Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng cho người khiếm thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ HUẾ

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG DẪN HƢỚNG CHO
NGƢỜI KHIẾM THỊ
Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN

Hà nội – Năm 2013


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tôi được trang bị sâu và rộng hơn những kiến thức về
chuyên ngành, phương pháp học tập, đồng thời trưởng thành hơn.
Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến đã hướng
dẫn giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học công
nghiệp, những người đã dạy cho tôi những kiến thức giúp tôi nâng cao kiến thức và
chuyên môn.

Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo và các thầy cô viên nghiên cứu quốc
tế MICA – trường đại học Bách Khoa Hà Nội, viện nghiên cứu IMEP-LAHC,
France đã tạo mọi điều kiện để tôi là việc và nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển hệ
khoa học khóa 2011B, những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý
kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn.

Hà Nội, Ngày….. tháng….. năm…….
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Huế

I


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Thị Huế, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH khóa 2011B
2013. Giảng viên hướng dẫn là GS.TS. Phạm Thị Ngọc Yến.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn
“Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị” là công trình
nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến –
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thiết kế, kết quả nghiên cứu trong luận văn
là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào.
Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài
liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết
trong luận văn này.

Hà Nội, Ngày….. tháng….. năm…….
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Huế

II


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
a.

Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài.....................................................1

b.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. ...........2

c.

Phương pháp nghiên cứu. ..............................................................................3

d.

Nội dung thực hiện ........................................................................................4

e.

Đóng góp của đề tài. ......................................................................................5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU...........................................................6
1.1 Tổng quan về công nghệ trợ giúp người khiếm thị ...........................................6
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................................6
1.1.1.1. Thiết kế mô hình gậy thông minh ......................................................6
1.1.1.2. Mô hình gậy có gắn đèn và âm thanh dành cho người khiếm thị ......6
1.1.1.3. Chiếc nón kì diệu ...............................................................................7
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................8
1.1.2.1. Các thiết bị xác định và tránh vật cản : ..............................................9
1.1.2.2. Các thiết bị hiển thị ảnh ma trận trên vỏ não hoặc võng mạc : ........10
1.1.2.3. Các thiết bị thông qua xúc giác : ......................................................11
1.1.2.4. Các thiết bị sử dụng âm thanh. .........................................................19
1.2. Tổng quan về các phương pháp truyền tin không dây ...................................19
1.2.1. Hồng ngoại (Infrared) .............................................................................20
1.2.2. Wifi .........................................................................................................21
1.2.3. Zigbee ......................................................................................................23
1.2.4. Bluetooth .................................................................................................25
Chương 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MA TRẬN ĐIỆN CỰC ....28
2.1. Vai trò của điện cực trong trợ giúp người mù ................................................28
2.1.1. Điện cực kích thích lên da .......................................................................28
III


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

2.1.2. Điện cực kích thích lên lưỡi ....................................................................29
2.2. Cấu tạocủa TDU .............................................................................................30
2.3. Hoạt động của TDU .......................................................................................31
2.4. Các dạng ma trận điện cực .............................................................................34
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ LÂP TRÌNH HỆ THỐNG .............................................38
3.1. Bài toán, phân tích yêu cầu. ...........................................................................38
3.1.1. Bài toán ...................................................................................................38
3.1.2. Phân tích yêu cầu ....................................................................................38
3.2. Lựa chọn giải pháp, thiết bị............................................................................39
3.2.1. Lựa chọn giải pháp ..................................................................................39
3.2.1.1. Lựa chọn phương pháp dẫn hướng người khiếm thị ........................39
3.2.1.2. Lựa chọn phương thức truyền tin không dây ...................................40
3.2.2. Lựa chọn thiết bị .....................................................................................41
3.2.2.1. Vi xử lý trung tâm ............................................................................41
3.2.2.1. Mô đun thu phát không dây Bluetooth HC-06.................................43
3.3.1. Khối nguồn cung cấp điện áp. .................................................................47
3.3.2. Khối chuyển đổi mức điện áp .................................................................47
3.3.3. Khối mạch điều khiển điện cực ...............................................................48
3.3.3.1. Điều khiển trực tiếp ..........................................................................48
3.3.3.2. Điều khiển Electrode bằng mạch DAC và DEMUX .......................48
3.3.4. Khối truyền nhận tín hiều Bluetooth .......................................................49
3.3.5. Khối Electrode .......................................................................................51
3.3.5. Khối sạc không dây. ................................................................................52
3.3.7. Khối CPU ................................................................................................53
3.4. Lập trình thiết bị .............................................................................................54
3.4.1. Lập trình vi điều khiển ............................................................................54
IV

Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

3.4.1. Lập trình giao diện máy tính ...................................................................57
Chương 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........................................59
4.1. Thử nghiệm thiết bị ........................................................................................59
4.1.1. Thử nghiệm 1 ..........................................................................................59
4.1.2. Thử nghiệm 2 ..........................................................................................61
4.2. Kết quả và đánh giá thiết bị............................................................................66
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................70

V


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

DANH MỤC VIẾT TẮT
ETAs

Electronic Travel Aids

Thiết bị điện tử trợ giúp đi lại

NOD

Nottingham Obstacle Detector

Đầu do chướng ngại vật

TDU

Tongue Display Unit

Thiết bị hiển thị ở lưỡi

IR

Infrared

Hồng ngoại

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

TVSS

Tactile vision substitution systems

Hệ thống xúc giác thay thế

HMI

Human Machine Interface

Giao diện người máy

FHSS

Frequency-Hopping Spread Spectrum

Tần số nhảy lan truyền phổ

VI


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cây gậy có gắn âm thanh và đèn ............................................................7
Hình 1.2: Chiếc nón kì diệu ....................................................................................8
Hình 1.3: Các cộng nghệ thích hợp gắn lên người sử dụng cho người mù ............9
Hình 1.4: Thiết bị Tacit xác định vật cản bằng siêu âm........................................10
Hình 1.5: Thiết bị cấy vào võng mạc ....................................................................11
Hình 1.6: Xúc giác thông qua ngón tay ................................................................12
Hình 1.7: Thiết bị trợ giúp cho người khiếm thị đặt ở cổ tay ...............................13
Hình 1.8: Thiết bị trợ giúp áo vest. .......................................................................14
Hình 1.9: Thiết bị trợ giúp đeo ở thắt lưng. ..........................................................15
Hình 1.10: Thiết bị trợ giúp đeo ở bàn chân .........................................................16
Hình 1.11: Thiết bị trợ giúp đặt trong miệng ........................................................17
Hình 1.12: Thiết bị mô tả hình ảnh qua xúc giác ..................................................18
Hình 1.13: Xử lý hình ảnh đưa về dạng ma trận điểm. .........................................18

Hình 1.14: Thiết bị trợ giúp The Voice .................................................................19
Hình 1.15: Công nghệ hồng ngoại tích hợp trong Xbox 360 ................................21
Hình 1.16: Ứng dụng Wifi ....................................................................................22
Hình 1.17: Ứng dụng Zigbee ................................................................................24
Hình 1.18: Ứng dụng Bluetooth ............................................................................26
Hình 2.1: Hình ảnh các loại điện cực kích thích lên da ........................................29
Hình 2.2: Ma trận điện cực đặt trong miệng .........................................................30
Hình 2.3: Hình ảnh ma trận điện cực ....................................................................30
Hình 2.4: Tiếp xúc của ma trận điện cực trong lưỡi .............................................31
Hình 2.5: Xung điều khiển điện cực .....................................................................32
Hình 2.6: Hình ảnh đóng gói ma trận điện cực đặt trong miệng...........................33

VII


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

Hình 2.7: Vị trí đặt Electrode trong miệng ...........................................................34
Hình 2.8: Dẫn hướng bằng mà trân 9 Electrode ...................................................34
Hình 2.9: Biểu diễn hướng bởi ma trận tròn .........................................................35
Hình 2.10 : Biểu diễn hướng bởi ma 64 Electrode ...............................................36
Hình 2.11: Biểu diễn tín hiệu đi thẳng tiến và lùi .................................................37
Hình 2.12: Biểu diễn tín hiệu rẽ phải và trái .........................................................37
Hình 3.1: Sơ đồ mô hình lớp học ..........................................................................38
Hình 3.2: a) sơ đồ chân và b) hình ảnh PIC23FJ128GA010 ...............................42
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế của mô đun Bluetooth ...............................................43
Hình 3.4: Sơ đồ tổng thể của hệ thống ..................................................................45
Hình 3.5: Hình ảnh pin cung cấp ..........................................................................47

Hình 3.7: Xung điều khiển Electrode ....................................................................48
Hình 3.8: Khối điều khiển Electrode ....................................................................49
Hình 3.9: Khối truyền tin không dây RF ..............................................................51
Hình 3.10: Khối sơ đồ nguyên lý của 33 electrode ...............................................51
Hình 3.11: Khối sơ đồ và hình ảnh thực của điện cực tròn...................................52
Hình 3.12: Khối sạc không dây .............................................................................53
Hình 3.13: Sơ đồ khối CPU ..................................................................................54
Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán chương trình chính.................................................55
Hình 3.15: Biểu diễn hướng bởi ma trận tròn .......................................................56
Hình 3.16: Giao diện điều khiển trên máy tính .....................................................57
Hình 4.1: Sơ đồ xung điều khiển điện cực ............................................................59
Hình 4.2: Hình ảnh ma trận điện cực tròn .............................................................62
Hình 4.3: Vị trí đặt điện cực trên lưỡi và các hướng đi ........................................62
Hình 4.4: Sơ đồ mạch điều khiển điệc cực ...........................................................67
Hình 4.5: Kết quả thử nghiệm ...............................................................................68
VIII


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Bảng so sánh các phương thức truyền truyền tin không dây................40
Bảng 3.2: Bảng lựa chọn chân DEMUX ...............................................................49
Bảng 4.1: Kết quả thử nghiệm cảm nhận thời gian kích thích của điện cực ........58
Bảng 4.2: Kết quả thử nghiệm với ma trận điện cực tròn 33 điện cực .................63

IX

Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

MỞ ĐẦU
a.

Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài.
Theo thống kê mới nhất của WHO, hiện nay trên thế giới có 285 triệu người

có vấn đề về thị lực: trong đó 39 triệu người mù và 246 triệu người có thị lực kém,
khoảng 90% số người mù trên thế giới sống ở nước đang pháp triển. Ở các nước
phát triển thì có đến 0.4% dân số bị khiếm thị và đang tăng lên 1%. Trên toàn cầu
tật khúc xạ (43%) là nguyên nhân chính dẫn đến suy giảm thị lực và đục thủy tinh
thể (33%) là nguyên nhân hàng đầu gây ra mù lòa ở các nước trung bình và thu
nhập thấp. Vấn đề phòng tránh và chữa trị mù lòa từ lâu đã được nhân loại quan
tâm, con số người mù đã giảm đáng kể trong 20 năm qua.
Trong thập kỷ qua, những người bị suy giảm thị lực và mù do các bệnh truyền
nhiễm đã được giảm đáng kể (một dấu hiệu thành công của cộng đồng quốc tế
trong các hoạt động y tế), nhưng có một điều dễ nhận thấy rằng tuổi thọ con người
đang tăng lên nên người mù hoặc khiếm thị có tuổi cao đang tăng. Khoảng 65% số
người khiếm thị trong độ tuổi 50 tuổi trở lên trong khi nhóm người này chiến 20%
dân số thế giới. Với dân số già ngày càng tăng ở một số quốc gia, nhiều người có
nguy cơ bị suy giảm thị lực do tuổi tác. Người ta ước tính rằng mỗi thập kỷ có một
sự gia tăng lên đến 2 triệu người trên 65 tuổi bị khiếm thị. Nhóm này đang tăng
trưởng nhanh hơn so với tổng dân số.
Trong nhóm trẻ, ước tính có khoảng 19 triệu trẻ em bị kiếm thị, trong số này
thì có 12 triệu trẻ em bị khiếm thị do lỗi khúc xạ có thể sửa chữa được, 1,4 triệu trẻ
em bị mù không có khả năng phục hồi. Hai nguyên nhân chính gây ra mù lòa và

suy giảmthị giác chủ yếu là do dị tật bẩm sinh và lỗi khúc xạchưa được sửa chữa.
Trong trường hợp đầu tiên, hầu hết các nguyên nhân nằm trong não chứ không phải
là trong mắt trong khi nhóm thứ hai, họ có những điều kiện mà có thể đã được ngăn
chặn và chữa được nếu được chẩn đoán sớm và được đeo kính hoặc phẫu thuật
khúc xạ. Người ta ước tính rằng vào năm 2020, tất cả các số liên quan đến mù sẽ
tăng gấp đôi.
Ở Việt Nam theo báo cáo của Bệnh viện Mắt Trung ương, tỷ lệ mù lòa ở Việt
Nam hiện còn khá cao, chiếm 0,6% dân số. Số liệu điều tra gần đây nhất cho thấy,

1


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

hiện có khoảng 400.000 người mù cả hai mắt, số người khiếm thị cả nước có tới 2
triệu người, chưa kể hàng năm số người khiếm thị mắc mới hàng trăm nghìn người.
Để giúp người mù có thể hòa nhập vào cuộc sống bình thường, đã có nhiều
nghiên cứu được thực hiện ở trong nước và trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu
trên các lĩnh vực y học, điện tử, môi trường, xã hội về vấn đề này. Đề tài của tôi
cũng hướng tới trợ giúp người khiếm thị có thể sinh hoạt đi lại và hòa nhâp công
đồng.
b.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành khoa học kĩ thuật nói chung

và ngành điện – điện tử – y sinh nói riêng, cuộc sống của con người đã chuyển sang
một thời đại mới – thời đại công nghệ hóa. Với việc ứng dụng khoa học công nghệ

vào đời sống xã hội, đời sống con người đã và đang dần được cải thiện và nâng cao
một cách đáng kể.
Cùng với đó, những người khiếm thị đã và đang có được cuộc sống thoải mái
hơn và tiếp cận được với các công nghệ hiện đại. Các thiết bị,công nghệ hỗ trợ cho
người khiếm thị ngày càng được nghiên cứu và phát triển, giúp họ có thể tiếp cận
được với những thành tựu của công nghệ như bao nhiêu người khác.
Ở Việt Nam người mù đã và đang được xã hội và nhà nước quan tâm trong mọi
lĩnh vực của cuộc sống, tạo điều kiện để được học tập văn hóa, đào tạo những công
việc phù hợp để có thể hòa nhập vào cộng đồng. Nhiều chương trình, dự án đã dược
triển khai như ―Xóa mù chữ cho người mù‖, ―Phục hồi chức năng đựa vào cộng
đồng‖, ―Đào tạo công nghệ thông tin‖, ... tạo ra lớp người mù có văn hóa, có nghề
nghiệp, vị thế của người mù khẳng định ngay trong gia đình và xã hội. Với mục
đích nghiên cứu các phương pháp có thể trợ giúp người mù có thể đi lại trong môi
trường bình thường đề tài của tôi nghiên cứu:
- Xây dựng, thiết kế hệ thống trợ giúp người khiếm thì sử dụng những kĩ thuật
hiện đại, hiệu quản, đơn giản và dễ sử dụng.
- Hệ thống kế thừa các nghiên cứu đã có trong nước và thế giới.
- Hệ thống có những tiền năng có thể phát triển và hoàn thiện về mặt phương
pháp và khả năng ứng dụng.

2


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

- Nghiên cứu các phương pháp tương tác với người khiếm thị (tiếng nói, kích
xung, điện cực…)
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp truyền tin không dây đảm bảo tiêu chí tiêu

thụ năng lương thấp và nhỏ gọn
- Xây dựng hệ thống dẫn hướng người khiếm thị
c.

Phƣơng pháp nghiên cứu.

 Cơ sở thực tiễn của đề tài:
Trên cơ sở nghiên cứu các thói quen của người khiếm thị và khả năng cảm nhận của
người khiếm thị chúng tôi khi đào tạo cho người mù thì người ta nhận thấy rằng
nhận thức bởi xúc giác nhanh hơn thời gian phản ứng của người khiếm thị bằng âm
thanh để mô tả hình đáng, không gian, màu sắc, những người mù bẩm sinh không
có khái niệm về hình dạng, không gian, màu sắc vì vậy khi ta mô tả đối tượng mà
người mù ko được chạm vào thì người mù sẽ không hình dung ra được đối tượng
Hiện nay trong nước cũng như trên thế giới có nghiên cứu nhiều các phương pháp
dẫn hướng người khiếm thị khác nhau như:
 Các thiết bị xác định và tránh vật cản.
 Các thiết bị hiển thị ma trận trên võng mạc/vỏ não người khiếm thị.
 Các thiết bị hiển thị thông qua xúc giác.
 Hiển thị qua âm thanh (sóng âm và hình ảnh)
Các phương pháp trợ giúp tôi sẽ phân tích và tìm hiểu ở chương tổng quan về
nghiên cứu. Các nghiên cứu trước dây thường sử dụng biện pháp trợ giúp người
thông qua tai nghe (âm thanh) để truyền đạt cho người khiến thị hoặc các điện cực
dẫn hướng ở tay, chân, lưng, bụng,...
Người khiếm thị không có khả năng nhìn vì vậy tai người khiếm thị sẽ thính hơn và
người khiếm thị dùng tai để lắng nghe các âm thanh ở môi trường xung quanh, nếu
chúng ta sử dụng phương pháp trợ giúp bằng tai thì sẽ hạn chế người khiếm thị lắng
nghe âm thanh từ môi trường xung quanh.
Nếu sử dụng các điện cực đặt trên tay hai, lựng, bụng và chân thì cần điện áp lớn và
hệ thống cồng kềnh và độ nhạy kém khiến người khiếm thị phải mang vác nặng, cản
3

Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

trở đến sinh hoạt của người khiếm thị, ngoài ra việc gắn thiết bị và điện cực lên tay
người khiếm thị sẽ hạn chế việc sử dụng ta vì vậy chúng tôi đề xuất và sử dụng
phương pháp trợ giúp người khiếm thị thông qua lưỡi. Lưỡi con người là nơi tập
trung rất nhiều dây thần kinh nhạy cảm nên sử dụng ma trân điện cực cho phép
chúng ta thiết kế ma trận điện cực nhỏ gọn và sử dụng điện áp cung cấp nhỏ. Việc
đặt ma trân điện cực trong lưỡi có thể coi là thẩm mĩ, thiết bị được đóng gói như
hàm răng giả có thể tháo lắp thuận tiện cho người mù tiện sử dụng và vệ sinh.
Không cản trở các giác quan khác của người khiếm thị.


Cơ sở khoa học của đề tài:
- Đưa trên các nghiên cứu về ma trận điện cực, các phương pháp mã hóa thông

tin lên ma trận điện cực và đào tạo cho người khiếm thị hiểu được các quy ước về
hướng đi, đồ vật, mà sắc và hình dáng,…
- Sử dụng lý thuyết và kỹ thuật xử lý, nhận dạng tín hiệu: hình ảnh được thu nhận
từ camera đưa về nhận dạng, nhận dạng ảnh là giai đoạn cuối của các hệ thống xử lý
ảnh, dựa trên lý thuyết nhận dạng (Pattern Recognition).Trong lý thuyết về nhận
dạng nói chung và nhận dạng ảnh nói riêng có ba cách tiếp cận khác nhau:
 Nhận dạng dựa vào phân hoạch không gian.
 Nhận dạng dựa vào cấu trúc.
 Nhận dạng dựa vào kỹ thuật mạng nơron
Hai cách tiếp cận đầu là các kỹ thuật kinh điển. Cách tiếp cận thứ ba hoàn
toànkhác. Nó dựa vào cơ chế đoán nhận, lưu trữ và phân biệt đối tượng mô phỏng

theo hoạt động của hệ thần kinh con người
Trong giới hạn luận văn của tôi không đi sâu và các thuật toán nhận dạng mà chỉ sử
dụng các kết quả sau nhận dạng để điều khiển dẫn hướng người khiếm thị.
- Kỹ thuật truyền thông không dây đảm bảo tiêu chí tiêu tốn năng lượng thấp,
dung lương truyền thông tối ưu.
d.

Nội dung thực hiện

 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Nghiên cứu các phương pháp trợ giúp người mù.
- Đề xuất phương pháp tương tác với người khiếm thị
4


Nghiên cứu phát triển hệ thống dẫn hướng người khiếm thị

2013

- Nghiên cứu về ma trận điện cực, cấu tạo, cách hoạt động, chế tạo và hình dáng
ma trận điện cực để trợ giúp người khiếm thị
- Lựa chọn chuẩn truyền tin không dây tiêu thụ năng lượng thấp, kích thước nhỏ
- Thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu sau xử lý hình ảnh, truyền tín hiệu đến thiết
bị điều khiển và hệ thống điều khiển dẫn hướng người mù sử dụng pin, được đóng
gói kín như một hàm răng giả được bao bọc bởi nha răng thẩm mĩ và không bị thấm
nước bọt ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
- Thiết kế hệ thống sạc không dây để sạc lại năng lương cho pin đảm bào không
phải tháo pin ra khỏi thiết bị khi thiết bị đã được đóng gói kín.
e.

Đóng góp của đề tài.

Với thời gian làm luận văn thạc sĩ tôi đã nghiên cứu và chế tạo thiết bị trợ giúp
người khiếm thị:
- Đề xuất phương pháp tương tác với người khiếm thị
- Lựa chọn chuẩn truyền tin không dây Bluetooth tiêu thụ năng lượng thấp, kích
thước nhỏ, thuận tiện để sử dụng.
- Thiết kế hệ thống thu thập tín hiệu sau xử lý hình ảnh, truyền tín hiệu đến thiết
bị điều khiển và hệ thống điều khiển dẫn hướng người khiếm thị và người mù.
- Thiết kế các loại ma trận điện cực để điều khiển dẫn hướng người khiếm thị, mã
hóa thông tin trên các ma trân điện cực để người mù có thể học một cách nhanh
nhất và dễ dàng.
- Thiết kế mạch sạc không dây cho pin.
- Chế tạo thiết bị trợ giúp người khiếm thị và thử nghiệm thành công với các thử
nghiệm cảm nhận của con người với ma trận điện cực, dẫn hướng thành công.
- Hệ thống có khả năng mở rộng và tiếp tục nghiên cứu về khả năng ứng dụng và
hoàn thiện thiết bị.

5


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về công nghệ trợ giúp ngƣời khiếm thị
1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Ở Việt Nam các nghiên cứu để trợ giúp người mù đã và đang được quan tâm, một
số nghiên cứu đã tập trung vào trợ giúp người mù trong di chuyển và sinh hoạt

hàng ngày. Tuy các nghiên cứu vẫn còn đơn giản nhưng những nghiên cứu ứng
dụng thiết thực cho người khiếm thị và người mù.
1.1.1.1. Thiết kế mô hình gậy thông minh
Với một bộ hồng ngoại có độ nhạy lớn gắn trên chiếc gậy giúp phát hiện các vật
cản trên đường, sản phẩm ―Chiếc gậy thông minh‖ của anh Đậu Hòa Vang (TP Hồ
Chí Minh) nghiên cứu chế tạo có thể giúp việc di chuyển của những người khiếm
thị dễ dàng, thuận lợi và an toàn hơn.
Bộ hồng ngoại gắn trên gậy có thể nhận ra các vật cản trên đường dù chỉ nhỏ
0,3mm, trong phạm vi từ 0,5-1 mét với độ quét 45 độ. Khi phát hiện ra chướng ngại
vật, phần tay cầm sẽ rung lên, ngoài ra có thêm một bộ rung đặc biệt cho phép
người sử dụng cài vào bất cứ vị trí nào trên người như nón, mắt kính, túi áo...
Nguồn điện để gậy hoạt động chỉ gồm 1 pin vuông 9V và gậy có thể dễ dàng gấp
gọn lại.
Hiện anh Vang đang nghiên cứu để thiết kế phát triển thêm một số tính năng cho
gậy thông minh như cho biết hình dạng của vật cản, khi có vật cản thay vì báo rung
thì có thể báo bằng nhạc điệu ...
1.1.1.2. Mô hình gậy có gắn đèn và âm thanh dành cho người khiếm thị
Thiết kế mô hình gậy thông minh có gắn đèn và âm thanh dành cho người khiếm
thị. Nhóm nghiên cứu đã thăm dò thông tin từ các trường khiếm thị như Trường
Phổ thông đặc biệt Nguyễn Đình Chiểu, Trung tâm Bảo trợ khiếm thị Nhật Hồng
và nhận được yêu cầu cần một cây gậy có khả năng phát ra âm thanh để cảnh báo
mọi người xung quanh, đồng thời phải có khả năng phát ra ánh đèn để cảnh báo khi
đi trong đêm tối để chế tạo cây gậy. Nguyên vật liệu để chế tạo gậy rất đơn giản
gồm: 4 đoạn ống inox (đường kính 1,5 cm), dây dù, một bóng đèn led, một thiết bị
phát âm thanh, dây điện, công tắc, gậy màu trắng dài từ 1 - 1,2 m. Sau đó cả nhóm
6


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

đã gắn một đèn led ở phía trước tay cầm, cách chỗ nối giữa tay cầm và ống thứ hai
khoảng 3 cm. Đèn hoạt động nhờ vào hệ thống dây điện được kết nối với 2 cục pin
và được bật sáng bởi công tắc đèn. Bộ phát âm thanh được gắn ở phía tay phải của
tay cầm và trên bóng đèn 1 cm, được hoạt động nhờ vào hệ thống dây điện nối với
2 cục pin và công tắc bật âm thanh.
Khi sử dụng chiếc gậy để đi lại trên đường, bật công tắc để đèn led phát sáng và loa
phát ra các âm thanh cảnh báo, mọi người đều ngay lập tức chú ý vào người khiếm
thị đang di chuyển. Tương tự, tác giả cũng cho biết người khiếm thị rất tự tin khi sử
dụng chiếc gậy này và có thể di chuyển nhanh hơn mà không sợ bị va vào chướng
ngại vật hay bị người khác va vào. Trong không gian tối với ánh đèn chớp và miếng
phản quang, mọi người xung quanh rất dễ nhận ra có người khiếm thị đang di
chuyển. Đặc biệt với con lăn ở đầu gậy, người sử dụng không bị mỏi tay do huơ
gậy liên tục mà chỉ cần giữ gậy và huơ nhẹ là gậy có thể lăn qua lăn lại nhẹ nhàng

Hình 1.1: Cây gậy có gắn âm thanh và đèn
1.1.1.3. Chiếc nón kì diệu
Chiếc nón được đặt tên là SPKT Eye với ý nghĩa tương tự như con mắt của người
mù. Theo đó, trên chiếc nón có gắn một cảm biến laze, được nhóm của Nguyễn Bá
Hải gọi là "mắt thần".
Khi sử dụng, người mù chỉ cần lắc nhẹ đầu để "mắt thần" xác định vật cản từ
khoảng cách 0,3 - 3m. Khi tia laze của "mắt thần" chạm phải chướng ngại vật, thiết
bị sẽ chuyển thông tin thị giác thành thông tin xúc giác, tạo ra tín hiệu rung trên
nón, ngay vị trí giữa trán người dùng. Khoảng cách chướng ngại vật càng xa thì tín
7


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

hiệu rung càng nhẹ, do đó có thể giúp người mù xác định được vị trí chướng ngại
vật để tránh va chạm.

Hình 1.2: Chiếc nón kì diệu
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các nghiên cứu về các thiết bị hỗ trợ cho người khiếm thị đã bắt đầu được chú ý từ
những năm 60 của thế kỷ trước. Cho đến nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu
và sản phẩm thực tế trên lĩnh vực này. Các thiết bị điện tử hỗ trợ cho người khiếm
thính có thể được phân loại theo mục đích sử dụng như sau:
 Các thiết bị xác định và tránh vật cản.
 Các thiết bị hiển thị ma trận trên võng mạc/vỏ não người khiếm thị.
 Các thiết bị hiển thị thông qua xúc giác.
 Hiển thị qua âm thanh (sóng âm và hình ảnh)

8


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Hình 1.3: Các cộng nghệ thích hợp gắn lên người sử dụng cho người mù
1.1.2.1. Các thiết bị xác định và tránh vật cản :
Các thiết bị điện tử có nhiệm vụ giúp người dùng xác định và tránh vật cản được
gọi là electronic travel aids (ETAs). Người mù thường sử dụng một cây gậy dò
đường, ý tưởng sơ khai của các thiết bị ETAs là làm tăng phạm vi xác định của các
cây gậy này bằng ứng dụng âm học (sóng siêu âm) hay quang học (laser). Hiện nay
viện VISTAC GmbH đang nghiên cứu phát triển một cây gậy laser như vậy.

Vào những năm 1980, có 2 thiết bị là The Mowat sensor và Nottingham obstacle
detector (NOD) đã được chế tạo, chúng đều sử dụng sóng siêu âm và tác động lại
người dùng qua xúc giác và thính giác. Hiện nay 2 thiết bị nãy đã không còn được
sản xuất. Leslie Kay, Tony Heyes và Allan Dodds, những người đóng vai trò quan
trọng trong việc ứng dụng siêu âm để dẫn hướng người khiếm thị hiện nay đang
nghiên cứu phát triển thêm 2 sản phẩm trên theo 2 hướng: biến thiết bị xác định vật
cản thành thiết bị hiển thị hình ảnh cho người khiếm thị; và khả năng đáp ứng
nhanh cho sự thuận tiện khi di chuyển của người khiếm thị (Sonic Pathfinder).

9


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Hiện nay còn rất nhiều nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm cho việc xác định vật
cản. Một trong những thiết bị có thể kể đến là Tacit thiết kế bởi Steve Hoefer.

Hình 1.4: Thiết bị Tacit xác định vật cản bằng siêu âm
Đây là thiết bị đeo tay có gắn 4 cảm biến có thể đo khoảng cách từ người dùng đến
chướng ngại vật, qua đó tác động lên xúc giác bằng một motor ở cổ tay. Mức độ tác
động tùy thuộc và khoảng cách giữa người và chướng ngại vật.
1.1.2.2. Các thiết bị hiển thị ảnh ma trận trên vỏ não hoặc võng mạc :
Ý tưởng của việc hiển thị hình ảnh trên vỏ não là sử dụng một dãy điện cực cấy
trực tiếp vào phần não điều khiển thị giác. Ý tưởng này đã được phát triển bởi Giles
Brindley từ những năm 60 bởi Giles Brindley và William Dobelle những năm 70
thế kỷ trước. Ý tưởng này được thực hiện dựa trên trình độ y học cao vì nó đòi hỏi
những kỹ thuật phẫu thuật não cao cấp. Độ phân giải tối đa cho đến nay được biết
đến là 10x10 điểm ảnh, trong đó mỗi điểm ảnh được nhận thức bởi ánh sáng.

Một ý tưởng khác khá giống ý tưởng cấy não đó là cấy thiết bị điện tử vào võng
mạc để tạo ra mắt điện tử. Trong tương lai đây có thể là một ý tưởng rất có triển
vọng cho việc điều trị cho những người khiếm thị do bị khuyết tật về võng mạc.
Hiện nay một dự án khá nổi tiếng đang được triển khai và bước đầu thành công là
Võng mạc Boston (Boston retinal implant).

10


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

b) Mô tả mắt và vị trí đặt chíp

a) Mô hình

Hình 1.5: Thiết bị cấy vào võng mạc
Các nhà nghiên cứu ở Đức cho biết họ đã thử nghiệm thành công một thiết bị trợ
giúp thị giác cho các bệnh nhân bị mù bẩm sinh, nhờ việc cấy ghép một con chip
đằng sau võng mạc. Chip này cho phép các bệnh nhân nhìn thấy các sự vật, hiện
tượng bên ngoài với đôi mắt của chính mình chứ không giống như cách tiếp cận
trước đây nhờ vào một công cụ khác ở bên ngoài người bệnh. Chip này hoạt động
bằng cách chuyển đổi ánh sáng đi vào mắt thành những xung điện được đưa vào
thần kinh thị giác đằng sau mắt. Chíp được kết nối với một dây cáp trồi ra ở phía
sau tai để kết nối với pin.
Các nhà nghiên cứu Mỹ nói rằng chíp sẽ không phục hồi thị lực bình thường cho
người khiếm thị, nhưng sẽ cung cấp hình ảnh vừa đủ để giúp người khiếm thị đi lại
trong phòng.
1.1.2.3. Các thiết bị thông qua xúc giác :

Phương pháp này bắt đầu được Paul Bach-y-Rita phát triển khoảng năm 1970 với
tên gọi Tactile Vision Substitution System (TVSS). TVSS nhận hình ảnh từ một
camera đưa đến một thắt lưng rung quấn quanh bụng và có khả năng hiển thị hình
ảnh đen trắng với độ phân giải 20x20 pixels trên một dãy điện cực. Đến năm 1985
hệ thống được phát triển lên với độ phân giải lớn hơn nhiều bằng sử dụng công
nghệ quét.
a. Thiết bị trợ giúp thông qua ngón tay và cổ tay

11


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Hầu hết các thiết bịhỗ trợcho người mùkhai thácxúc giác nhưgiác quanthaythế như
ngón tay, cổ tay vàlòng bàn tay. Màn hìnhxúc giácđiển hìnhliên quan đếnmảngmáy
runghoặcchândi chuyểnlên/xuống.
a) Thiết bị trợ giúp thông qua tiếp xúc ở ngón tay
Thiết bị đeo ngón tay (hình 1.6a) mềm mại và linh hoạt và có thể được bao bọc
xung quanh ngón tay giống như một đai trợ giúp.Màn hình này mới mặc có thể
được sử dụng như một màn hình hiển thị chữ nổi Braille hoặc như là một màn hình
hiển thị xúc giác, đa mục đích giúp truyền tải thông tin thị giác cho người mù.
Thiết bị điều khiển ngón tay (hình 1.6b), sử dụng 6 động cơ DC nhỏ nhẹ rung được
gắn vào các ngón tay. Nó cung cấp một sự rung động 120Hz đến kích thích các
ngón tay. Mỗi 3 động cơ tay được điều khiển bởi một máy tính đồng hồ đeo tay
Citizen-IBM và một mô-đun điện tử bao gồm pin và mạch điều khiển. Các máy tính
đồng hồ đeo tay có khả năng giao tiếp với các thiết bị bên ngoài thông qua công
nghệ Bluetooth. Tổng trọng lượng của các thiết bị,bao gồm cả pin là khoảng 170g
mỗi tay.

a)

b)
Hình 1.6: Xúc giác thông qua ngón tay

12


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

b) Thiết bị trợ giúp thông qua tiếp xúc ở cổ tay
Nghiên cứu tại trường đại học British Columbia (Canada) phát triển hai cực có thể
đeo được ở cẳng tay và cổ tay (hình 1.7a). Cả hai cực này bao gồm2dao động DC
động cơ khoảng cách đều nhau 60mm ngoài tạo ra dao động ở 140Hz.
Những thiết bị xúc giác truyền đạt thông tin bằng cách sử dụng liên tục cảnh báo
như tín hiệu. Phương pháp này được các bác sĩ không làm ảnh hưởng đến nhịp tim
của bệnh nhân và không mất sự tập trung chú ý của họ với âm thanh. Các thí
nghiệm được tiến hành với các mẫu thử nghiệm cho thấy rằng không có sự khác
biệt giữa cổ tay và cẳng tay: sự thoải mái và chính xác của thông tin được coi là như
nhau.
Tương tự như ứng dụng này, các thiết bị có thể được sử dụng để chuyển tải các mẫu
đơn giản như thông tin giống như cảnh báocho người mù ví dụ khi tiếp cận một trở
ngại. Một thiết bị trợ giúp phổ biến mặc cho cổ tay là xem chữ nổi (hình 1.7b). Trên
cơ sở đó một chiếc đồng hồ là một điều cần thiết chính để sống mộtcuộc sống bình
thường, một số công ty thương mại hóa ngày nay đồng hồ Braille.
Những chiếc đồng hồ, trong đó có cơ chế chính xác giống như những người thường
xuyên, hiển thị thông tin thời gian là các mẫu hình lớn lên trên quay số hay như số

Braillen gười mù sẽ cảm nhận được.

Hình 1.7: Thiết bị trợ giúp cho người khiếm thị đặt ở cổ tay
b. Các thiết bị xúc giác gắn ở áo khoác và thắt lưng

13


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Hình 1.8: Thiết bị trợ giúp áo vest.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) trình bày trong hệ thống
Kahru dẫn hướng ngoài trời (hình 1.8a). Hệ thống Kahru là một màn hình hiển thị
mặc khai thác vest xúc giác cung cấp các hướng dẫn chuyển hướng đơn giản. Một
tập hợp của 6 động cơ rung tạo ra các thông điệp xúc giác như về phía trước, trở lại,
bên trái, bên phải, tăng tốc độ và làm chậm để hướng dẫn người dùng thông qua
một môi trường.
TNO là ứng dụng khoa học viện nghiên cứu ở Hà Lan, đã phát triển một màn hình
xúc giác bao gồm của 128 yếu tố rung gắn liền với một chiếc áo khoác (hình 1.8b).
Rung động ở tần số 160 Hz. Vest này hiện đang được sử dụng để truyền tải thông
tin chuyến bay tới phi công trong một cách trực quan. Tương tự như vậy, nó có thể
được sử dụng cho người mù.
Các nhà nghiên cứu tại MIT (Mỹ) đã phát triển một màn hình xúc giác được nhúng
vào trong một chiếc áo khoác fastens xung quanh thân trên thấp hơn (hình 1.8c).
Điều này hiển thị xúc giác bao gồm một mảng 4 x4 rung động cơ được điều khiển
độc lập bởi một đơn vị điện tử. Các đơn vị điện tử nhận được lệnh không dây từ một
máy tính từ xa.
NavBelt, một thiết bị để đeo ETA được đề nghị bởi Đại học Michigan (Mỹ), cung

cấp thông tin phản hồi âm thanh từ một loạt các cảm biến siêu âm được gắn trên
một vành đai xung quanh bụng (hình 1.9a). Những cảm biến này cung cấp thông tin
về các trở ngại trong khu vực với độ mở 120° phía trước của người sử dụng.

14


Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu

2013

Hình 1.9: Thiết bị trợ giúp đeo ở thắt lưng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Keio (Nhật Bản) đề xuất trong ActiveBelt, một loại
đai hiển thị xúc giác để điều hướng định hướng. ActiveBelt bao gồm GPS, một cảm
biến địa từ và 8 máy rung phân phối tại các khoảng thường xuyên qua thân người
(hình 1.9b). Rung động trong khoảng 33Hz đến 77Hz được cung cấp bởi các
ActiveBelt để chỉ ra hướng dẫn cho người sử dụng. Một tập hợp các thí nghiệm xác
nhận rằng các đối tượng có thể để xác định 8 hướng trong khi đi bộ.
Một vành đai loại thiết bị hỗ trợ là một trong những phát triển tại Đại học
Osnabrück (Đức). Các mẫu thử nghiệm bao gồm một la bàn điện tử và 13 máy rung
nằm xung quanh bụng (hình 1.9c). Vành đai này cho phép người sử dụng của nó để
liên tục cảm thấy định hướng của mình trong không gian thông qua pháp kích thích
rung. Độ chính xác và sử dụng lâu dài của đai Navigation hiện đang được đánh giá.
c. Các thiết bị đeo ở bàn chân
Chân con người là mộtcấu trúc chức năng. Những gì chúng ta biết về chân con
người là nó kết hợp phức tạp cơ khí và độ bền kết cấu. Chân có thể duy trì áp lực rất
lớn và cung cấp sự linh hoạt và khả năng phục hồi. Cảm nhận đầu vào từ chân, đặc
biệt là từ lòng bàn chân, từ lâu đã được công nhận như là một nguồn thông tin cảm
giác quan trọng trong việc kiểm soát sự chuyển động và đứng cân bằng. Khi di
chuyển trên bàn chân từ gót chân đến ngón chân, tín hiệu áp lực sẽ được tự động

đưa trở lại cho não bộ để cung cấp thông tin quan trọng về vị tr ícủa cơ thể đối với
bề mặt hỗ trợ.

15