一種智能盲文打字機設計

洪 文 吳一鳴 周 龍 郝 明

（合肥工業大學智能制造技術研究院，合肥 230000）

隨著我國教育水平的不斷提高和人們對教育教學的逐漸重視，全民都在積極主動學習文化和接受教育，社會文化程度不斷提高。研究統計顯示，我國盲人約有500萬[1]。越來越多的盲人在盲人學校學習文化、接受教育，從學習中獲取力量，提高受教育水平，從而更好地融入社會，并參與到社會成果的共建共享中來，真正體現了社會和諧與平等[2]。隨著盲人學校學生的增多和學習教學需要的增加，盲文書寫、打印的體量越來越大。目前，盲人學校打印盲文很多是人工在盲文書寫板上手動逐個戳出。這種方法既費時又費力，尤其是在學期末時要打印大量盲文，嚴重影響學校的教育教學。進口的盲文打字機雖然效率高，但是其采購成本高昂。因此，學校和盲人家庭迫切需要低成本高效率的盲文打字機。

1 盲文的組成

盲文或稱點字、凸字，是專為盲人設計、靠觸覺感知的文字。它由透過點字板、點字機、點字打印機等在紙張上制作出不同組合的凸點組成，由法國盲人路易·布萊葉于1824年創造，故國際上通稱為“布萊葉（Braille）”[3]。布萊葉盲文每一個字符由1～6個突起構成，左起自上而下1—2—3，右起自上而下4—5—6布置，盲符結構如圖1所示。目前，我國盲文主要執行中華人民共和國盲文國家標準《中國盲文》（GB/T 15720—2008），凸點底部直徑為1.0～1.6 mm，凸起高度為0.2～0.5 mm，點距為2.2～2.8 mm[4-5]。

圖1 盲符結構

2 設計過程

2.1 設計定位

盲文打字機是一個低成本的智能盲文打印設備，主要有普通漢字轉盲文、盲文打印等功能。通過電腦串口與盲文打字機進行數據交換打印盲文。產品主要針對盲人學校和盲人家庭設計。普通人并不需要學習盲文，只需要在電腦App中輸入相應的漢字即可轉化成對應的盲文并通過盲文打字機打印出來。由于盲人學校教學盲文打印量較大，盲文打字機設計有放紙盒和自動進紙機構，根據打印數量的需要實現連續打印，保證打字機的效率。

2.2 功能要求

通過和盲人學校相關工作人員的溝通，了解在盲人教學過程中人工書寫盲文的痛點，總結盲文打字機的功能需求。首先，漢字轉盲文。通過電腦App可將普通漢字轉換成對應盲文。其次，盲文打印，即能對盲文進行按壓打印，形成盲文。最后，連續打印。在App中設置需要打印的張數即可連續打印。根據盲文打字機的功能需求和產品定位，在滿足產品實際功能的前提下，要充分考慮人機工程學，使得產品外觀簡潔、操作簡單。

3 系統設計

3.1 結構設計

根據產品功能需要可將產品分為上下兩部分，上部分為盲文打字機的打字機構，下部分為盲文打字機的進紙機構。

上部分打字機的打字機構主要為XYZ三軸模組結構，其中XY平面結構采用CoreXY形式設計。CoreXY機構憑借其結構緊湊、運動敏捷的優勢，被廣泛應用于激光雕刻機、FDm型3D打印機等智能設備[6]。CoreXY是一種以簡單且適應性強的格式提供許多計算機化制作工具的基本構件，實現了M1、M2兩電機固定安裝，且能實現移動平臺在X、Y方向的聯動，結構原理如圖2所示。電機固定能減小移動平臺的重量進而減小移動平臺慣性，能有效提升打字機的打字速度和降低系統的振動。根據盲符的精度要求和成本控制，選擇42步進電機為XYZ三軸的驅動電機。傳動方式選擇同步帶，既能保證傳動精度又能減少振動，使傳動平穩。

圖2 CoreXY結構圖

Z軸打點結構安裝在移動平臺上，結構為電機通過同步帶帶動打字針上下動作。打字針前端安裝按壓彈簧，要求按壓彈簧的長度超過打字針頭的長度。按壓彈簧的主要作用為按壓打點時壓住紙張防止紙張滑動，同時打字針抬起時使紙張與打字針分離，防止移動平臺水平移動時打字針穿過紙張導致紙張破裂。打字針內部有保護彈簧，可防止電機旋轉過度導致電機堵轉而損壞電機。根據盲文符的標準，選擇打字針直徑為1.3 mm，前端為半圓頭。Z軸結構如圖3所示。為了保證打字精度，在X、Y、Z這3個方向都裝有復位開關。打印完一張打印紙時，X軸、Y軸、Z軸都進行復位，保證下一張紙打印的精度。

圖3 Z軸結構

盲文打印機進紙機構的結構如圖4所示，主要由放紙板、彈簧、分頁器以及搓紙輪等組成。將需要打字的打印紙放置在放紙板上，控制器給出信號，使驅動裝置動作帶動放紙板抬起。放紙板抬起會通過彈簧將分頁器與搓紙輪接觸，然后打印紙與搓紙輪接觸。在分頁器和搓紙輪摩擦力作用下，每次只有一張紙順利進入導紙槽，然后進入放紙板。導紙槽處的光電開關判斷紙張是否進入打字機。打字板處光電開關對打印紙進行限位，保證打印紙停放精度。打字板兩側安裝有同步帶，同步帶下端與打字板接觸。這樣布置的作用是在進紙過程中同步帶下端會與打印紙上表面接觸，同步帶的轉動會給打印紙提供向前的牽引力，保證打印紙的供給。同步帶也能對打印紙起到限位作用，當進紙機構停止進紙、打字結構打字時，同步帶會壓住打印紙，防止打字過程中紙張跑動。進紙機構中，必須保證傳動比選擇與打印紙接觸的主、被動輪的線速度一致，保證進紙的平穩性。

圖4 進紙機構

根據中華人民共和國盲文國家標準，參考現有的盲文寫字板，盲文打字機中盲文點的布局為30列27行橫向布置。由于采用單根打字針設計，打字時每次動作只能打印一個盲符點，這樣打印一張紙最多需要打點4 860（30×27×6）次。為了提高效率，打字針的運動軌跡為S形，部分運動軌跡如圖5所示。盲文打字機整體結構如圖6所示。

圖5 打字針部分運動軌跡

圖6 盲文打字機

3.2 參數設定

產品定位為盲人學校和盲人家庭使用且功能上滿足連續打印的需要，因此結構相對小型打印機來說較大，相關參數如表1所示。

表1 盲文打字機參數

3.3 打字效果

對盲文板上所有點進行打字動作，打印的盲文清晰，觸摸感強，如圖7所示。

圖7 盲文打字效果

4 結語

盲人學校教學時，人工書寫盲文不僅效率低，而且消耗大量體力。盲人家庭中很多普通人并不懂盲文，且盲人學校和盲人家庭很難負擔起市場中高昂的盲文打字機。這款低成本的智能盲文打字機結合現有打印機的相關技術，一定程度上滿足了盲人學校和盲人家庭的需要，可方便盲人的學習和生活。