盲文顯示裝置的研究進展

楊文珍, 許 艷, 吳新麗, 祝盼飛, 張 昊

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018)

盲文顯示裝置的研究進展

楊文珍, 許 艷, 吳新麗, 祝盼飛, 張 昊

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018)

盲文顯示裝置可將紙質(zhì)書籍或者電子文檔中的普通文字轉(zhuǎn)換成專為盲人識別的盲文點字,供盲人觸摸閱讀,在盲人教學(xué)中越來越受到歡迎,已成為盲人輔助產(chǎn)品研究的前沿和焦點。首先回顧了盲文顯示裝置的研究歷程,闡述了國內(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,主要包括盲文觸點的驅(qū)動方式、盲文觸點的控制、盲文觸點的分辨率等研發(fā)難點;然后對現(xiàn)有盲文顯示裝置的性能進行了比較;最后對盲文顯示裝置的發(fā)展?jié)摿拔磥碲厔葸M行了展望。研發(fā)成本低、體積小、信息存儲量大、響應(yīng)速度快、便于攜帶的盲文顯示裝置,對于改善人數(shù)眾多盲人弱勢群體的生活質(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; 觸點驅(qū)動方式; 綜述

0 引 言

據(jù)世界衛(wèi)生組織2010年統(tǒng)計,全球有2.85億人視力受損,其中盲人占3900萬,低視力者占2.46億;中國是世界上盲人最多的國家,約有825萬,占世界盲人總數(shù)的21%[1]。龐大的盲人群體,需要社會各界更多的關(guān)愛和支持。傳統(tǒng)盲文書籍專用紙張昂貴、制作工序復(fù)雜、耗費時間長,出版的盲文書籍?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)的盲文讀物遠遠滿足不了盲人的閱讀需求[2-4]。在科技迅速發(fā)展的信息時代,如何利用現(xiàn)代科技成果為盲人提供一種無障礙的信息交互平臺,日益成為社會的關(guān)注熱點。

針對盲人閱讀需求大、閱讀困難等問題,人們提出了一種盲文顯示裝置。它可將傳統(tǒng)的紙質(zhì)書籍或者電子文檔中的文字顯示成動態(tài)盲文點字,以盲文電子書的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)上笨重的盲文書籍,盲人通過指尖觸摸閱讀動態(tài)盲文文字。盲文顯示裝置的問世,解決了盲人閱讀困難、使用不便等問題,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字教學(xué)中越來越受歡迎,是盲人學(xué)生學(xué)習(xí)盲文的重要教學(xué)工具。盲生通過盲文顯示裝置識字、學(xué)習(xí)技能和獲取信息,觸摸閱讀速度大于聽覺閱讀速度[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群體的閱讀需求,其社會價值重大。

本文簡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內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題,著重闡述了盲文顯示裝置的研究難點和關(guān)鍵技術(shù),并對現(xiàn)有盲文顯示裝置的性能進行了對比,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)代漢語盲文字的構(gòu)成

盲文,英文名為Braille,又稱點字、凸字,是專門為盲人設(shè)計、憑借觸覺感知的文字。盲人通過觸摸由多個凸點組成的盲文字符進行閱讀。1824年,法國盲人路易·布萊爾(Louis Braille)受到夜文的啟發(fā),創(chuàng)造出了以簡單的凸點代替拉丁字母的盲文體系[6]。

現(xiàn)代漢語盲文是根據(jù)Louis Braille發(fā)明的盲文點字制定的。一個盲文點字由6個固定點距的凸點組成,稱為一方。這六個凸點呈三行兩列排布,左邊自上而下為1點、2點、3點,右邊為4點、5點、6點,如圖1所示。凸點的大小、點距、字距、行距都是根據(jù)盲人觸覺心理和觸覺生理特點來設(shè)計的。凸點的形狀一般為半球形或拋物面形,凸點的點徑為1.0～1.6 mm、高為0.2～0.5 mm、點距為2.2～2.8 mm、方距為3.5～4.0 mm[7],盲文點字的排布規(guī)則如圖2所示。

我國有兩種漢語盲文方案:一種是現(xiàn)行盲文,另一種是漢語雙拼盲文?，F(xiàn)行盲文最為通用,它是依據(jù)漢語拼音而制成的,一個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)各占一方盲文點字,要顯示一個完整的漢語盲文字符需要三個方空間,圖3所示為“龍”字的盲文字符。在盲人學(xué)習(xí)過程中,為了方便往往會省去聲調(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研制出一臺盲人閱讀器Optacon[9]。該閱讀器由微型攝像頭、信號處理器、驅(qū)動電路、電源、6×24振動針觸摸矩陣構(gòu)成。當(dāng)手持?jǐn)z像頭沿著文字行掃描時,另一只手的指尖即可觸摸到與輸入字母形狀相同的振動針陣列,盲人可以通過觸摸振動針陣列的形狀閱讀普通印刷的文字。1971年,美國Telesensory Systems公司研發(fā)出一臺VersaBraille,有20個點字格,這些點字格能夠顯示屏幕上的文字,是一臺可刷新的動態(tài)盲文顯示的電子設(shè)備[10]。

1995年后,英國、美國、日本等國家開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Taylor等[11]開發(fā)出一款由形狀記憶合金作為驅(qū)動源的觸針陣列盲文顯示器。1999年,美國桑迪亞國家實驗室Anderson等[12]研制了一種基于電磁驅(qū)動式的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)手指尖的振動識別盲文點字。2000年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)開發(fā)出一種回旋式盲文顯示機,將盲文點陣排布在輪上且依一定的速度轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)不必移動手指也能繼續(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)通過光傳感器收集外界信息,根據(jù)收集到的外界信息通過電極刺激人手指以傳遞觸覺信息。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刺激陣列,采用正負脈沖有選擇地分別對Merkel細胞和Meissner小體進行了刺激,從而使人的手指端產(chǎn)生力觸覺,以識別盲文碼字[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)合開發(fā)出了一種使用有機晶體管的薄膜型盲文顯示器,由在柔性基板上形成的有機晶體管驅(qū)動高分子材料制成的激勵器,通過電流控制表面產(chǎn)生或消除突起形成盲文,這是首次將有機晶體管和激勵器嵌入同一基板并成功驅(qū)動[16]。

與國外相比,國內(nèi)在盲文顯示技術(shù)領(lǐng)域的研究進展比較慢,在深度和規(guī)模上都與國外存在較大差距。2001年,清華大學(xué)自動化系茅于杭教授等開始進行研發(fā)清華盲文點顯器[17],盲文點顯器的主要部件采用壓電陶瓷材料,通過電壓強弱控制壓電陶瓷發(fā)生伸縮、彎曲的變形,從而推動壓電陶瓷上的頂桿上升或下降,以此來顯示盲文[18],實現(xiàn)盲人通過觸覺與電腦進行人機交互。2010年,東南大學(xué)古春笑等[19]采用3×3半圓頭刺激電極對操作者指端進行刺激,實現(xiàn)視覺圖文顯示,但電觸覺的動態(tài)范圍較窄,對電刺激參數(shù)范圍要求較高,刺激參數(shù)不穩(wěn)定,時常會引起刺痛感。

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

然而,已產(chǎn)品化的盲文顯示裝置售價高,一個盲文點字格的價格大概是100～150美元,也就是說一個四十格的盲文顯示裝置的價格為4 000～6 000美元,而一個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格,嚴(yán)重阻礙了它的推廣和普及,難以讓大部分盲人弱勢群體受益。已產(chǎn)品化的盲文顯示裝置價格昂貴的原因在于研究難點多、技術(shù)實現(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,實現(xiàn)盲人無障礙的閱讀,提高盲人的文化水平,改善人數(shù)眾多盲人弱勢群體的生活質(zhì)量,任重道遠。

2 盲文顯示裝置的研究難點

目前,國內(nèi)外盲文顯示裝置的研究焦點主要集中在盲文觸點的驅(qū)動方式上。盲文觸點驅(qū)動方式的研究內(nèi)容涵蓋醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、力學(xué)、人工智能、機械及計算機等眾多領(lǐng)域,還有很多問題有待解決,如觸點空間分辨率、接觸力大小控制、控制方法、驅(qū)動方式、裝置便攜性等。

2.1 觸點空間分辨率

Van Boven等[24]的研究表明,在靜態(tài)觸摸時,人手指的觸覺空間分辨閾值為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)計盲文顯示裝置時,必須注意到皮膚感受器的這種局限性。盲文顯示裝置觸點的空間分辨率由觸覺的空間分辨閾值來確定,空間分辨閾值越小,對裝置的精度要求和尺寸要求就嚴(yán)格,因此在設(shè)計盲文觸點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,這已經(jīng)成為首要解決的問題。根據(jù)中國盲文國標(biāo)GB/T 15720—2008規(guī)定,參考盲人的心理和生理特點,盲文觸點的點距一般為2.2～2.8 mm,點高為0.2～0.5 mm[7]。

2.2 觸點接觸力的大小

日本信州大學(xué)Lee等[25]研究手指觸摸評價織物觸覺質(zhì)感時,發(fā)現(xiàn)一般人手指觸摸織物辨別時間約5.0 s,手指移動速度約16 cm/s,施加的接觸力約0.25 N。Breugnot等[26]通過生物力學(xué)實驗研究了不同棉織物的觸覺質(zhì)感辨別,實驗發(fā)現(xiàn)手指的平均移動速度為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驗中,測試者手指的平均移動速度為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,手通過觸摸感知不同的物體時,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]。目前沒有文獻明確指出手指感知盲文時接觸力的區(qū)間范圍,因此,觸點接觸力大小的設(shè)定也是設(shè)計盲文顯示裝置的關(guān)鍵問題。

2.3 觸點控制

目前,國際上通用的盲文點顯器都是根據(jù)各國情況自行設(shè)置的,各國盲文輸出的方式和規(guī)則也不同,因此國外盲文點顯器的控制系統(tǒng)不適用于中國,這就需要開發(fā)出漢語盲文的控制系統(tǒng)。首先,現(xiàn)有的盲文顯示裝置中盲文觸點都較多,要實現(xiàn)觸點按照盲文字符的規(guī)則來顯示,就必須對盲文觸點進行一一控制,因此在電路板上安全有序地排布電路是急需解決的問題。其次,盲文顯示裝置要實現(xiàn)動態(tài)性、實時性、交互性,對其控制精度的要求較高,所以如何將控制的響應(yīng)時間縮小到最短,也是盲文顯示裝置要解決的核心問題。

2.4 觸點的驅(qū)動方式

觸點的驅(qū)動方式是盲文顯示裝置研發(fā)重點考慮的問題。一般觸點驅(qū)動器的要求有以下幾點:a)接收到指令后,觸點能夠快速達到指定的上升高度;b)達到指定的高度后,手指觸摸盲文時,對手指要產(chǎn)生一定的接觸力,且接觸力的大小要適宜,一般約為1N;c)在盲人摸讀過程中,保持一定的接觸力,直至盲人識別出觸摸閱讀的信息;d)在盲人手指離開后,觸點能夠快速實現(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)計考慮到它的便攜性,應(yīng)遵循體積小、重量輕、易操作、可脫機使用的原則。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較好,但是它們都未實現(xiàn)脫機使用功能,使用時須與電腦相連并結(jié)合相配套的讀屏軟件,這使得盲人不能像正常人一樣,隨時隨地、自由自在地享受閱讀的快樂。因此,研發(fā)不受電源、電腦和網(wǎng)絡(luò)的限制,可脫機使用的盲文顯示器,是未來重要研究方向。目前,浙江理工大學(xué)虛擬實驗室正在研發(fā)一款可脫機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,通過漢語—盲文翻譯轉(zhuǎn)換系統(tǒng),編譯成相對應(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應(yīng)的控制信號傳輸至盲文驅(qū)動模塊,盲文驅(qū)動模塊驅(qū)動執(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,盲文觸點的驅(qū)動機構(gòu)是核心硬件,漢語—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,盲文顯示過程中觸覺力大小、響應(yīng)速度、刷新頻率等是重要性能評價指標(biāo)。

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

4 盲文觸點的驅(qū)動原理

盲文顯示裝置是實現(xiàn)觸覺再現(xiàn)技術(shù)的具體應(yīng)用,觸覺再現(xiàn)是指通過一定的方式刺激人的感覺器官,使人產(chǎn)生真實的觸覺或者能夠代替真實觸覺的一種感覺[30]。觸覺再現(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器官可以替代另一種感覺器官,當(dāng)身體中的某種感覺器官因為外界原因或者自身原因受到損傷時,就可以用身體中的其他部位來代替先前受損的感覺器官,如用聽覺代替視覺,用觸覺代替聽覺,用觸覺代替視覺等;直接重構(gòu)是指直接刺激人類的皮膚而產(chǎn)生觸覺感。對比感官替代,直接重構(gòu)方式產(chǎn)生的觸覺感直觀、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。

實現(xiàn)盲文觸點的凸顯是盲文顯示裝置中最重要的設(shè)計環(huán)節(jié),其驅(qū)動器要求結(jié)構(gòu)簡單、體積小、材質(zhì)輕、加工工藝簡潔、容易操控、響應(yīng)速度快。針對不同的驅(qū)動方式,本文對國內(nèi)外盲文顯示裝置進行了概括和分類,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)動器的盲文顯示裝置,如圖6所示。該裝置共有7層,3×2觸點陣列中的觸動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,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)動針也隨之向上運動。當(dāng)施加負向電壓時,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恢復(fù)高溫狀態(tài)下的形狀,冷卻時又能恢復(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控制盲文觸點的變化。由記憶合金做成的彈簧圈安裝在驅(qū)動針的外圍,記憶合金線圈分為上部和下部兩部分。下部記憶合金彈簧圈通電后,電流使下部記憶合金溫度升高,下部彈簧發(fā)生拉伸變形,推動觸點向上運動,上部彈簧被壓縮,從而顯示盲文觸點。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,推動觸點向下運動,下部彈簧被壓縮,從而使盲文觸點回到初始位置,該裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。此裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單,材質(zhì)輕便易攜帶,缺點在于記憶合金材料存在形狀狀態(tài)變化慢且機械強度較弱,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,國際橡膠協(xié)會與微電子與納米技術(shù)協(xié)會成員Streque等[34]研制的觸覺顯示設(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橡膠點矩陣用于顯示盲文點字。每一個橡膠點與直徑為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)動器,通過計算機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,通過永久磁鐵和電磁鐵產(chǎn)生的磁力,來控制觸點的升起和復(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)動針對鐵芯產(chǎn)生吸力,因鐵芯固定不動,因此驅(qū)動針在吸力的作用下會向下運動,觸點縮入孔中。在工作狀態(tài)下,向電磁線圈通以直流電,通電線圈產(chǎn)生的磁場會抵消掉永久磁鐵產(chǎn)生的磁場,驅(qū)動針便在牽引彈簧的帶動下伸出孔形成盲文凸點。該裝置易控制,能產(chǎn)生所需的觸覺力,盲文觸點間距可滿足要求,但機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,活動零部件較多,整體結(jié)構(gòu)的強度差。

4.4 氣動式盲文顯示裝置

氣動式盲文顯示裝置,利用空氣壓縮機向密封裝置內(nèi)部通入壓縮空氣,與外界空氣形成壓強差,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觸點凸起,形成盲文觸點。2007年,美國Georgia Institute of Technology研發(fā)出一臺氣動式盲文顯示裝置[36-37],內(nèi)部的6個觸點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6個觸點上升或者下落，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)的微型氣缸打開進氣閥,排氣口關(guān)閉,空氣壓縮機通過高壓進氣口向裝置內(nèi)通入壓縮空氣至100 kPa,空氣流在裝置內(nèi)部與外界環(huán)境形成壓強差,薄膜觸摸屏表面受力后形成盲文凸點,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)閉進氣閥,同時打開排氣閥,裝置內(nèi)部的壓縮空氣從排氣口排出,壓強差消失,盲文觸點恢復(fù)平整。

氣動式盲文顯示裝置重量輕,制作成本較低,結(jié)構(gòu)簡單,可塑性強,造價低,此外還可將產(chǎn)生壓力的空氣壓縮機放置在外圍空間。缺點是系統(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,是將電脈沖信號施加到位于人手指指端的微小電極上,通過微電極的表層電流直接刺激皮膚內(nèi)的神經(jīng)纖維,能夠在沒有機械驅(qū)動器的狀況下產(chǎn)生壓力或者振動觸覺,盲人根據(jù)手指端產(chǎn)生的觸覺信息來識別盲文點字。

2014年,蔣小燕等[38]提出了一種電極式盲文點顯器,該裝置借鑒了電子針灸技術(shù),采用電極表示盲文點位,通過脈沖發(fā)生器對盲文點位產(chǎn)生相應(yīng)的電子脈沖,盲人通過手指觸摸電極是否有電刺激感覺來識別盲文。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個電極單元構(gòu)成一方,其中電極1、2、3、4、5、6用來顯示一個盲文字符,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,沒有可動部件,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題在于易引起不舒服的感覺(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,通過控制觸點傳到手指尖的溫度來實現(xiàn)盲文顯示。如圖12所示,根據(jù)要求顯示的盲文觸點,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)定的溫度進行對比,通過控制加載在半導(dǎo)體制冷片兩端的PWM脈沖的方向和占空比,來實現(xiàn)對應(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,表示盲文觸點的凸點,溫顯單元為冷極時,表示盲文觸點的平點。

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

5 國內(nèi)外盲文顯示裝置的對比

目前國內(nèi)外的盲文顯示裝置都有其自身的優(yōu)勢和不足,現(xiàn)對其性能進行比較和總結(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、交互性和實時性較好,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)簡單、體積較小、穩(wěn)定性好,但響應(yīng)速度慢、交互性和實時性較差;電磁式盲文顯示裝置響應(yīng)速度快、輸出的觸覺力較大、穩(wěn)定性好、體積適中;氣動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、輸出的觸覺力小;電刺激式盲文顯示裝置人機交互性和實時性好、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、感知舒適度好、穩(wěn)定性好、無噪音,但人機交互性差。

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,人機交互性好。記憶合金式盲文顯示裝置和氣動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的驅(qū)動器,此外氣動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,不適宜盲人長期摸讀盲文。溫度控制式盲文顯示裝置,對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,用溫度控制來達到盲文顯示的功能目前無法實現(xiàn)。綜合考慮,盲文顯示裝置較適合的驅(qū)動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)中越來越受到歡迎,對改善人數(shù)眾多盲人弱勢群體的生活質(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。

盲文顯示裝置應(yīng)當(dāng)具備以下特點:a)結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠保證盲文觸點的間距,符合盲人的摸讀習(xí)慣;b)盲文觸點的顯示狀態(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,能輸出不同等級大小的接觸力;b)提升裝置的動態(tài)響應(yīng)速度,達到即用即顯水平;c)改進裝置的人機交互方式,實現(xiàn)無障礙的人機交互通道等。

相信在不久的將來,盲文顯示裝置將實現(xiàn)與盲人無障礙的交互,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隨地、自由自在地享受閱讀的快樂。

[1] World Health Organization. Global data on visual impairments 2010[EB/OL]. [2014-04-01]. http: //www.who.int /blindness/GLOBALDATAFINALforweb.pdf.

[2] 李 肖. 我國盲人閱讀資源及閱讀推廣現(xiàn)狀[J]. 新世紀(jì)圖書館, 2013(5): 19-22.

[3] 侯 夷. 盲文出版物: 中國出版業(yè)的盲區(qū)[J]. 中國出版, 2006(11): 30-32.

[4] 唐英杰, 伍春洪. 盲文閱讀機的設(shè)計及模擬實現(xiàn)[J]. 北京印刷學(xué)院學(xué)報, 1998, 6(1): 44-48.

[5] 王 欣. 雙手摸讀法在提升視障學(xué)生閱讀能力中的應(yīng)用[J]. 和田師范?？茖W(xué)校學(xué)報, 2011, 30(4): 24-28.

[6] 孫 哲. 盲文的起源發(fā)展和改革方向[J]. 才智, 2008, 23: 176-177.

[7] GB/T 15720—2008 中國盲文[S].

[8] 程 黎, 顧定倩, 劉艷虹, 等. 我國盲文使用狀況的調(diào)查研究[J]. 語言文字應(yīng)用, 2003(2): 43-48.

[9] Goldish L H, Taylor H E. The Optacon: a valuable device for blind persons[J]. New Outlook for theBlind, 1974, 68(2): 49-56.

[10] Williams T T, Lambert R M, White C W. Interactive braille output for blind computer users[J]. Behavior Research Methods, Instruments, & Computers, 1985, 17(2): 265-267.

[11] Taylor P M, Moser A, Creed A. The design and control of a tactile display based on shape memory alloys[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Albuquerque, New Mexico, 1997: 1317-1323.

[12] Anderson T G, Breckenridge A, Davidson G S. FGB: a graphical and haptic user interface for creating graphical, haptic user interfaces[EB/OL]. (1999-10-18)[2014-04-04]. http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/13976.

[13] Wikipedia. 盲文顯示機[EB/OL]. [2014-04-04]. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B2%E6%96%87%E6%98%BE%E7%A4%BA%E6%9C%BA.

[14] Kajimoto H, Kawakami N, Tachi S, et al. SmartTouch: electric skin to touch the untouchable[J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 2004, 24(1): 36-43.

[15] 帥立國, 姜昌金, 周芝庭. 觸覺顯示技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2006(6): 74-79.

[16] 染谷隆夫. 日本推出薄膜型盲文顯示器[EB/OL]. [2014-04-01]. http://digi.it.sohu.com/20051202/n240855059.shtml.

[17] 趙 宇, 茅于杭. 盲人人機交互系統(tǒng)的特點和現(xiàn)狀[J]. 計算機應(yīng)用, 2005, 25(10): 2224-2227.

[18] 吳丹玥, 干 靜. 輔助盲人訪問Internet的力/觸覺交互技術(shù)[J]. 工程設(shè)計學(xué)報, 2010, 17(2): 128-133.

[19] 古春笑, 帥立國, 周芝庭. 基于視觸覺替代方法的盲教裝置[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2010 (1): 102-105.

[20] Metec. Braille-Display[EB/OL]. [2014-04-08]. http://web.metec-ag.de/braillemodule.html.

[21] Synapsestore. ALVA Braille Display[EB/OL]. [2014-04-10]. http://www.synapseadaptive.com/alva/Alva_Pro/alva_products.htm.

[22] Handy Tech Elektronik GmbH. Handy Tech[EB/OL]. [2014-04-15]. http://www.handytech.de/produkte.php?sub=6.

[23] 清華大學(xué)自動化系語言文字信息處理研究中心. 清華點顯器[EB/OL]. [2014-04-17]. http://www.qhqmx.com.cn/dianziji.html.

[24] Van Boven R W, Johnson K O. The limit of tactile spatial resolution in humans Grating orientation discrimination at the lip, tongue, and finger[J]. Neurology, 1994, 44(12): 2361-2361.

[25] Lee S, Kamijo M, Nishimatsu T, et al. Active tactual motion of fingers in discriminating cloth: the difference between male and female[J]. Sen’i Gakkaishi, 2003, 59(9): 365-370.

[26] Breugnot C, Bueno M A, Ribot-Ciscar E. Responses of mechanoreceptive afferent units and mechanical characterization[J]. Melliand International, 2006, 7(4): 314-318.

[27] Lederman S J, Taylor M M. Fingertip force, surface geometry and the perception of roughness by active touch[J]. Perception & Psychophysics, 1972, 12(5): 401-408.

[28] Srinivasan M A, LaMotte R H. Tactual discrimination of softness: abilities and mechanisms[M]//Somesthesis and the Neurobiology of the Somatosensory Cortex. Birkh?user Basel, 1996: 123-135.

[29] 胡吉永. 基于觸覺認(rèn)知的織物質(zhì)感的形成機理研究[D]. 上海: 東華大學(xué), 2008.

[30] 張燕燕, 李朝東, 匡伯謙. 觸覺顯示器及其振動激發(fā)方式[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2008 (2): 82-85.

[31] 張竹茂. 基于手指的觸覺替代視覺系統(tǒng)的研制[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2009.

[32] Hernandez H, Preza E, Velazquez R. Characterization of a piezoelectric ultrasonic linear motor for braille displays[C]//Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference, 2009. CERMA’09. IEEE, 2009: 402-407.

[33] Haga Y, Makishi W, Iwami K, et al. Dynamic braille display using SMA coil actuator and magnetic latch[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2005, 119(2): 316-322.

[34] Streque J, Talbi A, Pernod P, et al. New magnetic microactuator design based on PDMS elastomer and MEMS technologies for tactile display[J]. Haptics, IEEE Transactions on, 2010, 3(2): 88-97.

[35] 鄧建志. 電磁推拉式盲文觸摸屏: 中國, CN102184662A[P]. 2011-09-14.

[36] Wu X, Kim S H, Zhu H, et al. A refreshable braille cell based on pneumatic microbubble actuators[J]. Microelectromechanical Systems, Journal of, 2012, 21(4): 908-916.

[37] Wu X, Zhu H, Kim S H, et al. A portable pneumatically-actuated refreshable braille cell[C]//Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2007. TRANSDUCERS 2007. International IEEE, 2007: 1409-1412.

[38] 蔣小艷, 胡作進. 基于電極刺激原理的盲文點顯器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機應(yīng)用, 2014, 34(S1): 334-337.

[39] 汪成亮, 張智海, 陳俊紅. 基于溫度控制的盲文顯示裝置: 中國, CN102819975A[P]. 2012-12-12.

(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

國家863計劃項目(2013AA013703);浙江省自然科學(xué)基金項目(LY14F020048);國家自然科學(xué)基金重點項目(61332017)

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

TH139

A