基于三針驅(qū)動器的盲文學(xué)習(xí)機

裴紅星, 華怡帆

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

?

基于三針驅(qū)動器的盲文學(xué)習(xí)機

裴紅星, 華怡帆

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

設(shè)計了一款單行顯示的盲文學(xué)習(xí)機，通過語音模塊播放相應(yīng)的讀音輔助自學(xué)，顯示模塊顯示當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容，供視力正常人協(xié)助輔導(dǎo).根據(jù)盲文的觸點排列設(shè)計了三針驅(qū)動器，可以在步進電機的控制下沿軌道自左向右移動，按照盲文編碼規(guī)則逐列驅(qū)動觸點形成相應(yīng)凸點，從而大大減少驅(qū)動機構(gòu)的數(shù)量，提高了系統(tǒng)電磁兼容性和穩(wěn)定性.提出了一種新型凸點產(chǎn)生裝置：凹凸開關(guān)，包括套筒、底座及頂桿三部分，能在三針驅(qū)動器的作用下，使凹點和凸點交替切換.該裝置為純機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，掉電保持原狀態(tài)，獨特的復(fù)位層可以實現(xiàn)一鍵全復(fù)位.

三針驅(qū)動器； 凹凸開關(guān)； 機械保持； 自動復(fù)位； 盲文觸點

0 引言

中國是世界上盲人最多的國家，截止到2012年10月，我國有1 350萬視力殘疾人，550多萬盲人[1].盲人獲取知識和技能的渠道比較單一，一般是通過盲文書籍或?qū)Ｓ迷O(shè)備.盲文是專門為盲人設(shè)計的，依靠觸覺感知文字，由法國人路易·布萊爾于1842年創(chuàng)造，左右兩列共6點組成一方，通過每個點的凸起或不凸起的63種組合(沒有6個點都不凸起)，來代表盲文的聲母、韻母、數(shù)字、英文字母等，通過組合不同的盲文拼音組成不同的發(fā)音[2].按照這種規(guī)則制作盲文書籍或?qū)Ｓ迷O(shè)備供盲人閱讀.

無論是通過盲文書籍還是專用設(shè)備進行閱讀，都需要先掌握不同的凸點組合所代表的發(fā)音和含義.傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法是由教師講授盲文教學(xué)書籍中不同凸點組合的發(fā)音及含義，盲人通過觸摸書籍凸點位置記憶并掌握凸點組合.傳統(tǒng)盲文書籍由盲文打印機在鐵皮上沖壓出凸點制成印版，使用印版對牛皮紙加壓制成盲文書籍[3].從原材料(上等木材)到制作工藝，盲文書籍的成本都較普通書籍高很多[4].盲文的學(xué)習(xí)是不斷觸摸按壓凸點，并記憶凸點組合的過程.出于人體本能的反應(yīng)，初學(xué)者在不熟練的情況下，會不由自主地加大按壓力度以得到更強烈的觸摸反饋，進而造成凸點磨損甚至消失，對書籍的損耗很大.而盲文學(xué)習(xí)專用設(shè)備(點顯器或點位機)可以通過一定的操作顯示出相應(yīng)的盲文凸點供盲人學(xué)習(xí)和閱讀，其凸點為硬質(zhì)材料，克服了紙質(zhì)書籍在學(xué)習(xí)和閱讀過程中易損耗的缺點.如清華大學(xué)自動化系語言文字信息處理研究中心研制的點顯器[5]，可以將電腦上的文字信息通過讀屏軟件翻譯成盲文后自動顯示出來，盲人可以用手觸摸盲文單元上變化的盲文點字來獲取電腦屏幕上顯示的信息，此機器簡單易學(xué)，盲人朋友易于接受.南京特殊教育職業(yè)技術(shù)學(xué)院的張居曉教授等提出了一種基于電極的盲文學(xué)習(xí)機[6]，通過低中頻高壓電子脈沖，產(chǎn)生電刺激感覺識別盲文，但這種方法對人體有一定的傷害.韓國設(shè)計師Seon-Keun Park等用電子活性聚合物(EAP)設(shè)計了盲文學(xué)習(xí)機，以EAP受到電刺激時產(chǎn)生的形變實現(xiàn)盲文凸點的顯示，此學(xué)習(xí)機體積小，便于盲人攜帶.文獻[7]提出用碳納米管橡膠混合物作為驅(qū)動元件，在燈光照射下發(fā)生形變組成布萊爾點，此學(xué)習(xí)機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易使用.文獻[8]提出了用形狀記憶合金(SMA)和磁性彈簧鎖來實現(xiàn)盲文的顯示，此學(xué)習(xí)機所用的SMA為智能高分子材料，價格昂貴.

這些盲文學(xué)習(xí)設(shè)備，是以不同的技術(shù)手段達到使不同材料呈現(xiàn)預(yù)定凹凸點的目的，其價格與科技含量和顯示的方數(shù)成正比，一般售價為10 000～30 000人民幣，對于普通的盲人家庭或絕大部分的盲人學(xué)校來說難以大范圍普及，在很大程度上僅用于研究和展示.本文研制的盲文學(xué)習(xí)機是將每個盲文按照一定的規(guī)則編碼，單片機根據(jù)編碼控制電機的轉(zhuǎn)動和三針驅(qū)動器的通電或斷電，進而顯示相應(yīng)的盲文凸點，盲人通過觸摸凸點學(xué)習(xí)盲文字.由于采用普通的元器件和材料，因此成本可以大大降低，對于普及盲文教育以及減輕家庭負擔(dān)具有重要意義，同時還可以降低盲文書籍的印刷數(shù)量，在一定程度上保護生態(tài)環(huán)境，具有良好的經(jīng)濟和社會效益.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

盲文學(xué)習(xí)機原理框圖如圖1所示.通過按鍵選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，由步進電機控制三針驅(qū)動器，按照盲文編碼規(guī)則，使凹凸開關(guān)相應(yīng)點位凸起.語音模塊播放相應(yīng)的讀音，輔助自學(xué)，LCD顯示當(dāng)前學(xué)習(xí)內(nèi)容，供家長等視力正常人協(xié)助輔導(dǎo).

盲文學(xué)習(xí)機每次可以顯示5個盲文字，每個字由12個盲文點(2方)構(gòu)成，共60個點位，其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括觸摸板、凹凸開關(guān)、第一層固定板、復(fù)位板、第二層固定板、三針驅(qū)動器、步進電機、正齒輪、直齒條和底板.觸摸板同時作為機殼的殼蓋，第一層固定板用于固定凹凸開關(guān)，復(fù)位網(wǎng)用于使所有的凸點復(fù)位，均位于觸摸屏下方，第二層固定板矩形的中空限制三針驅(qū)動器只能左右移動，底板凹槽作為三針驅(qū)動器左右移動的軌道.

圖1 盲文學(xué)習(xí)機原理框圖Fig.1 Block diagram of braille learning machine principle

圖2 盲文學(xué)習(xí)機的機械結(jié)構(gòu)Fig.2 The mechanical structure of braille learning machine

盲文學(xué)習(xí)機工作過程如下：單片機根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容完成盲文編碼，由步進電機驅(qū)動三針驅(qū)動器，沿第二層固定板軌道自左向右移動，每移動一列(包含3個點位)，按照盲文編碼驅(qū)動凹凸開關(guān)相應(yīng)點位凸起，直至20列全部完成.學(xué)習(xí)完畢或更換學(xué)習(xí)內(nèi)容時，單片機控制步進電機，使三針驅(qū)動器自右向左移動，依次驅(qū)動每列中的凸點復(fù)位，然后再進行下一步操作.

2 凹凸開關(guān)設(shè)計

凹凸開關(guān)如圖3所示.套筒內(nèi)部均勻分布3個相同規(guī)格的楔子，與底座的斜齒和頂桿的斜齒配合，共同形成凸點，楔子中間留有凹槽供復(fù)位使用，如圖3(a)、(b)所示.底座上半部分均勻分布3個相同規(guī)格的向上的斜齒，用來與頂桿的斜齒契合推動頂桿向上運動，下部的底盤與套筒的底盤契合，限制底座運動軌跡，如圖3(c)所示.頂桿的圓周均勻分布3個相同規(guī)格的向下的斜齒，與底座的斜齒和套筒內(nèi)的楔子契合，觸點穿過點位孔就可形成凸點，如圖3(d)、(e)、(f)所示.

圖3 凹凸開關(guān)Fig.3 Concave and convex switch

套筒、底座和頂桿相互配合形成凸點和凸點消失的過程如圖4所示.為了清楚地顯示三者的配合，套筒的外殼未顯示.第一狀態(tài)即起始狀態(tài)，頂桿和底座卡在套筒內(nèi)，底座斜齒和頂桿斜齒相互配合，如圖4(a)所示；第二狀態(tài)，底座頂起頂桿，使頂桿的第一個斜齒高過楔子后底座落下，由于頂桿的第一個斜齒和楔子相互契合，故頂桿順時針旋轉(zhuǎn)下落，如圖4(b)所示；第三狀態(tài)，底座落下，頂桿的斜齒固定在套筒的楔子上，高出觸摸板0.3 mm，頂桿穿過觸摸板的點位孔，凸點形成，如圖4(c)所示；第四狀態(tài)，底座頂起頂桿，使頂桿的第二個斜齒高過楔子后底座落下，由于頂桿的第二個斜齒與楔子相互契合，故頂桿順時針旋轉(zhuǎn)下落，如圖4(d)所示；第五狀態(tài)，底座落下，頂桿順時針下落，二者的斜齒相互配合，凸點消失，回到第一狀態(tài)，如圖4(a)所示.

圖4 凸點形成和消失的過程Fig.4 Process of convex point forming and disappearing

3 復(fù)位層設(shè)計

每次需要學(xué)習(xí)新的內(nèi)容，或者由于停電及其他問題造成盲文點凸起混亂時，可以按下復(fù)位鍵復(fù)位.復(fù)位層主要包括復(fù)位板、杠桿機構(gòu)等.

復(fù)位板包含有60個與套筒相對應(yīng)的小孔，小孔中有3個均勻分布的規(guī)格相同的卡爪，卡爪插在套筒楔子的U型槽中，如圖5所示.

圖5 復(fù)位板Fig.5 Reset board

杠桿機構(gòu)主要由兩個規(guī)格相同的杠桿架、托架、支架和一個按鍵機構(gòu)組成，其中支架和托架固定在第一層固定板上，杠桿架的兩端伸出兩個圓桿，其與支架的兩個固定環(huán)配合，保證學(xué)習(xí)機在倒立的情況下杠桿架不會下落，按鍵機構(gòu)的豎直桿插進第一層固定板中，水平桿與兩杠桿架靠中間的一端接觸，按鍵按下，杠桿架兩邊翹起頂起復(fù)位板，復(fù)位板被抬高.由于按鍵機構(gòu)豎直桿下方安裝有彈簧，所以按鍵機構(gòu)可以在彈力的作用下自動復(fù)位.

4 三針驅(qū)動器的設(shè)計

采用三針驅(qū)動器作為驅(qū)動機構(gòu)推動底座形成凸點.三針驅(qū)動器主要由線圈、鐵芯、銜鐵和推桿等組成，其中推桿和銜鐵為一體，推桿可以在銜鐵內(nèi)部上下運動.線圈通電后，其內(nèi)部產(chǎn)生磁場，鐵芯被磁場磁化，吸引銜鐵向上運動，進而推桿向上運動；線圈斷電后，磁場消失，鐵芯退磁，銜鐵由于自身重力向下運動，推桿落下.

鎳鋅鐵氧體是一種軟磁性材料，主要成分有Fe2O3、NiO、ZnO等，它的居里溫度較高，飽和磁通密度也高至0.5 T，具有較低的傳輸功耗[9]，密度為4.6～5.0 g/cm3，相對磁導(dǎo)率為10～1 000，其應(yīng)用范圍比較廣.本文用其作為三針驅(qū)動器的銜鐵和鐵芯材料.

1) 推力的計算

底座和頂桿需要靠三針驅(qū)動器的推力才可以形成凸點，故需要計算出底座和頂桿的重力.根據(jù)頂桿和底座的結(jié)構(gòu)可以計算出體積，進而計算出質(zhì)量和重力.

體積計算如下：底座的體積V11max= 7.133 698 mm3，頂桿的體積V12max= 12.009 719 mm3，故V1max=V11max+V12max= 19.143 417 mm3.

由于硬質(zhì)聚氯乙烯材料(PVC)不含柔軟劑，因此柔韌性好，易成型，不易脆，無毒無污染，保存時間長，具有較大的開發(fā)應(yīng)用價值.硬質(zhì)PVC的密度為1.38～1.43 g/cm3，機械強度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，使用溫度范圍一般為-15～55 ℃.頂桿和底座材質(zhì)選用不透明的硬質(zhì)PVC.

總重力計算如下：m1max=V1maxρ1max= 27.375 08610-3g，G1max=m1maxg=0.273 751 N.銜鐵的體積V2=1.436 336 mm3，將ρ2max=5.0 g/cm3代入，可得m2max=V2ρ2max=7.181 68110-3g，G2max=m2maxg=0.071 817 N，則總重力G=G1max+G2max= 0.345 568 N.

在使用過程中，學(xué)習(xí)機可能放置于傾斜的狀態(tài)，所以不可避免地會產(chǎn)生摩擦等情況，為了保證工作的穩(wěn)定性，三針驅(qū)動器的推力必須大于凹凸開關(guān)和銜鐵等的重力，這里取需要的推力為：F=Gk= 0.933 05 N1 N，其中G為重力，k為校正系數(shù)，取k=2.7.

2) 磁感應(yīng)強度的計算

作用在被磁化了的鐵磁物體上的電磁吸力可以表示為

式中：F為電磁吸力(J/cm)；B為磁感應(yīng)強度(Wb/cm2)；S為磁極表面積(cm2)；μ0為空氣導(dǎo)磁系數(shù)，其值為1.25×10-8H/cm；a為磁通不均勻分布修正系數(shù)，經(jīng)驗值為3～5；δ為氣隙長度.則磁感應(yīng)強度為

(1)

三針驅(qū)動器產(chǎn)生的推力就是其產(chǎn)生的電磁吸力，μ0=1.25×10-8H/cm，S=0.003 6 cm2，a=4，F(xiàn)=1 N，因為推桿頂出2 mm，凸點結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)凸出需求，故取δ=0.2 cm，代入式(1)，可得B=1.995 T.

通電空心線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為

B0=B/μr，

(2)

式中：μr為鎳鋅鐵氧體的相對磁導(dǎo)率，取值為120.將B=1.995 T，μr=120代入式(2)，可得不加鎳鋅鐵氧體的空心線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度B0=1.662 5×10-2T.

3) 驅(qū)動電壓的計算

設(shè)線圈匝數(shù)為N，繞線寬度為L，則總長為2L，繞線內(nèi)半徑為R1，繞線外半徑為R2，銅絲直徑為d.根據(jù)多層密匝螺線管模型[10-11]，可計算線圈匝數(shù)為

(3)

故繞線阻值為

(4)

式中：R為繞線阻值(Ω)；ρ為銅的電阻率(Ω·m)；s為銅絲的橫截面積(m2).

假設(shè)線圈兩端的電壓為U，則線圈內(nèi)部的電流為

采用的線圈直徑d=0.000 1 m，R1=0.000 8 m，R2=0.001 6 m，L=0.01 m，ρ=1.78×10-8Ω·m，代入式(3)和(4)得：N=1 600，R=27.34 Ω.

連續(xù)電流分布時的電流密度為

(5)

軸向磁感應(yīng)強度為

(6)

徑向磁感應(yīng)強度為

表面切向磁感應(yīng)強度為

軸心線上磁感應(yīng)強度為

空心螺線管的軸向磁感應(yīng)強度隨著x的增加逐漸變小，徑向磁感應(yīng)強度隨著y的增加而增大，但是軸向磁感應(yīng)強度要比徑向磁感應(yīng)強度強約100倍以上，故只考慮軸向磁感應(yīng)強度,即B0=Bx.

設(shè)點M(x，y)為空心螺線管內(nèi)部的任意一點，M離中心點的距離越遠，磁感應(yīng)強度越小.設(shè)計的三針驅(qū)動器，當(dāng)x=7.3 mm，y= 0.6 mm時，M與中心點距離最遠.將x=7.3 mm，y=0.6 mm，R1=0.000 8 m，R2=0.001 6 m，N=1 600，L=0.01 m，B0=1.662 5×10-2T代入式(5)和(6)得：j=108I，I=0.119 A，則線圈兩端的電壓為：U=RI=3.26 V.

5 結(jié)語

設(shè)計的盲文學(xué)習(xí)機可以顯示5個漢字，按照盲文編碼規(guī)則，每個漢字需要用2方(12個點)表示，如果每個觸點都使用單獨的驅(qū)動機構(gòu)(步進電機或繼電器等)，則5個漢字共需要60個驅(qū)動機構(gòu)，盲文觸點間距按要求為2.8 mm，驅(qū)動機構(gòu)必須排列非常緊密才能達到要求，而緊密排列的結(jié)構(gòu)易造成驅(qū)動機構(gòu)相互之間的強烈干擾.設(shè)計的三針驅(qū)動器只包含3個驅(qū)動部件，通過步進電機控制其位移以掃描的方式完成對相應(yīng)觸點的驅(qū)動，與每個觸點使用單獨驅(qū)動機構(gòu)相比，系統(tǒng)響應(yīng)速度有所降低，但對盲文學(xué)習(xí)過程的影響可以忽略.

設(shè)計的凹凸開關(guān)為純機械結(jié)構(gòu)，凸點一旦形成，驅(qū)動機構(gòu)不再工作，降低了系統(tǒng)的功耗，克服了繼電器因銜鐵長期處于工作狀態(tài)所產(chǎn)生的磁滯老化而造成的失效現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命.同時，學(xué)習(xí)機在掉電的情況下可以一鍵復(fù)位，方便快捷.學(xué)習(xí)機采用通用元器件，價格低廉，易于控制整機成本，有利于推廣使用.

[1] 劉一．國際盲文日：我國盲人就業(yè)人數(shù)增加 領(lǐng)域拓寬[EB/OL]．(2012-10-15)[2016-01-10]．http://news.cntv.cn/program/xwlb/20121015/106594.shtml．

[2] 張蕾．空心點盲文印刷技術(shù)[J]．印刷技術(shù)，2009(13)：47-49．

[3] 王燦才．淺談盲文印刷[J]．今日印刷，2007(9)：51-53．

[4] 侯夷．新中國盲文出版事業(yè)探析[D]．開封：河南大學(xué)，2007．

[5] 好搜百科．點顯器[EB/OL]．(2012-10-18)[2015-5-19]．http://baike.so.com/doc/3824874.html．

[6] 張居曉，胡作進，王乃和．電極式盲文點字顯示器：201310151142.3[P]，2013-04-27．

[7] CAMARGO C J，CAMPANELLA H，MARSHALL J E，et al．Batch fabrication of optical actuators using nanotube-elastomer composites towards refreshable braille displays[J]．Journal of micromechanics and microengineering, 2012，22 (7)：1-9．

[8] 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．

[9] 關(guān)小蓉，張劍光，朱春城，等．錳鋅、鎳鋅鐵氧體的研究現(xiàn)狀及最新進展[J]．材料導(dǎo)報，2006，20(12)：109-112．

[10]魏群．螺線管磁場分布特征[J]．長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，24(3)：68-70．

[11]黃劉宏，李躍波，丁世敬，等.低頻強磁場發(fā)生線圈電感系數(shù)的計算與測試[J]．河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，35(6)：52-56．

(責(zé)任編輯：孔 薇)

Braille Learning Machine Based on Three-needle Drive

PEI Hongxing， HUA Yifan

(SchoolofPhysicsandEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

The braille learning machine which could display single line was designed, the voice module played corresponding pronunciation to assist self-study,the display module displayed the current learning content which could help sighted person for tutorship.Three-needle drive was devised according to the contact arrangement of braille, step motor could control it move along the rail from left to right.Three-needle drive drived contact forming corresponding convex point per column in accordance with the braille encoding rules,which greatly reduced the number of driving mechanism and improved the electromagnetic compatibility and stability of system.A new type of convex point generating device called concave and convex switch was proposed,which included sleeve, base and mandrill,it could exchange the concave points and convex points alternately with the action of three-needle drive.It was made of pure mechanical structure and could resume to the original state when power supply cut.Unique reset layer could achieve fully reset only through one button.

three-needle drive； concave and convex switch； machinery retention； automatic reset； braille point

2016-08-13

裴紅星(1975—)，男，河南安陽人，副教授，主要從事電子技術(shù)研究，E-mail:phxlee@zzu.edu.cn.

裴紅星，華怡帆.基于三針驅(qū)動器的盲文學(xué)習(xí)機[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2016，48(4)：80-85.

TP23

A

1671-6841(2016)04-0080-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016677