Пристрій виводу тактильної інформації

Изобретение относится к устройствам формирования тактильной информации для лиц с недостатками зрения, в частности к датчикам тактильной информации и устройствам их привода и может быть использовано как средство вывода тактильной информации, работающее в сочетании с компьютерной системой преобразования любой информации в тактильную форму ее представления. Известные устройства вывода тактильной информации принципиально состоят из тактильного датчика, представляющего собой, как правило, стержень соответствующей формы, установленный в отверстии плоской тактильной поверхности с возможностью перемещения в два крайних положения - утопленное и выдвинутое - по отношению к тактильной поверхности, которые выражают соответствующую информацию, воспринимаемую человеком путем ощупывания тактильной поверхности. Основные проблемы в реализации таких устройств связаны с выполнением механизма привода тактильного датчика, обеспечивающего управляемое перемещение датчика в одно из указанных положений. Известны устройства, в которых привод тактильного датчика выполнен с использованием пьезоэлектрических элементов. Так, в соответствии с изобретением [1] пьезоэлектрический элемент расположен перпендикулярно к подвижному стержню, на котором закреплен тактильный датчик. При приложении электрического напряжений к пьезоэлектрическому элементу последний деформируется в направлении подвижного стержня и за счет механической взаимосвязи со стержнем перемещает его, одновременно перемещая и тактильный датчик. Существенным недостатком такой конструкции является то, что усилие, прикладываемое пользователем к выдвинутому тактильному датчику, должно восприниматься непосредственно пьезоэлектрическим элементом. А это значит, что пользователь при считывании тактильной информации пальцами должен прикладывать максимальные усилия к тактильным датчикам, или же пьезоэлектрический элемент должен обеспечить достаточно большое сопротивление утапливанию тактильного датчика. Если учесть, что минимальное усилие утапливания тактильного датчика определяется установленными требованиями и не должно быть менее 30г, то для его компенсации требуются относительно мощные пьезоэлектрические элементы, что увеличивает габариты устройства и энергопотребление. Недостаток описанного выше аналога устранен в устройстве вывода тактильной информации с пьезоэлектрическим приводом, известном из [2]. Устройство содержит тактильную поверхность с отверстиями, в которых с возможностью перемещения установлены тактильные датчики, каждый из которых имеет свой привод перемещения, выполненный на основе пьезоэлектрического элемента. Каждый привод перемещения включает пьезоэлектрический элемент удлиненной формы, один конец которого закреплен неподвижно, а второй свободен и имеет возможность отклоняться от своего нейтрального положения в ту или иную сторону в зависимости от полярности напряжения, подводимого к пьезоэлектрическому элементу. Свободный конец пьезоэлемента шарнирно, через S-образную пружину соединен с тактильным датчиком. При отключении пьезоэлектрического элемента в одну сторону пружина переводится в одно из устойчивых состояний, при котором тактильный датчик утоплен. При отклонении пьезоэлектрического элемента в другую сторону пружина переводится в другое устойчивое состояние, при котором тактильный датчик выдвинут. Важным моментом является то, что при выдвинутом положении тактильного датчика устойчивое состояние пружины фиксируется ее упиранием в неподвижные элементы основания устройства, а это означает, что усилия, прикладываемые к выдвинутому тактильному датчику, воспринимаются не пьезоэлектрическим элементом, как это имеет место в выше описанном аналоге, а основанием устройства через пружину, связанную с тактильным датчиком. Пьезоэлемент только перебрасывает пружину из одного устойчивого состояния в другое. Таким образом в описанном устройстве решается задача компенсации усилий прикладываемых пользователем к выдвинутым тактильным датчикам без нагружения пьезоэлектрических элементов, однако в конструкции устройства появляются дополнительные кинематические звенья, что значительно ее усложняет особенно с учетом требований минимальных габаритов устройства. С этой точки зрения оптимальными являются конструкции, предусматривающие непосредственную связь первичного движителя с исполнительным элементом (тактильным датчиком) без промежуточных кинематических звеньев между ними. С учетом изложенного выше в качестве прототипа выбранного устройства тактильной информации, которое содержит корпус, соединенную с ним тактильную поверхность с отверстием, в котором установлен тактильный датчик, связанный со стержнем, установленным с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси указанного отверстия. Стержень связан с приводом его перемещения, который выполнен в виде пружины из материала с эффектом памяти формы, навитой на стержень по его длине и состоящей из двух последовательно соединенных секций, общая точка которых жестко скреплена со стержнем, а свободные концы соединены с упорами, связанными с корпусом. Свободные концы указанных секций пружины, а также точка соединения секций снабжены средствами для подключения электрического напряжения с каждой из указанных секций [3]. Устройство работает следующим образом. При подводе электрического напряжения к одной из секций пружины происходит ее нагревание электрическим током. Нагревание секции пружины приводит к ее сокращению в результате реализации эффекта памяти формы, которым обладает материал проволоки пружины. При этом другая секция пружины упруго растягивается. Точка соединения секций пружины перемещается в сторону секции, через которую пропускают электрический ток, а вместе с ней перемещается стержень с тактильным датчиком. При подаче электрического напряжения к другой секции пружины устройство обеспечивает перемещение стержня с тактильным датчиком в обратном направлении на том же принципе сокращение одной из секций пружины и упругое растяжение другой секции. Таким образом устройство обеспечивает линейное перемещение тактильного датчика в два крайних положения, соответствующих утопленному и выдвинутому положению датчика относительно тактильной поверхности. Общими с заявляемым решением признаками являются корпус, тактильная поверхность с отверстиями, в котором расположен тактильный датчик, связанный со стержнем, установленным с возможностью перемещения вдоль оси отверстия в тактильной поверхности, привод перемещения стержня, выполненный в виде двух последовательно соединенных звеньев из материала с эффектом памяти формы, свободные концы которых связаны с корпусом устройства, а точка соединения звеньев связана со стержнем. Особенностью описанной конструкции, ограничивающей ее применения, является следующее. Известно, что одним из технических требований к устройствам для вывода тактильной информации, как уже отмечалось, является усилие, которое должен выдерживать тактильный датчик, не утапливаясь по отношению к тактильной поверхности. Это усилие должно быть не менее 30г. В рассматриваемой конструкции усилие сопротивления датчика утапливанию обеспечивается упругими свойствами нитиноловых пружин, из которых выполнен привод перемещения тактильного датчика. Для обеспечения условия по усилию сопротивления тактильного датчика утапливанию диаметр нитиноловой проволоки, из которой выполнены пружины привода тактильного датчика, должен быть достаточно большим. Так, в одном из конкретных вариантов реализации описанного решения для достижения указанного усилия сопротивления утапливанию, при диаметре пружин проволоки 1,4мм, диаметр нитиноловой проволоки должен быть не менее 0,4мм. Для обеспечения работоспособности такого привода необходимо через пружины пропускать электрический ток не менее 1,5А при напряжении 3,0В. То есть, для перемещения тактильного датчика в то или иное положение к приводу должна подводиться мощность не менее 4,5Вт. Учитывая, что устройства для тактильного чтения содержат множество датчиков, каждый из которых снабжен индивидуальным приводом, то энергопотребление устройства получается слишком большим. Кроме того, с увеличением диаметра нитиноловой проволоки снижается* быстродействие устройства, так как при этом увеличивается тепловая инерция привода, замедляющая перестройку внутренней структуры нитинола и увеличивающая время смены тактильной информации. Так, в указанном конкретном примере время смены тактильной информации составляет не менее 15сек, что не удовлетворяет требованиям к устройствам рассматриваемого назначения. Немаловажным фактором является низкая технологичность устройства, так как "заневоливание" нитиноловой проволоки в виде пружины требует специальной оснастки. Следует также отметить сложность и габаритность рассматриваемой конструкции, а также большой расход нитинола в связи с значительной длиной и диаметром нитиноловой проволоки, из которой выполнены пружины привода. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для вывода тактильной информации, в котором за счет конструктивных особенностей выполнения проволочного элемента привода с эффектом памяти формы обеспечивается возможность уменьшения поперечного сечения и длины проволоки с эффектом памяти формы без снижения усилия сопротивления утапливанию тактильного датчика и за счет этого достигается снижение энергопотребления, повышение быстродействия устройства, упрощение его конструкции и технологии изготовления, а также экономия материала с эффектом памяти формы. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для вывода тактильной информации, включающем корпус, тактильную поверхность с отверстием, в котором расположен тактильный датчик, связанный со стержнем, установленным с возможностью перемещения вдоль оси указанного отверстия, привод перемещения стержня, выполненный в виде двух последовательно соединенных звеньев из материала с эффектом запоминания формы, свободные концы которых связаны с корпусом устройства, а точка соединения звеньев соединена со стержнем, согласно изобретению каждое из указанных звеньев выполнено в виде линейного элемента, длина и поперечное сечение которого связаны следующей зависимостью l £ 0,34E S, где l - длина каждого линейного элемента, мм; E - модуль Юнга материала, из которого изготовлен каждый линейный элемент, н/мм2; S - площадь поперечного сечения каждого линейного элемента, мм2. Технический результат возможность уменьшения поперечного сечения и длины проволоки с эффектом памяти формы без снижения усилия сопротивления утапливанию тактильного датчика - достигается за счет выполнения элемента с эффектом памяти формы линейным, в виде натянутого между двумя монтажными стойками отрезка проволоки, соединенного с тактильным датчиком в средней его точке, которая делит указанный отрезок проволоки на два участка при указанном соотношении длины поперечного сечения каждого линейного элемента. При приложении напряжения к одному из указанных участков проволоки он нагревается протекающим через него током и сокращается, так как проволока обладает свойством запоминания первоначальной формы, которое реализуется при ее нагревании. При этом второй, холодный участок проволоки, деформируется. Средняя точка проволоки перемещается, перемещая связанный с ней тактильный датчик. Усилие сопротивления утапливанию тактильного датчика обеспечивается упругими свойствами материала проволоки. Указанное соотношение между длиной одного линейного элемента и площадью его поперечного сечения выражает следующий смысл: при утапливании датчика не более чем на 0,1мм сопротивление утапливанию должно быть не менее 30г. Так, при использовании нитиноловой проволоки уже при диаметре проволоки 0,08мм и длине звена 80 - 90мм обеспечивается усилие сопротивления утапливанию более 30г. Описанный принцип реализуется признаками устройства, составляющими сущность изобретения. То есть существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с техническим результатом. Для лучшего понимания сущности изобретения ниже приведен пример его осуществления со ссылками на чертеж (фиг.), на котором схематически изображено заявляемое устройство для вывода тактильной информации. Устройство содержит основание 1, выполненное из диэлектрического материала, на котором закреплены монтажные стойки 2 и 3, а также направляющие 4 и 5. Между монтажными стойками 2 и 3 натянута проволока 6 из материала с эффектом памяти формы, в частности нитиноловая проволока (нитинол - материал с эффектом памяти формы). В направляющих 4 и 5 установлен стержень 7 с возможностью перемещения вдоль своей продольной оси. Один конец стержня 7 соединен с проволокой 6 в точке В, которая делит проволоку 6 на два равных отрезка А и Б. На втором конце стержня 7 установлен тактильный датчик 9, проходящий через отверстие 10 в тактильной поверхности 11. Тактильная поверхность 11 выполнена из диэлектрического материала, соединена с основанием 1 и предназначена для снятия (ощупывания) тактильной информации. Тактильный датчик 9 также выполнен из диэлектрического материала и предназначен для вывода тактильной информации на тактильную поверхность 11. Проволока 6 в местах соединения с монтажными стойками 2 и 3, а также со стержнем 7 электрически соединена с контактными площадками 12, 13, 14, предназначенными для подключения устройства в электрическую схему управления (не показана). Устройство работает следующим образом. При подаче электрического напряжения на контактные площадки 12 и 13 происходит нагревание участка А проволоки 6, расположенного между монтажной стойкой 2 и точкой 8 соединения стержня 7 с проволокой 6 при прохождении электрического тока через этот участок проволоки 6. Нагревание участка А приводит к сокращению длины проволоки 6 на этом участке в результате реализации эффекта памяти формы, которым обладает нитиноловая проволока 6. При этом участок Б проволоки 6, расположенный между монтажной стойкой 3 и точкой 8 соединения стержня 7 с проволокой 6, деформируется в сторону его растяжения. Положение точки 8 перемещается на некоторую величину в направлении монтажной стойки 2, а это значит, что стержень 7, соединенный с проволокой 6 в точке 8 также перемещается в направлении монтажной стойки 2 на такую же величину, обеспечивая утапливание соединенного с ним тактильного датчика 9 относительно тактильной поверхности 11. При подаче электрического напряжения на контактные площадки 13 и 14 устройство аналогичным способом обеспечивает перемещение стержня 7 в направлении монтажной стойки 3 в результате сокращения участка Б проволоки 6 при нагревании его электрическим током и растяжения участка А. Тактильный датчик 9 при этом занимает по отношению к тактильной поверхности 11 выдвинутое положение. Таким образом устройство обеспечивает два крайних положения тактильного датчика 9 по отношению к тактильной поверхности 11 (утопленное и выдвинутое), что необходимо и достаточно для вывода тактильной информации. При этом положение тактильного датчика 9 определяется только тем, к какому участку проволоки 6 (А или Б) подводится электрическое напряжение. Это позволяет при помощи простых средств электроники включать устройство в компьютерную систему. Конкретные технические характеристики описанного устройства следующие: длина нитиноловой проволоки 180мм диаметр нитиноловой проволоки 0,1мм управляющее напряжение 2,0В управляющий ток 0,2А перемещение тактильного датчика 0,7 - 0,8мм время смены информации 5сек усилие сопротивления утапливанию выдвинутого тактильного датчика 45г Указанные характеристики соответствуют соотношению l £ 0,34E S указанному в сущности изобретения, и требованиям, предъявляемым к устройствам вывода тактильной информации. Таким образом заявляемое устройство удовлетворяет требованиям, предъявляемым к устройствам вывода тактильной информации, и в сравнении с прототипом, характеризуется более низким энергопотреблением, повышенным быстродействием, простотой конструкции и технологичностью, а также обеспечивает экономию материала с эффектом памяти формы.