洪 文 吳一鳴 周 龍 郝 明

（合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，合肥 230000）

隨著我國教育水平的不斷提高和人們對教育教學(xué)的逐漸重視，全民都在積極主動學(xué)習(xí)文化和接受教育，社會文化程度不斷提高。研究統(tǒng)計顯示，我國盲人約有500萬[1]。越來越多的盲人在盲人學(xué)校學(xué)習(xí)文化、接受教育，從學(xué)習(xí)中獲取力量，提高受教育水平，從而更好地融入社會，并參與到社會成果的共建共享中來，真正體現(xiàn)了社會和諧與平等[2]。隨著盲人學(xué)校學(xué)生的增多和學(xué)習(xí)教學(xué)需要的增加，盲文書寫、打印的體量越來越大。目前，盲人學(xué)校打印盲文很多是人工在盲文書寫板上手動逐個戳出。這種方法既費(fèi)時又費(fèi)力，尤其是在學(xué)期末時要打印大量盲文，嚴(yán)重影響學(xué)校的教育教學(xué)。進(jìn)口的盲文打字機(jī)雖然效率高，但是其采購成本高昂。因此，學(xué)校和盲人家庭迫切需要低成本高效率的盲文打字機(jī)。

1 盲文的組成

盲文或稱點(diǎn)字、凸字，是專為盲人設(shè)計、靠觸覺感知的文字。它由透過點(diǎn)字板、點(diǎn)字機(jī)、點(diǎn)字打印機(jī)等在紙張上制作出不同組合的凸點(diǎn)組成，由法國盲人路易·布萊葉于1824年創(chuàng)造，故國際上通稱為“布萊葉（Braille）”[3]。布萊葉盲文每一個字符由1～6個突起構(gòu)成，左起自上而下1—2—3，右起自上而下4—5—6布置，盲符結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前，我國盲文主要執(zhí)行中華人民共和國盲文國家標(biāo)準(zhǔn)《中國盲文》（GB/T 15720—2008），凸點(diǎn)底部直徑為1.0～1.6 mm，凸起高度為0.2～0.5 mm，點(diǎn)距為2.2～2.8 mm[4-5]。

圖1 盲符結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計過程

2.1 設(shè)計定位

盲文打字機(jī)是一個低成本的智能盲文打印設(shè)備，主要有普通漢字轉(zhuǎn)盲文、盲文打印等功能。通過電腦串口與盲文打字機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換打印盲文。產(chǎn)品主要針對盲人學(xué)校和盲人家庭設(shè)計。普通人并不需要學(xué)習(xí)盲文，只需要在電腦App中輸入相應(yīng)的漢字即可轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的盲文并通過盲文打字機(jī)打印出來。由于盲人學(xué)校教學(xué)盲文打印量較大，盲文打字機(jī)設(shè)計有放紙盒和自動進(jìn)紙機(jī)構(gòu)，根據(jù)打印數(shù)量的需要實現(xiàn)連續(xù)打印，保證打字機(jī)的效率。

2.2 功能要求

通過和盲人學(xué)校相關(guān)工作人員的溝通，了解在盲人教學(xué)過程中人工書寫盲文的痛點(diǎn)，總結(jié)盲文打字機(jī)的功能需求。首先，漢字轉(zhuǎn)盲文。通過電腦App可將普通漢字轉(zhuǎn)換成對應(yīng)盲文。其次，盲文打印，即能對盲文進(jìn)行按壓打印，形成盲文。最后，連續(xù)打印。在App中設(shè)置需要打印的張數(shù)即可連續(xù)打印。根據(jù)盲文打字機(jī)的功能需求和產(chǎn)品定位，在滿足產(chǎn)品實際功能的前提下，要充分考慮人機(jī)工程學(xué)，使得產(chǎn)品外觀簡潔、操作簡單。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品功能需要可將產(chǎn)品分為上下兩部分，上部分為盲文打字機(jī)的打字機(jī)構(gòu)，下部分為盲文打字機(jī)的進(jìn)紙機(jī)構(gòu)。

上部分打字機(jī)的打字機(jī)構(gòu)主要為XYZ三軸模組結(jié)構(gòu)，其中XY平面結(jié)構(gòu)采用CoreXY形式設(shè)計。CoreXY機(jī)構(gòu)憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動敏捷的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于激光雕刻機(jī)、FDm型3D打印機(jī)等智能設(shè)備[6]。CoreXY是一種以簡單且適應(yīng)性強(qiáng)的格式提供許多計算機(jī)化制作工具的基本構(gòu)件，實現(xiàn)了M1、M2兩電機(jī)固定安裝，且能實現(xiàn)移動平臺在X、Y方向的聯(lián)動，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。電機(jī)固定能減小移動平臺的重量進(jìn)而減小移動平臺慣性，能有效提升打字機(jī)的打字速度和降低系統(tǒng)的振動。根據(jù)盲符的精度要求和成本控制，選擇42步進(jìn)電機(jī)為XYZ三軸的驅(qū)動電機(jī)。傳動方式選擇同步帶，既能保證傳動精度又能減少振動，使傳動平穩(wěn)。

圖2 CoreXY結(jié)構(gòu)圖

Z軸打點(diǎn)結(jié)構(gòu)安裝在移動平臺上，結(jié)構(gòu)為電機(jī)通過同步帶帶動打字針上下動作。打字針前端安裝按壓彈簧，要求按壓彈簧的長度超過打字針頭的長度。按壓彈簧的主要作用為按壓打點(diǎn)時壓住紙張防止紙張滑動，同時打字針抬起時使紙張與打字針分離，防止移動平臺水平移動時打字針穿過紙張導(dǎo)致紙張破裂。打字針內(nèi)部有保護(hù)彈簧，可防止電機(jī)旋轉(zhuǎn)過度導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)而損壞電機(jī)。根據(jù)盲文符的標(biāo)準(zhǔn)，選擇打字針直徑為1.3 mm，前端為半圓頭。Z軸結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了保證打字精度，在X、Y、Z這3個方向都裝有復(fù)位開關(guān)。打印完一張打印紙時，X軸、Y軸、Z軸都進(jìn)行復(fù)位，保證下一張紙打印的精度。

圖3 Z軸結(jié)構(gòu)

盲文打印機(jī)進(jìn)紙機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由放紙板、彈簧、分頁器以及搓紙輪等組成。將需要打字的打印紙放置在放紙板上，控制器給出信號，使驅(qū)動裝置動作帶動放紙板抬起。放紙板抬起會通過彈簧將分頁器與搓紙輪接觸，然后打印紙與搓紙輪接觸。在分頁器和搓紙輪摩擦力作用下，每次只有一張紙順利進(jìn)入導(dǎo)紙槽，然后進(jìn)入放紙板。導(dǎo)紙槽處的光電開關(guān)判斷紙張是否進(jìn)入打字機(jī)。打字板處光電開關(guān)對打印紙進(jìn)行限位，保證打印紙停放精度。打字板兩側(cè)安裝有同步帶，同步帶下端與打字板接觸。這樣布置的作用是在進(jìn)紙過程中同步帶下端會與打印紙上表面接觸，同步帶的轉(zhuǎn)動會給打印紙?zhí)峁┫蚯暗臓恳ΓＷC打印紙的供給。同步帶也能對打印紙起到限位作用，當(dāng)進(jìn)紙機(jī)構(gòu)停止進(jìn)紙、打字結(jié)構(gòu)打字時，同步帶會壓住打印紙，防止打字過程中紙張跑動。進(jìn)紙機(jī)構(gòu)中，必須保證傳動比選擇與打印紙接觸的主、被動輪的線速度一致，保證進(jìn)紙的平穩(wěn)性。

圖4 進(jìn)紙機(jī)構(gòu)

根據(jù)中華人民共和國盲文國家標(biāo)準(zhǔn)，參考現(xiàn)有的盲文寫字板，盲文打字機(jī)中盲文點(diǎn)的布局為30列27行橫向布置。由于采用單根打字針設(shè)計，打字時每次動作只能打印一個盲符點(diǎn)，這樣打印一張紙最多需要打點(diǎn)4 860（30×27×6）次。為了提高效率，打字針的運(yùn)動軌跡為S形，部分運(yùn)動軌跡如圖5所示。盲文打字機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 打字針部分運(yùn)動軌跡

圖6 盲文打字機(jī)

3.2 參數(shù)設(shè)定

產(chǎn)品定位為盲人學(xué)校和盲人家庭使用且功能上滿足連續(xù)打印的需要，因此結(jié)構(gòu)相對小型打印機(jī)來說較大，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 盲文打字機(jī)參數(shù)

3.3 打字效果

對盲文板上所有點(diǎn)進(jìn)行打字動作，打印的盲文清晰，觸摸感強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 盲文打字效果

4 結(jié)語

盲人學(xué)校教學(xué)時，人工書寫盲文不僅效率低，而且消耗大量體力。盲人家庭中很多普通人并不懂盲文，且盲人學(xué)校和盲人家庭很難負(fù)擔(dān)起市場中高昂的盲文打字機(jī)。這款低成本的智能盲文打字機(jī)結(jié)合現(xiàn)有打印機(jī)的相關(guān)技術(shù)，一定程度上滿足了盲人學(xué)校和盲人家庭的需要，可方便盲人的學(xué)習(xí)和生活。