一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元及盲文触觉感知装置
阅读说明：本技术 一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元及盲文触觉感知装置 (Braille dynamic contact unit based on piezoelectric ultrasonic vibration and Braille touch perception device ) 是由 李国平 武志士 娄军强 杨依领 马剑强 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元及盲文触觉感知装置,盲文动态触点单元包括底座、双压电片驱动组件和触键,触键位于底座上方,双压电片驱动组件位于底座上面,其用于驱动触键。盲文触觉感知装置包括盲文动态触点单元、底板和盖在所述底板上方的面板,面板上开设多个通孔,盲文动态触点单元设置多个,安装在底板上,触点的上半部分从面板的通孔中露出。本盲文触觉感知装置能够实现触点单元的超声振动自适应控制,能够实现盲文触点/位移的高精度输出,并且可以设置多种阅读模式以适应不同盲人使用者的阅读习惯,能够提高所设计盲文触觉系统实用性,是做到大面积推广使用的关键。(The invention relates to a Braille dynamic contact unit based on piezoelectric ultrasonic vibration and a Braille touch perception device. The Braille touch perception device comprises a Braille dynamic contact unit, a bottom plate and a panel covering the bottom plate, wherein a plurality of through holes are formed in the panel, the Braille dynamic contact unit is arranged on the bottom plate, and the upper half part of the contact is exposed out of the through holes of the panel. The Braille touch perception device can realize the ultrasonic vibration self-adaptive control of the contact unit, can realize the high-precision output of Braille contact/displacement, can set various reading modes to adapt to the reading habits of different blind users, can improve the practicability of the designed Braille touch perception system, and is the key for realizing large-area popularization and use.)
技术领域
本发明涉及精密驱动领域，具体地讲，涉及一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元及盲文触觉感知装置。
背景技术
目前，盲人群体接受信息和教育的重要方式就是采用手指触觉“阅读”凸点组成的特种文字——盲文。然而，传统盲文阅读主要以纸质书籍为主，存在着纸张昂贵、制作工艺复杂并且数量少、品种单一、信息量少和资信落后、体积笨重且携带不便的缺点。而在信息时代和知识爆炸的今天，纸质的盲文点字已经无法帮助盲人很好的融入和拥抱互联网。
盲文触觉感知装置的出现在一定程度上解决了这个问题，盲文触觉感知装置是将传统的纸质书籍和文字动态地显示成盲文点字。盲人通过指尖触摸阅读文字，而触觉感知装置又不同于纸质书籍，它可以动态显示盲文点字。因此盲文触觉感知装置能够满足盲人弱势群体的需求，在识字，学习技能和获取信息等方面给予盲人极大的方便。但是国外的盲文触觉感知系统是基于英文盲文编制而成，中国盲人使用起来极不方便。国内的盲文触觉感知系统大多仍处于实验研究或样机测试阶段。
目前现有的盲文触觉感知系统大多以电机和气动来驱动触点单元来实现往复直线运动，例如申请公布号为CN111882964A的专利申请：一种精准化盲文点显装置，这类感知系统虽然具有控制简单、可靠性高且输出力大的优点，但是多个电机驱动装置和丝杠、连杆、凸轮等传动机构引入导致整个盲文触觉感知系统结构复杂庞大、体积笨重，且伴随着运动噪声、响应速度较低的缺点，不便于盲人使用者的快速便捷阅读。
而利用电磁线圈的通断电实现盲文触电的凸起和升降控制的电磁型盲文触觉感知系统具有响应速度快，人机交互好等优点，并且能够在较低功耗下实现盲文触点单元的高保持力控制，在一定程度上解决了电机和气动驱动型感知系统的不足，例如授权公告号为CN104408994B的专利：分层电磁式的盲文显示装置及盲文阅读机。总的来说，电磁驱动型盲文触觉感知系统具有响应速度快且便于模块化驱动和扩展等优点，在盲文触觉感知系统中得到广泛应用。但是其固有的电磁非线性效应导致长期使用发热，盲文触点位移和力都难以精确控制的问题，给使用者带来了一定不便。正是这些不足的存在，阻滞了盲文触觉感知系统的发展。
随着近年来智能材料的迅速发展，有效的解决了以上几种驱动方式的缺陷。智能材料执行器与基体结构直接集成，打破了传统驱动方式的限制，取消了从执行器到末端运动结构之间的机械传动环节，实现了“近零驱动”或“直接驱动”。在这其中，以压电材料为代表的智能材料执行器具有驱动精度高、输出力大且动态特性好的优点。一些以单压电作为驱动源的触点装置相较于传统驱动方式虽然取得了非常好的效果，但是由于其仅由一个压电驱动器驱动且经过中间部件的传递，导致了其动态响应速度相对较慢，不能够达到实时显示的水平，无法满足一些阅读速度较快者的阅读需求，并且触点与指尖的接触力精度低，同时不能够动态调整，这样就使得使用者在阅读过程中出现漏读或读错的情况。而且，顶出式盲文触点感知方法普遍存在着显示时间短、人机交互差的缺点。
综上所述，因此，有必要对现有的盲文触觉感知装置进行改进和优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理、响应速度快、接触控制精度高的基于压电超声振动的盲文动态触点单元，以及具有该盲文动态触点单元的盲文触觉感知装置。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元，包括底座和触键，所述触键位于底座上方，其特征在于：还包括双压电片驱动组件，所述双压电片驱动组件位于底座上面，其用于驱动触键。
优选的，该盲文动态触点单元还包括垫片，所述垫片平放在双压电片驱动组件上面，所述触键位于垫片上面。
优选的，所述触键包括触键基座和触点，所述触键基座呈圆台状，所述触点呈半球状，触点采用PDMS材质制成，触点安装在触键基座上面，触键基座位于垫片上面。
优选的，所述双压电片驱动组件设置三个，均布在底座上面，用于共同驱动触键。
优选的，所述底座呈圆柱体状，底座的上面均布设置三个形状和尺寸一致的压电片安装座，三个双压电片驱动组件分别安装在三个压电片安装座上。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种盲文触觉感知装置，包括底板和盖在所述底板上方的面板，所述面板上开设多个通孔，其特征在于：本盲文触觉感知装置还包括上述的盲文动态触点单元；所述盲文动态触点单元设置多个，安装在底板上，触点的上半部分从面板的通孔中露出。
优选的，所述多个盲文动态触点单元以六个为一组进行均布，每六个盲文动态触点单元以2*3间隔均布排列。
优选的，所述面板上还设置若干个长条形通孔，所述长条形通孔位于每相邻两组盲文动态触点单元之间，用于区分两个相邻的盲文动态触点单元。
优选的，所述底板上设置多个凹槽，盲文动态触点单元与凹槽一一对应，盲文动态触点单元安装在底板上时，将底座安放在凹槽中。
优选的，所述底板和面板通过螺柱连接，在底板和面板之间形成的区域的四周设置挡板，四周的挡板和底板、面板组成一盒装结构，在该盒装结构的前侧连接有手托；所述面板上还安装有扬声器和麦克风。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、每个盲文动态触点单元采用三个双压电片作为驱动源，相较于单压电片来说，能够获得较大的接触力输出；三个双压电片分布在同一方向上，这样一个双压电片中的两个压电片同时运动就提高了响应频率，并且获得较高的接触力精度，而且利用压电材料本身的特性，三个双压电片又可以通过一定的信号驱动下实现超声振动，而超声振动又有着动态可调和显示时间长的优点，有效解决了顶出式的不足与缺点，因此使得本盲文触觉感知装置具有成本低、响应速度快、接触控制精度高、交互方式友好且携带方式方便等特点；
2、本盲文触觉感知装置能够实现触点单元的超声振动自适应控制，能够实现盲文触点/位移的高精度输出，并且可以设置多种阅读模式以适应不同盲人使用者的阅读习惯，能够提高所设计盲文触觉系统实用性，是做到大面积推广使用的关键。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的盲文动态触点单元的立体分解示意图。
图2是本发明实施例中的盲文动态触点单元的主视结构示意图。
图3是图2中的A-A向结构示意图。
图4是本发明实施例中的盲文触觉感知装置的立体结构示意图。
图5是本发明实施例中的盲文触觉感知装置的俯视结构示意图。
图6是图5中的B-B向结构示意图。
附图标记说明：底座1、压电片安装座2、双压电片驱动组件3、垫片4、触键5、触点51、触键基座52、底板6、凹槽61、挡板7、手托8、麦克风9、扬声器10、面板11、长条形通孔12。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图6。
本实施例公开了一种基于压电超声振动的盲文动态触点单元，其包括底座1、双压电片驱动组件3、垫片4和触键5。双压电片驱动组件3位于底座1上面，其用于驱动触键5。垫片4平放在双压电片驱动组件3上面，触键5位于垫片4上面。垫片4与双压电片驱动组件3以及触键5采用粘结剂进行粘结加固。
本实施例中，触键5包括触键基座52和触点51，触键基座52呈圆台状，触点51呈半球状，触点51采用PDMS材质制成，触键基座52采用橡胶材质制成，具有一定弹性且不易变形，触点51安装在触键基座52上面，触键基座52位于垫片4上面。双压电片驱动组件3设置三个，均布在底座1上面，用于共同驱动触键5。底座1呈圆柱体状，底座1的上面均布设置三个形状和尺寸一致的压电片安装座2，三个双压电片驱动组件3分别安装在三个压电片安装座2上。
本实施例还公开了一种盲文触觉感知装置，包括底板6、上述的盲文动态触点单元和盖在底板6上方的面板11，面板11上开设多个通孔。盲文动态触点单元设置多个，安装在底板6上，具体地讲，底板6上设置多个凹槽61，盲文动态触点单元与凹槽61一一对应，盲文动态触点单元安装在底板6上时，将底座1安放在凹槽61中。触点51的上半部分从面板11的通孔中露出。
本实施例中，按照国家规定，多个盲文动态触点单元以六个为一组进行均布，每六个盲文动态触点单元以2 x 3间隔均布排列。面板11上还设置若干个长条形通孔12，长条形通孔12位于每相邻两组盲文动态触点单元之间，用于区分两组相邻的盲文动态触点单元。
本实施例中，底板6和面板11通过四个螺柱连接，在底板6和面板11之间形成的区域的四周粘结设置挡板7，四周的挡板7和底板6、面板11组成一盒装结构，在该盒装结构的前侧连接有手托8；面板11上还安装有扬声器10和麦克风9。
本盲文触觉感知装置的工作原理是：通过转换装置将电子书中的汉字转化为特定的信号源，然后通过功率放大器施加在双压电片驱动组件上。在单个触点单元中，每个双压电片驱动组件中的两个压电片分别向着相反方向做相同的运动，这样在相同的时间内，输出位移是单个压电片的两倍，这样不仅提升了输出力的大小，更增加了触点单元运动的里程。而三个双压电片驱动组件同时在特定的信号源驱动下能够产生高频振动，从而产生超声波，使用三个双压电片驱动组件的优点是保证了感知触点具有较高运动平稳性、快速性的同时，还可以实现较大的指尖/触点接触力及良好的人机交互性能。为使振动传递到触键基座时不致损坏，放置的垫片增加适量阻尼使得系统整体能够有较为稳定的输出，不会出现短时间内冲击过大的现象，这样也提升了盲人群体的阅读体验。而PDMS触点是人机交互的主要承担者，从压电片产生的超声振动最终通过PDMS触点传递给使用者，而这些触点单元通过放置在底板上形成盲文字符，根据国家标准，盲文字符基本单元为2x3点阵，因此通过底板组成多个这样的基本点阵，并且在面板上打出一些间隔通孔来隔开每一个触点单元，使得使用者能够较快的辨识设备所要传递的盲文。
本盲文触觉感知装置实现阅读功能的原理是：通过在PDMS触点上配置指纹识别模块，能够使使用者在私密模式下进行阅读，即只有录入指纹的使用者能够使用，这样保护了使用者的隐私。由于压电片的特性，可以实现通过重压和轻按来实现换页和适当增加震动频率，这样使得使用者阅读完全在指尖完成，并且操作简便。同时，该装置同时带有扬声器与麦克风，能够实现语音播报与智能操控，利用如今的人工智能技术，可使该系统的人机交互体验达到近乎完美的程度。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
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