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基于电触觉技术的盲人电子阅读器

发布时间:2018-09-27 15:36所属分类:理工论文浏览:1

摘要:触觉再现是虚拟现实技术(VR)中的一项重要研究,电触觉是实现触觉再现的一种有效方式。基于电触觉技术,针对盲人阅读的难题,进行电路设计,并通过建立汉语-拼音库、拼音-盲文库实现汉字对盲文的转化并对其进行编码,以及以脉冲发生器和触摸板产生微电流

  摘要:触觉再现是虚拟现实技术(VR)中的一项重要研究,电触觉是实现触觉再现的一种有效方式。基于电触觉技术,针对盲人阅读的难题,进行电路设计,并通过建立汉语-拼音库、拼音-盲文库实现汉字对盲文的转化并对其进行编码,以及以脉冲发生器和触摸板产生微电流刺激指尖,从而实现盲人感知盲文。

  关键词:盲文阅读器,虚拟现实,电触觉,盲文,产品设计

  截至2016年,据统计,我国有1731万视力残疾人,大约占全世界盲人人口总数的20%。触摸阅读速度快、识辨度髙,是现阶段盲人最主要的阅读方式。传统盲文书籍专用纸张昂贵、体积笨重不便携带,导致传统的盲文读物远远满足不了盲人的阅读需求。[1]盲文点字是凸起的点组成的特种文字,盲人必须用触觉灵敏的指尖摸读。盲文的组成是以“方”为单位的,国际通用的点字一方由6个凸起圆点组成,排列规则为左上第一点,左中第二点,左下第三点,右上第四点,右中第五点,右下第六点。

  中国盲文采用了以拼音为基础,拼写汉语普通话的方案,由三个分别代表声调、声母和韵母组成一个发音。并且由GB/T15720—1995标准规定了汉语双拼盲文方案、分词连写规则等。[2]由此,本文针对盲人的阅读难题,构建了一种盲人电子阅读器。将电子文本中的文字动态地显示成盲文,以达到代替纸质书籍的效果。

  1盲人电子阅读器总体构架

  以ARMCortex-M3为内核的嵌入式开发为核心:(1)汉字转盲文翻译模块:将中文字符串包装为矢量集合类型的盲文数据包,从而将导入内部的中文转换成对应的盲文。(2)盲文信息电刺激转换模块:负责接收通过串口输出的盲文并生成与之对应的微电流脉冲信号。(3)终端显示模块:是一个盲文电极点阵,用电极是否有微电流脉冲刺激产生刺激感来分别表示盲文的凸触点和平触点。(4)人机交互控制模块:盲人通过按键控制盲字切换速度,以及调节微电流脉冲幅度来调节阅读速度和舒适度。

  2电路设计及实现

  以STM32芯片设计控制电路。本项目中使用STM32F1作为控制芯片,其拥有最高高达168MHz的主频,14个定时器,以满足阅读器中多频率的电脉冲需要、512Kb的flash、192Kb的RAM,和外围扩展的SD卡模块以支持快速地大量的读取盲文文本。

  (1)文本下载。使用上位机软件,将各种格式的电子汉字文档转换为盲文编码文件,再储存到SD卡中。

  (2)盲文译码。使用多个74HC595实现串-并转换,以单片机接入74HC595控制模拟开关芯片来控制每个电极是否接入脉冲。

  (3)脉冲发生器。人体手指神经纤维受外部电刺激引起兴奋,采用脉冲重复率为80Hz,脉冲宽度可调,均值为零的正、负向刺激电流波形。[3]使用PWM输出模式来产生波形,经由放大电路,使其能符合每个电极的电流需求。

  (4)终端显示。终端显示是一个盲文电极点阵,一个方阵由8个电极构成,6个显示位,1个低电位,1个标记位。电极形状为圆形,直径1.5mm[4],点距2.5mm。电极采用不锈钢作为材质,不锈钢作为良好的导体可以有效的导通微弱电流,不会向皮肤引入非本体离子,不易引起化学反应导致在皮肤与电极之间形成绝缘层。[3]

  (5)交互控制。控制按键采用以形识义。由于受屏幕大小和盲人的阅读速度不一,决定采用实体按键来控制翻页,圆形的开关机键,方型的停止键,向左的三角返回上一页,向右的三角进入下一页。

  3文件管理系统

  基于裸机开发,使用STM32内核的系统定时器systick中断,为程序提供多线程功能。

图1

  (1)盲文翻译。参照现有盲文翻译软件,将汉字拆解为拼音,并对每个拼音的声母和韵母以及文本中涉及到的英文字母进行8位编码,取其6位依次对应盲文点字1-6的点号,得到相对应的盲文码。[5]然后将编码文件固化在单片机中,单片机将会根据盲文字符解码来驱动硬件译码电路。

  (2)文件读取。在STM32F1上移植FATFS读取SD卡,实现SD卡驱动,从而使单片机能够直接读取SD卡中的盲文文件。

  (3)盲文解码。根据硬件设计驱动字库,将盲文字符解码译码成8位二进制编码,其最高位为低电位,其次六位为数据位,最后一位为标记位。

  (4)数据传输。读取盲文文件,将盲文字符经由字库进行串口输出到74HC595转换电路,再并行输入到显示电极。

  4结语

  本文从解决盲人的阅读困难的实际问题出发,以虚拟现实的触觉再现技术为手段,成功结合嵌入式开发,经过软硬件的不断调试改进,最终完成了对盲人电子阅读器的设计。盲人通过电子阅读器获取知识和信息,大大降低了阅读成本,可满足广大盲人群体的阅读需求,将给广大的盲人群体带来福音。

  参考文献:

  [1]许燕.电磁式盲文显示装置的研究[D].浙江:浙江理工大学,2015:1-85.

  [2]滕伟民,李伟洪,杨忠诚,高旭.中国盲文[M].2版.北京:华夏出版社,2005.

  [3]金世俊,黄惟一.表面电极下的电触觉模型研究[J].东南大学学报,1997,27(6):1-5.[4]胡新明,王剑,徐晓莉.基于感性工学的盲人阅读器设计研究[A].见:王庆禹.机械设计[C].天津:中国学术期刊电子杂志社,2016,33(5).121-124.

  [5]杨潮,车磊.汉字盲文转换系统的设计[A].见:邱林华.北京印刷学院学报[C].北京:北京印刷学院,2011,19(6):36-38.

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