一种智能盲文打字机设计

2023-01-06吴一鸣

现代制造技术与装备 2022年11期

洪文吴一鸣周龙郝明

（合肥工业大学智能制造技术研究院，合肥 230000）

随着我国教育水平的不断提高和人们对教育教学的逐渐重视，全民都在积极主动学习文化和接受教育，社会文化程度不断提高。研究统计显示，我国盲人约有500万[1]。越来越多的盲人在盲人学校学习文化、接受教育，从学习中获取力量，提高受教育水平，从而更好地融入社会，并参与到社会成果的共建共享中来，真正体现了社会和谐与平等[2]。随着盲人学校学生的增多和学习教学需要的增加，盲文书写、打印的体量越来越大。目前，盲人学校打印盲文很多是人工在盲文书写板上手动逐个戳出。这种方法既费时又费力，尤其是在学期末时要打印大量盲文，严重影响学校的教育教学。进口的盲文打字机虽然效率高，但是其采购成本高昂。因此，学校和盲人家庭迫切需要低成本高效率的盲文打字机。

1 盲文的组成

盲文或称点字、凸字，是专为盲人设计、靠触觉感知的文字。它由透过点字板、点字机、点字打印机等在纸张上制作出不同组合的凸点组成，由法国盲人路易·布莱叶于1824年创造，故国际上通称为“布莱叶（Braille）”[3]。布莱叶盲文每一个字符由1～6个突起构成，左起自上而下1—2—3，右起自上而下4—5—6布置，盲符结构如图1所示。目前，我国盲文主要执行中华人民共和国盲文国家标准《中国盲文》（GB/T 15720—2008），凸点底部直径为1.0～1.6 mm，凸起高度为0.2～0.5 mm，点距为2.2～2.8 mm[4-5]。

图1 盲符结构

2 设计过程

2.1 设计定位

盲文打字机是一个低成本的智能盲文打印设备，主要有普通汉字转盲文、盲文打印等功能。通过电脑串口与盲文打字机进行数据交换打印盲文。产品主要针对盲人学校和盲人家庭设计。普通人并不需要学习盲文，只需要在电脑App中输入相应的汉字即可转化成对应的盲文并通过盲文打字机打印出来。由于盲人学校教学盲文打印量较大，盲文打字机设计有放纸盒和自动进纸机构，根据打印数量的需要实现连续打印，保证打字机的效率。

2.2 功能要求

通过和盲人学校相关工作人员的沟通，了解在盲人教学过程中人工书写盲文的痛点，总结盲文打字机的功能需求。首先，汉字转盲文。通过电脑App可将普通汉字转换成对应盲文。其次，盲文打印，即能对盲文进行按压打印，形成盲文。最后，连续打印。在App中设置需要打印的张数即可连续打印。根据盲文打字机的功能需求和产品定位，在满足产品实际功能的前提下，要充分考虑人机工程学，使得产品外观简洁、操作简单。

3 系统设计

3.1 结构设计

根据产品功能需要可将产品分为上下两部分，上部分为盲文打字机的打字机构，下部分为盲文打字机的进纸机构。

上部分打字机的打字机构主要为XYZ三轴模组结构，其中XY平面结构采用CoreXY形式设计。CoreXY机构凭借其结构紧凑、运动敏捷的优势，被广泛应用于激光雕刻机、FDm型3D打印机等智能设备[6]。CoreXY是一种以简单且适应性强的格式提供许多计算机化制作工具的基本构件，实现了M1、M2两电机固定安装，且能实现移动平台在X、Y方向的联动，结构原理如图2所示。电机固定能减小移动平台的重量进而减小移动平台惯性，能有效提升打字机的打字速度和降低系统的振动。根据盲符的精度要求和成本控制，选择42步进电机为XYZ三轴的驱动电机。传动方式选择同步带，既能保证传动精度又能减少振动，使传动平稳。

图2 CoreXY结构图

Z轴打点结构安装在移动平台上，结构为电机通过同步带带动打字针上下动作。打字针前端安装按压弹簧，要求按压弹簧的长度超过打字针头的长度。按压弹簧的主要作用为按压打点时压住纸张防止纸张滑动，同时打字针抬起时使纸张与打字针分离，防止移动平台水平移动时打字针穿过纸张导致纸张破裂。打字针内部有保护弹簧，可防止电机旋转过度导致电机堵转而损坏电机。根据盲文符的标准，选择打字针直径为1.3 mm，前端为半圆头。Z轴结构如图3所示。为了保证打字精度，在X、Y、Z这3个方向都装有复位开关。打印完一张打印纸时，X轴、Y轴、Z轴都进行复位，保证下一张纸打印的精度。

图3 Z轴结构

盲文打印机进纸机构的结构如图4所示，主要由放纸板、弹簧、分页器以及搓纸轮等组成。将需要打字的打印纸放置在放纸板上，控制器给出信号，使驱动装置动作带动放纸板抬起。放纸板抬起会通过弹簧将分页器与搓纸轮接触，然后打印纸与搓纸轮接触。在分页器和搓纸轮摩擦力作用下，每次只有一张纸顺利进入导纸槽，然后进入放纸板。导纸槽处的光电开关判断纸张是否进入打字机。打字板处光电开关对打印纸进行限位，保证打印纸停放精度。打字板两侧安装有同步带，同步带下端与打字板接触。这样布置的作用是在进纸过程中同步带下端会与打印纸上表面接触，同步带的转动会给打印纸提供向前的牵引力，保证打印纸的供给。同步带也能对打印纸起到限位作用，当进纸机构停止进纸、打字结构打字时，同步带会压住打印纸，防止打字过程中纸张跑动。进纸机构中，必须保证传动比选择与打印纸接触的主、被动轮的线速度一致，保证进纸的平稳性。

图4 进纸机构

根据中华人民共和国盲文国家标准，参考现有的盲文写字板，盲文打字机中盲文点的布局为30列27行横向布置。由于采用单根打字针设计，打字时每次动作只能打印一个盲符点，这样打印一张纸最多需要打点4 860（30×27×6）次。为了提高效率，打字针的运动轨迹为S形，部分运动轨迹如图5所示。盲文打字机整体结构如图6所示。