基于電觸覺技術(shù)的盲人電子閱讀器

張育棟 林展辰 龔軍

摘要：觸覺再現(xiàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）中的一項(xiàng)重要研究，電觸覺是實(shí)現(xiàn)觸覺再現(xiàn)的一種有效方式?；陔娪|覺技術(shù)，針對(duì)盲人閱讀的難題，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并通過建立漢語拼音庫、拼音盲文庫實(shí)現(xiàn)漢字對(duì)盲文的轉(zhuǎn)化并對(duì)其進(jìn)行編碼，以及以脈沖發(fā)生器和觸摸板產(chǎn)生微電流刺激指尖，從而實(shí)現(xiàn)盲人感知盲文。

關(guān)鍵詞：盲文閱讀器；虛擬現(xiàn)實(shí)；電觸覺；盲文；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

截至2016年，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有1731萬視力殘疾人，大約占全世界盲人人口總數(shù)的20%。觸摸閱讀速度快、識(shí)辨度髙，是現(xiàn)階段盲人最主要的閱讀方式。傳統(tǒng)盲文書籍專用紙張昂貴、體積笨重不便攜帶，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。[1]

盲文點(diǎn)字是凸起的點(diǎn)組成的特種文字，盲人必須用觸覺靈敏的指尖摸讀。盲文的組成是以“方”為單位的，國際通用的點(diǎn)字一方由6個(gè)凸起圓點(diǎn)組成，排列規(guī)則為左上第一點(diǎn)，左中第二點(diǎn)，左下第三點(diǎn)，右上第四點(diǎn)，右中第五點(diǎn)，右下第六點(diǎn)。中國盲文采用了以拼音為基礎(chǔ)，拼寫漢語普通話的方案，由三個(gè)分別代表聲調(diào)、聲母和韻母組成一個(gè)發(fā)音。并且由GB/T 15720—1995標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了漢語雙拼盲文方案、分詞連寫規(guī)則等。[2]

由此，本文針對(duì)盲人的閱讀難題，構(gòu)建了一種盲人電子閱讀器。將電子文本中的文字動(dòng)態(tài)地顯示成盲文，以達(dá)到代替紙質(zhì)書籍的效果。

1 盲人電子閱讀器總體構(gòu)架

以ARM CortexM3為內(nèi)核的嵌入式開發(fā)為核心：

（1）漢字轉(zhuǎn)盲文翻譯模塊：將中文字符串包裝為矢量集合類型的盲文數(shù)據(jù)包，從而將導(dǎo)入內(nèi)部的中文轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的盲文。

（2）盲文信息電刺激轉(zhuǎn)換模塊：負(fù)責(zé)接收通過串口輸出的盲文并生成與之對(duì)應(yīng)的微電流脈沖信號(hào)。

（3）終端顯示模塊：是一個(gè)盲文電極點(diǎn)陣，用電極是否有微電流脈沖刺激產(chǎn)生刺激感來分別表示盲文的凸觸點(diǎn)和平觸點(diǎn)。

（4）人機(jī)交互控制模塊：盲人通過按鍵控制盲字切換速度，以及調(diào)節(jié)微電流脈沖幅度來調(diào)節(jié)閱讀速度和舒適度。

2 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

以STM32芯片設(shè)計(jì)控制電路。本項(xiàng)目中使用STM32F1作為控制芯片，其擁有最高高達(dá)168MHz的主頻，14個(gè)定時(shí)器，以滿足閱讀器中多頻率的電脈沖需要、512Kb的flash、192Kb的RAM，和外圍擴(kuò)展的SD卡模塊以支持快速地大量的讀取盲文文本。

（1）文本下載。使用上位機(jī)軟件，將各種格式的電子漢字文檔轉(zhuǎn)換為盲文編碼文件，再儲(chǔ)存到SD卡中。

（2）盲文譯碼。使用多個(gè)74HC595實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，以單片機(jī)接入74HC595控制模擬開關(guān)芯片來控制每個(gè)電極是否接入脈沖。

（3）脈沖發(fā)生器。人體手指神經(jīng)纖維受外部電刺激引起興奮，采用脈沖重復(fù)率為80 Hz，脈沖寬度可調(diào)，均值為零的正、負(fù)向刺激電流波形。[3]使用PWM輸出模式來產(chǎn)生波形，經(jīng)由放大電路，使其能符合每個(gè)電極的電流需求。

（4）終端顯示。終端顯示是一個(gè)盲文電極點(diǎn)陣，一個(gè)方陣由8個(gè)電極構(gòu)成，6個(gè)顯示位，1個(gè)低電位，1個(gè)標(biāo)記位。電極形狀為圓形，直徑1.5mm[4]，點(diǎn)距2.5mm。電極采用不銹鋼作為材質(zhì)，不銹鋼作為良好的導(dǎo)體可以有效的導(dǎo)通微弱電流，不會(huì)向皮膚引入非本體離子，不易引起化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致在皮膚與電極之間形成絕緣層。[3]

（5）交互控制?？刂瓢存I采用以形識(shí)義。由于受屏幕大小和盲人的閱讀速度不一，決定采用實(shí)體按鍵來控制翻頁，圓形的開關(guān)機(jī)鍵，方型的停止鍵，向左的三角返回上一頁，向右的三角進(jìn)入下一頁。

3 文件管理系統(tǒng)

基于裸機(jī)開發(fā)，使用STM32內(nèi)核的系統(tǒng)定時(shí)器systick中斷，為程序提供多線程功能。

（1）盲文翻譯。參照現(xiàn)有盲文翻譯軟件，將漢字拆解為拼音，并對(duì)每個(gè)拼音的聲母和韻母以及文本中涉及到的英文字母進(jìn)行8位編碼，取其6位依次對(duì)應(yīng)盲文點(diǎn)字16的點(diǎn)號(hào)，得到相對(duì)應(yīng)的盲文碼。[5]然后將編碼文件固化在單片機(jī)中，單片機(jī)將會(huì)根據(jù)盲文字符解碼來驅(qū)動(dòng)硬件譯碼電路。

（2）文件讀取。在STM32F1上移植FATFS讀取SD卡，實(shí)現(xiàn)SD卡驅(qū)動(dòng)，從而使單片機(jī)能夠直接讀取SD卡中的盲文文件。

（3）盲文解碼。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)字庫，將盲文字符解碼譯碼成8位二進(jìn)制編碼，其最高位為低電位，其次六位為數(shù)據(jù)位，最后一位為標(biāo)記位。

（4）數(shù)據(jù)傳輸。讀取盲文文件，將盲文字符經(jīng)由字庫進(jìn)行串口輸出到74HC595轉(zhuǎn)換電路，再并行輸入到顯示電極。

4 結(jié)語

本文從解決盲人的閱讀困難的實(shí)際問題出發(fā)，以虛擬現(xiàn)實(shí)的觸覺再現(xiàn)技術(shù)為手段，成功結(jié)合嵌入式開發(fā)，經(jīng)過軟硬件的不斷調(diào)試改進(jìn)，最終完成了對(duì)盲人電子閱讀器的設(shè)計(jì)。盲人通過電子閱讀器獲取知識(shí)和信息，大大降低了閱讀成本，可滿足廣大盲人群體的閱讀需求，將給廣大的盲人群體帶來福音。

參考文獻(xiàn)：

[1]許燕.電磁式盲文顯示裝置的研究[D].浙江：浙江理工大學(xué)，2015：185.

[2]滕偉民，李偉洪，楊忠誠，高旭.中國盲文[M]. 2版.北京：華夏出版社，2005.

[3]金世俊，黃惟一.表面電極下的電觸覺模型研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27（6）：15.

[4]胡新明，王劍，徐曉莉.基于感性工學(xué)的盲人閱讀器設(shè)計(jì)研究[A].見：王慶禹.機(jī)械設(shè)計(jì)[C].天津：中國學(xué)術(shù)期刊電子雜志社，2016，33（5）. 121124.

[5]楊潮，車?yán)?漢字盲文轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[A].見： 邱林華. 北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)[C].北京：北京印刷學(xué)院，2011，19（6）：3638.