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在智能城市的背景下使用增强现实和物联网技术提高运动残疾人的无障碍性
作者：Zulqarnain Rashida, Joan Meliagrave;-Seguiacute;, Rafael Pous, Enric Peig
强调
·轮椅以用户为中心的交互设计和评估。
·交互式界面与射频识别（RFID）协作。
·独立购物体验的身体和运动残疾人。
·为轮椅用户打造的智能城市和物联网方案。
摘 要
智能城市需要被设计为允许包含所有类型的公民。例如，像使用轮椅的运动残疾人可能存在与城市交互的问题。物联网（IoT）技术提供了能将所有公民纳入智慧城市环境的工具。例如，轮椅使用者可能无法接触超出手臂长度的物品，从而限制了他们在购物或访问图书馆等日常活动中的独立性。我们已经开发了一个系统，使轮椅使用者能够在增强现实（AR）技术和射频识别（RFID）技术的帮助下，与超出他们的手臂长度的项目进行交互。我们提出的系统是一个在不同界面上运行的交互式AR应用程序，允许用户通过RFID系统与货架上的物理项目进行数字交互，包括浏览货架，点击它并获得关于它包含的物品的信息，这个系统允许轮椅使用者独立购物，并且在他们的日常活动中提供自主性。十四个有不同程度的损伤的轮椅使用者参与了系统的研究和开发。评估结果很令人满意，显示出轮椅使用者能获得更多独立性。这为社会公平的提高提供了机会
关键词：RFID; 增强现实; 智能空间; 运动残疾人; 包含; 零售商
1.简介
城市中普遍包含不同的传感器和通信技术，最终目标是改善流程，效率和生活质量，这是智慧城市定义的广泛框架。总体而言，智慧城市通过公民与其背景之间关系的改善，追求自下而上的方法。考虑到这一目标，无论其条件如何，所有公民都必须能够参与这种新的范式。例如，像使用轮椅的运动残疾人可能有与城市交互的问题。物联网（IoT）形式是智能城市中的主要技术参与者之一，其提出将物理对象作为互联网的新行为者，将它们与人，信息系统以及它们之间进行连接。然而，IoT的用例通常指具有某些内置功能的对象，无论是简单的，例如恒温器，还是复杂的，例如汽车。因此，由于这项技术的普及，物联网技术是改善包含运动残疾人的智能城市的合适选择。目前，世界总人口中大约1%的人使用轮椅[1]和[2]。例如，在超市购物是那些轮椅上的人的限制之一。允许与物品进行交互而不用亲身达到的系统将提高这些用户的生活质量。
很少的IoT用例指的是连接像在零售商店（服装，食品等）的货架上的产品。然而，射频识别技术（RFID）提供了一种将这些未连接的对象连接到因特网的方法，提供了从物理对象及其物理位置到该对象的数字“实例”的指针，其可以包括关于其特性，生命周期历史或者可以被调用以在因特网上交互的扩展信息。该数字“实例”可以是文件（标记或以其他方式），数据库寄存器，数据库过程，SW程序，自主代理或其他形式的数字信息和/或算法的形式。一旦RFID标签已经建立了物体（原子）的物理部分与其数字对应物（位）之间的链接，则基础被设置为开发IoT用例。物联网的用例之一是购物，即零售业。目前可以为运动残疾人进行在线浏览。然而，零售购物或访问图书馆等物理浏览可能需要第三方的帮助或帮助，限制了该人在日常活动中的独立性，隐私性和自主性。因此，在独立的生活情景中缺乏物理浏览，例如轮椅使用者不能触摸或达到手臂长度以外的物品。他们需要另一个人的帮助，这影响他们的独立性，隐私和自主权。
当机动性还不够完善时[3]，运动残疾人问自己关于使用智能轮椅的必要性。他们关心的是执行自主和独立的行动的能力，当他们在没有他人的帮助下在适应的空间自由行走时，这是否可以像拾起一个小物体一样简单。这些问题显然是无害的，是在社会中努力争取平等机会设计问题时出现的症状。这种情况不可避免地影响人的身体，心理和社会福利。有许多副作用，其中一些通过需要回到可替代的移动手段（如轮椅）产生。越来越多的运动残疾人需要辅助技术，来向所有个人提供更高的生活质量，这点无一例外。不幸的是，目前情况并非如此，因为技术存在许多障碍，需要许多昂贵的资源或进一步的研究来改善每个公民的现状。
在本文中，我们提出一个系统，允许有特定程度损伤的轮椅使用者进行独立的，私人的和自主的购物和浏览。 我们的研究重点是人与简单对象之间的相互作用（如图1所示）。 我们采用物联网技术提供独立购物体验给运动残疾人士。我们的系统基于射频识别（RFID）交互式AR和触摸屏界面
图1。 人与简单对象之间的相互作用
我们在这项工作中的贡献是双重的。首先，我们对轮椅使用者进行了用户研究，以了解系统的可行性，要求和可能的使用。研究要求我们对轮椅使用者进行分类，形成他们不同的的购物行为和存在的问题，从而得出他们的具体要求。在这项研究中，具有不同程度的手和手臂的移动困难的轮椅使用者选择进一步研究。其次，我们提出一种基于RFID的环境辅助生活系统，包括基于RFID的智能架，以及为不同设备开发的交互式实时界面。智能货架能够存货并确定放置在其中的所有物品的大致位置，这些物品以前已经用RFID标签标记。当从货架添加或移除物体或者其位置改变时，这些事件由RFID系统自动检测，使得提供给用户的信息对应于货架的实际状态。交互式界面允许用户知道当前的物品，它们在商店内的位置和它们在货架上的位置。轮椅使用者可能无法在商店中找到他们想要的特定产品，因为对于他们来说，进入商店，移动和交流是很困难和需要付出巨大努力的。考虑到这种情况，我们设置了两个主要界面，彼此同步。初始界面被放置在商店的入口处，以向用户提供关于商店中存在的物品的所有信息及其位置。第二个界面被设计用于与商店内的每个特定搁架交互，并且靠近搁架使用。最后，该系统在实验室模拟实际情况下由轮椅使用者进行测试和评估。
接下来，我们总结这个项目实施期间达到的主要里程碑：
bull;对轮椅使用者进行初步用户研究，以提取自主和独立购物的基本要求。
bull;设计和实施基于RFID的智能货架和不同界面（包括AR技术和触摸屏）的
交互方法，使其适用于具有不同程度运动障碍的用户。
bull;14个潜在终端用户参与需求定义和初步评估阶段。
这项研究旨在通过物联网技术，在智能城市的背景下，促进运动残疾人的独立自主生活。轮椅使用者的数量由于某些因素而增加，例如老年人口的增加或运动残疾人寿命的延长。因此，为了保持健康和平衡的社会，有必要增加轮椅使用者的社会包容性。本研究旨在为轮椅使用者提供一个机会，通过独立购物和浏览货架来改善他们的社会包容性。此外，这项研究不仅对轮椅使用者，而且对所有购物者将通过连接线下和线上世界并将线上购物特点带到线下零售，这将对零售商有利。最后，值得一提的是，这项研究提出了对参与人数的限制。然而，多达14名代表用户参与了本研究的不同阶段，给出了有关技术和包容性主题的宝贵见解。
本文的其余部分组织如下：第2节展示了最先进的技术。 第3节介绍了初步用户研究，第4节介绍了基于用户研究要求的系统设计。第5节介绍了本研究中使用的实现的用例和界面，第6节介绍了内部系统实现。 系统对真实用户的评价在第7节中给出。最后，第8节给出了结论和未来工作。
2.文献评论
研究人员和从业者正在试图解救运动残疾人的依赖性。他们正在致力于改善轮椅，使它们拥有高科技资源，并提供解决方案，以改善轮椅使用者的社会包容性。在[4]中，Biswas和 Langdon根据轮椅使用者手部的力量将他们分为不同的类别，并评估不同种类的界面。根据研究，触摸屏界面得分高于其他界面。在[5]中，Chib和Jiang表明，更大程度的机动性，控制感和逃避残疾的耻辱感挑战了健全和残疾人之间的界限。移动电话允许个人和社交网络的管理，给人们一种赋予权力的感觉。 Kunoet al。[6]提出了一种可以通过手势控制的智能轮椅，作者称，轮椅使用者的人数正在增加，应进一步发展科学技术，为轮椅使用者提供自主权。
随着技术的进步，研究重点是机会性交互模式，旨在消除由过时的设计范式引入的数字鸿沟[7]。有一些特定的残疾可以阻止个人使用通用界面和计算机外围设备。例如，Kim et al。[8]提出了一种基于视觉面部跟踪技术的相机鼠标系统，帮助用户通过头部和脸部动作与个人计算机进行交互。一个有趣的，可以由严重残疾，包括手或手臂有移动性问题轮椅使用者使用的可穿戴系统已经提出[9]。该系统基于磁性示踪器，用于语言手势识别以控制其周围环境。[10]的作者开发了一个头部动作控制电动轮椅，在[11]中同一轮椅通过肩膀动作控制。上述工作更侧重于技术使能轮椅的开发，但是没有提供有效或实用的方法来与存在于轮椅乘客周围的物品相互作用。
机器人手臂允许用户从已经开发的货架中自主收集期望的对象[12]。通过放置在用户肩膀上的相机经过立体视觉来计算对象的位置。虽然这是一个有趣的工作，但是它由于资源消耗高不是一个实用的方法，使轮椅使用者不可能在现实生活中使用它。另一篇文章介绍了为残疾用户提供增强的控制功能的机器人系统。 这个机器人包括一个电动轮椅，配备机器人手臂MANUS [13]。
Caon等人提出了一个有趣的工作。[14]，通过手势和智能手机为轮椅使用者提出不同的互动可能性。作者使用了自然交互的可能性和最新的可用技术。 对于手势识别，作者采用了kinnect相机。
在购物过程中帮助客户的智能商店概念（或智能购物）已经在商店中引入了特定技术，在诸如减少支出时间和金钱[15]，反馈信息价值[16]和商业模式改进上都有益处[17]。文献还提供了关于专注于残疾客户的智能商店的研究。带有轮椅使用者界面的购物助手[18]提供了一个用例来帮助轮椅使用者独立购物，而无需他人的帮助。该系统提出了一个额外的圆柱形篮子，可以用普通的购物袋衬里，以方便货物的运输。它允许轮椅购物者在购物时留在轮椅上。Proenccedil;aet al。提出了一种允许轮椅使用者通过使用计算机视觉技术和模式识别来访问其附近存在的某些物体的系统。虽然作者提出了一个有趣的系统和场景，以释放运动残疾人的依赖性，但它不提供足够的零售和购物的应用程序，其中许多类似的存货/出货变得不可能用计算机视觉技术来识别。
在智能商店概念中，射频识别技术（RFID）正在成为零售业的重要组成部分，因为它提供了诸如自动存储计数，本地化防盗等的可能性。标签包含基于项目的电子存储标识。与条形码不同，标签不一定需要在读取器的视线内，可能是嵌入在跟踪的对象中。RFID有着优于计算机视觉的优点，因为它可以识别没有直接视线的单个物品以及隐藏的产品。也可以通过RFID识别和跟踪其外观很少或没有差异的类似产品，例如可识别相同颜色但不同尺寸的衣服。此外，RFID已经在诸如零售的许多场景中使用，因此，相比于诸如计算机视觉的其他解决方案有着经济优势。就在 2004年，Roussos在[20]中描述了零售中部署RFID的好处，2006年大型零售公司已经在他们的供应链中部署了RFID [21]。最近，RFID已被证明在商店中应用时提供了益处[22-25]。RFID和其它被生活环境辅助的周围环境中的技术的比较可以在[26]中找到。
RFID技术也已应用于其他领域。自2009年以来，两家信用卡公司开发了具有RFID模块的专用microSD存储卡，其中嵌入了无源标签和RFID读取器。在将存储卡插入用户的移动电话[27]后，可以实现移动支付。评估用于物理浏览的移动终端的触摸和指点[28]使得能够通过移动电话进行物理浏览。其内置系统支持浏览概念，如通过触摸和指点对象来选择交互对象。他们的物理浏览系统模拟无源传感器配备的长距离RFID标签和配备有RFID读取器的移动终端。在[29,30]提出了一个初步的方法，通过使用RFID，智能玻璃和智能手机来实现轮椅使用者与货架上的物品互动。
通常，对于轮椅使用者，研究更多地集中在增强轮椅的能力和赋予轮椅更多技术以增强运动残疾人在社会中的参与性。然而，这更多地是访问特定的空间和场地，但缺乏与周围环境对象的交互可能性。在这项研究中确定的一个有效的问题是与轮椅使用者以外的项目交互。在我们的研究中，我们旨在增加与货架上存在的物品的相互作用的可能性，特别是在零售场景中。
在我们的方法中，我们采用容易获得并且常用于零售和日常生活的技术。我们提出利用已经成为零售行业的主要参与者并且需求资源最少的RFID。我们建议使用AR，因为它也被先前的研究人员推荐。 残疾人使用AR的讨论在[31,32]。 然而，AR和RFID的结合是实现轮椅使用者在智能城市环境中独立和自主购物的实际解决方案的独特一步。与以前有关轮椅使用者的研究相比，我们的解决方案需要最少的资源和更少的基础设施变化。 通过提供已经使用的技术的解决方案，我们旨在减少他们与公众分离的窘迫感[5]。
图二：轮椅使用者无法与货架上的物品互动
- 轮椅使用者的用户研究
我们的目标是提供轮椅使用者可以自主去商店购物的独立自控型轮椅。我们产品的用途包括可以轻易地在商店内移动，找到商店内产品，并可以在包括臂长以外距离的货架上的产品进行人机交互取得商品。最后可以在商店员工的直接帮助下获得产品（购买前或购买后）。图2是两个够不到高层货架物品
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