BR202019024810U2

BR202019024810U2 - Obstacle detection device for the visually impaired and blind

Info

Publication number: BR202019024810U2
Application number: BR202019024810-1U
Authority: BR
Inventors: Luã Guedes Costa; Caio De Lima Barboza; Felipe Macedo Moura Dos Santos; Breno Christianes Ferreira; Giovanni Seiji Cozzolino Enokibara; Victor Hugo Benicio Pinto
Original assignee: Luã Guedes Costa; Caio De Lima Barboza; Felipe Macedo Moura Dos Santos; Breno Christianes Ferreira
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-06-08

Abstract

O conjunto de dispositivos detectores de obstáculos da autonomia a locomoção de pessoas com alto grau de deficiência visual e/ou cegas, promovendo uma maior independência de ir e vir através de seu uso, além de ter um custo muito inferior em comparação aos dispositivos existentes que procuram resolver o mesmo problema.
O dispositivo consiste em dois artefatos que detectam e avisam ao usuário de objetos/obstáculos em sua proximidade através de sensores específicos.
O primeiro artefato consiste em um sistema com dois sensores de ondas mecânicas que identificam possíveis obstáculos que possuam altura suficiente para se situar na região superior do corpo. A detecção é feita em uma área ampla à frente do usuário, permitindo uma capacidade sensorial similar ao ângulo de ação do olho humano. O aviso é feito em forma de vibração, sendo elas independentes para cada sensor, o que permite distinguir a direção e distância na qual o objeto/obstáculo se encontra.
O segundo artefato consiste em um conjunto selado contendo um sistema com um sensor eletromagnético capaz de identificar obstáculos de maneira similar ao primeiro artefato. Enquanto os sensores de ondas mecânicas captam objetos em uma área ampla, o sensor eletromagnético é totalmente pontual e muito mais preciso, fazendo com que o segundo artefato seja capaz de identificar nuâncias como possíveis desníveis, portais, escadas, dimensões de objetos, etc. O segundo artefato é projetado para ser utilizado nas mãos, de forma similar a uma lanterna, ou acoplada em algum outro dispositivo (cadeiras de rodas, bengalas, etc). O aviso também é feito na forma de vibração, como no primeiro artefato. A partir de uma determinada distância limite, o dispositivo emite um tipo de vibração diferenciada, em forma de pulso, alertando ao usuário que há um obstáculo extremamente próximo.
A transferência de informação dos sensores para os motores de vibração é feita através de um circuito integrado interno aos dispositivos, enquanto a conversão das informações é feita através de um software específico desenvolvido pelos inventores e implantado no hardware. Além disso, há a implantação de customização de distância de atuação dos sensores, de intensidade de vibração, de alertas em casos de perda do dispositivo e de baterias recarregáveis com aviso sonoro de níveis de energia.

The set of devices that detect obstacles to the mobility of people with a high degree of visual impairment and/or blind people, promoting greater independence to come and go through their use, in addition to having a much lower cost compared to existing devices that seek to solve the same problem.
The device consists of two artifacts that detect and warn the user of objects/obstacles in their proximity through specific sensors.
The first artifact consists of a system with two mechanical wave sensors that identify possible obstacles that are high enough to be located in the upper region of the body. Detection is carried out over a wide area in front of the user, allowing sensory capability similar to the angle of action of the human eye. The warning is made in the form of vibration, which are independent for each sensor, which allows distinguishing the direction and distance in which the object/obstacle is located.
The second artifact consists of a sealed set containing a system with an electromagnetic sensor capable of identifying obstacles in a similar way to the first artifact. While mechanical wave sensors capture objects in a wide area, the electromagnetic sensor is totally punctual and much more accurate, making the second artifact able to identify nuances such as possible unevenness, portals, stairs, dimensions of objects, etc. The second artifact is designed to be used in the hands, similar to a flashlight, or attached to some other device (wheelchairs, canes, etc). The warning is also given in the form of vibration, as in the first artifact. From a certain limit distance, the device emits a different type of vibration, in the form of a pulse, alerting the user that there is an extremely close obstacle.
The transfer of information from the sensors to the vibration motors is done through an integrated circuit inside the devices, while the conversion of information is done through specific software developed by the inventors and implanted in the hardware. In addition, there is the implementation of customization of sensor actuation distance, vibration intensity, alerts in cases of loss of the device and rechargeable batteries with audible warning of energy levels.

Description

OBSTACLE DETECTOR DEVICE FOR THE VISUALLY IMPAIRED AND BLIND

[001] Este documento refere-se às especificações de funcionamento e forma de um conjunto de dispositivos detectores de obstáculos projetado principalmente, mas não exclusivamente, para o auxílio de deficientes visuais e cegos para se locomover com mais liberdade e independência, possibilitando a identificação de objetos ou obstáculos pelo usuário.[001] This document refers to the operation and form specifications of a set of obstacle detection devices designed mainly, but not exclusively, to help the visually impaired and blind to move around with more freedom and independence, enabling the identification of objects or obstacles by the user.

[002] É de suma importância a disponibilização de soluções tecnológicas para parte da sociedade que necessita de atenção especial devido à deficiências físicas que dificultam ou impossibilitam a integração social do indivíduo em atividades cotidianas. Observa-se uma grande iniciativa para desenvolvimento e aprimoramento de dispositivos que melhoram tais condições. Pode-se citar como exemplo: cadeiras de rodas motorizadas e membros eletrônicos artificiais para deficientes físicos, aparelhos de amplificação sonora individual (AASI) para deficientes auditivos, etc. No entanto, no caso de deficientes visuais, apesar do surgimento de novas soluções, poucas se consolidam no mercado com sucesso e as principais técnicas utilizadas até hoje começaram a ser desenvolvidas no pós-guerra, na década de 1940.[002] It is of paramount importance to provide technological solutions for part of society that needs special attention due to physical disabilities that make it difficult or impossible for the individual to socially integrate into daily activities. There is a great initiative to develop and improve devices that improve such conditions. Examples are: motorized wheelchairs and artificial electronic limbs for the physically handicapped, personal sound amplification devices (ISAD) for the hearing impaired, etc. However, in the case of visually impaired people, despite the emergence of new solutions, few are successfully consolidated in the market and the main techniques used until today began to be developed in the post-war period, in the 1940s.

[003] Atualmente, existem três principais soluções para mobilidade disponíveis e consolidadas no mercado: a bengala (Bengala de Cego, Bengala Longa ou Bastão de Hoover), os cães guias e os guias pessoais. A bengala é o principal objeto utilizado como ferramenta de auxílio à mobilidade de deficientes visuais. Trata-se de um dispositivo simples e barato no qual utilizado juntamente com a técnica do toque torna-se essencial no dia a dia. A utilização de um cão guia consiste na utilização de um companheiro canino treinado para as diversas atividades do cotidiano, no entanto trata-se de uma solução que demanda cuidados especiais com o cão e treinamento específico, o que diminui muito a oferta disponível, cerca de um cão guia para trinta mil deficientes visuais de acordo com o IBGE, além disso, a expectativa de vida de um cão é menor que a de um ser humano, o que demanda que durante a vida de um deficiente visual, vários cães sejam treinados para auxílio ao indivíduo, o que limita a sua aplicação à pessoas com condições financeiras proporcionais. O guia pessoal consiste na companhia de uma pessoa treinada para auxiliar o indivíduo nas tarefas do dia a dia, também provocando dependência e um alto gasto financeiro.[003] Currently, there are three main solutions for mobility available and consolidated in the market: the cane (Blind Cane, Long Cane or Hoover Stick), guide dogs and personal guides. The cane is the main object used as a mobility aid tool for the visually impaired. It is a simple and inexpensive device which, used together with the touch technique, becomes essential in everyday life. The use of a guide dog consists of using a trained canine companion for the various daily activities, however it is a solution that requires special care with the dog and specific training, which greatly reduces the available supply, about a guide dog for thirty thousand visually impaired according to the IBGE, in addition, the life expectancy of a dog is lower than that of a human being, which demands that during the life of a visually impaired person, several dogs are trained to aid to the individual, which limits its application to people with proportional financial conditions. The personal guide consists of the company of a person trained to assist the individual in daily tasks, also causing dependence and a high financial expense.

[004] Encontra-se no estado da técnica o documento de patente BR 102017001714- 1 A2 com o título BONÉ COM DISPOSITIVO ULTRASSÔNICO PARA AUXILIAR DEFICIENTES VISUAIS EM SUA LOCOMOÇÃO que consiste em um sensor ultrassônico acoplado em um boné, e a partir de um controlador Arduino Uno, notifica o usuário por meio de vibrações na presença de algum obstáculo. É de extrema importância ressaltar as diferenças deste artefato com o equipamento desenvolvido e proposto nesse texto: é possível perceber que o equipamento que foi desenvolvido, apesar de também possuir sensores operantes com ondas mecânicas em sua composição, apresenta funcionalidade e experiência de usuário totalmente distintas. Apresenta um conjunto de sensores que utilizam ondas mecânicas, que tem como principal função captar e trazer um entendimento espacial mais completo e imersivo para o usuário. Ao contrário do que foi apresentado, o documento de patente falha em possuir apenas um sensor, o que diminui drasticamente a área de atuação do dispositivo e não distingue se o objeto está se aproximando do lado esquerdo ou direito do usuário. Além disso, o circuito presente no dispositivo em questão se encontra totalmente em contato com a cabeça do usuário, o que pode significar um sério desconforto e até mesmo um problema de segurança e durabilidade do dispositivo. Outra ressalva se dá pela apresentação dos equipamentos descrito nesse texto como um kit, que apesar de serem independentes, apresentam sua funcionalidade em conjunto, de modo a proporcionar maior imersão e segurança para o usuário.[004] Patent document BR 102017001714-1 A2 is in the state of the art with the title CAP WITH ULTRASONIC DEVICE TO AID THE VISUALLY DEFICIENT IN THEIR LOCOMOTION, which consists of an ultrasonic sensor coupled to a cap, and from a controller Arduino Uno, notifies the user through vibrations in the presence of any obstacle. It is extremely important to emphasize the differences of this artifact with the equipment developed and proposed in this text: it is possible to see that the equipment that was developed, despite also having operating sensors with mechanical waves in its composition, has totally different functionality and user experience. It presents a set of sensors that use mechanical waves, whose main function is to capture and bring a more complete and immersive spatial understanding to the user. Contrary to what was presented, the patent document fails to have only one sensor, which drastically reduces the device's operating area and does not distinguish whether the object is approaching from the user's left or right side. In addition, the circuit present in the device in question is fully in contact with the user's head, which can mean serious discomfort and even a problem with the safety and durability of the device. Another caveat is the presentation of the equipment described in this text as a kit, which despite being independent, present their functionality together, in order to provide greater immersion and safety for the user.

[005] Também é importante ressaltar a existência da carta de patente com N° MU 8601042-5 e título de BENGALA ELETRÔNICA que apresenta a funcionalidade de notificações vibratórias a partir de um equipamento acoplado à uma bengala convencional, tendo como objetivo notificar ao usuário da presença de obstáculos na parte superior do tronco do usuário. A usabilidade do dispositivo é descrita de forma a dar um entendimento que o artefato é um aperfeiçoamento da bengala tradicional utilizada por deficientes visuais, na qual utiliza um sensor similar ao utilizado no artefato proposto neste documento. Primeiramente, é necessário entender que este equipamento depende do uso da bengala convencional, ao contrário do o que foi desenvolvido e proposto nessa patente, e tem como objetivo apresentar uma alternativa ao usuário em utilizar ou não a bengala branca. Em segundo lugar, é importante entender a diferença de funcionamento do equipamento apresentado, principalmente na maneira nas quais as medições são realizadas. A BENGALA ELETRÔNICA utiliza um sensor ultrassônico que apresenta uma usabilidade comprometida, se sua posição não for precisamente coincidente com os obstáculos a serem desviados. Além disso, há uma limitação de mobilidade, visto que o sensor é acoplado a uma bengala convencional, sendo ela rígida e longa. Outro fator importante se dá no âmbito da captação de obstáculos não coincidentes com o ângulo de atuação da bengala (superfícies inclinadas), pois o rebatimento de ondas mecânicas em superfícies transversais apresentam um espalhamento, comprometendo a captura de sinais e prejudicando a capacidade da BENGALA ELETRÔNICA em identificar obstáculos. Em contrapartida, o equipamento desenvolvido e proposto nessa patente utiliza dois tipos de sensores em diferentes posições. O sensor responsável por detectar obstáculos que podem apresentar inclinação emite ondas eletromagnéticas que, por sua vez, não sofre interferência decorrente de fatores geométricos, confirmando a segurabilidade das medições independente da angulação dos obstáculos. Além disso, a desvantagem da BENGALA ELETRÔNICA se mostra mais clara quando o dispositivo não indica a direção do objeto, somente se o mesmo está na frente do usuário ou não, impossibilitando-o de identificar objetos ao seu redor.[005] It is also important to highlight the existence of a patent letter with MU No. 8601042-5 and title of ELECTRONIC CANE which presents the functionality of vibrating notifications from a device coupled to a conventional cane, with the purpose of notifying the user of the presence of obstacles in the upper part of the user's torso. The usability of the device is described in order to give an understanding that the artifact is an improvement of the traditional cane used by the visually impaired, which uses a sensor similar to the one used in the artifact proposed in this document. First, it is necessary to understand that this equipment depends on the use of a conventional cane, contrary to what was developed and proposed in this patent, and aims to present an alternative for the user to use or not the white cane. Second, it is important to understand the difference in the functioning of the equipment presented, especially in the way in which measurements are carried out. The ELECTRONIC CANE uses an ultrasonic sensor that has a compromised usability if its position is not precisely coincident with the obstacles to be avoided. In addition, there is a mobility limitation, as the sensor is attached to a conventional cane, which is rigid and long. Another important factor occurs in the scope of capturing obstacles that do not coincide with the cane's operating angle (inclined surfaces), since the bounce of mechanical waves on transverse surfaces has a scattering, compromising the capture of signals and impairing the capacity of the ELECTRONIC CANE in identifying obstacles. On the other hand, the equipment developed and proposed in this patent uses two types of sensors in different positions. The sensor responsible for detecting obstacles that may have an inclination emits electromagnetic waves which, in turn, do not suffer interference from geometric factors, confirming the reliability of measurements regardless of the angle of the obstacles. Furthermore, the disadvantage of the ELECTRONIC CANE is clearer when the device does not indicate the direction of the object, only if it is in front of the user or not, making it impossible for him to identify objects around him.

[006] Além disso, são encontradas diversos aplicativos e programas, como o DosVox, que auxiliam os deficientes visuais e cegos na utilização de smartphones, leitura de livros, leitura de placas, reconhecimento de objetos, etc. No entanto, nenhum deles ajuda na mobilidade dos usuários em ambientes abertos como as três principais soluções listadas no terceiro parágrafo.[006] In addition, there are several applications and programs, such as DosVox, which help the visually impaired and blind in using smartphones, reading books, reading signs, recognizing objects, etc. However, none of them help users mobility in open environments like the top three solutions listed in the third paragraph.

[007] Com o intuito de implementar soluções práticas e comercialmente viáveis, desenvolveu-se um kit com dois dispositivos: o detector de obstáculos superior (DOS) e o dispositivo de escaneamento inferior (denominado Pointer). O primeiro é um conjunto de sensores modulares e ajustáveis que permitem fixação em qualquer superfície vestível (bonés, óculos, camisas, camisetas, bandanas, tiaras, boinas, etc), feito para ser usado em regiões superiores do corpo, acima do peitoral, permitindo a detecção de obstáculos na região acima da cintura do usuário. O segundo é um dispositivo único, feito para ser utilizado em mãos ,de forma mais versátil, permitindo, com a técnica correta, o escaneamento de um obstáculo ou objeto específico (pontual) sendo possível identificar qualitativamente a altura, largura e comprimento do mesmo.[007] In order to implement practical and commercially viable solutions, a kit was developed with two devices: the upper obstacle detector (DOS) and the lower scanning device (called Pointer). The first is a set of modular and adjustable sensors that allow attachment to any wearable surface (caps, glasses, shirts, shirts, bandanas, headbands, berets, etc.), designed to be used in the upper regions of the body, above the chest, allowing the detection of obstacles in the region above the user's waist. The second is a unique device, made to be used by hand, in a more versatile way, allowing, with the correct technique, the scanning of an obstacle or specific object (point) and it is possible to qualitatively identify its height, width and length.

[008] O Dispositivo Detector de Obstáculos superiores (DOS), mostrado na figura 1, é composto por dois sensores que utilizam ondas mecânicas na faixa dos 18 kHz responsáveis por detectar todo o tipo de objeto ou obstáculo presente num raio de 120 graus a frente do usuário. A detecção de qualquer objeto é transformada em respostas vibratórias independentes através de motores de vibração, que identificam a direção e distância. Para um obstáculo à direita do usuário, apenas o motor de vibração direito será acionado; para um obstáculo à esquerda do usuário, apenas o motor de vibração esquerdo será acionado; para obstáculos à frente do usuário os dois motores de vibração serão acionados. Quanto mais próximo do obstáculo, mais intensa é a vibração existindo uma distância limite na qual o dispositivo ativa o alerta de emergência. .O alerta de emergência foi criado para proteger o usuário, e muda o modo de vibração do equipamento, que começa a agir de forma pulsatória, mostrando ao usuário que o mesmo está muito próximo de um determinado objeto ou obstáculo.[008] The Upper Obstacle Detector Device (DOS), shown in figure 1, is composed of two sensors that use mechanical waves in the 18 kHz range responsible for detecting all kinds of objects or obstacles present in a radius of 120 degrees ahead of user. The detection of any object is transformed into independent vibratory responses through vibration motors, which identify direction and distance. For an obstacle to the user's right, only the right vibration motor will be activated; for an obstacle to the user's left, only the left vibration motor will be activated; for obstacles in front of the user the two vibration motors will be activated. The closer to the obstacle, the more intense the vibration, there is a limit distance at which the device activates the emergency alert. .The emergency alert was created to protect the user, and it changes the equipment's vibration mode, which starts to act in a pulsating way, showing the user that it is very close to a certain object or obstacle.

[009] O Dispositivo de Escaneamento Inferior (Pointer), mostrado na figura 2, é composto por um dispositivo sensorial que emite feixes eletromagnéticos pontuais na faixa de 940 nm, para medir distância, que detecta obstáculos com uma precisão da ordem de grandeza de 1mm, o que permite a identificação de lacunas, buracos, desníveis, etc. A detecção de objetos é transformada em resposta vibratória através de um motor de vibração, identificando sua distância. Quanto mais próximo do obstáculo, mais intensa é a vibração, existindo uma distância limite na qual o dispositivo ativa o alerta de emergência. O alerta de emergência foi criado para proteger o usuário, e muda o modo de vibração do equipamento, que começa a agir de forma pulsatória, mostrando ao usuário que o mesmo está muito próximo de um determinado objeto ou obstáculo.[009] The Lower Scanning Device (Pointer), shown in figure 2, is composed of a sensory device that emits point electromagnetic beams in the range of 940 nm, to measure distance, which detects obstacles with an accuracy of the order of magnitude of 1mm , which allows the identification of gaps, holes, unevenness, etc. Object detection is transformed into vibratory response through a vibration motor, identifying its distance. The closer to the obstacle, the more intense the vibration, with a limit distance at which the device activates the emergency alert. The emergency alert was created to protect the user, and changes the equipment's vibration mode, which starts to act in a pulsating way, showing the user that it is very close to a certain object or obstacle.

[010] Os dois dispositivos são independentes, no entanto funcionam de forma sinérgica. São alimentados por baterias recarregáveis. Os sinais provenientes dos sensores são transformados em respostas vibratórias nos motores de vibração através de um software instalado no microcontrolador de cada dispositivo. Possuem também duas opções de customização do alcance dos sensores. A primeira customização possibilita o ajuste do alcance em relação à altura do usuário, de forma a viabilizar o uso do dispositivo por pessoas de diferentes idades e alturas. A segunda customização é referente ao tipo de ambiente utilizado: para ambientes fechados, os sensores são calibrados para detectar objetos mais próximos ao usuário; para ambientes amplos e abertos, os sensores são calibrados para detectar objetos em uma distância de médio a longo alcance do usuário. Sensores de aceleração são implementados para identificar se o objeto sofreu uma queda, emitindo um alerta sonoro para que o cego ou deficiente visual consiga identificar a localização do objeto no ambiente. O Dispositivo de Escaneamento Inferior (Pointer) é, também, adaptável à equipamentos de auxílio à locomoção, como cadeira de rodas, andadores, bengalas, etc, com o objetivo de ser utilizável também por pessoas que possuam deficiência física em conjunto da deficiência visual. Adicionalmente, o dispositivo conta com um detector sonoro que, ao captar assobios, emite um alerta sonoro de localização, para casos de perda do dispositivo. Os dispositivos também incluem avisos sonoros de nível de bateria, alertando o usuário o momento certo de recarregar a bateria de maneira otimizada.[010] The two devices are independent, however they work synergistically. They are powered by rechargeable batteries. The signals coming from the sensors are transformed into vibratory responses in the vibration motors through software installed in the microcontroller of each device. They also have two options for customizing the range of sensors. The first customization makes it possible to adjust the reach in relation to the user's height, in order to enable the use of the device by people of different ages and heights. The second customization refers to the type of environment used: for closed environments, the sensors are calibrated to detect objects closer to the user; for large, open environments, sensors are calibrated to detect objects at a distance of medium to long range from the user. Acceleration sensors are implemented to identify if the object has suffered a fall, emitting an audible alert so that the blind or visually impaired can identify the location of the object in the environment. The Lower Scanning Device (Pointer) is also adaptable to mobility aids, such as wheelchairs, walkers, canes, etc., with the objective of being usable also by people with physical disabilities in conjunction with visual impairment. Additionally, the device has an audible detector that, when picking up whistles, emits an audible alert of location, in cases of loss of the device. The devices also include audible battery level warnings, alerting the user when to optimally recharge the battery.

Claims

OBSTACLE DETECTOR DEVICE FOR VISUALLY IMPAIRED AND BLIND, characterized by detecting objects/obstacles through electronic sensors and transforming detection into vibration response proportional to distance through electronic vibration motors.

UPPER OBSTACLE DETECTOR DEVICE (DOS), according to claim 1, characterized by detecting objects/obstacles through two electronic sensors of mechanical waves with a resulting angle of action of 120 degrees, and transforming the detection into a vibration response proportional to the distance through electronic vibration motors.

DISTANCE ADJUSTMENT DEVICE, according to claim 2, characterized by regulating the action distance of the 2 electronic mechanical wave sensors.

INTENSITY REGULATION DEVICE, according to claim 2, characterized by regulating the vibration intensity of electronic vibration motors.

BOTTOM SCAN DETECTOR DEVICE (POINTER), according to claim 1, characterized by detecting objects/obstacles through a precision electromagnetic wave sensor of the order of magnitude of 1mm, and transforming the detection into vibration response proportional to distance through electronic vibration motors.

ALERT MECHANISM, according to claim 5, characterized by detecting objects/obstacles at a limit distance defined by the user and transforming the detection into pulsating vibration response through electronic vibration motors.

DISTANCE ADJUSTMENT DEVICE, according to claim 5, characterized by regulating the action distance of the electromagnetic waves sensor.

INTENSITY REGULATION DEVICE, according to claim 5, characterized by regulating the vibration intensity of electronic vibration motors.

ENERGY SUPPLY AND STORAGE MECHANISM, according to claims 1, 2 and 5, characterized by storing electrical energy for the operation of the artifacts through rechargeable batteries.

WARNING MECHANISM OF ENERGY LEVELS, according to claim 9, characterized by alerting the user to the energy level of the artifacts.

FALL ALERT MECHANISM, according to claims 1, 2 and 5, characterized by alerting the user in a sound and continuous way in cases of artifacts falling.

VOICE AND WHISTLES ALERT MECHANISM, according to claims 1, 2 and 5, characterized by alerting the user in a sound and continuous way in cases of loss of artifacts.

ON AND OFF MECHANISM, according to claims 1, 2, and 5, characterized by turning on and off the artifacts through a two-position switch type button.