專利名稱：基于視觸覺功能替代的桌上觸覺盲教裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于盲人教學(xué)的桌上觸覺盲教裝置，尤其是能夠讓盲人借助虛擬觸覺 顯示技術(shù)實現(xiàn)"視覺觸覺功能替代"的桌上觸覺盲教裝置。
背景技術(shù)：
自有人類就有殘疾人，盲人是殘疾人中以視力障礙為特征的特殊群體，世界衛(wèi)生組織 的數(shù)據(jù)表明，目前全世界有盲人近4500萬人，視力障礙患者達1.35億人，全球盲人4500 萬盲人中有90%左右在發(fā)展中國家，最新研究表明，世界各國，特別是發(fā)展中國家的失明 人數(shù)還在繼續(xù)增加。為關(guān)愛盲人，每年10月15日是一年一度的國際盲人節(jié)。我國現(xiàn)有視 力殘疾者877萬人，占?xì)埣踩丝倲?shù)14.6% 。
沒有文化的盲人就是純粹的瞎子，在生活中很難自食其力，全面加強盲童的基礎(chǔ)教育 是決定盲人命運的基本條件。我國盲人的文盲率在70%以上，盲人在基礎(chǔ)教育上的先天不 足，導(dǎo)致盲人成為"雙重盲人"， 一個是視覺上， 一個是文化上的。"雙重盲人"在就業(yè)自 立中存在很大障礙，調(diào)査表明在亞洲和非洲地區(qū)，盲童的入學(xué)率通常只有5-7%，為解決 盲童的基礎(chǔ)教育問題，我國在很多地區(qū)設(shè)置了特教班，以保證讓每一位適齡盲童能夠上學(xué) 讀書，而如何讓沒有視力能力的盲童好"讀"書，以盡可能地早獲取多獲取知識，則是其 中的一項重要內(nèi)容和研究方向。
為了讓盲人較好地接受課堂教育，現(xiàn)有的技術(shù)手段按照盲人是否完全喪失視力可分為 視覺技術(shù)手段和非視覺技術(shù)手段兩個方面
在視覺技術(shù)手段方面，主要針對低視力盲人采用助視器。助視器是能夠提高和改善低 視力盲人的視覺能力的裝置或設(shè)備，能夠有效幫助盲人提高學(xué)習(xí)和說的能力。視覺助視器 可分為光學(xué)性和非光學(xué)性助視器兩種類型，光學(xué)性助視器是借助光學(xué)效應(yīng)提高低視力患者 視覺活動能力的光學(xué)裝置或設(shè)備，如凸透鏡、三棱鏡、平面鏡和電子設(shè)備等，其作用^l理 是把對象或目標(biāo)放大了給盲人看。非光學(xué)性助視器不是借助光學(xué)放大作用，而是通過改變 周圍環(huán)境來改善盲人的視覺能力，如增加照明、加強對比度、控制反光等。
非視覺技術(shù)手段方面，主要針對完全喪失視覺能力的完全意義上的盲人，依靠盲人自
3身的其他感覺來補償受損的視覺能力，在人類的視、聽、觸、嗅、味五大感覺功能中，能 用于視覺功能替代的主要是聽覺和觸覺。
聽覺對視覺的功能替代有兩種形式， 一是文本朗讀即"text-speech"技術(shù)，其原理是 在裝置或設(shè)備系統(tǒng)中預(yù)先建立并存儲全部字符的語音數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用時根據(jù)文本中的字符信 息查找并重組后生成與文本相對應(yīng)的語音串，經(jīng)播放后把文本字符朗讀給盲人聽，該技術(shù) 只針對文本字符，對圖像無能為力。文本朗讀技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不僅可以用于盲人，而 且己經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機等消費電子產(chǎn)品中；另一種形式是聽覺感知圖像，其原理是利用聽 覺對立體聲音的感知能力使盲人感知視覺圖像，該技術(shù)能夠讓盲人以聽覺方式感知包括文 本字符的任意圖文信息，目前尚處于研究階段，離實用化還有一段距離。
觸覺對視覺的功能替代是把圖像像素信息以物理刺激的方式通過安裝于患者皮膚表 面的人工觸覺顯示器作用于患者肌膚，從而讓患者以觸覺的方式"看"到其周圍環(huán)境。盲 人具有非常敏銳的觸覺能力，而且觸覺替代視覺方法不需手術(shù)，不僅安全，并且回避了腦
視覺中樞刺激和人工視網(wǎng)膜方法中的生物兼容性難題，因而一直吸引著非常眾多的研究人 員和科學(xué)家。目前國內(nèi)外用于觸覺的剌激方式主要包括氣動剌激、振動刺激、神經(jīng)肌肉 刺激、電刺激、射流刺激、頂針刺激、電流變液、磁變液體、熱刺激和表面聲波等。觸覺 替代視覺已經(jīng)取得了很多成果，并有很多成果問世，但公知的技術(shù)形式多為點陣結(jié)構(gòu)，如 美國專利局2006年9月26日發(fā)布由Michael Franzen, Bocholt (DE)發(fā)明的Touch-sensitive display with tactile feedback (Patent US7113177, PCT: PCT/DE01/03402), 2006年11月 21 fl發(fā)布由Nakajima, Satoshi發(fā)明的Tactilely enhanced visual image display (Patent US7138985)等，該類觸覺顯示器不僅笨重、尺寸較大、而且價格昂貴、占用有限的課桌 空間，難以大廣泛推廣并應(yīng)用于盲人教育。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有應(yīng)用于視覺能力完全喪失盲人的盲教裝置存在的價格昂貴、笨重、尺 寸較大等問題，提供一種桌上觸覺盲教裝置。該盲教裝置采用觸覺替代視覺技術(shù)，能夠把 教師控制臺上教師要講授的圖文信息內(nèi)容即時傳送到盲人操作者的桌上虛擬觸覺顯示區(qū) 域，使其能夠借助觸覺顯示技術(shù)以主動觸覺方式實時感知教師講授的文字和圖像信息，可 有效解決現(xiàn)有盲教裝置價格昂貴、笨重、尺寸較大、使用不便的難題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是把教師控制臺上教師要講授的圖文信息 即時傳送至盲人操作者端的桌上觸覺顯示控制器，控制器對圖文信息的解析后形成與盲人操作者端的桌上虛擬觸覺顯示區(qū)域相對應(yīng)的觸覺圖文點陣映射關(guān)系，并提取與當(dāng)前觸點位 置相對應(yīng)的圖文像素參數(shù)，驅(qū)動觸覺顯示器使盲人操作者以觸覺方式感受到該觸點處的圖 文像素，當(dāng)盲人操作者移動手指改變觸點位置時，系統(tǒng)計算新的觸點位置并更新觸覺刺激， 當(dāng)盲人操作者更多地移動觸點時，將能夠以主動觸覺方式感知教師所講授的圖文信息內(nèi) 容。
基于視觸覺功能替代的桌上觸覺盲教裝置，包括教師控制臺1、觸覺顯示控制器2、觸 點3、上位臂角度傳感器7、上位臂8、下位臂角度傳感器9、下位臂10、指臂角度傳感器
11、 觸覺顯示區(qū)域12和課桌13;其中教師控制臺1與觸覺顯示控制器2相連，觸覺顯示 控制器2通過上位臂角度傳感器7、上位臂8、下位臂角度傳感器9和下位臂10以導(dǎo)線與 觸點3相連；上位臂8、下位臂角度傳感器9 、下位臂IO、和觸點3以順序級聯(lián)的方式通 過上位臂角度傳感器7固定在課桌13上。
本發(fā)明最為顯著的技術(shù)特征在于，采用兩桿結(jié)構(gòu)的桌上定位模式，形成二維空間的虛 擬觸覺顯示平面，可以很好地克服現(xiàn)有盲教裝置在實際應(yīng)用中存在的笨重、尺寸較大、價 格昂貴和不便使用等困難，從而為盲人操作者提供一個感覺清晰直觀、易于使用且價格低 廉的觸覺盲教裝置。


圖l是本發(fā)明的原理框圖2是本發(fā)明的原理示意圖3是本發(fā)明的觸覺顯示區(qū)域分布圖中l(wèi).教師控制臺2.觸覺顯示控制器3.觸點4.手指5.指臂6.角度傳感器 7.上位臂角度傳感器8.上位臂9.下位臂角度傳感器IO.下位臂ll.指臂角度傳感器
12. 觸覺顯示區(qū)域13.課桌14.前極限位置15.后極限位置15;其中O是桌上虛擬觸覺顯 示平面的坐標(biāo)基準(zhǔn)，也是上位臂8旋轉(zhuǎn)運動的中心，A為上位臂8和下位臂10的連接點， B為下位臂10與指臂5的連接點，C為指臂5的端點；cx為OA上位臂8與水平軸線支架 的夾角，(3為上位臂8與下位臂IO之間的夾角，Y為下位臂10與指臂5之間的夾角。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步說明。
圖l是本發(fā)明的原理框圖。其中有教師控制臺l、觸覺顯示控制器2、觸點3、手指4、
5指臂5和角度傳感器6。其中，教師控制臺1把圖文信息通過有線或無線連接發(fā)送到觸覺 顯示控制器2，觸覺顯示控制器2對圖文信息進行解析后建立其與圖2中虛擬觸覺顯示區(qū) 域12的圖文點陣數(shù)據(jù)映射關(guān)系，并提取與當(dāng)前觸點3位置相對應(yīng)的圖文像素參數(shù)，同時 驅(qū)動觸點3，通過觸覺刺激操作者手指4使其以觸覺方式感知該點處的圖文象素信息。操 作者移動手指4，帶動指臂5改變觸點3的位置時，各臂桿關(guān)節(jié)處的角度傳感器6將當(dāng)前 位置下的臂桿間角度數(shù)據(jù)輸出至觸覺顯示控制器2，觸覺顯示控制器2的微處理器系統(tǒng)可 據(jù)此實時計算出觸點3新的位置，并依據(jù)當(dāng)前位置及觸覺圖文點陣數(shù)據(jù)映射關(guān)系得到觸點 3新位置下的觸覺圖文象素參素，該參數(shù)可以是"0/l"二值化參數(shù)，也可以是灰度參數(shù)或 彩色圖像參素或熱圖像參素等，進一步地，系統(tǒng)可依據(jù)該參數(shù)更新作用于操作者手指4上 的觸覺刺激，使其以觸覺方式感知觸點3處的觸覺圖文像素值的相對大小，如此循環(huán)，當(dāng) 操作者更多地移動手指遍歷更多的位置后，將能夠以主動觸覺方式感知教師控制臺1推送 過來的觸覺圖文信息。圖2中示出了顯示漢字"帥"的案例。
圖2為本發(fā)明提供的觸覺導(dǎo)盲裝置的示意圖。在結(jié)構(gòu)上本發(fā)明由教師控制臺1、觸覺 顯示控制器2、觸點3、指臂5、上位臂角度傳感器7、上位臂8、下位臂角度傳感器9、 下位臂IO、指臂角度傳感器ll、觸覺顯示區(qū)域12和課桌13組成。其中，課桌13為虛擬 觸覺顯示平面，并為桿組提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。上位臂8、下位臂10和指臂5以順序級聯(lián)的方式 連接在課桌13上，指臂5的末端為觸點3。指臂5在結(jié)構(gòu)上可以是單桿臂，也可以是圖3 中具有多個分叉的多桿臂結(jié)構(gòu)，可視實際應(yīng)用中所期望的觸點數(shù)量確定。課桌13和上位 臂8之間有上位臂轉(zhuǎn)角傳感器7以測量上位臂8相對于課桌13的位置關(guān)系，上位臂8和 下位臂10之間有下位臂轉(zhuǎn)角傳感器9以測量下位臂10相對于上位臂8的位置關(guān)系，指臂 5和下位臂10之間有指臂角度傳感器11以測量指臂5相對于下位臂10的位置關(guān)系。由于 上位臂8、下位臂10和指臂5的長度都是確定不變的，當(dāng)上位臂角度傳感器7、下位臂角 度傳感器9和指臂角度傳感器11的參數(shù)已知時，下位臂10的末端和指臂5的末端觸點3 在課桌13所確定的坐標(biāo)基準(zhǔn)中的位置也就可以精確計算出來。
圖3是本發(fā)明的觸覺顯示區(qū)域分布圖。其中有上位臂8、下位臂IO、指臂5、前極限 位置14、觸覺顯示區(qū)域12和后極限位置15。其中O是桌上虛擬觸覺顯示平面的坐標(biāo)基準(zhǔn)， 也是上位臂8旋轉(zhuǎn)運動的中心，A為上位臂8和下位臂10的連接點，B為下位臂10與指 臂5的連接點，C為指臂5的端點。0A構(gòu)成上位臂8， AB構(gòu)成下位臂IO。圖中ot為OA 上位臂8與水平軸線支架的夾角，p為上位臂8與下位臂10之間的夾角，y為下位臂10 與指臂5之間的夾角。不妨假設(shè)O為坐標(biāo)原點O(O,O)，則B、 C的位置可表示為B: [OA*cosa+AB*cos(>t-a-p)， AB承sin(兀-a-(3)—OA承sina〗
C: [OA*cosa+AB*cos(7i-a-p)+BC*cos(a+|3")， AB * sin(兀-a-P)隱OA承sina-BC * sin(a+卩+y)]
由B點坐標(biāo)可以看出，其極限位置分別為以IAB-BCI和IAB+Bq為半徑的圓環(huán)，兩者之 間的部分即為下位臂10的末端B點的移動范圍，如果以B點為觸覺刺激點，則可取圖中 點狀填充的區(qū)域為觸覺觸覺顯示區(qū)域12。當(dāng)以指臂5末端C為觸覺刺激點或有多個觸覺刺 激點時可以此類推，分別給出各觸覺刺激點的坐標(biāo)計算表達式。
當(dāng)盲人操作者用指端帶動圖3中下位臂10或指臂5在課桌上移動時，下位臂10末端 B或指臂5末端C將在一環(huán)形區(qū)域內(nèi)移動，圖3中示出了下位臂10末端的上下極限位置， 觸覺顯示區(qū)域12即位于后極限位置15和前極限位置14之間，為一矩形區(qū)域。
本實施例中的觸覺刺激方式可以是電刺激、振動刺激、氣動刺激、射流刺激、頂針刺 激等任意可以使操作者獲得觸覺感知的刺激方式。觸覺刺激點可以直接安裝在下位臂10 的末端而沒有指臂5，也可以是多個觸覺刺激點安裝在具有多分叉的指臂5的末端， 一個 指臂上也可以設(shè)置多個觸覺刺激點，只要每個觸覺刺激點的相對位置可以精確計算即可。 觸覺刺激點的數(shù)量越多，盲人操作者將越容易感知教師推送給他們的課堂學(xué)習(xí)圖像，盲教 裝置也越實用。
圖2中，當(dāng)盲人操作者不使用本發(fā)明裝置時，只需把順序級聯(lián)的上位臂8和下位臂10 和指臂5推放到課桌前段即可，不會占用課桌空間，下次使用時再拉出來即可，使用極為 方便。
上述實施例表明，本發(fā)明裝置能夠?qū)崟r地將教師課堂講授內(nèi)容推送到盲人操作者端， 并通過視觸覺圖像映射關(guān)系，把教師控制臺端的視覺圖像以觸覺刺激的方式作用于操作者 的指端，從而使其以觸覺方式感知課堂講授內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種基于視觸覺功能替代的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于包括教師控制臺(1)、觸覺顯示控制器(2)、觸點(3)、上位臂角度傳感器(7)、上位臂(8)、下位臂角度傳感器(9)、下位臂(10)、指臂角度傳感器(11)、觸覺顯示區(qū)域(12)和課桌(13)；其中教師控制臺(1)與觸覺顯示控制器(2)相連，觸覺顯示控制器(2)通過上位臂角度傳感器(7)、上位臂(8)、下位臂角度傳感器(9)和下位臂(10)以導(dǎo)線與觸點(3)相連；上位臂角度傳感器(7)固定于課桌(13)上，上位臂(8)、下位臂角度傳感器(9)、下位臂(10)、和觸點(3)以順序級聯(lián)的方式通過上位臂角度傳感器(7)放置在課桌(13)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于教師控制臺(1)以有線方式或無線方式與觸覺顯示控制器(2)相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于所述下位臂(10)末端設(shè)置順序級聯(lián)的指臂角度傳感器(11)和指臂(5)，所述指臂(5)末端為所述觸點(3)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于指臂(5)是單桿臂，或是具有數(shù)個分叉的多桿臂結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于指臂(5)末端上設(shè)置至少一個觸點(3)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的桌上觸覺盲教裝置，其特征在于觸點(3)位置的觸覺圖文像素參數(shù)是"0/1" 二值化參數(shù)或灰度參數(shù)或彩色圖像參數(shù)或熱圖像參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于視觸覺功能替代的桌上觸覺盲教裝置，包括教師控制臺、觸覺顯示控制器、觸點、上位臂角度傳感器、上位臂、下位臂角度傳感器、下位臂、指臂角度傳感器、觸覺顯示區(qū)域和課桌；其中教師控制臺與觸覺顯示控制器相連，觸覺顯示控制器通過上位臂角度傳感器、上位臂、下位臂角度傳感器和下位臂以導(dǎo)線與觸點相連；上位臂、下位臂角度傳感器、下位臂、和觸點以順序級聯(lián)的方式通過上位臂角度傳感器放置在課桌上。當(dāng)盲人操作者用指端帶動臂桿在課桌上移動時，觸覺顯示控制器可實時計算當(dāng)前觸點位置的觸覺圖文像素參數(shù)，以觸覺刺激的方式讓盲人操作者感知該觸點處的觸覺圖文象素信息。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用方便并具有實時性。
文檔編號G09B21/00GK101494001SQ20091002464
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者帥立國, 徐夏敏, 毅 權(quán), 王誠志, 健 高 申請人:東南大學(xué)