CN1213290A - 引导系统,尤其是供有视觉障碍的人使用的引导系统 - Google Patents

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B·A·冈萨雷斯
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Abstract

本发明的引导系统包括至少两个隔开的永久磁化区,每个磁化区可产生磁场。两个永久磁化区可以设置在另一个区域的任意一侧,该区域产生强度比永久磁化区弱的磁场,在一个实施例中,前面所述的区域不产生磁场。系统还可以包括对永久磁化区产生的磁场进行检测的便携装置,可以将传感器安装在手杖上供人使用。在另一个实施例中,永久磁化区或是相互之间形成反差或是与产生弱强度磁场的区域形成反差,或者具有不同的路面特征,或者二者兼有。

Description

引导系统，尤其是供有视觉障碍的人使用的引导系统
技术领域
本发明涉及移动目标引导系统，尤其涉及沿所需路径对视觉受损的人进行引导的手杖引导系统。
发明背景
视觉受损的人面对许多日常行走的障碍。例如，这些人常常必须乘坐公共运输车辆，如地铁系统进行旅行。不利用良好的视力，这些系统可能难以进行引导，因此，需要提供廉价、可靠且经久耐用的引导系统。
一种传统的引导系统包括一个纵向伸展的永久磁化区，当用手杖扫过穿越区时，安装在手杖中的传感器会发出声响。尽管这种系统一直在使用，但是，一个缺点是它们可能是单极性的，表明它们仅有一个极性，当用手杖扫过磁场时仅能发出一个信号。此外，不是基于永磁铁的传统系统通常需要用相当昂贵的传感器对信号进行检测。
传统引导系统的另一个缺点是它们不能方便地应用于现有路面上。例如，有些系统含有嵌埋在路面上的、驱动传感器的磁铁。这种配置不便于安装在现有路面上，因为嵌埋磁铁可能不得不部分破坏现有路面。此外，如果磁铁被永久地粘合到或嵌埋在现有路面中，不易于对它们进行重新定位，表示新的路径。
传统引导系统的再一个缺点是它们不能为有视觉但视觉受损的人提供最有效的引导。即为帮助完全失明的人而设计的系统可能不具有帮助有视觉但视觉受损的人的其它有用特性。鉴于这些以及其它的与传统系统有关的缺点，需要提供一种具有多种多样有用特征的新的引导系统。
发明概要
这里采用的术语“引导系统”是指通过使用者的感官之一向其提供信息的系统。因此，本发明的引导系统包括能够让磁性传感器向使用者提供信号的永久磁化部分。它还可以是视觉反差的，向使用者提供视觉信息，以及可以是触觉反差的，向使用者提供触觉信息。也可以把这些特征赋予其它移动目标的引导系统中，如铲车或其它机器人装置。
在一个实施例中，本发明的系统包括至少两个隔开的永久磁化区，每个磁化区都产生磁场。两个永久磁化区可以设置在另一个区域的任意一侧，该区域产生强度较永久磁化区弱的磁场，在一个实施例中，前面所述的区域不产生磁场。系统还可以包括对永久磁化区产生的磁场进行检测的便携装置，也可以将传感器安装在手杖上供人使用。在另一个实施例中，永久磁化区或是相互之间形成反差或是与产生强度弱的磁场的区域形成反差，或者具有不同的路面特征，或者二者兼有。
附图简述
图1是本发明引导系统的一个实施例的透视图。
图2是本发明引导系统的第二实施例的截面图。
图3是本发明引导系统的第三实施例的截面图。
图4是本发明引导系统的第四实施例的透视图。
图5是本发明引导系统的第五实施例的透视图。
图6是本发明引导系统的第六实施例的透视图。
发明详述
本发明的引导系统让移动目标(如人)通过触、听、视觉或其部分组合从系统获得信息。如图1所示，系统包括隔开的永久磁化区，每个永久磁化区产生能够被传感器检测的磁场。当传感器检测到磁场时，它会通知使用者传感器的位置。另一方面，磁场传感器能够触发诸如振动机构的触感报警器，它可以与传感器直接连接或无线连接。此外，能够使永久磁化区或是相互之间或是与产生弱强度磁场的中间区域在触觉上形成反差，从而使使用者从触觉上获得信息。最后，系统还在永久磁化区之间或是永久磁化区与其它区域之间提供视觉反差。这些特征(磁性、触觉和视觉反差)中的每个特征可以独立使用，或者与其它一个或两个特征组合使用。其效果是提供一种可以定制成提供安装者和使用者所需特征的通用引导系统。
Ⅰ．系统的一般工作
图1示出本发明引导系统的较佳实施例。如图所示，系统10包括被产生比区域12较弱强度磁场的区域14间隔开来的永久磁化区12。这里把区域14称为“弱场区”。永久磁化区尽管不是必须相同，但最好是相同的，并且最好与弱场区在磁性、结构和视觉表观上不同。使用者用手杖能够检测到永久磁化区与弱场区之间在结构上的差异。手杖也可以装有磁场传感器，所以，使用者也能够检测到永久磁化区与弱场区之间在磁场上的差异。最后，至少有一个区域的视觉表观与其它两个区域的表观应当形成足够的反差，从而使视觉弱的人能够觉察其差异。以下将逐个描述这些特征。
本发明已经公开，其中，被具有其它特性的弱场区隔开的具有一定特性的间隔区域比单个区域更易于被感知。相信这是真的，因为在手杖每次扫描中，被隔开的具有特定尺寸的永久磁化区要比单个区域提供更多的信号，且在特定距离内提供更强的信号。这使该条形区比单个区域的其它系统更易于检测得多。
Ⅱ．磁性反差
磁化区最好是永久磁化的，意思是指它们会产生磁场，而弱场区最好是非磁性敏感的。便携传感器对路径两侧存在的磁场及其方向，以及路径中间不存在磁场(或弱磁场)进行检测，将信号提供给使用者。信号可以是声音信号、振动信号、视觉信号或向使用者表示传感器已经检测到磁场的其它任何方式。
使永久磁化区产生强度足以让传感器能够检测的磁场。尽管对应特定的应用，所需的磁场强度可能或大或小，但是，在15.25cm(6in)距离内要求磁场约为0.5高斯。尽管在需要时可以设置有动力的区域，但是，永久磁化区最好是无动力的。此外，永久磁化区最好发射连续信号，而不是周期性信号，以减小使用者对他是否已经离开所需路径感到困感，或者仅仅介于连续信号之间。此外，可以使永久磁化区产生交替极性的磁场，所以，在一段距离内净磁场基本检测不出。
最直接影响磁性信号可检测性的三个因素是：面积(放置磁性材料的区域的大小)、功率(磁性材料的强度)和排列(磁性材料取向如何)。实验证明当大面积放置磁场区时，更易于对其进行检测。然而，在整个楼面或过道上放置磁性区是不实际的，因此，必须进行折衷。获得足够大面积的一种方法是提供能够以连续形式应用的磁化带或磁化条，也可以在靠近障碍物、门等位置处提供垫子(可以由几条磁化带构成)。
高强度的磁化带比低强度的磁化带更便于检测，提供高强度磁化带的一种方法是采用既宽又厚的磁化带。尽管在较远的距离下，又宽又厚的磁化带要比又窄又薄的磁化带便于检测，但是，在较近的距离下，后者比前者实际上更好检测。这一效应如下表所示。表1为场磁场强度(高斯)与条带宽度和条带上方的测量距离的关系。用于进行测量的磁化带按照以下在Ⅴ节中的描述制成的，测得宽5.08cm(2in)、厚2.0mm(0.07in)、长152.4cm(5ft)。
                                      表1
                                  磁性带的宽度磁性带上方距离  2.54cm(1in)  5.08cm(2in)  10.16cm(4in)  20.32cm(8in)2.54cm(1in)     7.44           9.41         7.60          4.515.08cm(2in)     2.22           3.78         4.75          3.827.62cm(3in)     1.02           1.90         2.93          3.0610.16cm(4in)    0.59           1.12         1.90          2.3915.24cm(6in)    0.26           0.52         0.95          1.4720.32cm(8in)    0.15           0.29         0.58          0.9625.4cm(10in)    0.10           0.19         0.37          0.6630.48cm(12in)   0.07           0.13         0.26          0.48
如表1所示，随着检测距离的增大，较窄的磁化带更明显地从强磁场过渡到弱磁场。例如，2.54cm宽的磁化带在30.48cm距离下的磁场强度不足2.54cm距离下强度的1％，而20.32cm宽磁化带的磁场强度在同一距离下仅仅下降到初始强度的11％。由于强磁场与弱(零)磁场之间的转变更易于被检测，因此，对于大多数应用而言，较窄的磁化带比较宽的磁化带好。更具体地说，由于应当在约12.7cm(2in)距离下可对磁化带进行检测，因此，在较佳宽度约为2.54cm(1in)、5.08cm(2in)的磁化带上应当最好检测。
最后，对于磁性敏感区的排列，用宽度为5.08cm(2in)条带相互隔开0.0cm(0in)、5.08cm(2in)、10.16cm(4in)、15.24cm(6in)进行了一系列的试验，在条带上方2.54cm(1in)距离处的相对两个条带的8个位置以及条带上方10.16cm(4in)距离处的3个位置上获取磁场强度测量结果。大磁场与小磁场之间的最大转变出现在至少隔开5.08cm(2in)的相反极性的条带上。
鉴于上述的考虑，本发明的一个实施例包括两条宽为5.08cm(2in)、隔开10.16cm(4in)的磁性敏感带。这一产品可以以辊轧形式提供，这里，滚筒总宽度约为20.32cm(8in)。
用于检测磁场的传感器可以是任何一种合适的传感器。通常，传感器应当是廉价、耐用和足够灵敏的，能够检测永久磁化区产生的磁场。传感器应当与永久磁化区产生的磁场相匹配，传感器能够可靠地检测永久磁化区产生的磁场。本发明的另一个有益特点是能够采用低成本的传感器，尤其是传感器将用在靠近磁场区的话。一种较佳的传感器为霍尔效应传感器，如Honeywell MicroSwitch公司提供的牌号为SS495A的一种合适的传感器。可以将传感器安装在手杖的端头或行人的鞋中，或其它任何方便的位置上，只要传感器具备检测磁场和检测磁场之差的能力。
Ⅲ．触觉反差
可以采用几种不同的方式提供永久磁化区与弱场区之间的触觉反差。图2示出了触觉反差的区域。通过永久磁化区与弱场区的触觉反差，使用者能够确定手杖是沿所需路径移动还是开始偏离所需路径。
通过一系列纵向或横向的凹槽、凸起或其它任何合适结构可以提供触觉反差。例如，在图2中，在永久磁化区12中形成一组具有方形截面的纵向列线凹槽16，在弱场区14中形成一组具有更为圆滑形截面的纵向列线凹槽18。凹槽通常深1.3mm(0.05in)、宽3.3mm(0.13in)，这样便于清洁并提供防滑路面。提供防滑和不同纹理的另一种路面由随机分撒在外涂保护层路面上因而被粘合在基底上的直径约0.77mm(0.03in)的小颗粒组成。
图3示出本发明一个不同的实施例，其中，由于磁化带10a将用于例如地毯之下，所以未提供触觉反差。
在这里所述的较佳实施例中，包括两个被10.16mm(4in)非磁敏区分开的宽5.08mm(2in)的磁敏条，外侧的两个磁敏条纹理较高(采用3M公司提供的牌号380系列STAMARKTM人行道标记带下的人行道标记磁性带)，中间的区域应当纹理较低但仍然是防滑的(采用3M公司的平坦、反光、防滑的标记磁性带)。
Ⅳ．视觉反差
通常需要这些区域具有视觉反差，以使有限视力的使用者能够识别由这些区域所限定的路径。通过颜色或图案可以提供永久磁化区与弱场区之间的视觉反差。尽管可以采用黑白色的颜色，但是，相信黄绿色(波长550纳米)与黑色边界的反差能提供最大视觉反差。此外，由于亮度越高，反差越大，最好使某些所选颜色的亮度尽可能地高。提高亮度因而也是提高反差的一种方法是增加荧光，因此，在一个实施例中上述的黄绿色可以是荧光。
当间隔的磁性区被中间区域隔开时，中间区域最好是黄绿色，而间隔的磁性区域最好是黑色。在另一个实施例中，可以采用各种标准或荧光彩色以及图案，如棋盘图案、标识语、字母符号和表示所需路径方向的箭头。如图3所示，如果磁性带10a用在看不到的地方，如在地毯下面，则不需要具有视觉反差。
在这里所述的较佳实施例中，包括被10.16mm(4in)非磁敏区分开的两个宽5.08mm(2in)的磁敏条，外侧的磁敏条为黑色，中央的磁敏区域是波长约为550纳米的荧光绿-黄色。
Ⅴ．构成及应用
永久磁化区和弱场区可以由任何合适的材料，包括塑料和金属材料制成。永久磁化区的较佳材料由3M公司交通管理材料分部以实验牌号“Smart Tape”提供，因为这种材料经久耐用，能产生可检测的磁场并可以使之产生触觉和视觉反差区。弱场区的较佳材料由3M公司以牌号STAMARKTM380或385提供，因为这种材料的成本比用于制造永久磁化区的材料低，它也是经久耐用的，并能够模制和着色。
可以采用几种传统的工艺方法来制造永久磁化区。较佳的处理方法是将下列材料(所有各部分都以重量计)在Banbury型内部混合器中化合：
(橡胶)原批
Paracril B         100.0
Chlorez 700S       70.0
Paroil 140LV       5.0
Stearic Acid       0.5
Vanstay SC         0.5
Stantowhite Crystals       1.0
PE Minifiber 13038F        20.0
PET 6-3025 fibers          10.0
磁性颗粒
Barium heraferrite P-235   950.0
总重量                     1157
在上表中，ParacrilTM B是Uniroyal化学公司提供的中等丙烯睛含量的丁睛橡胶；ChlorezTM 700S是Dover化学公司提供的固体氯化石蜡；Paroil 140 LV是Dover化学公司提供的液体氯化石蜡；Stearic Acid是Witco化学公司Humko化学分公司提供的助处理剂；VanstayTM SC是R.T.Vanderbilt公司提供的鳌合剂型稳定剂；StantowhiteTM Crystals是Monsanto化学公司提供的抗氧化剂；PEMinifiber 13038F是Mini Fibers公司提供的高密度聚乙烯纤维；PET 6-3025 fibers是Mini Fibers公司提供的0.635cm(0.25in)*3d聚酯纤维；Barium heraferrite P-235是Arnold工程公司提供的磁性颜料。
当混合温度达到146℃(295°F)时，混合物从混合器中降落到双滚筒橡胶滚轧机上。橡胶滚轧机将材料压片并通过双滚筒砑光机馈送，产生厚度约为1.4mm(0.055in)的片状材料。
根据第5,227,221(2列，47-65行)号美国专利中所述的处理方法对材料片进行浮凸处理，提供具有多个从一个主表面上凸起的凸部的整合磁性材料片。经过浮凸处理的磁性材料片在凸部之间的谷中厚度约为0.5mm(0.02in)，在凸部的顶部厚度约为1.6mm(0.063in)。利用第5,227,221号美国专利中所述的工艺方法，在浮凸材料片凸部的顶部及侧面施加一层不连续的液体颗粒粘合材料。颗粒粘合材料与第5,227,221(4列，20-39行)号美国专利中的聚氨基甲酸乙酯珠粒粘合剂相同，不同之处在于颜料分散体是由以下组分制成的：
颗粒粘合剂颜料分散体
成分            ％(重量)    功能
甲基·异丁基酮    7.04      溶剂
2-乙基己酸锌      3.52      催化剂
Stan-Tone 10 EPX03    41.55    白色颜料分散体
Stan-Tone 25 EPX01    3.52     红色颜料分散体
Stan-Tone 90 EPX04    44.37    黑色颜料分散体
Stan-Tone 10 EPX03为分散在双酚A环氧树脂的二环氧甘油醚中的白色颜料。Stan-Tone 25 EPX-1为分散在双酚A环氧树脂的二环氧甘油醚中的红色颜料。Stan-Tone 90 EPX04为分散在双酚A环氧树脂的二环氧甘油醚中的黑色颜料。表中列出的牌号，每一种材料是由Harwick化学公司提供的。
涂覆颗粒粘合材料的凸部的表面撒有Carbo陶瓷公司提供的CARBOLITEHCARBOPROP牌号的这种耐久的黑色球形防滑颗粒。应用这些颗粒是为了将它们部分嵌埋在液体颗粒粘合材料中。如第5,227,221号美国专利所述，在大约175℃(350°F)温度下，通过让材料片在炉子里停留约10分钟时间，使液体颗粒粘合材料固化。
将厚度约为125微米(0.005in)的一层橡胶树脂压敏粘合剂层叠在材料片的底部。材料片感觉与整合人行道标识带相似，与3M公司提供的STAMARKTM380系列人行道标识带和STAMARKTM385系列非反光连接覆盖带的感觉更相似。材料片在视觉上与STAMARKTM385系列带相似，不同之处在于，凸部之间的非颗粒涂层区的颜色为暗紫褐色，而不是黑色。
总之，永久磁化区和弱场区也可以取任何合适的宽度和厚度，既可以是连续的也可以是分段的，当然前者更好。例如，弱场区的宽度可以为约25至180mm(1.0至7.0in)，厚度约为2mm(0.08in)。永久磁化区的宽度可以各为约10至75mm(0.5至3.0in)，厚度与弱场区的厚度相同。永久磁化区的最外侧边缘最好翘起，从而使有轮车辆更易于横穿该区域。由于上述这些原因，相信永久磁化区之间的分离是重要的，分开的距离最好是单个永久磁化区宽度的两倍。尽管连续的磁化区较佳，它可以保证使用者不会因磁化区的断开而走错路，但是，在适当的地方也可以采用分段的磁化区。
在户内和户外都可以采用本发明，也可以将其应用到诸如地毯、瓷砖或混凝土一类的基底下方，或者将其应用到形形色色地面的顶部。例如，要在现有地铁车站中提供一条路径，可以沿所需路径将该系统应用到现有混凝土地面上，并利用合适的粘合剂将其固定在这些地面上。对于办公室，可能更需要在地毯之下安置本系统(因此没有触觉和视觉反差特征)，通过将磁化区制作得尽可能薄，这是很容易实现的。在新的建筑中，可以将系统埋在混凝土下面。在这种情况中，可以将弱场区改进为仅仅是网状体或者是足以维持永久磁化区之间均匀距离的某种结构。
也可以将附加特征做在本发明的引导系统中。例如，在路径的分口处，对各个新路径，永久磁化区的触觉、磁性和视觉特征可以是不同的。例如，右侧的路径可以具有横向通道、较高磁场和棋盘图案，而左侧的路径可以具有纵向通道、较低磁场和直线图案。也可以采用不同的纹理图案使这些磁化区相互产生反差。磁化区可以用粘合剂(或是压敏的或是热敏的)将其附着到路面上。如果粘合剂是压敏粘合剂，它可以允许重新定位以及用可更换衬里对其进行保护。各个磁化区也可以是整合的，既与磁化区附着的路面中凹凸不平相整合，也允许磁化区弯曲。
图4示出本发明的系统的另一个实施例，其中间隔的磁敏区12a与弱场区14a沿每个条带10b相交替。
多个弱场区和永久磁化区也可以设置在单个条带10c中，如图5所示。这里，中央的永久磁化区12b的侧面是弱场区14b，弱场区14b的侧面又是永久磁化区12c。
图6示出又一个实施例，其中永久磁化区12d与弱场区14c以交替关系沿图所示条带10d的长度横向排列。沿永久磁化区和弱场区12d和14c的外侧边缘可以设置附加区20，如果需要的话，附加区可以都有或者都没有这些类型区域的属性。
Ⅵ．实验结果
用11个实验对象对本发明的引导系统进行了试验，以对四种引导功能进行评估：停步、改变路径方向、直线引导和定位。实验对象一般是由于视觉有限，如视场有限、视力模糊、夜盲和单眼失盲而需要引导的人。给实验对象提供一个头部装有传感器的手杖。当手杖移近引导磁性带时，如下所述，传感器通过手杖柄中的扬声器发出声音。包括头部的传感器在内，手杖长160cm(5.25ft)。
引导磁性带置于地毯下面，地毯的厚度足以阻止进行视觉和触觉识别。房间的灯光熄灭。磁性带由三个测得宽各为5.1cm(2.0in)的磁性条组成，每个磁性条相距5.1cm(2.0in)相互平行放置。
至于四个被试验的引导功能，停步是很重要的，因为它能够使实验对象避免危险。在过道的预定位置上提供一段上述磁性带，对停步进行测量。当实验对象检测到磁性带时，令其停步。在起点之后的左转路径4.2m(14ft)处放置磁性带，对改变路径方向进行测量。未告诉实验对象路径转向哪条道路，但是，令其跟着该路径走。通过将磁性带直线放置对直线引导进行测试，然后令每个实验对象两次跟着磁性带走，一次关闭传感器，一次接通传感器。实验对象横穿地毯直至他或她从起点起穿过直线4.8m(16ft)，在这一点对偏离直线进行测量。最后，定位功能也是重要的，因为它能够使实验对象找到特定房间、门、电梯或其它位置。对定位功能进行测试，将一段磁性带放置在门道下面，令实验对象沿过道移动直至他们识别门为止。在过道中总共有8扇门。
本发明的系统在帮助实验对象沿直线和拐角行走并定位在特定位置处是有效的。具体说，在停步试验中，所有的实验对象在磁性带前平均约168cm(5.5ft)处都停在磁性带面前。在改变路径方向的试验中，所有的实验对象都正确地跟着路径左转。在直线行走引导试验中，关闭传感器时，实验对象偏离直线平均60cm(1.97ft)，打开传感器时，实验对象偏离直线平均14.6cm(0.48ft)。在定位试验中，所有11个实验对象都正确地定位在标注的门道处。
本发明的适用用途有多种多样。它可以用在办公室、学校、家庭、公共设施、旅馆和医院中，不仅能够用于对所需路径进行标识，还可以用于对诸如楼梯、紧急出口、浴室、水房、窗和门等结构进行标识。其它用途还有对两个区域之间的边缘或边界(如从人行道进入停车场)进行标识。
尽管已经参照几个示范实施例对本发明作了描述，但是，本发明的范围不是由这些实施例限定的，而是由以下的权利要求限定的。

Claims (15)

1．一种供移动人员使用的引导系统，其特征在于包括至少两个隔开的纵向延伸的区域，所述系统进一步包括：
a)磁性反差区；
b)由对比色提供的视觉反差区；
c)触觉反差区。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统进一步包括至少一个弱场区。
3．如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的区域以相邻关系固定，提供一个连续的条带。
4．如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的弱场区不产生磁场。
5．如权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括对永久磁化区产生的磁场进行检测的便携装置。
6．如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的检测装置进一步包括提供所述检测装置相对所述永久磁化区的位置指示的装置。
7．如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的检测装置安装在手杖上。
8．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的永久磁化区和弱场区是无动力的。
9．如权利要求1所述的系统，其特征在于：至少一个区域包括将该区域粘合到路面上的粘合剂涂层。
10．如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述的粘合剂是压敏粘合剂。
11．如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的有压敏粘合剂的区域是可重新定位的。
12．如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的压敏粘合剂有与其附着的可更换衬里。
13．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的磁性区是整合的。
14．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的磁化区排列成使它们具有相反极性。
15．如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的颜色为荧光。
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