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　　[摘要]：设计了一种用于视障人士电子阅读的机械式点阵显示系统。该系统通过小棘爪锁定显示针 的不同位置以保持触点的状态，采用Z向驱动器配合X Y移动平台顺序控制每个显示针的凸起，而后 由复位驱动器统一复位，从而实现系统中多个触点的凸起和平整状态的自动切换。实验结果表明：采用 单个Z向驱动器的系统可在1分钟内完成54个触点的凸起和平整状态自动转换。
　　[关键词]：盲文显示器；触觉显示；三维显示；小棘爪锁定机构.
　　0引言
　　由于视力的缺失，听觉和触觉是视障人士获 取信息的主要来源。已有的电子阅读产品主要是 基于视觉设计的，视障人士无法直接使用这些电 子产品，需要使用盲文电子书等辅助设备获得 信息。
　　盲文电子书的关键在于触点的状态控制和显 示的面积。实现触点的凸起和平整状态自动切换 的最直接方法是利用直径为1?2 mm、行程为 0.5 mm左右的直线微驱动器。自20世纪70年 代末以来，新型凸点显示设备技术被陆续提出。 采用功能材料如磁性材料[14、压电材料[57]的显 示设备中，功能材料在制作微型致动器时存在制 作工艺复杂、成本高、可靠性低等问题。此外，还 有采用气动式[9]和机械式[1013]结构的显示设备。 在实际应用时，需要大量的触点来表达信息，现有 的显示设备的每个触点都需配备一个对应的驱动 单元，触点显示的密度受驱动器的体积限制，文献 [3]采用层叠的方式来增加触点的密度，增加了其 结构的复杂性；同时，驱动单元随着显示面积的扩 大而增加，导致显示设备不但体积笨重而且成本 剧增。
　　针对现有问题和实际需求，本文提出了一种 方法以尽可能少的直线驱动器来实现触点的密集显示。
　　1结构设计和功能实现
　　本文系统的设计思路是将Z向驱动器安装 在XY移动平台上，先由XY移动平台找寻触点 位置，而后由Z向驱动器驱动显示针凸起，并保持 其位置，使触点处于凸起状态；复位驱动器统一复 位，使触点处于平整状态。这样一个Z向驱动器 能够顺序控制多个显示针的凸起。
　　1.1单个触点的凸起和平整的实现
　　根据上述思路，触点处于凸起或平整状态时 需要一种机械结构能够保持或锁定，为此设计了 小棘爪和显示针，如图1所示。显示针的中间位 置有2个台阶轴（上台阶轴和下台阶轴）当小棘 爪的头部顶在显示针的上台阶轴下端时，显示针 与基准面平，对应于触点的平整状态，如图1a所 示；当小棘爪的头部顶在显示针的下台阶轴下端 时，显示针高于基准面，对应于触点的凸起状态， 如图1d所示。
　　通常，触点状态的自动切换需要考虑触点的 初始状态，有两种形式：
　　(1)当触点的初始状态为平整时，触点状态由 平整向凸起状态转换的过程如下：小棘爪的头部 位于显示针的上台阶轴下端，如图1a所示；使Z 向驱动器达到显示针位置下方后，Z向驱动器驱 动显示针上移，如图1b所示；由于小棘爪具有一 定弹性，在显示针上移的过程中，小棘爪的头部会 相对滑到显示针的下台阶轴下端，如图1 c所示； 随着Z向驱动器的复位，显示针也会在复位弹簧 的作用下稍有回落，当显示针的下台阶轴下端与 小棘爪的头部接触后，显示针被小棘爪支撑，不再 继续回落，此时触点处于凸起状态，如图1d所示。
　　(2)当触点初始状态为凸起时，触点状态由凸 起向平整转换的过程如下：小棘爪的头部位于显 示针的下台阶轴下端；复位驱动器推动小棘爪横 向移动，直至小棘爪与显示针前后错开。此时，显 示针失去了小棘爪的支撑，在复位弹簧或者重力 的作用下会立即回落，见图1e。回落过程结束 后，触点恢复到平整状态。
　　1.2触点凸起过程受力分析及驱动条件
　　如图2所示，在凸起过程中，显示针的Z向位 移引起了小棘爪头部的X向形变A：r。设小棘爪 类似于片弹簧，其等效刚度系数为K与小棘爪 的材料的弹性模量及几何尺寸有关），小棘爪头部 受到的支持力为FN2，摩擦力为，则X方向的 受力为FNn2 sin(? — Ff.2 cosO = kxAx( 1)
　　Z向驱动器给显示针的驱动力为Fp复位弹 簧的刚度系数为k ,Fn2 Ff2分别为Ff2和Ff的 反作用力，显示针头部受到的支撑力和摩擦力分 别为Fn3和厂,3。假定显示针已经产生了位移 As：,对显示针进行受力分析，有Fi = F% cosO + F2 sinO + F3 + k Az Fn^ = FN2 sinO — Ff2 cosOFi = Fn‘）（cosO + "2sirO.) +"3(Fn.; + kxAx.) + kAz()
　　其中，As：是根据盲文标准来确定的，驱动力Fi的 最大值由驱动电机决定。可以通过调节3、 kx、k、Ax等参数，满足驱动条件。
　　1.3 具有54个触点的触点凸起和平整单元设计
　　基于上述方法，设计了 54个触点的状态自动 切换结构。触点间距排列间距参考盲文标准规 定，有9方，每方6个点，共有54个触点。图3所 示为触点凸起和平整单元。1.面板 2.显示针 3.旁边小棘爪 4.中间小棘爪 5.机架 6.小棘爪基座 7.底板 8.复位弹簧 9.复位驱动器 图3 触点凸起和平整单元54个显示针对应于54个触点，显示针安装在 单元的中间位置；中间小棘爪有两排，呈背靠背形 式；旁边小棘爪只有一排；小棘爪的数量和显示针 的数量相同。为保持所有显示针的显示高度相 等，在显示针的下端部安装有底板。面板与底板 通过框架来连接固定，小棘爪基座安装在框架内 部，可在底板上面前后运动。复位驱动器安装在 小棘爪基座的后端，与小棘爪基座固定连接，用来 移动小棘爪基座，控制小棘爪的头部与显示针的 接触位置，以锁定或保持显示针的凸起和平整 状态。
　　14 系统设计和实现
　　如图4所示，机械式点阵显示系统主要包括 计算机控制子系统、运动控制器和点阵凸点显示 子系统。运动控制器包括XY移动平台控制器、 Z向驱动器的控制器和复位驱动器的控制器。点 阵凸点显示子系统的运动包括XY移动平台的运 动、Z向运动和复位运动。触点凸起和平整锁定 单元固定在机架上；Z轴驱动器固定在多维移动 平台上，可以跟随多维移动平台进行X、Y方向的 移动。计算机根据需要显示的盲文图形，通过串 口向运动控制器发送命令；运动控制器接收到指 令后，输出驱动器的功率信号；驱动器驱动点阵凸 点显示子系统进行需要的运动，完成了触点凸起 和平整信息的表达，显示盲文图形。
　　1.触点凸起和平整单元 2.机架 3.复位驱动器 4.Z向驱动器 5.XY移动平台 6.基座 图4 点阵显示系统的结构示意图1.5 工作流程图
　　定义了 2套工作坐标系：XY平台的坐标系 XY和显示面板坐标系将XY运动平台限位 开关的位置定义为坐标系XY的原点（X?，Y。）， 以远离限位开关的方向为坐标系的正方向，以基 座的平面为基准面；定义离坐标系XY原点最近 的一个显示针的位置为坐标系a；y的原点（a。， ：y。），以面板的平面为基准面，其正方向与坐标系 XY的正方向相同；两个坐标系的偏移位置为 (：a — X()，；y()—Y。）。系统显示盲文图形的工作 流程如图5所示，其具体步骤描述如下：