专利名称：基于视触觉功能替代的桌上触觉盲教装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于盲人教学的桌上触觉盲教装置，尤其是能够让盲人借助虚拟触觉 显示技术实现"视觉触觉功能替代"的桌上触觉盲教装置。
背景技术：
自有人类就有残疾人，盲人是残疾人中以视力障碍为特征的特殊群体，世界卫生组织 的数据表明，目前全世界有盲人近4500万人，视力障碍患者达1.35亿人，全球盲人4500 万盲人中有90%左右在发展中国家，最新研究表明，世界各国，特别是发展中国家的失明 人数还在继续增加。为关爱盲人，每年10月15日是一年一度的国际盲人节。我国现有视 力残疾者877万人，占残疾人总数14.6% 。
没有文化的盲人就是纯粹的瞎子，在生活中很难自食其力，全面加强盲童的基础教育 是决定盲人命运的基本条件。我国盲人的文盲率在70%以上，盲人在基础教育上的先天不 足，导致盲人成为"双重盲人"， 一个是视觉上， 一个是文化上的。"双重盲人"在就业自 立中存在很大障碍，调査表明在亚洲和非洲地区，盲童的入学率通常只有5-7%，为解决 盲童的基础教育问题，我国在很多地区设置了特教班，以保证让每一位适龄盲童能够上学 读书，而如何让没有视力能力的盲童好"读"书，以尽可能地早获取多获取知识，则是其 中的一项重要内容和研究方向。
为了让盲人较好地接受课堂教育，现有的技术手段按照盲人是否完全丧失视力可分为 视觉技术手段和非视觉技术手段两个方面
在视觉技术手段方面，主要针对低视力盲人采用助视器。助视器是能够提高和改善低 视力盲人的视觉能力的装置或设备，能够有效帮助盲人提高学习和说的能力。视觉助视器 可分为光学性和非光学性助视器两种类型，光学性助视器是借助光学效应提高低视力患者 视觉活动能力的光学装置或设备，如凸透镜、三棱镜、平面镜和电子设备等，其作用^l理 是把对象或目标放大了给盲人看。非光学性助视器不是借助光学放大作用，而是通过改变 周围环境来改善盲人的视觉能力，如增加照明、加强对比度、控制反光等。
非视觉技术手段方面，主要针对完全丧失视觉能力的完全意义上的盲人，依靠盲人自
3身的其他感觉来补偿受损的视觉能力，在人类的视、听、触、嗅、味五大感觉功能中，能 用于视觉功能替代的主要是听觉和触觉。
听觉对视觉的功能替代有两种形式， 一是文本朗读即"text-speech"技术，其原理是 在装置或设备系统中预先建立并存储全部字符的语音数据库，应用时根据文本中的字符信 息查找并重组后生成与文本相对应的语音串，经播放后把文本字符朗读给盲人听，该技术 只针对文本字符，对图像无能为力。文本朗读技术已经比较成熟，不仅可以用于盲人，而 且己经广泛应用于手机等消费电子产品中；另一种形式是听觉感知图像，其原理是利用听 觉对立体声音的感知能力使盲人感知视觉图像，该技术能够让盲人以听觉方式感知包括文 本字符的任意图文信息，目前尚处于研究阶段，离实用化还有一段距离。
触觉对视觉的功能替代是把图像像素信息以物理刺激的方式通过安装于患者皮肤表 面的人工触觉显示器作用于患者肌肤，从而让患者以触觉的方式"看"到其周围环境。盲 人具有非常敏锐的触觉能力，而且触觉替代视觉方法不需手术，不仅安全，并且回避了脑
视觉中枢刺激和人工视网膜方法中的生物兼容性难题，因而一直吸引着非常众多的研究人 员和科学家。目前国内外用于触觉的剌激方式主要包括气动剌激、振动刺激、神经肌肉 刺激、电刺激、射流刺激、顶针刺激、电流变液、磁变液体、热刺激和表面声波等。触觉 替代视觉已经取得了很多成果，并有很多成果问世，但公知的技术形式多为点阵结构，如 美国专利局2006年9月26日发布由Michael Franzen, Bocholt (DE)发明的Touch-sensitive display with tactile feedback (Patent US7113177, PCT: PCT/DE01/03402), 2006年11月 21 fl发布由Nakajima, Satoshi发明的Tactilely enhanced visual image display (Patent US7138985)等，该类触觉显示器不仅笨重、尺寸较大、而且价格昂贵、占用有限的课桌 空间，难以大广泛推广并应用于盲人教育。
发明内容
本发明针对现有应用于视觉能力完全丧失盲人的盲教装置存在的价格昂贵、笨重、尺 寸较大等问题，提供一种桌上触觉盲教装置。该盲教装置采用触觉替代视觉技术，能够把 教师控制台上教师要讲授的图文信息内容即时传送到盲人操作者的桌上虚拟触觉显示区 域，使其能够借助触觉显示技术以主动触觉方式实时感知教师讲授的文字和图像信息，可 有效解决现有盲教装置价格昂贵、笨重、尺寸较大、使用不便的难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是把教师控制台上教师要讲授的图文信息 即时传送至盲人操作者端的桌上触觉显示控制器，控制器对图文信息的解析后形成与盲人操作者端的桌上虚拟触觉显示区域相对应的触觉图文点阵映射关系，并提取与当前触点位 置相对应的图文像素参数，驱动触觉显示器使盲人操作者以触觉方式感受到该触点处的图 文像素，当盲人操作者移动手指改变触点位置时，系统计算新的触点位置并更新触觉刺激， 当盲人操作者更多地移动触点时，将能够以主动触觉方式感知教师所讲授的图文信息内 容。
基于视触觉功能替代的桌上触觉盲教装置，包括教师控制台1、触觉显示控制器2、触 点3、上位臂角度传感器7、上位臂8、下位臂角度传感器9、下位臂10、指臂角度传感器
11、 触觉显示区域12和课桌13;其中教师控制台1与触觉显示控制器2相连，触觉显示 控制器2通过上位臂角度传感器7、上位臂8、下位臂角度传感器9和下位臂10以导线与 触点3相连；上位臂8、下位臂角度传感器9 、下位臂IO、和触点3以顺序级联的方式通 过上位臂角度传感器7固定在课桌13上。
本发明最为显著的技术特征在于，采用两杆结构的桌上定位模式，形成二维空间的虚 拟触觉显示平面，可以很好地克服现有盲教装置在实际应用中存在的笨重、尺寸较大、价 格昂贵和不便使用等困难，从而为盲人操作者提供一个感觉清晰直观、易于使用且价格低 廉的触觉盲教装置。
图l是本发明的原理框图2是本发明的原理示意图3是本发明的触觉显示区域分布图中l.教师控制台2.触觉显示控制器3.触点4.手指5.指臂6.角度传感器 7.上位臂角度传感器8.上位臂9.下位臂角度传感器IO.下位臂ll.指臂角度传感器
12. 触觉显示区域13.课桌14.前极限位置15.后极限位置15;其中O是桌上虚拟触觉显 示平面的坐标基准，也是上位臂8旋转运动的中心，A为上位臂8和下位臂10的连接点， B为下位臂10与指臂5的连接点，C为指臂5的端点；cx为OA上位臂8与水平轴线支架 的夹角，(3为上位臂8与下位臂IO之间的夹角，Y为下位臂10与指臂5之间的夹角。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。
图l是本发明的原理框图。其中有教师控制台l、触觉显示控制器2、触点3、手指4、
5指臂5和角度传感器6。其中，教师控制台1把图文信息通过有线或无线连接发送到触觉 显示控制器2，触觉显示控制器2对图文信息进行解析后建立其与图2中虚拟触觉显示区 域12的图文点阵数据映射关系，并提取与当前触点3位置相对应的图文像素参数，同时 驱动触点3，通过触觉刺激操作者手指4使其以触觉方式感知该点处的图文象素信息。操 作者移动手指4，带动指臂5改变触点3的位置时，各臂杆关节处的角度传感器6将当前 位置下的臂杆间角度数据输出至触觉显示控制器2，触觉显示控制器2的微处理器系统可 据此实时计算出触点3新的位置，并依据当前位置及触觉图文点阵数据映射关系得到触点 3新位置下的触觉图文象素参素，该参数可以是"0/l"二值化参数，也可以是灰度参数或 彩色图像参素或热图像参素等，进一步地，系统可依据该参数更新作用于操作者手指4上 的触觉刺激，使其以触觉方式感知触点3处的触觉图文像素值的相对大小，如此循环，当 操作者更多地移动手指遍历更多的位置后，将能够以主动触觉方式感知教师控制台1推送 过来的触觉图文信息。图2中示出了显示汉字"帅"的案例。
图2为本发明提供的触觉导盲装置的示意图。在结构上本发明由教师控制台1、触觉 显示控制器2、触点3、指臂5、上位臂角度传感器7、上位臂8、下位臂角度传感器9、 下位臂IO、指臂角度传感器ll、触觉显示区域12和课桌13组成。其中，课桌13为虚拟 触觉显示平面，并为杆组提供坐标基准。上位臂8、下位臂10和指臂5以顺序级联的方式 连接在课桌13上，指臂5的末端为触点3。指臂5在结构上可以是单杆臂，也可以是图3 中具有多个分叉的多杆臂结构，可视实际应用中所期望的触点数量确定。课桌13和上位 臂8之间有上位臂转角传感器7以测量上位臂8相对于课桌13的位置关系，上位臂8和 下位臂10之间有下位臂转角传感器9以测量下位臂10相对于上位臂8的位置关系，指臂 5和下位臂10之间有指臂角度传感器11以测量指臂5相对于下位臂10的位置关系。由于 上位臂8、下位臂10和指臂5的长度都是确定不变的，当上位臂角度传感器7、下位臂角 度传感器9和指臂角度传感器11的参数已知时，下位臂10的末端和指臂5的末端触点3 在课桌13所确定的坐标基准中的位置也就可以精确计算出来。
图3是本发明的触觉显示区域分布图。其中有上位臂8、下位臂IO、指臂5、前极限 位置14、触觉显示区域12和后极限位置15。其中O是桌上虚拟触觉显示平面的坐标基准， 也是上位臂8旋转运动的中心，A为上位臂8和下位臂10的连接点，B为下位臂10与指 臂5的连接点，C为指臂5的端点。0A构成上位臂8， AB构成下位臂IO。图中ot为OA 上位臂8与水平轴线支架的夹角，p为上位臂8与下位臂10之间的夹角，y为下位臂10 与指臂5之间的夹角。不妨假设O为坐标原点O(O,O)，则B、 C的位置可表示为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点坐标可以看出，其极限位置分别为以IAB-BCI和IAB+Bq为半径的圆环，两者之 间的部分即为下位臂10的末端B点的移动范围，如果以B点为触觉刺激点，则可取图中 点状填充的区域为触觉触觉显示区域12。当以指臂5末端C为触觉刺激点或有多个触觉刺 激点时可以此类推，分别给出各触觉刺激点的坐标计算表达式。
当盲人操作者用指端带动图3中下位臂10或指臂5在课桌上移动时，下位臂10末端 B或指臂5末端C将在一环形区域内移动，图3中示出了下位臂10末端的上下极限位置， 触觉显示区域12即位于后极限位置15和前极限位置14之间，为一矩形区域。
本实施例中的触觉刺激方式可以是电刺激、振动刺激、气动刺激、射流刺激、顶针刺 激等任意可以使操作者获得触觉感知的刺激方式。触觉刺激点可以直接安装在下位臂10 的末端而没有指臂5，也可以是多个触觉刺激点安装在具有多分叉的指臂5的末端， 一个 指臂上也可以设置多个触觉刺激点，只要每个触觉刺激点的相对位置可以精确计算即可。 触觉刺激点的数量越多，盲人操作者将越容易感知教师推送给他们的课堂学习图像，盲教 装置也越实用。
图2中，当盲人操作者不使用本发明装置时，只需把顺序级联的上位臂8和下位臂10 和指臂5推放到课桌前段即可，不会占用课桌空间，下次使用时再拉出来即可，使用极为 方便。
上述实施例表明，本发明装置能够实时地将教师课堂讲授内容推送到盲人操作者端， 并通过视触觉图像映射关系，把教师控制台端的视觉图像以触觉刺激的方式作用于操作者 的指端，从而使其以触觉方式感知课堂讲授内容。
权利要求
1、一种基于视触觉功能替代的桌上触觉盲教装置，其特征在于包括教师控制台(1)、触觉显示控制器(2)、触点(3)、上位臂角度传感器(7)、上位臂(8)、下位臂角度传感器(9)、下位臂(10)、指臂角度传感器(11)、触觉显示区域(12)和课桌(13)；其中教师控制台(1)与触觉显示控制器(2)相连，触觉显示控制器(2)通过上位臂角度传感器(7)、上位臂(8)、下位臂角度传感器(9)和下位臂(10)以导线与触点(3)相连；上位臂角度传感器(7)固定于课桌(13)上，上位臂(8)、下位臂角度传感器(9)、下位臂(10)、和触点(3)以顺序级联的方式通过上位臂角度传感器(7)放置在课桌(13)上。
2、 根据权利要求1所述的桌上触觉盲教装置，其特征在于教师控制台(1)以有线方式或无线方式与触觉显示控制器(2)相连。
3、 根据权利要求1所述的桌上触觉盲教装置，其特征在于所述下位臂(10)末端设置顺序级联的指臂角度传感器(11)和指臂(5)，所述指臂(5)末端为所述触点(3)。
4、 根据权利要求3所述的桌上触觉盲教装置，其特征在于指臂(5)是单杆臂，或是具有数个分叉的多杆臂结构。
5、 根据权利要求3或4所述的桌上触觉盲教装置，其特征在于指臂(5)末端上设置至少一个触点(3)。
6、 根据权利要求1所述的桌上触觉盲教装置，其特征在于触点(3)位置的触觉图文像素参数是"0/1" 二值化参数或灰度参数或彩色图像参数或热图像参数。
全文摘要
本发明提供一种基于视触觉功能替代的桌上触觉盲教装置，包括教师控制台、触觉显示控制器、触点、上位臂角度传感器、上位臂、下位臂角度传感器、下位臂、指臂角度传感器、触觉显示区域和课桌；其中教师控制台与触觉显示控制器相连，触觉显示控制器通过上位臂角度传感器、上位臂、下位臂角度传感器和下位臂以导线与触点相连；上位臂、下位臂角度传感器、下位臂、和触点以顺序级联的方式通过上位臂角度传感器放置在课桌上。当盲人操作者用指端带动臂杆在课桌上移动时，触觉显示控制器可实时计算当前触点位置的触觉图文像素参数，以触觉刺激的方式让盲人操作者感知该触点处的触觉图文象素信息。本发明结构简单、成本低廉、使用方便并具有实时性。
文档编号G09B21/00GK101494001SQ20091002464
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者帅立国, 徐夏敏, 毅 权, 王诚志, 健 高 申请人:东南大学