基于TRIZ理论的智能盲人拐杖创新设计

梁秋艳，牛国玲，任典典，石辉辉，孙文龙，曹金阳

（佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007）

基于TRIZ理论的智能盲人拐杖创新设计

梁秋艳，牛国玲，任典典，石辉辉，孙文龙，曹金阳

（佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007）

针对现有的智能盲人拐杖存在的不能全面准确的监控路况信息以及功能不全的问题，使用TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving)理论进行创新改造，将实际存在的矛盾用TRIZ的标准参数进行表达，依据阿奇舒勒矛盾矩阵找到解决矛盾的一般解，把一般解应用到实际问题中，得出解决问题的最终方案。相对于传统的创新方法，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。

TRIZ理论；阿奇舒勒矛盾矩阵；盲人拐杖；创新

0 引言

据统计，中国是世界上盲人最多的国家，约有1233万，占到全世界盲人人口的20%，并且还在以每年45万的数量激增[1]，到目前为止，辅助盲人日常出行的工具是导盲犬和拐杖。经过训练后的导盲犬可以帮助盲人去学校、商店等，可以带领盲人安全地走路，当遇到障碍和需要拐弯时，会引导主人停下以免发生危险，但是导盲犬的训练专业性强、时间长、耗资巨大，此外，多年来相关法规缺失，令国内导盲犬 “车难乘、门难进”，难以对盲人提供全面帮助。所以，目前盲人单独出行主要靠盲人拐杖，一般的盲人拐杖由撑杆和手柄组成，结构简单，但是实现的功能比较单一，没有特殊的安全提示。现在国内已经有一些智能盲人拐杖，基本上集成了GPS、超声波传感器、3G通讯、无线通讯技术和健康管理等功能，其中以GPS和超声波传感器为多，虽然超声波传感器能够达到测障的目的，但是不能全面的监控路况信息，而且各种智能盲人拐杖功能参差不齐，没有一套系统的完整的功能模块。针对这些存在的问题，运用TRIZ理论，对智能盲人拐杖进行创新性方案设计。

1 TRIZ理论及阿奇舒勒矛盾矩阵

TRIZ是专门研究创新设计的理论，作为技术问题或发明问题解决的一种强有力方法，并不是针对某个具体的机构、机械或过程，而是要建立解决问题的模型及指明问题解决对策的探索方向，指导人们创造性解决问题并提供科学的方法、法则。

TRIZ理论认为，所有技术系统的发展遵循着客观规律，通过TRIZ理论提供的问题解决工具和近似标准的问题分析和解决方法，可以为解决具体技术问题提供解决方案。TRIZ理论的出发点是借助于经验发现事物中的矛盾，依据这些矛盾进行创造改进设计[2～3]。

如果改善系统的一个参数，就得恶化另一个参数，就说明该系统存在着技术矛盾，TRIZ理论总结了39个通用工程参数来描述矛盾，改善与恶化的参数就构成了技术系统内部的矛盾，TRIZ理论就是要克服这些矛盾，推进系统向理想化进化。实际应用中，把构成矛盾的双方内部性能用这 39个工程参数中的某两个来表示，TRIZ理论还总结了40个创新原理，只要正确、科学地应用这些原理，就可以逐步实现对技术矛盾的深入分析和标准化，最终实现技术矛盾的解决。把这39个通用工程参数和40个创新原理构成的解决矛盾的矩阵表称为阿奇舒勒矛盾矩阵[4]。阿奇舒勒矛盾矩阵的一般形式如图1所示，纵向为从39个工程参数的选出的要改变的特性参数，同样，横向为不希望的工程参数，两者的交叉数字代表在40个创新原理中选中的用来解决这两个矛盾参数的最常用的创新原理，可以从这些常用原理中选择适合实际问题的原理。

图1 阿奇舒勒矛盾矩阵一般形式Fig.1 The general form of Altshuller contradiction matrix

2 TRIZ理论解决问题的技术路线

TRIZ理论解决技术问题的一般方式是先将要解决的普通技术问题转化为TRIZ的一般问题，转化的方法是按照TRIZ理论标准化参数分析并确定技术矛盾，并使用通用工程参数对问题进行表达，将问题TRIZ化，然后使用阿奇舒勒矛盾矩阵表找出解决该技术矛盾通常使用的创新原理，获得TRIZ的一般解，再将这些一般解应用到具体的技术领域形成解决特定问题的特定解决方案，并在实际问题中加以实现，最终获得问题的解决。技术路线如图2所示。

图2 TRIZ理论解决问题的技术路线Fig.2 The technical route to solve problem by TRIZ theory

3 基于TRIZ矛盾解决原理的智能盲人拐杖创新方案设计

3.1 实际问题及工程参数的确定

普通的盲人拐杖结构简单，存在着探测的距离受限于拐杖的长度、难以发现悬挂的障碍物、无法及时获取必要的路况及天气信息、无法确定自己的位置等一系列的不足。目前出现的一些智能拐杖，有的具备了GPS自动定位功能[5]，有的在GPS模块的基础上又集成了超声波传感器，多了故障测距的功能[6]，有的在GPS模块的基础上增加了红外线语音提示，求助，报警等功能[7]。但是这些智能拐杖普遍存在的问题是不能全面准确的监控路况信息，而且各种类型拐杖功能的参差不齐，没有一套系统的完整的功能模块。

智能盲人拐杖存在的这两方面问题都是希望改善的特性，对应到39个通用工程参数中选择28测量准确度和37控制复杂性，以此作为改进的工程参数。改进的工程参数得到提高，必然会使得该产品在制造上变得不容易，同时提高了设备的复杂性，对应到通用工程参数中，选择1移动物体的重量，7移动物体的体积，32制造性和36设备复杂性，作为被恶化的工程参数。

3.2 创新原理的分析

通过查找阿奇舒勒矛盾矩阵表来确定解决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决矩阵Tab.1 Contradiction solve matrix of intelligent blind cane

把从表1所得到的解决矛盾的一般方法与实际问题进行筛选分析，发现创新原理10、11、28适用于作为解决本问题矛盾的指导思想，其中以创新原理28为最优。创新原理28更换机械系统体现在4个方面：①以视觉的、听觉的或嗅觉的系统取代机械系统；②以电场、磁场或电磁场来使物体互相影响；③场的替代：从恒定场到可变场，从固定场到随时间变化的场，从随机场到有组织的场；④将场和铁磁离子组合使用。

创新原理10先前动作体现在两个方面：①事先完成部分或全部的动作或功能；②在方便的位置预先安置物体，使其在第一时间发挥作用，避免时间的浪费。

创新原理11预先应急措施：针对物体相对较低的可靠性，预先准备好相应的应急措施。

3.3 创新原理的应用

综合以上创新原理的分析，并结合本问题实际情况，可以在智能盲人拐杖上加装固定摄像头，盲人正常行走时摄像头进行全面路况信息采集，同时把图像传和GPS定位信息输到控制器将信息通过无线模块将信息传递到电脑对路况信息进行及时处理，并通过超声波传感器辅助进行及时避障。无线语音导航模块预先存储大量的交通道路信息，通过无线连接将采集来的路况传递给盲人，方便并及时让盲人了解路况信息，引导盲人到达目的地。健康管理模块对盲人身体状况进行监控，对其身体状况进行实时监控，保障生命安全，在紧急状况下做出相应措施。基于上述创新原理，改造后的新型智能盲人拐杖示意图如图3所示。

图3 中智能拐杖包括手柄、杖杆两部分，其中杖杆为空心，在杖外侧设有摄像头、LED灯、按钮、超声波传感器、脉搏传感器。控制器安装在杖杆内侧，导线和控制器中的模块相连接。盲人正常行走时摄像头进行采像，传输到控制器对路况信息进行及时处理，并通过超声波传感器辅助进行及时避障。摄像头周围有 LED灯，在夜间按下按钮开启LED灯，即为摄像头照明也为盲人提供光防止别人的碰撞。GPS模块进行实时地理信息采集，将信息传输到控制器及时告知盲人家属，并对盲人反馈信息引导盲人行走。脉搏传感器感知盲人脉搏，对盲人身体状况进行监督，并在出现危险时发出警报。

图3 新型智能盲人拐杖设计示意图Fig.3 The designschematic of new intelligent blind cane

4 结论

运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程，而且能够得到高质量的创新产品。基于TRIZ理论的智能盲人拐杖，通过将实际问题TRIZ化，依据阿奇舒勒矛盾解决矩阵及分析，解决了现有智能拐杖不能提供全面准确的路况信息和功能不全的问题，相对于传统的创新方法，TRIZ理论具有鲜明的特点和优势。

[1]王冠生，郑江华，等.盲人导航/路径诱导辅具研究与应用综述[J].计算机应用与软件，2012，12.

[2]彭慧娟，成思源，等.TRIZ的理论体系研究综述[J].机械设计与制造，2013，10.

[3]高常青.TRIZ—发明问题解决理论[M].北京：科学出版社，2011.

[4]杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5]魏庆丽，许鹏，等.基于MSP430的GPS定位智能拐杖设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2012，5.

[6]方仁杰，朱维兵.基于GPS定位与超声波导盲拐杖的设计[J].计算机测量与控制，2011，5.

[7]陈言.一种多功能智能拐杖的设计[J].艺术与设计，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

项目来源：2013年黑龙江省大学生创新创业训练重点项目（201310222045）

梁秋艳（1981-），女，黑龙江安达市人，在读博士，讲师。研究方向：智能检测与控制；通讯作者：牛国玲（1975-），女，黑龙江省佳木斯人，硕士，副教授，教研室副主任。研究方向：农业电气化。