CN108983985B - 一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置和方法，属于人机交互领域。触觉反馈方式包括振动、静电力和空气压膜效应触觉反馈，可单向改变法向力、双向改变切向力。装置包括定位单元、处理单元、信号加载装置和交互单元。定位单元，用于获取手指位置信息并发送给处理单元；处理单元根据接收到的位置信息得到驱动触觉反馈信号的参数，并发送给信号加载装置；信号加载装置产生对应的驱动信号，同时驱动交互单元；交互单元可以改变手指受到的切向力和法向力，使手指感知多元触觉力作用。本发明采用多元触觉反馈方式，通过改变手指受到的不同触觉力再现特定六点制盲文，可有效地提高盲人阅读的效率和准确性。

Description

一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置和方法

技术领域

本发明涉及人机交互领域，具体涉及一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置和方法。

背景技术

盲人无法和正常人一样通过视觉观察周围的事物，主要依靠耳朵的听觉以及皮肤的触觉获取外界信息。长期以来，透过点字板、点字机、点字打印机等在纸张上制作出不同组合的凸点而组成的纸质版盲文供盲人学习使用，但是针对盲文的书籍数量少，品种单一，体积大且笨重，盲人不仅难以获取，而且使用起来也很不方便，这极大限制了盲人群体整体文化水平的提高。

触觉再现技术是人机交互领域的研究热点，随着计算机及相关软硬件技术的发展，针对盲人的知识获取以及信息交流等问题，目前已经存在一些实现触觉再现的装置和方法。

2011年，美国迪斯尼研究中心利用静电力触觉反馈装置和静电力触觉渲染方法，分别采用调频、时间映射和空间分离三种调节方式分别对凸起的盲点进行渲染，但是当盲人用户使用手指触摸显示屏时，手指无法保持水平或垂直的移动，所以无法准确检测到六个盲点的相对位置，致使盲人用户无法准确辨别出盲文。

中国专利“一种显示盲文的方法及显示装置”(申请号：201510176136.2)公开了一种显示盲文的方法及显示装置，通过压电式振动器阵列实现盲文显示，装置结构复杂，不易集成在终端上，且压电式振动器仅能实现单一的触觉力变化，再现盲文效果不很理想。

中国专利“一种应用于盲文阅读的触觉再现装置和方法”(申请号：201410481501.6)公开了一种应用于盲文阅读的静电力触觉再现装置和方法，该方法将一方盲文划分为盲点区和背景区，又进一步将盲点区的每个盲点划分为圆环区域和内圆区域，其中圆环区域始终加载静电力触觉反馈信号，通过控制内圆区域信号的有无实现盲文的凸点与非凸点，进而实现盲文符号的渲染，此方法虽可有效地提高盲人阅读的效率，但是仅采用静电力触觉反馈信号的有无实现盲文再现，盲文的凸点与非凸点差异不明显，限制了盲文识别率，并且触感单一，亦无法为盲人提供丰富的触觉体验。

发明内容

本发明提供一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置和方法，以解决现有盲文装置的复杂、不便携性和盲文触觉再现方法的盲文识别率受限等问题。

本发明采取的技术方案是，一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，包括：

(1)定位单元，包括具有定位功能的装置，用于定位获取手指的位置信息，并将该信息发送到处理单元；

(2)处理单元，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，同时对手指位置处的图像进行触觉渲染，将得到的触觉反馈驱动信号参数发送到信号加载装置；

(3)信号加载装置，根据驱动触觉反馈信号参数生成相应的驱动信号，并利用该信号驱动交互单元；

(4)交互单元，可以改变手指受到的切向力和法向力，使手指感知多元触觉力作用。

本发明所述的交互单元中，改变手指所受法向力的方式包括但不局限于振动触觉再现；改变手指所受切向力的方式包括但不局限于静电力触觉再现、空气压膜效应触觉再现。

一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法，将一方盲文分为盲点区域和背景区域，不同区域下根据不同灰度值分别施加不同的触觉反馈信号，实现盲文触觉再现。

本发明所述的背景区域和盲点区域如下：

(1)背景区域，灰度值为g₀；

(2)盲点区域，灰度值为g₁或g₂，当灰度值为g₁时，表示盲文凸点；当灰度值为g₂时，表示盲文平点。

本发明所述的触觉反馈信号，包括振动触觉反馈信号，静电力触觉反馈信号和空气压膜效应触觉反馈信号。

本发明所述的施加不同的触觉反馈信号，其加载方式包括以下步骤：

1)根据所获取的手指位置信息计算该点处灰度值G_r：

其中，R、G、B为图像红、绿、蓝颜色分量；

2)根据该点处不同的灰度值施加不同的触觉反馈信号，包括以下步骤：

(1)当手指触摸到背景区域时，计算得到该点灰度值G_r为g₀，信号加载装置不向交互单元施加任何触觉反馈信号；

(2)当手指触摸到盲点区域时，信号加载装置向交互单元施加振动触觉反馈信号，对手指产生振动触觉感受，得知六个盲点的相对位置；

当计算得到该点灰度值G_r为g₁，信号加载装置再向交互单元施加静电力触觉反馈信号，产生增大摩擦力触感，即对手指产生振动与静电力结合的触觉感受，表示盲文凸点；

当计算得到该点灰度值G_r为g₂，信号加载装置再向交互单元施加空气压膜效应触觉反馈信号，产生减小摩擦力触感，即对手指产生振动与空气压膜效应结合的触觉感受，表示盲文平点；

(3)通过步骤(2)对六个盲点的触摸感知，得知一方盲文各个盲点为凸点或者平点，便得知此盲文符号表达的具体含义。

本发明所述振动触觉反馈信号、静电力触觉反馈信号和空气压膜效应触觉反馈信号，均为周期性的方波激励信号。

本发明为更好实现盲文触觉再现，融合振动、静电力和空气压膜效应三种触觉反馈方式，针对单个盲点，由于振动触觉反馈可以给手指提供触感较强的法向力，具有明显的提示作用，所以采用振动触觉反馈渲染盲点区域以提供六个盲点的相对位置；而静电力触觉反馈和空气压膜效应触觉反馈分别可以增大和减小手指受到的切向力，所以分别用来表示盲文凸点与盲文平点，静电力与空气压膜效应的结合，扩大了手指受到的切向力范围，增强了一方盲文的凸点与平点的差异性，提高了盲文识别率。振动、静电力和空气压膜效应的有效结合，也实现了主动与被动交互的结合，丰富了盲人用户的触觉交互体验。

本发明具有以下优点：

1、基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，操作简单，体积小，便于携带；

2、采用多元触觉反馈方式，实现了切向力与法向力的结合，拓展了触觉力交互维度；

3、基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法，实时性高，可为用户提供较为真实的触觉体验。

附图说明

图1是本发明基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置的框图；

图2是本发明信号加载装置的结构框图；

图3是本发明交互单元的结构框图；

图4是本发明静电力触觉反馈受力分析图；

图5是本发明空气压膜效应触觉反馈受力分析图；

图6是本发明振动触觉反馈受力分析图；

图7是本发明盲文格式结构图；

图8是本发明基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法的整体流程图；

图9是本发明具体盲文示例图。

具体实施方式

一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，包括：

(1)定位单元10，包括具有定位功能的装置，用于定位获取手指的位置信息，并将该信息发送到处理单元；

(2)处理单元11，包括各种多媒体终端，用于输出视觉信息，同时对手指位置处的图像进行触觉渲染，将得到的触觉反馈驱动信号参数发送到信号加载装置；

(3)信号加载装置12，根据驱动触觉反馈信号参数生成相应的驱动信号，并利用该信号驱动交互单元；

(4)交互单元13，可以改变手指受到的切向力和法向力，使手指感知多元触觉力作用。

本发明所述的交互单元中，改变手指所受法向力的方式包括但不局限于振动触觉再现；改变手指所受切向力的方式包括但不局限于静电力触觉再现、空气压膜效应触觉再现。

本发明所述处理单元11，包括液晶显示屏，用于呈现特定六点制盲文格式。

本发明所述信号加载装置12，其主要功能单元如下：

(1)核心控制器1201，用于存储方波、正弦波和锯齿波等常用波形，接收处理单元11传递过来的振动触觉反馈驱动信号参数：幅度A₁、频率F₁、波形W₁；静电力触觉驱动信号参数：幅度A₂、频率F₂、波形W₂；空气压膜效应触觉驱动信号参数：幅度A₃、频率F₃、波形W₃；同时控制其他模块工作状态。

(2)振动源驱动模块1202，核心控制器1201根据幅度A₁、频率F₁、波形W₁向振动源驱动模块1202发送控制数据，振动源驱动模块1202产生相应的振动触觉反馈驱动信号。

(3)静电力驱动模块1203，包括D/A转换器一120301、D/A转换器二120302、功率放大器120303，其中D/A转换器一120301通过接收核心控制器模块1201发送的波形数据产生频率F₂、波形W₂可调的基础信号，该基础信号作为D/A转换器二120302的参考电压，再结合核心控制器模块1201的幅度控制数据A₂就可以实现基础信号的电压调节，之后将该信号输入到功率放大器120303进行电压放大，进而输出静电力触觉反馈驱动信号。

(4)空气压膜驱动模块1204，包括DDS模块120401，数字电位器120402，高频功率放大器模块120403，其中DDS模块120401通过接收核心控制器模块1201发送的波形数据产生频率F₃、波形W₃的可调基础信号，该基础信号作为数字电位器120402的参考电压，再结合核心控制器模块1201的幅度控制数据A₃就可以实现基础信号的电压调节，之后将该信号输入到高频功率放大器模块120403进行电流和电压的放大，进而输出空气压膜触觉反馈驱动信号。

本发明所述交互单元13，主要包括：

(1)单点电容屏1301，通过改变指尖与电容屏之间的库仑力，进而增大指尖受到的切向力，其结构及指尖受力分析如图4所示，其结构包括起支撑作用的玻璃底板130103，用以施加激励信号的透明电极层130102，和顶层的绝缘膜130101，不施加驱动信号时，手指受到的支持力和摩擦力分别为F_N和F_f；施加驱动信号时，手指在屏幕上滑动时，手指因电荷感应而携带电荷，在手指与屏幕之间产生静电力F_e，使得手指受到的支持力变为F_N'＝F_N+F_e，导致切向力变大；所以可以通过调节施加的信号参数来控制切向力大小；

(2)高频压电陶瓷片1302，空气压膜效应通过在手指与单点电容屏1301之间产生空气薄膜来减小手指所受切向力。高频压电陶瓷片1302需对称粘贴在单点电容屏1301的绝缘膜130101的一组对边上，根据电容屏的尺寸确定其所需数量；其受力分析如图5所示，高频压电陶瓷片未受到激励时，手指所受到的支持力和摩擦力分别为F_N和F_f；高频压电陶瓷片受到激励时，带动单点电容屏1301产生高频振动，手指位于屏幕上方时，两者之间空气分子遭到周期性挤压，由于空气分子的粘滞力的作用，空气分子在振动循环中不能及时逃离，从而产生空气压膜效应，使得手指受到的支持力F_N”变小，从而减小手指受到的摩擦力；所以可以通过调节驱动信号幅度的大小来控制手指所受切向力大小；

(3)振动源1303，主要用来改变手指受到的法向力；选取的振动源1303应满足于法向振动力较大而切向振动较小的型号，振动源1303需对称粘贴在单点电容屏1301的绝缘膜130101另一组对边上，根据电容屏的尺寸确定其所需数量，其受力分析如图6所示，未驱动振动源时，手指受到法向力为F_N；驱动振动源1303时，振动源1303产生的机械波在单点电容屏1301表面传播，使手指受到相应的法向力，此时手指受到法向力F_N”'增大；所以通过调节驱动信号的大小，即可改变手指受到法向力的大小。

上述基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，其特征在于融合了振动、静电力和空气压膜效应三种触觉反馈机制，扩大了切向调节范围，实现主动与被动交互的有效结合，可呈现更加真实的触觉感受。

根据本发明的一方盲文，其为表示不同字符的特定六点制盲文格式，盲文格式结构图如图7所示，分为背景区域和盲点区域，对于背景区域，灰度值为g₀，始终不加载任何触觉反馈信号；对于盲点区域，六个盲点按照两列三行排布，始终加载振动触觉反馈信号，其灰度值为g₁或g₂，当灰度值为g₁时，再施加静电力触觉反馈信号，表示盲文凸点；当灰度值为g₂时，再施加空气压膜效应触觉反馈信号，表示盲文平点。

图8示出了一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法的整体流程图，下面结合图9所示的具体盲文示例对该方法进行说明：

1)当手指触摸到交互单元13时，定位单元10定位到手指位置，即为手指与交互单元13接触区域的中心点，如图9所示，并通过计算获取此时手指位置处的灰度值G_r：

其中，R、G、B为图像红、绿、蓝颜色分量；

2)开始进行盲文符号识别时，首先通过手指对整个盲文区域进行整体的触摸感知，当手指触摸到背景区域时，如图9中(a)所示，此时计算得到手指位置处灰度值G_r为g₀，取g₀＝192，此时信号加载装置不向交互单元施加任何触觉反馈信号，手指无相应的触觉感受；

当手指触摸到盲点区域时，如图9中(b)和(c)所示，信号加载装置向交互单元施加振动触觉反馈信号，对手指产生振动触觉感受，以便得知六个盲点的相对位置；

当手指位置处于图9中(b)所示的盲点区域时，计算得到手指位置处灰度值G_r为g₂，取g₂＝128，此时信号加载装置再向交互单元施加空气压膜效应触觉反馈信号，产生减小摩擦力触感，即对手指产生振动与空气压膜效应结合的触觉感受，表示此盲点为盲文平点；

当手指位置处于图9中(c)所示的盲点区域时，计算得到手指位置处灰度值G_r为g₁，取g₁＝64，此时信号加载装置再向交互单元施加静力触觉反馈信号，产生增大摩擦力触感，即对手指产生振动与静电力结合的触觉感受，表示此盲点为盲文凸点；

3)通过步骤2对六个盲点的触摸感知，得知此盲文表示英文字母a。

当手指触摸一方特定的六点制盲文时，可以实时计算得到该点处的灰度值G_r，并施加相应的触觉反馈信号，通过不同的触觉反馈信号再现盲文，增强了盲点之间的触摸感知对比度，使得盲人更容易的辨别盲文凸点和盲文平点，可以明显提高盲人的阅读效率。

以上通过实例对本发明进行了详细说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。本领域的一般技术人员，可以在不背离本发明所述方法的精神和原则的情况下对其进行各种显而易见变化与修改。

Claims (5)

1.一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法，其特征在于：将一方盲文分为盲点区域和背景区域，不同区域下根据不同灰度值分别施加不同的触觉反馈信号，所述的触觉反馈信号包括振动触觉反馈信号，静电力触觉反馈信号和空气压膜效应触觉反馈信号，其加载方式如下：

1)根据所获取的手指位置信息计算该点处灰度值G_r：

其中，R、G、B为图像红、绿、蓝颜色分量；

2)根据该点处不同的灰度值施加不同的触觉反馈信号，包括以下步骤：

(1)当手指触摸到背景区域时，计算得到该点灰度值G_r为g₀，信号加载装置不向交互单元施加任何触觉反馈信号；

(2)当手指触摸到盲点区域时，信号加载装置向交互单元施加振动触觉反馈信号，对手指产生振动触觉感受，得知六个盲点的相对位置；

当计算得到该点灰度值G_r为g₁，信号加载装置再向交互单元施加静电力触觉反馈信号，产生增大摩擦力触感，即对手指产生振动与静电力结合的触觉感受，表示盲文凸点；

当计算得到该点灰度值G_r为g₂，信号加载装置再向交互单元施加空气压膜效应触觉反馈信号，产生减小摩擦力触感，即对手指产生振动与空气压膜效应结合的触觉感受，表示盲文平点；

(3)通过步骤(2)对六个盲点的触摸感知，得知一方盲文各个盲点为凸点或者平点，便得知此盲文符号表达的具体含义，实现盲文触觉再现。

2.根据权利要求1所述的一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法，其特征在于：所述背景区域的灰度值为g₀；所述盲点区域灰度值为g₁或g₂，当灰度值为g₁时，表示盲文凸点；当灰度值为g₂时，表示盲文平点。

3.根据权利要求1所述的一种基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现方法，其特征在于：所述振动触觉反馈信号、静电力触觉反馈信号和空气压膜效应触觉反馈信号，均为周期性的方波激励信号。

4.一种实现如权利要求1或2或3所述方法的基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，其特征在于，包括：

(1)定位单元，包括具有定位功能的装置，用于定位获取手指的位置信息，并将该信息发送到处理单元；

(2)处理单元，包括多媒体终端，用于输出视觉信息，同时对手指位置处的图像进行触觉渲染，将得到的触觉反馈驱动信号参数发送到信号加载装置；

(3)信号加载装置，根据驱动触觉反馈信号参数生成相应的驱动信号，并利用该信号驱动交互单元；

(4)交互单元，可以改变手指受到的切向力和法向力，使手指感知多元触觉力作用。

5.根据权利要求4所述基于多元触觉反馈方式的盲文触觉再现装置，其特征在于，所述的交互单元中，改变手指所受法向力的方式包括但不局限于振动触觉再现；改变手指所受切向力的方式包括但不局限于静电力触觉再现、空气压膜效应触觉再现。

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