機械式點陣觸覺顯示系統

機械式點陣觸覺顯示系統

陳奕鈧1,2劉俊標1李博1郭少鵬1霍榮嶺1

1.中國科學院電工研究所，北京，1001902.中國科學院大學，北京，100049

摘要：設計了一種用于視障人士電子閱讀的機械式點陣顯示系統。該系統通過小棘爪鎖定顯示針的不同位置以保持觸點的狀態，采用Z向驅動器配合XY移動平臺順序控制每個顯示針的凸起，而后由復位驅動器統一復位，從而實現系統中多個觸點的凸起和平整狀態的自動切換。實驗結果表明：采用單個Z向驅動器的系統可在1分鐘內完成54個觸點的凸起和平整狀態自動轉換。

關鍵詞：盲文顯示器；觸覺顯示；三維顯示；小棘爪鎖定機構

中圖分類號：TP24

收稿日期：2015-01-16

作者簡介：陳奕鈧，男，1989年生。中國科學院電工研究所、中國科學院大學博士研究生。主要研究方向為機械工程、能源與電工新材料、微量氣體檢測技術。發表論文2篇。劉俊標(通信作者)，男，1974年生。中國科學院電工研究所微納加工技術與智能電氣設備研究部副研究員。李博，女，1987年生。中國科學院電工研究所微納加工技術與智能電氣設備研究部工程師。郭少鵬，男，1974年生。中國科學院電工研究所微納加工技術與智能電氣設備研究部助理研究員。霍榮嶺，男，1968年生。中國科學院電工研究所微納加工技術與智能電氣設備研究部工程師。

Tactile Display System of Mechanical Dot Matrix

Chen Yikang1,2Liu Junbiao1Li Bo1Guo Shaopeng1Huo Rongling1

1.Institute of Electrical Engineering，Chinese Academic of Sciences，Beijing，100190

2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049

Abstract:This paper proposed a tactile display system of mechanical dot matrix for the blind’s electronic reading. The statuses of dots were kept by claws latching the different positions of the display pins, and the raise status of display pins were controlled by one Z axis actuator cooperating with XY mobile stage. Then all the display pins would be reset by the reset actuator, so that the statuses of dots might be interchanged automatically. The experimental results show that 54 dots can be automatically interchanged in 1 minute between upward and downward positions by using a Z axis actuator.

Key words: braille display device；tactile display；3D display；latching mechanism with claw

0引言

由于視力的缺失，聽覺和觸覺是視障人士獲取信息的主要來源。已有的電子閱讀產品主要是基于視覺設計的，視障人士無法直接使用這些電子產品，需要使用盲文電子書等輔助設備獲得信息。

盲文電子書的關鍵在于觸點的狀態控制和顯示的面積。實現觸點的凸起和平整狀態自動切換的最直接方法是利用直徑為1～2mm、行程為0.5mm左右的直線微驅動器。自20世紀70年代末以來，新型凸點顯示設備技術被陸續提出。采用功能材料如磁性材料[1-4]、壓電材料[5-7]的顯示設備中，功能材料在制作微型致動器時存在制作工藝復雜、成本高、可靠性低等問題。此外，還有采用氣動式[8-9]和機械式[10-13]結構的顯示設備。在實際應用時，需要大量的觸點來表達信息，現有的顯示設備的每個觸點都需配備一個對應的驅動單元，觸點顯示的密度受驅動器的體積限制，文獻[3]采用層疊的方式來增加觸點的密度，增加了其結構的復雜性；同時，驅動單元隨著顯示面積的擴大而增加，導致顯示設備不但體積笨重而且成本劇增。

針對現有問題和實際需求，本文提出了一種方法以盡可能少的直線驅動器來實現觸點的密集顯示。

1結構設計和功能實現

本文系統的設計思路是將Z向驅動器安裝在XY移動平臺上，先由XY移動平臺找尋觸點位置，而后由Z向驅動器驅動顯示針凸起，并保持其位置，使觸點處于凸起狀態；復位驅動器統一復位，使觸點處于平整狀態。這樣一個Z向驅動器能夠順序控制多個顯示針的凸起。

1.1單個觸點的凸起和平整的實現

根據上述思路，觸點處于凸起或平整狀態時需要一種機械結構能夠保持或鎖定，為此設計了小棘爪和顯示針，如圖1所示。顯示針的中間位置有2個臺階軸(上臺階軸和下臺階軸)；當小棘爪的頭部頂在顯示針的上臺階軸下端時，顯示針與基準面平，對應于觸點的平整狀態，如圖1a所示；當小棘爪的頭部頂在顯示針的下臺階軸下端時，顯示針高于基準面，對應于觸點的凸起狀態，如圖1d所示。

(a)觸點　 (b)觸點　 (c)觸點位　 (d)觸點 (e)觸點 平整狀態 上升中 于最高點 凸起狀態 回落中 1.顯示針　2.小棘爪　3.基座　4.復位彈簧　5.Z軸驅動器 圖1　顯示針和小棘爪的結構示意圖和配合狀態

通常，觸點狀態的自動切換需要考慮觸點的初始狀態，有兩種形式：

(1)當觸點的初始狀態為平整時，觸點狀態由平整向凸起狀態轉換的過程如下：小棘爪的頭部位于顯示針的上臺階軸下端，如圖1a所示；使Z向驅動器達到顯示針位置下方后，Z向驅動器驅動顯示針上移，如圖1b所示；由于小棘爪具有一定彈性，在顯示針上移的過程中，小棘爪的頭部會相對滑到顯示針的下臺階軸下端，如圖1c所示；隨著Z向驅動器的復位，顯示針也會在復位彈簧的作用下稍有回落，當顯示針的下臺階軸下端與小棘爪的頭部接觸后，顯示針被小棘爪支撐，不再繼續回落，此時觸點處于凸起狀態，如圖1d所示。

(2)當觸點初始狀態為凸起時，觸點狀態由凸起向平整轉換的過程如下：小棘爪的頭部位于顯示針的下臺階軸下端；復位驅動器推動小棘爪橫向移動，直至小棘爪與顯示針前后錯開。此時，顯示針失去了小棘爪的支撐，在復位彈簧或者重力的作用下會立即回落，見圖1e。回落過程結束后，觸點恢復到平整狀態。

1.2觸點凸起過程受力分析及驅動條件

(1)

圖2　凸起過程受力分析

(2)

將式(1)代入式(2)，令Ff2=μ2FN2，Ff3=μ3FN3，其中，μ2、μ3分別為對應的摩擦因數，整理可得

F1=FN2(cosθ+μ2sinθ)+μ3(FN3+kxΔx)+kΔz

(3)

其中，Δz是根據盲文標準來確定的，驅動力F1的最大值由驅動電機決定。可以通過調節μ2、μ3、kx、k、Δx等參數，滿足驅動條件。

1.3具有54個觸點的觸點凸起和平整單元設計

基于上述方法，設計了54個觸點的狀態自動切換結構。觸點間距排列間距參考盲文標準規定，有9方，每方6個點，共有54個觸點。圖3所示為觸點凸起和平整單元。

1.面板　2.顯示針　3.旁邊小棘爪　4.中間小棘爪　5.機架 6.小棘爪基座　7.底板　8.復位彈簧　9.復位驅動器 圖3　觸點凸起和平整單元

54個顯示針對應于54個觸點，顯示針安裝在單元的中間位置；中間小棘爪有兩排，呈背靠背形式；旁邊小棘爪只有一排；小棘爪的數量和顯示針的數量相同。為保持所有顯示針的顯示高度相等，在顯示針的下端部安裝有底板。面板與底板通過框架來連接固定，小棘爪基座安裝在框架內部，可在底板上面前后運動。復位驅動器安裝在小棘爪基座的后端，與小棘爪基座固定連接，用來移動小棘爪基座，控制小棘爪的頭部與顯示針的接觸位置，以鎖定或保持顯示針的凸起和平整狀態。

1.4系統設計和實現

如圖4所示，機械式點陣顯示系統主要包括計算機控制子系統、運動控制器和點陣凸點顯示子系統。運動控制器包括XY移動平臺控制器、Z向驅動器的控制器和復位驅動器的控制器。點陣凸點顯示子系統的運動包括XY移動平臺的運動、Z向運動和復位運動。觸點凸起和平整鎖定單元固定在機架上；Z軸驅動器固定在多維移動平臺上，可以跟隨多維移動平臺進行X、Y方向的移動。計算機根據需要顯示的盲文圖形，通過串口向運動控制器發送命令；運動控制器接收到指令后，輸出驅動器的功率信號；驅動器驅動點陣凸點顯示子系統進行需要的運動，完成了觸點凸起和平整信息的表達，顯示盲文圖形。

1.觸點凸起和平整單元　2.機架　3.復位驅動器 4.Z向驅動器　5.XY移動平臺　6.基座 圖4　點陣顯示系統的結構示意圖

1.5工作流程圖

定義了2套工作坐標系：XY平臺的坐標系XY和顯示面板坐標系xy。將XY運動平臺限位開關的位置定義為坐標系XY的原點(X0，Y0)，以遠離限位開關的方向為坐標系的正方向，以基座的平面為基準面；定義離坐標系XY原點最近的一個顯示針的位置為坐標系xy的原點(x0，y0)，以面板的平面為基準面，其正方向與坐標系XY的正方向相同；兩個坐標系的偏移位置為(x0- X0，y0- Y0)。系統顯示盲文圖形的工作流程如圖5所示，其具體步驟描述如下：

(1)系統初始化。移動 XY移動平臺至限位開關的位置，即XY坐標系的原點。

(2)系統參數設置與數據解析。系統參數設置是指，用戶通過人機界面，輸入(X0，Y0)和(x0，y0)、顯示針數目與顯示針間隔等參數。數據解析是指，用戶輸入圖片數據給計算機，計算機控制子系統將其解析為與顯示針陣列一一對應的二維點陣數據。每支顯示針的凸起對應于點陣數據的1，平整狀態對應于點陣數據的0。

(3)尋找顯示平面的原點。運動控制器根據接收到的原點位置數據，首先移動XY平臺，使Z向驅動器到xy坐標系的原點(x0，y0)。

(4)讀取該行數據并驅動對應的顯示針。Z向驅動器按照預先設置的顯示針間隔在X方向做逐點掃描。當掃描到數據為1的點時，Z向驅動器執行動作使顯示針凸起。

(5)判斷是否已經掃描了全部的顯示針。如果是則進入下一個步驟，如果否，則移動Z向驅動器，對下一行顯示針進行掃描。

(6)判斷是否需要顯示更多的盲文圖形。如果是，則在設定的時間間隔后，驅動復位驅動器使所有顯示針回到平整狀態，然后從第一個步驟重新開始循環；若果否，則顯示流程結束。

圖5　系統顯示盲文圖形的工作流程圖

2原理樣機及測試

為了證明該機械式點陣系統原理和所顯示數據的可讀性。我們設計了一個3×3的盲文顯示單元的原理樣機。該原理樣機包括硬件系統和軟件控制系統。硬件系統如圖5所示，由一臺PC機、控制器、XYZ多維運動機構、機架以及包含有3×3的顯示單元組成。軟件系統由控制界面、數據處理系統、控制模塊組成。

該原理樣機的總體結構如圖6所示所示，為了測試每個顯示針的顯示的可靠性，我們采用了全1的點陣數據，即所有的顯示針都凸起，點陣數據被打包成控制指令，通過串口傳送給控制器，從而控制移動平臺移動Z向驅動器，驅動顯示針凸起。圖7所示為實驗中觸點顯示界面的情況，XY移動平臺的速度設置為5mm/s，移動平臺按照光柵掃描的方式移動Z軸驅動器進行逐個驅動，完成整個顯示屏的顯示需要將近1min的時間，每個觸點都能實現凸起和平整狀態切換。利用該原理樣機，對26個英文字母以及10個阿拉伯數字的單字顯示進行測試，每個字重復顯示100次。顯示成功率達100%。通過提高移動平臺的移動速度及Z軸驅動器的響應速度可以有效地縮短顯示時間。

1.計算機控制系統　2.觸點凸起　3.機架　4.堆座 5.Z軸驅動器　6.多維運動機構 圖6　顯示器總體結構圖

圖7　盲文顯示器顯示界面

3結語

本文提出的盲文顯示器采用電磁力為觸點的驅動力，通過XY移動平臺尋址，由Z向驅動器來驅動顯示針凸起，多個顯示針共用一個驅動器，觸點與驅動器不再一一對應，觸點的密度不再受驅動器的體積限制；同時，可以通過增大XY移動平臺的行程擴大顯示面積，通過增加多個并行工作的Z向驅動器提高顯示速度。

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(編輯張洋)