楊文珍, 許 艷, 吳新麗, 祝盼飛, 張 昊

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018)

盲文顯示裝置的研究進(jìn)展

楊文珍, 許 艷, 吳新麗, 祝盼飛, 張 昊

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018)

盲文顯示裝置可將紙質(zhì)書(shū)籍或者電子文檔中的普通文字轉(zhuǎn)換成專(zhuān)為盲人識(shí)別的盲文點(diǎn)字,供盲人觸摸閱讀,在盲人教學(xué)中越來(lái)越受到歡迎,已成為盲人輔助產(chǎn)品研究的前沿和焦點(diǎn)。首先回顧了盲文顯示裝置的研究歷程,闡述了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀;其次總結(jié)了盲文顯示裝置的研發(fā)難點(diǎn),主要包括盲文觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式、盲文觸點(diǎn)的控制、盲文觸點(diǎn)的分辨率等研發(fā)難點(diǎn);然后對(duì)現(xiàn)有盲文顯示裝置的性能進(jìn)行了比較;最后對(duì)盲文顯示裝置的發(fā)展?jié)摿拔磥?lái)趨勢(shì)進(jìn)行了展望。研發(fā)成本低、體積小、信息存儲(chǔ)量大、響應(yīng)速度快、便于攜帶的盲文顯示裝置,對(duì)于改善人數(shù)眾多盲人弱勢(shì)群體的生活質(zhì)量、提高盲人的文化水平有著重大的意義。

盲文顯示; 盲文字符; 觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式; 綜述

0 引 言

據(jù)世界衛(wèi)生組織2010年統(tǒng)計(jì),全球有2.85億人視力受損,其中盲人占3900萬(wàn),低視力者占2.46億;中國(guó)是世界上盲人最多的國(guó)家,約有825萬(wàn),占世界盲人總數(shù)的21%[1]。龐大的盲人群體,需要社會(huì)各界更多的關(guān)愛(ài)和支持。傳統(tǒng)盲文書(shū)籍專(zhuān)用紙張昂貴、制作工序復(fù)雜、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),出版的盲文書(shū)籍?dāng)?shù)量少、品種單一、資訊滯后、信息量小,而且體積笨重、不便攜帶,這些因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的盲文讀物遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了盲人的閱讀需求[2-4]。在科技迅速發(fā)展的信息時(shí)代,如何利用現(xiàn)代科技成果為盲人提供一種無(wú)障礙的信息交互平臺(tái),日益成為社會(huì)的關(guān)注熱點(diǎn)。

針對(duì)盲人閱讀需求大、閱讀困難等問(wèn)題,人們提出了一種盲文顯示裝置。它可將傳統(tǒng)的紙質(zhì)書(shū)籍或者電子文檔中的文字顯示成動(dòng)態(tài)盲文點(diǎn)字,以盲文電子書(shū)的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)上笨重的盲文書(shū)籍,盲人通過(guò)指尖觸摸閱讀動(dòng)態(tài)盲文文字。盲文顯示裝置的問(wèn)世,解決了盲人閱讀困難、使用不便等問(wèn)題,是滿足盲人閱讀需求的重要途徑。更值得重視的是,盲文顯示裝置在盲人識(shí)字教學(xué)中越來(lái)越受歡迎,是盲人學(xué)生學(xué)習(xí)盲文的重要教學(xué)工具。盲生通過(guò)盲文顯示裝置識(shí)字、學(xué)習(xí)技能和獲取信息,觸摸閱讀速度大于聽(tīng)覺(jué)閱讀速度[5],有利于盲生更高效、更快速地掌握所學(xué)內(nèi)容,加深對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和記憶,從而極大提高了盲生學(xué)習(xí)效果。因此,盲文顯示裝置能滿足眾多盲人弱勢(shì)群體的閱讀需求,其社會(huì)價(jià)值重大。

本文簡(jiǎn)要介紹了盲文顯示裝置的研究歷程,分析了盲文顯示裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題,著重闡述了盲文顯示裝置的研究難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)現(xiàn)有盲文顯示裝置的性能進(jìn)行了對(duì)比,指出了盲文顯示裝置的發(fā)展方向。

1 盲文顯示裝置的研究歷程

1.1 現(xiàn)代漢語(yǔ)盲文字的構(gòu)成

盲文,英文名為Braille,又稱(chēng)點(diǎn)字、凸字,是專(zhuān)門(mén)為盲人設(shè)計(jì)、憑借觸覺(jué)感知的文字。盲人通過(guò)觸摸由多個(gè)凸點(diǎn)組成的盲文字符進(jìn)行閱讀。1824年,法國(guó)盲人路易·布萊爾(Louis Braille)受到夜文的啟發(fā),創(chuàng)造出了以簡(jiǎn)單的凸點(diǎn)代替拉丁字母的盲文體系[6]。

現(xiàn)代漢語(yǔ)盲文是根據(jù)Louis Braille發(fā)明的盲文點(diǎn)字制定的。一個(gè)盲文點(diǎn)字由6個(gè)固定點(diǎn)距的凸點(diǎn)組成,稱(chēng)為一方。這六個(gè)凸點(diǎn)呈三行兩列排布,左邊自上而下為1點(diǎn)、2點(diǎn)、3點(diǎn),右邊為4點(diǎn)、5點(diǎn)、6點(diǎn),如圖1所示。凸點(diǎn)的大小、點(diǎn)距、字距、行距都是根據(jù)盲人觸覺(jué)心理和觸覺(jué)生理特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的。凸點(diǎn)的形狀一般為半球形或拋物面形,凸點(diǎn)的點(diǎn)徑為1.0～1.6 mm、高為0.2～0.5 mm、點(diǎn)距為2.2～2.8 mm、方距為3.5～4.0 mm[7],盲文點(diǎn)字的排布規(guī)則如圖2所示。

我國(guó)有兩種漢語(yǔ)盲文方案:一種是現(xiàn)行盲文,另一種是漢語(yǔ)雙拼盲文?，F(xiàn)行盲文最為通用,它是依據(jù)漢語(yǔ)拼音而制成的,一個(gè)完整的盲文字符是由聲母、韻母及聲調(diào)組成[8]。聲母、韻母及聲調(diào)各占一方盲文點(diǎn)字,要顯示一個(gè)完整的漢語(yǔ)盲文字符需要三個(gè)方空間,圖3所示為“龍”字的盲文字符。在盲人學(xué)習(xí)過(guò)程中,為了方便往往會(huì)省去聲調(diào)。

1.2 盲文顯示裝置的研發(fā)歷程

20世紀(jì)60年代,斯坦福研究所Melen研制出一臺(tái)盲人閱讀器Optacon[9]。該閱讀器由微型攝像頭、信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)電路、電源、6×24振動(dòng)針觸摸矩陣構(gòu)成。當(dāng)手持?jǐn)z像頭沿著文字行掃描時(shí),另一只手的指尖即可觸摸到與輸入字母形狀相同的振動(dòng)針陣列,盲人可以通過(guò)觸摸振動(dòng)針陣列的形狀閱讀普通印刷的文字。1971年,美國(guó)Telesensory Systems公司研發(fā)出一臺(tái)VersaBraille,有20個(gè)點(diǎn)字格,這些點(diǎn)字格能夠顯示屏幕上的文字,是一臺(tái)可刷新的動(dòng)態(tài)盲文顯示的電子設(shè)備[10]。

1995年后,英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家開(kāi)始高度重視盲文顯示裝置的研究,各式各樣的盲文顯示裝置如雨后春筍般出現(xiàn)。1997年,英國(guó)Taylor等[11]開(kāi)發(fā)出一款由形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)源的觸針陣列盲文顯示器。1999年,美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Anderson等[12]研制了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)式的2×3探針陣列的盲文顯示裝置,安裝于操作者的手指上,能夠產(chǎn)生微小的振幅,盲人根據(jù)手指尖的振動(dòng)識(shí)別盲文點(diǎn)字。2000年,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)開(kāi)發(fā)出一種回旋式盲文顯示機(jī),將盲文點(diǎn)陣排布在輪上且依一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)不必移動(dòng)手指也能繼續(xù)閱讀盲文[13]。

2004年,東京大學(xué)Kajimoto等[14]提出了一種SmartTouch系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)光傳感器收集外界信息,根據(jù)收集到的外界信息通過(guò)電極刺激人手指以傳遞觸覺(jué)信息。電極直徑為1.0 mm,其縱向間距2.5 mm,橫向間距2.0 mm。這些電極由不銹鋼材料制成,按盲文字符的形式排布成點(diǎn)刺激陣列,采用正負(fù)脈沖有選擇地分別對(duì)Merkel細(xì)胞和Meissner小體進(jìn)行了刺激,從而使人的手指端產(chǎn)生力觸覺(jué),以識(shí)別盲文碼字[15]。2005年,東京大學(xué)研究生院工學(xué)系染谷隆夫和東京大學(xué)國(guó)際產(chǎn)學(xué)共同研究中心櫻井貴康組成的研究小組,聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了一種使用有機(jī)晶體管的薄膜型盲文顯示器,由在柔性基板上形成的有機(jī)晶體管驅(qū)動(dòng)高分子材料制成的激勵(lì)器,通過(guò)電流控制表面產(chǎn)生或消除突起形成盲文,這是首次將有機(jī)晶體管和激勵(lì)器嵌入同一基板并成功驅(qū)動(dòng)[16]。

與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)在盲文顯示技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展比較慢,在深度和規(guī)模上都與國(guó)外存在較大差距。2001年,清華大學(xué)自動(dòng)化系茅于杭教授等開(kāi)始進(jìn)行研發(fā)清華盲文點(diǎn)顯器[17],盲文點(diǎn)顯器的主要部件采用壓電陶瓷材料,通過(guò)電壓強(qiáng)弱控制壓電陶瓷發(fā)生伸縮、彎曲的變形,從而推動(dòng)壓電陶瓷上的頂桿上升或下降,以此來(lái)顯示盲文[18],實(shí)現(xiàn)盲人通過(guò)觸覺(jué)與電腦進(jìn)行人機(jī)交互。2010年,東南大學(xué)古春笑等[19]采用3×3半圓頭刺激電極對(duì)操作者指端進(jìn)行刺激,實(shí)現(xiàn)視覺(jué)圖文顯示,但電觸覺(jué)的動(dòng)態(tài)范圍較窄,對(duì)電刺激參數(shù)范圍要求較高,刺激參數(shù)不穩(wěn)定,時(shí)常會(huì)引起刺痛感。

上述研究成果,絕大部分還處在實(shí)驗(yàn)室研究的原理測(cè)試階段,小部分已產(chǎn)品化,比如:德國(guó)Metec公司研發(fā)的Braille Display[20],美國(guó)ALVA公司研發(fā)的ALVA Satellite[21],德國(guó)Handy Tech公司研發(fā)的Braille Star 80[22],清華大學(xué)制造的清華新型點(diǎn)顯器V5[23]等。

然而,已產(chǎn)品化的盲文顯示裝置售價(jià)高,一個(gè)盲文點(diǎn)字格的價(jià)格大概是100～150美元,也就是說(shuō)一個(gè)四十格的盲文顯示裝置的價(jià)格為4 000～6 000美元,而一個(gè)八十格的盲文顯示裝置則需要8 000～12 000美元。盲文顯示裝置如此昂貴的價(jià)格,嚴(yán)重阻礙了它的推廣和普及,難以讓大部分盲人弱勢(shì)群體受益。已產(chǎn)品化的盲文顯示裝置價(jià)格昂貴的原因在于研究難點(diǎn)多、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大、研發(fā)成本高、原材料成本高和加工制造成本高等。因此,研發(fā)出成本低、體積小、便于攜帶的盲文顯示裝置,實(shí)現(xiàn)盲人無(wú)障礙的閱讀,提高盲人的文化水平,改善人數(shù)眾多盲人弱勢(shì)群體的生活質(zhì)量,任重道遠(yuǎn)。

2 盲文顯示裝置的研究難點(diǎn)

目前,國(guó)內(nèi)外盲文顯示裝置的研究焦點(diǎn)主要集中在盲文觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式上。盲文觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式的研究?jī)?nèi)容涵蓋醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、力學(xué)、人工智能、機(jī)械及計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域,還有很多問(wèn)題有待解決,如觸點(diǎn)空間分辨率、接觸力大小控制、控制方法、驅(qū)動(dòng)方式、裝置便攜性等。

2.1 觸點(diǎn)空間分辨率

Van Boven等[24]的研究表明,在靜態(tài)觸摸時(shí),人手指的觸覺(jué)空間分辨閾值為0.95 mm。人體體表除舌尖外的其余部分,分辨力均不如指尖高。在設(shè)計(jì)盲文顯示裝置時(shí),必須注意到皮膚感受器的這種局限性。盲文顯示裝置觸點(diǎn)的空間分辨率由觸覺(jué)的空間分辨閾值來(lái)確定,空間分辨閾值越小,對(duì)裝置的精度要求和尺寸要求就嚴(yán)格,因此在設(shè)計(jì)盲文觸點(diǎn)的布局要盡可能地緊湊。在有限的空間內(nèi)如何布置高密度的觸點(diǎn),這已經(jīng)成為首要解決的問(wèn)題。根據(jù)中國(guó)盲文國(guó)標(biāo)GB/T 15720—2008規(guī)定,參考盲人的心理和生理特點(diǎn),盲文觸點(diǎn)的點(diǎn)距一般為2.2～2.8 mm,點(diǎn)高為0.2～0.5 mm[7]。

2.2 觸點(diǎn)接觸力的大小

日本信州大學(xué)Lee等[25]研究手指觸摸評(píng)價(jià)織物觸覺(jué)質(zhì)感時(shí),發(fā)現(xiàn)一般人手指觸摸織物辨別時(shí)間約5.0 s,手指移動(dòng)速度約16 cm/s,施加的接觸力約0.25 N。Breugnot等[26]通過(guò)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了不同棉織物的觸覺(jué)質(zhì)感辨別,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)手指的平均移動(dòng)速度為5～10cm/s,平均接觸力為0.5～0.9 N。Lederman等[27]發(fā)現(xiàn),辨別刻有凹槽的金屬板時(shí)所施加的平均力為70 gf(約為0.686 N)。Srinivasan等[28]發(fā)現(xiàn),在辨別軟硬程度不同的橡膠塊實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試者手指的平均移動(dòng)速度為3.35±0.85 mm/s,手指的觸壓力為98.71±26.17 gf(約為0.967±0.256 N)。這些研究表明,由于不同的物體具有不同的物質(zhì)屬性,手通過(guò)觸摸感知不同的物體時(shí),接觸物體導(dǎo)致手指面的變形不同,手指感知分辨物體的壓力閾值也不同[29]。目前沒(méi)有文獻(xiàn)明確指出手指感知盲文時(shí)接觸力的區(qū)間范圍,因此,觸點(diǎn)接觸力大小的設(shè)定也是設(shè)計(jì)盲文顯示裝置的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3 觸點(diǎn)控制

目前,國(guó)際上通用的盲文點(diǎn)顯器都是根據(jù)各國(guó)情況自行設(shè)置的,各國(guó)盲文輸出的方式和規(guī)則也不同,因此國(guó)外盲文點(diǎn)顯器的控制系統(tǒng)不適用于中國(guó),這就需要開(kāi)發(fā)出漢語(yǔ)盲文的控制系統(tǒng)。首先,現(xiàn)有的盲文顯示裝置中盲文觸點(diǎn)都較多,要實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)按照盲文字符的規(guī)則來(lái)顯示,就必須對(duì)盲文觸點(diǎn)進(jìn)行一一控制,因此在電路板上安全有序地排布電路是急需解決的問(wèn)題。其次,盲文顯示裝置要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性、交互性,對(duì)其控制精度的要求較高,所以如何將控制的響應(yīng)時(shí)間縮小到最短,也是盲文顯示裝置要解決的核心問(wèn)題。

2.4 觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式

觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)方式是盲文顯示裝置研發(fā)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。一般觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器的要求有以下幾點(diǎn):a)接收到指令后,觸點(diǎn)能夠快速達(dá)到指定的上升高度;b)達(dá)到指定的高度后,手指觸摸盲文時(shí),對(duì)手指要產(chǎn)生一定的接觸力,且接觸力的大小要適宜,一般約為1N;c)在盲人摸讀過(guò)程中,保持一定的接觸力,直至盲人識(shí)別出觸摸閱讀的信息;d)在盲人手指離開(kāi)后,觸點(diǎn)能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)位。滿足以上要求,盲文顯示裝置才能具備盲文觸點(diǎn)的凸顯、保持和復(fù)位之間的轉(zhuǎn)換功能,從而顯示出不同含義的盲文字符。

2.5 裝置的便攜性

盲文顯示裝置的設(shè)計(jì)考慮到它的便攜性,應(yīng)遵循體積小、重量輕、易操作、可脫機(jī)使用的原則。目前較成熟的盲文顯示裝置,在體積小、重量輕等方面做得相對(duì)較好,但是它們都未實(shí)現(xiàn)脫機(jī)使用功能,使用時(shí)須與電腦相連并結(jié)合相配套的讀屏軟件,這使得盲人不能像正常人一樣,隨時(shí)隨地、自由自在地享受閱讀的快樂(lè)。因此,研發(fā)不受電源、電腦和網(wǎng)絡(luò)的限制,可脫機(jī)使用的盲文顯示器,是未來(lái)重要研究方向。目前,浙江理工大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一款可脫機(jī)使用的盲文顯示裝置,為盲人提供一種便于攜帶的閱讀工具。

3 盲文顯示裝置的基本構(gòu)架

盲文顯示裝置的基本構(gòu)架如圖4所示,基本上可分為兩個(gè)功能部分:第一部分是漢/盲轉(zhuǎn)換功能部分,讀取普通電子文檔中的文字,通過(guò)漢語(yǔ)—盲文翻譯轉(zhuǎn)換系統(tǒng),編譯成相對(duì)應(yīng)的盲文字符;第二部分是盲文顯示功能部分,處理器將盲文字符相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)傳輸至盲文驅(qū)動(dòng)模塊,盲文驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器向盲文顯示模塊發(fā)送顯示命令,盲文顯示模塊接收到命令后顯示盲文。在盲文顯示裝置的基本構(gòu)架中,盲文觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核心硬件,漢語(yǔ)—盲文翻譯轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和盲文顯示控制系統(tǒng)是核心軟件,盲文顯示過(guò)程中觸覺(jué)力大小、響應(yīng)速度、刷新頻率等是重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

盲人觸摸感知盲文顯示模塊的觸點(diǎn),盲文觸點(diǎn)與手指接觸產(chǎn)生力觸覺(jué),在指尖形成一定的壓力值。當(dāng)這個(gè)壓力值超過(guò)指尖的觸覺(jué)閾值,盲人就可以感覺(jué)到盲文觸點(diǎn)的凸起或者降落,再根據(jù)盲文觸點(diǎn)凸起的排布方式,識(shí)別盲文。

4 盲文觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)原理

盲文顯示裝置是實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)的具體應(yīng)用,觸覺(jué)再現(xiàn)是指通過(guò)一定的方式刺激人的感覺(jué)器官,使人產(chǎn)生真實(shí)的觸覺(jué)或者能夠代替真實(shí)觸覺(jué)的一種感覺(jué)[30]。觸覺(jué)再現(xiàn)主要有兩種方式:一種是感官替代,另一種是直接重構(gòu)[31]。感官替代是指一種感覺(jué)器官可以替代另一種感覺(jué)器官,當(dāng)身體中的某種感覺(jué)器官因?yàn)橥饨缭蚧蛘咦陨碓蚴艿綋p傷時(shí),就可以用身體中的其他部位來(lái)代替先前受損的感覺(jué)器官,如用聽(tīng)覺(jué)代替視覺(jué),用觸覺(jué)代替聽(tīng)覺(jué),用觸覺(jué)代替視覺(jué)等;直接重構(gòu)是指直接刺激人類(lèi)的皮膚而產(chǎn)生觸覺(jué)感。對(duì)比感官替代,直接重構(gòu)方式產(chǎn)生的觸覺(jué)感直觀、可靠、準(zhǔn)確率高,當(dāng)前盲文顯示裝置大多數(shù)采用直接重構(gòu)方式。

實(shí)現(xiàn)盲文觸點(diǎn)的凸顯是盲文顯示裝置中最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),其驅(qū)動(dòng)器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、材質(zhì)輕、加工工藝簡(jiǎn)潔、容易操控、響應(yīng)速度快。針對(duì)不同的驅(qū)動(dòng)方式,本文對(duì)國(guó)內(nèi)外盲文顯示裝置進(jìn)行了概括和分類(lèi),如圖5所示,盲文顯示裝置主要分為6種:壓電陶瓷式、記憶合金式、電磁式、氣動(dòng)式、電刺激式、溫控式。

4.1 壓電陶瓷式盲文顯示裝置

墨西哥泛美大學(xué)Hernandez等[32]研發(fā)了采用壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)器的盲文顯示裝置,如圖6所示。該裝置共有7層,3×2觸點(diǎn)陣列中的觸動(dòng)針都是由壓電陶瓷片以75 kHz的頻率激發(fā)的,它能在0.1 ms產(chǎn)生0.18 μm的位移。壓電陶瓷式盲文顯示裝置,主要利用了壓電效應(yīng)的可逆性。壓電雙晶片是將兩片具有相反極化方向的壓電陶瓷片緊密貼合在一起,當(dāng)向其施加正向電壓后,一方伸長(zhǎng),另一方則收縮,因此產(chǎn)生彎曲變形,固定在壓電陶瓷片上的驅(qū)動(dòng)針也隨之向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)施加負(fù)向電壓時(shí),壓電雙晶片彎曲情況均與上面相反。壓電式盲文顯示裝置功耗低,質(zhì)量輕,提供的支持力大,響應(yīng)速度快,能夠快速實(shí)現(xiàn)盲文顯示,但壓電片更換不方便,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)加工工藝繁瑣,零件制造成本高,加工難度大。

4.2 記憶合金式盲文顯示裝置

記憶合金式盲文顯示裝置根據(jù)形狀記憶效應(yīng)進(jìn)行研制。形狀記憶合金主要分兩種:單程記憶合金和雙程記憶合金。單程記憶合金的材質(zhì)在發(fā)生了塑性變形后,經(jīng)過(guò)加熱到某一溫度,能夠恢復(fù)到形變之前的形狀。雙程記憶合金在加熱時(shí)恢復(fù)高溫狀態(tài)下的形狀,冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫狀態(tài)下的形狀。

日本東北大學(xué)Haga等[33]采用了形狀記憶合金來(lái)控制盲文觸點(diǎn)的變化。由記憶合金做成的彈簧圈安裝在驅(qū)動(dòng)針的外圍,記憶合金線圈分為上部和下部?jī)刹糠?。下部記憶合金彈簧圈通電?電流使下部記憶合金溫度升高,下部彈簧發(fā)生拉伸變形,推動(dòng)觸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng),上部彈簧被壓縮,從而顯示盲文觸點(diǎn)。當(dāng)下部記憶合金彈簧圈斷電,上部通電后,電流使上部記憶合金溫度升高,上部彈簧發(fā)生拉伸變形,推動(dòng)觸點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng),下部彈簧被壓縮,從而使盲文觸點(diǎn)回到初始位置,該裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。此裝置的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,材質(zhì)輕便易攜帶,缺點(diǎn)在于記憶合金材料存在形狀狀態(tài)變化慢且機(jī)械強(qiáng)度較弱,所以盲文顯示屏的刷新頻率低和耐用性能差,制作成本高不便于推廣。

4.3 電磁式盲文顯示裝置

2008年,國(guó)際橡膠協(xié)會(huì)與微電子與納米技術(shù)協(xié)會(huì)成員Streque等[34]研制的觸覺(jué)顯示設(shè)備可顯示物體表面輪廓,亦可用于盲文顯示。如圖8所示,該裝置觸摸屏采用納米技術(shù)制造的PDMS薄膜,4×4橡膠點(diǎn)矩陣用于顯示盲文點(diǎn)字。每一個(gè)橡膠點(diǎn)與直徑為1.5 mm的永磁鐵相固定,永磁鐵與下方支架中電磁鐵相互作用形成驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制橡膠針的升降以顯示盲文信息。此顯示設(shè)備不足之處在于制造加工技術(shù)難度高,成本昂貴。

桂林理工大學(xué)鄧建志等[35]也提出了一種電磁式盲文顯示裝置,利用電磁效應(yīng)、安培定則和磁體同極相斥現(xiàn)象,通過(guò)永久磁鐵和電磁鐵產(chǎn)生的磁力,來(lái)控制觸點(diǎn)的升起和復(fù)位,如圖9所示,在不工作的狀態(tài)下,由永磁鐵制成的驅(qū)動(dòng)針對(duì)鐵芯產(chǎn)生吸力,因鐵芯固定不動(dòng),因此驅(qū)動(dòng)針在吸力的作用下會(huì)向下運(yùn)動(dòng),觸點(diǎn)縮入孔中。在工作狀態(tài)下,向電磁線圈通以直流電,通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)抵消掉永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)針便在牽引彈簧的帶動(dòng)下伸出孔形成盲文凸點(diǎn)。該裝置易控制,能產(chǎn)生所需的觸覺(jué)力,盲文觸點(diǎn)間距可滿足要求,但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,活動(dòng)零部件較多,整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度差。

4.4 氣動(dòng)式盲文顯示裝置

氣動(dòng)式盲文顯示裝置,利用空氣壓縮機(jī)向密封裝置內(nèi)部通入壓縮空氣,與外界空氣形成壓強(qiáng)差,在內(nèi)部壓力作用下,由高聚物分子材料制成的薄膜觸摸屏表面就會(huì)觸點(diǎn)凸起,形成盲文觸點(diǎn)。2007年,美國(guó)Georgia Institute of Technology研發(fā)出一臺(tái)氣動(dòng)式盲文顯示裝置[36-37],內(nèi)部的6個(gè)觸點(diǎn)氣囊與一連串的微型氣缸相連接,由氣缸內(nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)6個(gè)觸點(diǎn)上升或者下落，如圖10所示。當(dāng)微處理器接受到顯示盲文的命令后,接口電路控制相關(guān)的微型氣缸打開(kāi)進(jìn)氣閥,排氣口關(guān)閉,空氣壓縮機(jī)通過(guò)高壓進(jìn)氣口向裝置內(nèi)通入壓縮空氣至100 kPa,空氣流在裝置內(nèi)部與外界環(huán)境形成壓強(qiáng)差,薄膜觸摸屏表面受力后形成盲文凸點(diǎn),凸起高度為0.56 mm。當(dāng)微處理器接收到復(fù)位命令后,接口電路控制相關(guān)的微型氣缸關(guān)閉進(jìn)氣閥,同時(shí)打開(kāi)排氣閥,裝置內(nèi)部的壓縮空氣從排氣口排出,壓強(qiáng)差消失,盲文觸點(diǎn)恢復(fù)平整。

氣動(dòng)式盲文顯示裝置重量輕,制作成本較低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可塑性強(qiáng),造價(jià)低,此外還可將產(chǎn)生壓力的空氣壓縮機(jī)放置在外圍空間。缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在非線性,控制空氣流的壓力很難。

4.5 電刺激式盲文顯示裝置

電刺激式盲文顯示裝置,是將電脈沖信號(hào)施加到位于人手指指端的微小電極上,通過(guò)微電極的表層電流直接刺激皮膚內(nèi)的神經(jīng)纖維,能夠在沒(méi)有機(jī)械驅(qū)動(dòng)器的狀況下產(chǎn)生壓力或者振動(dòng)觸覺(jué),盲人根據(jù)手指端產(chǎn)生的觸覺(jué)信息來(lái)識(shí)別盲文點(diǎn)字。

2014年,蔣小燕等[38]提出了一種電極式盲文點(diǎn)顯器,該裝置借鑒了電子針灸技術(shù),采用電極表示盲文點(diǎn)位,通過(guò)脈沖發(fā)生器對(duì)盲文點(diǎn)位產(chǎn)生相應(yīng)的電子脈沖,盲人通過(guò)手指觸摸電極是否有電刺激感覺(jué)來(lái)識(shí)別盲文。電極是由高分子導(dǎo)電材料及導(dǎo)電橡膠制成的,電極之間的間距為2.5 mm,電極直徑為1.5 mm。由于盲文點(diǎn)顯器電極中的電流要與人體構(gòu)成回路,因此它采用了8個(gè)電極單元構(gòu)成一方,其中電極1、2、3、4、5、6用來(lái)顯示一個(gè)盲文字符,電極7作為公共電極,與其他電極形成回路,電極8用于顯示當(dāng)前手指摸讀的位置,電極式盲文點(diǎn)顯器的示意圖如圖11所示。

電刺激式盲文顯示裝置,直接刺激皮膚,沒(méi)有可動(dòng)部件,所以電刺激式盲文顯示裝置的功耗低。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以使用柔性印刷電路技術(shù),適合大規(guī)模生產(chǎn),故成本低;電刺激式裝置的主要問(wèn)題在于易引起不舒服的感覺(jué)(如刺痛感)。

4.6 溫度控制式盲文顯示裝置

2012年,重慶大學(xué)汪成亮等[39]提出了一種基于溫度控制的盲文顯示裝置,通過(guò)控制觸點(diǎn)傳到手指尖的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)盲文顯示。如圖12所示,根據(jù)要求顯示的盲文觸點(diǎn),確定各半導(dǎo)體制冷片冷端設(shè)定的溫度,并將半導(dǎo)體制冷片冷端的當(dāng)前溫度與其設(shè)定的溫度進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)控制加載在半導(dǎo)體制冷片兩端的PWM脈沖的方向和占空比,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)溫顯單元的冷熱顯示,如圖13所示,其中溫顯單元為熱極時(shí),表示盲文觸點(diǎn)的凸點(diǎn),溫顯單元為冷極時(shí),表示盲文觸點(diǎn)的平點(diǎn)。

溫控式盲文顯示裝置優(yōu)點(diǎn)在于裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作成本低,盲文顯示穩(wěn)定性好,轉(zhuǎn)換率高;缺點(diǎn)在于溫度不能快速上升與下降,即時(shí)顯示效果不佳,手指對(duì)溫度感知度的面積大,所以該裝置手指感知度不好,識(shí)別盲文錯(cuò)誤率高。

5 國(guó)內(nèi)外盲文顯示裝置的對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)外的盲文顯示裝置都有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足,現(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行比較和總結(jié),其性能參數(shù)如表1所示。

從表1中可知,壓電陶瓷式盲文顯示裝置體積適中、響應(yīng)速度快、交互性和實(shí)時(shí)性較好,但是裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,穩(wěn)定性一般;記憶合金式盲文顯示裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、穩(wěn)定性好,但響應(yīng)速度慢、交互性和實(shí)時(shí)性較差;電磁式盲文顯示裝置響應(yīng)速度快、輸出的觸覺(jué)力較大、穩(wěn)定性好、體積適中;氣動(dòng)式盲文顯示裝置感知舒適度較好、響應(yīng)速度一般,但是裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、輸出的觸覺(jué)力小;電刺激式盲文顯示裝置人機(jī)交互性和實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)速度較快,但是感知舒適度較差;溫度式盲文顯示裝置創(chuàng)新性強(qiáng)、感知舒適度好、穩(wěn)定性好、無(wú)噪音,但人機(jī)交互性差。

注:表中“-”表示性能不詳。

目前,大多數(shù)盲文顯示裝置多為壓電式盲文顯示裝置和電磁式盲文顯示裝置,它們響應(yīng)速度快,體積適中,人機(jī)交互性好。記憶合金式盲文顯示裝置和氣動(dòng)式盲文顯示裝置響應(yīng)速度普遍較慢,因此不適合作為盲文顯示裝置盲文觸點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器,此外氣動(dòng)式盲文顯示裝置較大,不便于盲人攜帶。電刺激式盲文顯示裝置感知舒適度差,不適宜盲人長(zhǎng)期摸讀盲文。溫度控制式盲文顯示裝置,對(duì)盲人手指溫度分辨率的要求很高,鑒于人手溫度感受器的局限性,用溫度控制來(lái)達(dá)到盲文顯示的功能目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)。綜合考慮,盲文顯示裝置較適合的驅(qū)動(dòng)方式為壓電式和電磁式。

6 總結(jié)和展望

盲文顯示裝置在盲人教學(xué)中越來(lái)越受到歡迎,對(duì)改善人數(shù)眾多盲人弱勢(shì)群體的生活質(zhì)量,提高盲人的文化水平有著重大的意義。盲文顯示裝置的研發(fā)得到眾多研究學(xué)者的關(guān)注,已逐漸成為21世紀(jì)盲人輔助產(chǎn)品研究的前沿和焦點(diǎn)。

盲文顯示裝置應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn):a)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證盲文觸點(diǎn)的間距,符合盲人的摸讀習(xí)慣;b)盲文觸點(diǎn)的顯示狀態(tài),能夠保證手指尖有足夠的接觸力;c)裝置具有足夠的穩(wěn)定性及安全性,確保安全穩(wěn)定地工作。

創(chuàng)新研發(fā)出成本低、體積小、信息存儲(chǔ)量大、響應(yīng)速度快、便于攜帶的盲文顯示裝置是必然的發(fā)展方向,特別是在以下三方面需要更深入研究:a)提高接觸力的精度,能輸出不同等級(jí)大小的接觸力;b)提升裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,達(dá)到即用即顯水平;c)改進(jìn)裝置的人機(jī)交互方式,實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙的人機(jī)交互通道等。

相信在不久的將來(lái),盲文顯示裝置將實(shí)現(xiàn)與盲人無(wú)障礙的交互,滿足盲人的閱讀和學(xué)習(xí)需求,而盲人可以像正常人一樣隨時(shí)隨地、自由自在地享受閱讀的快樂(lè)。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Research Progress of Braille Display Device

YANG Wen-zhen, XU Yan, WU Xin-li, ZHU Pan-fei, ZHANG Hao

(School of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018, China)

The braille display device can transform printed books or common characters in electronic documents to braille characters for the blind so that the blind can touch and read them. Hence, it is increasingly welcomed in teaching the blind. It has become the leading edge and focus of ancillary product research for th blind. Firstly, this paper reviews the research history of braille display device and expounds domestic and foreign research situations. Secondly, this paper summarizes research and development difficulties of braille display device, mainly including braille contact driving mode, braille contact control and resolution ratio of Braille contact. Thirdly, the properties of existing braille display devices are compared. Finally, development potential and future trend of braille display device are prospected. The portable braille display device with loe research and development cost, small volume, large information memory space and fast response speed has great significance for improving living quality of numerous vulnerable groups and boosting their cultural level.

braille display; braille characters; contact driving mode; summarization

1673- 3851 (2015) 05- 0660- 09

2014-10-21

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA013703);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY14F020048);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61332017)

楊文珍(1976-),男,浙江義烏人,副教授,博士,主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互、機(jī)器人技術(shù)方面的研究。

TH139

A