基于電觸覺技術的盲人電子閱讀器

張育棟 林展辰 龔軍

摘要：觸覺再現是虛擬現實技術（VR）中的一項重要研究，電觸覺是實現觸覺再現的一種有效方式。基于電觸覺技術，針對盲人閱讀的難題，進行電路設計，并通過建立漢語拼音庫、拼音盲文庫實現漢字對盲文的轉化并對其進行編碼，以及以脈沖發生器和觸摸板產生微電流刺激指尖，從而實現盲人感知盲文。

關鍵詞：盲文閱讀器；虛擬現實；電觸覺；盲文；產品設計

截至2016年，據統計，我國有1731萬視力殘疾人，大約占全世界盲人人口總數的20%。觸摸閱讀速度快、識辨度髙，是現階段盲人最主要的閱讀方式。傳統盲文書籍專用紙張昂貴、體積笨重不便攜帶，導致傳統的盲文讀物遠遠滿足不了盲人的閱讀需求。[1]

盲文點字是凸起的點組成的特種文字，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，國際通用的點字一方由6個凸起圓點組成，排列規則為左上第一點，左中第二點，左下第三點，右上第四點，右中第五點，右下第六點。中國盲文采用了以拼音為基礎，拼寫漢語普通話的方案，由三個分別代表聲調、聲母和韻母組成一個發音。并且由GB/T 15720—1995標準規定了漢語雙拼盲文方案、分詞連寫規則等。[2]

由此，本文針對盲人的閱讀難題，構建了一種盲人電子閱讀器。將電子文本中的文字動態地顯示成盲文，以達到代替紙質書籍的效果。

1 盲人電子閱讀器總體構架

以ARM CortexM3為內核的嵌入式開發為核心：

（1）漢字轉盲文翻譯模塊：將中文字符串包裝為矢量集合類型的盲文數據包，從而將導入內部的中文轉換成對應的盲文。

（2）盲文信息電刺激轉換模塊：負責接收通過串口輸出的盲文并生成與之對應的微電流脈沖信號。

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

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

2 電路設計及實現

以STM32芯片設計控制電路。本項目中使用STM32F1作為控制芯片，其擁有最高高達168MHz的主頻，14個定時器，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。使用上位機軟件，將各種格式的電子漢字文檔轉換為盲文編碼文件，再儲存到SD卡中。

（2）盲文譯碼。使用多個74HC595實現串并轉換，以單片機接入74HC595控制模擬開關芯片來控制每個電極是否接入脈沖。

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

（4）終端顯示。終端顯示是一個盲文電極點陣，一個方陣由8個電極構成，6個顯示位，1個低電位，1個標記位。電極形狀為圓形，直徑1.5mm[4]，點距2.5mm。電極采用不銹鋼作為材質，不銹鋼作為良好的導體可以有效的導通微弱電流，不會向皮膚引入非本體離子，不易引起化學反應導致在皮膚與電極之間形成絕緣層。[3]

（5）交互控制。控制按鍵采用以形識義。由于受屏幕大小和盲人的閱讀速度不一，決定采用實體按鍵來控制翻頁，圓形的開關機鍵，方型的停止鍵，向左的三角返回上一頁，向右的三角進入下一頁。

3 文件管理系統

基于裸機開發，使用STM32內核的系統定時器systick中斷，為程序提供多線程功能。

（1）盲文翻譯。參照現有盲文翻譯軟件，將漢字拆解為拼音，并對每個拼音的聲母和韻母以及文本中涉及到的英文字母進行8位編碼，取其6位依次對應盲文點字16的點號，得到相對應的盲文碼。[5]然后將編碼文件固化在單片機中，單片機將會根據盲文字符解碼來驅動硬件譯碼電路。

（2）文件讀取。在STM32F1上移植FATFS讀取SD卡，實現SD卡驅動，從而使單片機能夠直接讀取SD卡中的盲文文件。

（3）盲文解碼。根據硬件設計驅動字庫，將盲文字符解碼譯碼成8位二進制編碼，其最高位為低電位，其次六位為數據位，最后一位為標記位。

（4）數據傳輸。讀取盲文文件，將盲文字符經由字庫進行串口輸出到74HC595轉換電路，再并行輸入到顯示電極。

4 結語

本文從解決盲人的閱讀困難的實際問題出發，以虛擬現實的觸覺再現技術為手段，成功結合嵌入式開發，經過軟硬件的不斷調試改進，最終完成了對盲人電子閱讀器的設計。盲人通過電子閱讀器獲取知識和信息，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：

[1]許燕.電磁式盲文顯示裝置的研究[D].浙江：浙江理工大學，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].東南大學學報，1997，27（6）：15.

[4]胡新明，王劍，徐曉莉.基于感性工學的盲人閱讀器設計研究[A].見：王慶禹.機械設計[C].天津：中國學術期刊電子雜志社，2016，33（5）. 121124.

[5]楊潮，車磊.漢字盲文轉換系統的設計[A].見： 邱林華. 北京印刷學院學報[C].北京：北京印刷學院，2011，19（6）：3638.