CN108711346A - 柔性可穿戴盲人阅读仪 - Google Patents

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吴化平
刘震东
杨建奎
裘烨
梁利华
刘爱萍
张征
王有岩
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B21/00—Teaching, or communicating with, the blind, deaf or mute
    • G09B21/001—Teaching or communicating with blind persons
    • G09B21/006—Teaching or communicating with blind persons using audible presentation of the information

Abstract

本发明基于一种极其灵敏的金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器，提供了一种柔性可穿戴盲人阅读仪，包括传感器单元，信号转换单元，信号传输单元，信号处理单元，手机APP。将本发明贴于手指指尖，在阅读时用指尖触摸需要阅读的盲文或者刻印较深的文字，传感器通过感受凹凸不平的文字而产生电信号，电信号通过信号转换单元将电信号转换为数字信号。数字信号通过信号处理单元与数据库中预先设定的数据做匹配，然后将匹配成功的数字信号通过信号发送单元将数字信号所对应的文字信息发送到手机上，然后手机APP语音播报所感触的盲文。本发明不仅重量轻，结构简单，易于携带和操作而且成本较低，易于大批量，因此拥有较好的市场前景。

Description

柔性可穿戴盲人阅读仪
技术领域
本发明涉及传感器、信号处理技术、文字信息处理技术、无线传感网络、 物联网等领域。尤其涉及到了一种基于金字塔式互锁结构的压阻传感器的柔性 可穿戴动作规范仪，属于智能控制领域。
背景技术
失明给盲人带来种种不便，其中阅读便是其中之一。为解决这个问题，人 类发明了盲文来方便盲人的阅读。但是盲文的使用也有其自身局限性。首先盲 文的学习比较费时费力，因为学习盲文之前要先训练摸读能力。第二对于普通 盲人来说盲文的阅读速度和阅读准确率不是非常的高。第三由于语言版本以及 盲文教材更新较慢等问题会出现教材不能匹配等问题。
本发明的出现则完美解决了上述等问题。本发明通过一种极其灵敏压阻式 压力传感器，通过该传感器感受盲文的凸点而产生电信号，再经过一系列的信 号处理最终通过手机APP播报文字信息。由于传感器的特殊结构，该传感器极 其灵敏，因此文字信息辨识成功率高，失误少。由于传感器的响应时间短，因 此辨识速度快。而本发明的出现降低了盲人的阅读门槛也极大的改善了盲人的 阅读质量。
发明内容
本发明是为了解决盲人阅读时遇到的种种问题和困难而提供的一种阅读仪 器。本发明不仅极大的降低了盲人的阅读难度，而且提高了盲人的阅读速度和 阅读准确率。因此本发明对于方便盲人的日常生活具有重大意义。
为到达到上述功能，本发明是通过以下技术方案实现的：
所述盲人阅读方法，包括以下步骤：
(1)将所述文字信息采集单元贴在手指指肚部位，采集按压盲文时产生的 信号。
(2)将信号传输到所述信号转换单元，将电信号转换为数字信号。
(3)将数字信号传输到数据处理单元中，对数据进行处理，分析和配对。
(4)将分析和配对结果通过信号传输单元发送到手机APP中。
(5)手机APP播报手指所按压的文字。
本发明方法的优点在于：通过按压盲文凸点来感应文字信息并进行语音播 报，该方法操作简单，而且阅读速度较快且出错率低。
本发明仪器的优点在于：仪器所用传感器为原创发明的传感器，由于其结 构的特殊性(金字塔式互锁结构)具有非常高的灵敏性。因此保证了仪器感受 文字信息的准确度和灵敏度。基于仪器的高灵敏度和高准确度，该仪器可以有 效的保证用户的文字阅读准确率和阅读效率。由于最终的文字播报是通过手机 APP，因此可以将文字信息清晰明了的传递给用户。本仪器不仅体积小方便携带， 而且操作简单，可以给不同年龄段的不同教育程度的盲人人群在不同的环境下 提供相应的阅读服务。本发明仪器生产制造简单成本较低，易形成产业化，而 且本发明给盲人提供了一种简单的阅读仪器和阅读方法，对于盲人具有重要意 义。
附图说明
图1是传感器结构图。
图2是将本发明仪器贴在手指指肚上的模拟效果图。
图3是本发明系统的流程框图。
图4是金字塔微结构电阻分析示意图；
图5是金字塔微结构电阻分析示意图。
图6为本发明灵敏度测试图。
具体实施方式
一种基于金字塔式互锁结构的压阻传感器的柔性可穿戴动作规范仪，包括： 文字信息采集单元，信号转换单元，信号传输单元，信号处理单元，手机APP， 纽扣电池。所述发明具体工作原理如下：将传感器按一定阵列布置并贴于手指 指肚下方。当用户在阅读时时，将手指指肚按压在文字上，然后横扫过需要阅 读的文字。盲文的凸点将导致传感器的微小变形，传感器的微小变形将进一步 的导致其本身电阻发生变化，从而导致电信号的变化。将输出的电信号传输到 信号转换单元中，将其转化为数字信号。将转化的数字信号与数据处理单元中 的数据库做匹配。最终的匹配结果将发送到手机APP中，手机APP再对所扫过 的文字进行语音播报。
所述文字信息采集单元包括金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器，用于采 集文字信号，并将其以电信号的形式传输到信号转换单元。如图1所示，所述 种柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的 rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金 字塔阵列相互嵌合；当按压盲文时，凹凸不平的文字会导致传感器发生形变， 继而产生一系列的电信号。该柔性压阻传感器中，上层rGo层电阻为R1,，下层 rGO电阻层为R2，两者之间由金字塔微结构相互接触而导通的电路电阻为R3。由 于中间导电通路是由金字塔塔尖接触而导通的，因此即使受到非常微小的力，也会改变金字塔塔尖所形成的导电通路。其具体过程如下，由于传感器受力而 导致塔尖与相对rGO层相互接触的形状改变，塔尖形状改变导致导电通路的面 积改变，继而改变R3电阻。这就是传感器高灵敏度的具体原理。而不同弯曲角 度，不同按压力度都会形成不同的电阻变化，且具有较高的灵敏度，这就给传 感器具体应用提供了可行性。具体如下：
传感器的总电阻为：
R＝R1+R2+R3 (1)
式中R为传感器的总电阻，其中R1为上层rGO电阻，R2为接触面的电阻，R3为金字塔微结构电阻。详细示意如图4所示。
根据电阻定律将公式(1)改写为：
其中ρ2是接触面的电阻率，L2为接触面的长度，A2为接触面面积，ρ3为金字 塔微结构表面电阻率，L3为金字塔微结构长度，D3为金字塔微结构表面涂层厚 度，W3为金字塔微结构周长。详细示意如图5所示。
将公式(2)改写成：
传感器的电阻改变公式为：
R-R0＝ΔR (4)
其中R0为初始电阻，R为变形后电阻，ΔR为改变的电阻值。
因为
所以将公式(4)改写成：
将公式(5)化简得：
由公式(5)可见电阻值改变的量与接触面积，涂层厚度和金字塔微结构 周长的改变量有关，而金字塔微结构的接触面积，涂层厚度和金字塔微结构周 长可以成倍的改变，这也就解释了该传感器灵敏高的根本原因。
所述信号转换单元主要功能是将电信号转换为数字信号
所述数据处理单元主要功能是将传输过来的数据与数据库做匹配，并将结 果通过信号传输单元传输到手机APP中
所述信号转换单元，数据处理单元可以单片集成化。
所述金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器其制作方法如下：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20 配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正 面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡， 旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃ 加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表 面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可 进行组装，以获得柔性压阻传感器。
作为优选的技术方案，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。所述rGO层的厚度 大约500μm，有利于提高传感器的精度和灵敏度。
存储在数据处理单元中的文字信号通过以下方法获得：将文字信息采集单 元贴在手指指尖上，手指穿戴的传感器按压凹凸不平的标准文字会导致传感器 产生电信号，存储在数据库中。所述电源可采用纽扣电池，为设备提供稳定持 续的电源。

Claims (8)

1.一种柔性可穿戴盲人阅读仪，其特征在于：包括
文字信息采集单元，信号转换单元，信号传输单元，信号处理单元，手机APP，纽扣电池。
文字信息采集单元包括按阵列布置的柔性压阻传感器，用于采集文字信息。所述种柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合；将文字信息采集单元贴在手指指尖上，手指穿戴的传感器按压凹凸不平的文字会导致传感器产生电信号，电信号经过信号转换单元处理后与数据处理单元中的数据库做匹配，最终将匹配结果传输到手机APP上，然后手机APP进行语音播报。
信号转换单元，包括一个微型模数转换器，其功能是将所述传感器采集的电信号转换为数字信号。
数据处理单元是将采集到的信号与预先存储在数据处理单元中文字信号做对比，与相对应的文字做匹配；
信号传输单元主要是将数据处理结果后成功匹配的文字信息发送到手机APP中。
手机APP主要是将传送过来的文字信息通过语音播报出来。
所述纽扣电池为设备提供一个稳定持续的电源。
2.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称。
3.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，两个膜组件封装在PDMS内。
4.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
5.根据权利要求4所述的阅读仪，其特征在于，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
6.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
7.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，存储在数据处理单元中的文字信号通过以下方法获得：将文字信息采集单元贴在手指指尖上，手指穿戴的传感器按压凹凸不平的标准文字会导致传感器产生电信号，存储在数据库中。
8.根据权利要求1所述的阅读仪，其特征在于，所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
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