復數行盲文點顯器設計方案分析

李 揚，曹歧平，蘇 亮，王 飛，關 淼

（包頭職業技術學院，內蒙古 包頭 014030）

1 研究背景及意義

根據我國第七次人口普查的數據，我國視覺障礙者的數量超過1730 萬；根據世界衛生組織的統計，目前全世界大約有4000 萬到4500 萬視覺障礙者。在我國當前，視覺障礙者主要通過智能手機的語音功能實現獲取信息，但對于傳統的觸覺獲取盲文信息的“盲文閱讀”仍然有較大的需求[1]。

視覺障礙者在使用傳統的盲文點字書籍時存在以下問題：

1.盲文出版物總數極為有限，滿足不了視覺障礙者的基本需求。盲文出版社目前年出版盲文讀物1000種5000 萬頁，但根本無法與普通出版物對比。[2]

2.普通書籍制作成盲文書籍后，體積增大數倍。以紅樓夢為例，盲文紅樓夢全卷共16 冊，且每冊為普通書籍的三倍以上大小。無論存儲還是購買，都給視覺障礙者帶來了極大的困難。

目前有盲文點顯器作為視覺障礙者閱讀的輔助設備，可以在一定程度上解決紙質盲文書籍的問題，但是其存在較大的缺陷：通常只能顯示一行內容[3]。

對于視覺障礙者而言，使用聽覺獲取信息和通過觸覺“盲文閱讀”獲取信息類似于常人的聽覺和視覺的對比：

熟練的盲文閱讀者可以在1 秒讀取8 方的盲文點字，對于最常用的40 方點顯器來說，只用5 秒就可以閱讀完全部顯示內容。頻繁的翻頁非常不利于讀者建立類似于常人視覺閱讀的“盲文閱讀”產生的二維“文章地圖”結構。特別是復雜的文章中，可能需要讀者反復閱讀上線文，當前只有一行的點顯器難以給盲文閱讀者帶來較好的體驗[4]。

綜上，對于廣大視覺障礙者而言，有開發一款和閱讀盲文書籍一樣使用體驗的、可以顯示多行的點顯器的需求；且布萊葉盲文為國際通用。該課題可以極大地豐富視覺障礙者獲取信息的手段，也符合《十四五規劃》中《關于推進信息無障礙的指導意見》的政策方針。

2 國內外研究現狀

目前主流的點顯器都采取了壓電陶瓷執行器作為點字點控制單元。

視覺障礙者在閱讀盲文的時候是通過手指按壓去感知點字內容的，因此點顯器顯示的盲文不應做得較大。為了方便視覺障礙者閱讀，盲文點字點的直徑通常在1.4 毫米至1.5 毫米，點與點的距離在2.2 毫米至2.5 毫米，因此完整的一方點字（6 個或8 個點構成一個完整點字）大約占4 毫米寬，6 毫米或8 毫米長。使用壓電陶瓷片控制點字點升降的點顯器，可以實現在如此小范圍內控制8 個點升降，但是因為其致動需要空間且8 個點的空間堆疊，所以只能顯示一行。并且由于其成本較高，也難以實現同時顯示太多的電子內容。目前市場上主要以20 方點字、40 方點字（最主流）、80 方點字的產品為主。此類點顯器的特點是響應時間快，顯示效果好，價格較高（約2 萬元以上）。這類點顯器每增加一行，就要考慮設置壓電陶瓷的問題，壓電陶瓷需要較長的致動空間才能有效控制點字點的升降，因此這類點顯器最多可以顯示兩行。

此外還有與點顯器采用相同原理的點圖器。與點顯器不同的是，采用了傾斜放置壓電陶瓷片的布局，使得壓電陶瓷執行器的布置不再增加點顯器的厚度，實現了盲文點圖的顯示。這類設備與點顯器采用完全相同的原理，因此有著較高的響應速度和高昂的成本，更難以推廣。而且使用者在嘗試理解點字圖的時候，做不到常人的“一目了然”，只能依靠觸覺較慢的感知形成的點圖。由此產生的效果是：這類點顯器越能顯示較多內容，其極快的響應速度就造成越多的“性能過剩”，對于視覺障礙者而言性價比進一步降低。

3 可顯示復數行盲文點顯器方案

現有的點顯器控制其點字點升降，需要一定的空間來設置諸如壓電陶瓷片的致動器，并分別控制點字的升降，因此實現復數行點顯功能在結構上就相當困難[5]。為此，本設計采用了把點顯器分層的方案，通過上平面下降的方式，讓點字點自動突出于上平面，就可以實現點字點的突出；通過上平面下降，讓不需要凸顯出來的點字點隨上平面下降，就可以選擇出需要凸顯的點字點，實現盲文點字的顯示。

具體來說，在上平面上按照布萊葉盲文點對應的位置打好孔，在孔對應位置的下平面上設置盲文點字點，在點字點上按照可以伸縮的彈簧，如果控制點字點不能通過開孔，則將點字點下壓，否則點字點顯示在上平面表面上。簡單來講，通過上平面的升降以及控制點字點能否通過上平面的孔，就能制作出結構簡單、能夠在有限空間中實現復數行盲文顯示的點顯器。

對于控制點字點能否通過上平面，本設計考慮并測試了使用壓電陶瓷片豎直放置作為卡扣的方案、電磁力實現控制通過與否的方案、控制點字點旋轉或形變控制通過與否的方案等。本文使用壓電陶瓷片豎直放置作為卡扣的方案來進行復數行點顯器原理說明。

具體點字顯示過程：

1.當點顯器上平面抬起時，處于信息可更新的狀態（見圖1（1））。

2.在信息可更新的狀態下，致動要突出的點字點的卡扣左（圖1（2）中為左側）。不需要突出的點字點的卡扣右（圖1（2）中為右側）保持閉鎖狀態（見圖1（2））。

3.上平面下降。不需要突出的點字點右（圖1（3）中為右側）會隨著上平面一起下降。與此同時，要突出的點字點左（圖1（3）中為左側）由于卡扣已經致動打開，會被彈簧支撐保持原位，從而突出到上平面以上（見圖1（3））。

4.當上平面下降時，重新閉鎖之前致動的卡扣左，此時點字點右的突出狀態得以維持，即便在點字點右施加向下的力，因為卡扣的支撐，仍然能夠維持突出狀態。此時是可以閱讀的狀態（見圖1（4））。

5.需要更新點顯器顯示信息時，解開突出的點字點的卡扣左（見圖1（5））。

6.手動將上平面抬起，重新掛上解開的卡扣左，這樣就回到了步驟1 中的信息更新狀態（見圖1（6））。

綜上，使用壓電陶瓷片豎直放置作為卡扣來控制點字點是否通過上平面開孔的形式，可以有效控制需要的點字點突出到平面上，實現盲文的刷新功能。

4 可行性論證

4.1 壓電陶瓷致動器致動行程論證

根據壓電元件的規格書，壓電陶瓷執行器具有0.7毫米的位移能力。通過實驗測量結果，我們驗證了能夠穩定實現0.7 毫米的位移，與規格書中的數值一致。

考慮到點字顯示器頂面移動時，需要確保卡扣的爪子與點字點足夠遠離（見之前的步驟3 和6），因此需要讓卡扣的爪子移動的距離略大于0.45 毫米。

正如前文所述，為了實現卡扣的控制，我們需要大約0.5 毫米左右的位移。因此，在上面可移動和卡扣式點字顯示器的設計中，用于控制卡扣的壓電元件并不需要像點顯器中設置的壓電元件那么長（35.8 毫米），可以使用更短壓電元件來實現卡扣功能。由于上面可移動和卡扣式點字顯示器的結構，執行器可能需要豎直布置，其厚度大致預計將達到約30 毫米左右。

4.2 盲文大小下本方案可行性論證

如圖2 所示，我們取點字點直徑為1.5mm，點與點間距為2.5mm，每一方點字間距4mm，這應當是相對于視覺障礙者比較便于閱讀的尺寸。視覺障礙者在閱讀時通常需要較寬的行間距來準確讀取每一行點字內容，因此行距不需要控制在太小的范圍內。壓電陶瓷執行器厚度約為1mm，寬度可以控制到與點字直徑基本相同，其致動的范圍是0.7mm，因此壓電陶瓷片豎直放置作為卡扣的執行單元，完全可以在合理的點字間距中嵌入并執行卡扣的閉鎖和致動。因此本方案在尺寸上完全具備可行性。

圖2

又因為本設計采用了上下分層的結構，所以控制壓電陶瓷執行器所需要的200V 電壓的升壓模塊、通信模塊、數據通信模塊，都可以集成在下層的結構中，因此本方案有足夠的空間容納所需要的電子元件和機械結構。

并且，在盲文文字較多的情況下，并不需要過快地刷新點顯器顯示的內容，一次更新點顯器的內容，使用者可能需要較長的時間來進行閱讀，更新點顯器內容產生的時間也不會對使用者造成太多不良的使用體驗。

因此本方案是一種可行且對于視覺障礙者使用體驗較好的一種設計。

5 總結與未來規劃

本文設計了一種通過點顯器上平面沉降，控制點字點能否通過上平面開孔的方式，實現盲文的顯示，同時因為其控制單元和致動結構在毫米級別大小的空間仍然可行有效，所以驗證出該方案可以應用在可以顯示復數行的盲文點顯器。

未來，我們計劃繼續尋找較壓電陶瓷執行器更為合適的執行器，進一步降低成本。在現有研究成果上添加點顯器的控制模塊，可以根據漢字內容直接生成點字，完成文字信息在復數行點顯器上的顯示。進一步通過視覺識別，直接把紙質書刊顯示在復數行盲文點顯器上，幫助視覺障礙者實現閱讀的信息無障礙。