變換，並進行當前動作的辨識；
本發明為了防止系統誤判跌倒姿勢，因此，當智慧手杖(2)之第二處理模組(21)辨識出跌倒事件時，若當下也接受來自智慧眼鏡(1)之所傳來之跌倒資訊，才會判定為跌倒事件的發生；若確認有視障者跌倒事件的發生，第二處理模組(21)會再透過無線傳輸模組(26)立刻將定位模組(24)的位置資訊，以及發生的時間上傳至雲端平台(3)儲存，視障者的家屬就可透過自己的智慧型手機檢視儲存於雲端平台(3)之跌倒事件的資訊；藉此，智慧眼鏡(1)與智慧手杖(2)可提高視障者跌倒事件辨識成功率，避免錯誤發報(False Alarm)的發生。
此外，本發明無線傳輸模組(26)係使用LoRa無線傳輸技術，係由於視障者的危險事件多發生於戶外，且視障者較少有隨身攜帶智慧型手機之習慣，因此當跌倒事件發生時，透過智慧型手機之3G/4G網路再傳輸至雲端平台(3)，並不適合視障者；而常見的物聯網通訊技術如WiFi、藍牙等，都屬於短距無線通訊技術，所以本發明選用物聯網廣域網路(IoT Wide Area Network, IoTWAN)之LoRA傳輸技術，藉以將當下跌倒事件之跌倒資訊與位置資訊傳輸至雲端平台(3)。
由上述之實施說明可知，本發明與現有技術相較之下，本發明具有以下優點:
1. 本發明視障者智慧輔具系統具有一智慧眼鏡與一智慧手杖，由智慧眼鏡偵測視障者前方的障礙物，並傳輸一警示資訊給智慧手杖，智慧手杖即發出震動效果提醒視障者，以順利避開障礙物，降低視障者於戶外發生危險的機率。
2. 本發明視障者智慧輔具系統之智慧眼鏡與智慧手杖皆可判斷視障者是否發生跌倒事件，若皆偵測到視障者跌倒，即由智慧手杖將跌倒資訊以及位置資訊傳輸給雲端平台，讓視障者之家屬能得知此訊息，藉此能給予視障者有立即性的協助。
綜上所述，本發明之視障者智慧輔具系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
【圖式簡單說明】第一圖：本發明其較佳實施例之系統架構方塊圖。
第二圖：本發明其較佳實施例之智慧眼鏡整體外觀圖。
第三圖：本發明其較佳實施例之智慧手杖整體外觀圖。
第四圖：本發明其較佳實施例之障礙物偵測示意圖。
第五圖：本發明其較佳實施例之跌倒事件示意圖。
第六圖：本發明其較佳實施例之重力感測模組角度辨識示意圖。