устройство обмена информацией между слепоглухонемыми

Формула изобретения

Устройство для обмена информацией между слепоглухонемыми, содержащее источник питания, приемник и передатчик для дистанционной передачи информации, шифратор и дешифратор информационных сигналов, генератор импульсов, преобразующий сигнал информации в импульс напряжения, выход которого подключен к электродам, с которых считывается информация тактильно по ощущениям электровоздействия в соответствии с переданным кодом, и с возможностью регулирования амплитуды импульсов электровоздействия, отличающееся тем, что оно имеет клавиатуру ввода кода Брайля, на поверхности клавиш которой расположены электроды, представляющие собой полоски из проводящего материала в форме сходящихся без пересечения прямых, при этом для обмена информацией используются пачки импульсов с амплитудой больше пороговой по ощущению электровоздействия длительностью 3-6 мс с интервалом между пачками в 100-150 мс, с частотой заполнения около 3000 Гц, а регулирование амплитуды импульсов электровоздействия обеспечивается перемещением пальцев по информационным клавишам.

Описание изобретения к патенту

Устройство для обмена между слепоглухонемыми относится к средствам обучения и общения со слепоглухонемыми и позволяет обмениваться информацией между слепоглухонемыми, между глухонемыми и слепоглухонемыми, между зрячими глухонемыми, а также между зрячими в тех случаях, когда условия не позволяют осуществить обмен информацией обычными или другими способами.

Известно устройство для дистанционной связи со слепоглухонемыми по авторскому свидетельству СССР 405128, кл. G 09 В 21/04, 1973, содержащее электромагнитные реле, преобразующие информацию, предназначенную для передачи или приема, в тактильные ощущения, предназначенное для обмена информацией между слепоглухонемыми и позволяющее слепоглухонемым осязательно, по механическому воздействию подвижной части электромагнитного реле с соответствующим наконечником на пальцы считывать передаваемую ему информацию. Причем в зависимости от принятой системы кодирования информации количество, расположение, тип наконечников (пукли, штифты, и др.) электромагнитных реле может быть разным (авт. свид. СССР 1758662, кл. G 09 В 21/04, 1992; авт. свид. СССР 247616, кл. G 06 F 21/04, 1969).

Известен также способ передачи и приема информации по системе Брайля и устройство для его осуществления по авторскому свидетельству СССР 2025785, кл. G 09 В 21/04, 1994, содержащее преобразователь передаваемой по системе Брайля информации в тепловые импульсы, предназначенное для общения со слепоглухонемыми и позволяющее осуществить информационный контакт с ними и их между собой.

Наиболее близким аналогом изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство по патенту США 4167189, кл. А 61 N 1/36, 1979. Оно содержит средства для определения электрокожного импеданса субъекта, средства для управления высотой и шириной импульсных сигналов информации, которая передается в соответствии с полученным значением кожного импеданса с тем, чтобы поддерживать постоянной величину произведения квадрата высоты импульса на его ширину, также средства для подачи указанных импульсных сигналов к электродам. Устройство предназначено для передачи информации посредством электрокожных импульсов, возбуждающих у человека кожное ощущение, и позволяет обеспечить слепого или глухого ощущением, которое заменяет визуальное или звуковое восприятие.

Перечисленным устройствам присущи те или иные недостатки, а именно:

а) все электромагнитные преобразователи информации в тактильные ощущения сложны и громоздки и, вследствие этого, пригодны только в стационарных условиях. Большая материалоемкость обуславливает их высокую стоимость, а большое количество элементов устройства - низкую надежность;

б) устройства по патенту RU 2025785, кл. G 09 В 21/04, 1994, создающие тактильные ощущения посредством теплового воздействия на кожу, являются инерционными и ограничивают скорость передачи информации. Кроме того, для создания тепловых импульсов требуются сравнительно энергоемкие источники питания, что затрудняет практическую реализацию носимых устройств, то есть слепоглухонемые могут общаться лишь со стационарных устройств. Дополнительным недостатком устройства является то обстоятельство, что разные индивидуумы имеют разные участки кожи, разную чувствительность, колеблющуюся в значительных пределах, что затрудняет и усложняет эксплуатацию устройств;

в) устройство по патенту США 4167189 лишено недостатков, присущих вышеуказанным устройствам, но практическая реализация способа затрудняется из-за следующих недостатков.

1. В том случае, когда данный импульсный сигнал, представляющий определенный элемент информации, изменяет высоту и ширину своего импульса, он не воспринимается человеком как один и тот же импульсный сигнал, если только приведение квадрата высоты импульса на его ширину - величина постоянная, потому что:

а) при токах, по величине меньших значения пороговой чувствительности, импульсы вообще не ощущаются, какой бы длительности они ни были;

б) степень ощущения "электрокожного стимула" существенно зависит от места воздействия и площади электродов. К примеру, при воздействии на биологически активные точки, относящиеся к категории "болевых", ощущения стимулов заметы уже при токах 30-50 мкА, а при чрескожной стимуляции при площади электродов в несколько квадратных сантиметров ощущение стимула возникает (при той же форме тока) при токах, в тысячу раз больших;

в) степень ощущения зависит, в первую очередь, от формы сигнала и лишь затем - от его мощности. Разработчикам электростимуляционной аппаратуры известно, что присутствие в стимулирующем импульсе постоянной составляющей позволяет резко снизить болевые ощущения. Если частотный диапазон импульсов лежит в пределах, характеризующих биологическую активность мозга, а именно (0,01-0,025 Гц) при положительной полярности и (0,1-0,5 Гц) при отрицательной полярности, то повышается порог болевой чувствительности. Это явление используется в аппаратах для электронаркоза.

Кроме того, в этих случаях не учтены эффект поляризации кожи, заключающийся в том, что сразу же при воздействии электрическим током сопротивление ее меняется сложным, зависящим от величины и формы тока способом, а также эффект адаптации, заключающийся в том, что при воздействии электрическим током степень ощущения этого тока сильно понижается со временем. Так, например, едва терпимый вначале ток стимулятора в 45-50 мА уже через 40-120 с не ощущается. Это может наложить ограничение на продолжительность сеанса связи.

Кроме того, при практической реализации способа должно быть учтено следующее:

- участки кожи, на которые накладываются электроды, должны быть свободны от биологически активных точек, ибо произвольное (без рекомендации врача) воздействие на них недопустимо;

- форма импульса должна быть максимально нейтральной, то есть не должна оказывать на организм ни стимулирующего, ни седатирующего воздействия;

- для обеспечения возможности создания портативных устройств должна быть найдена также форма тока и импульса, вызывающего "электрический стимул", которая бы позволяла уверенно ощущать электровоздействие при минимальной мощности упомянутого импульса. Известно, что при разных формах воздействия на кожу токов для создания одинаковых ощущений электровоздействия требуются мощности, отличающиеся друг от друга в десятки раз.

Изобретение направлено на создание устройства, позволяющего обмениваться информацией между слепоглухонемыми, или слепыми, или глухонемыми, лишенного перечисленных недостатков. Поставленная задача решается за счет того, что:

- используется подобранная экспериментально форма импульса тока, воздействующего на кожу слепоглухонемого и вызывающая соответствующие переданной информации тактильные ощущения в течение длительного времени без существенных корректировок мощности импульса,

- используется также установленная зависимость между длительностью стимулирующих импульсов и паузой между ними, обеспечивающая минимальную адаптацию,

- используется оптимальная конфигурация электродов, уменьшающая мешающее действие поляризации кожи и адаптации организма к электровоздействию и позволяющая проводить длительные сеансы обмена информацией между слепоглухонемыми.

Устройство содержит источник питания, генератор импульсов, создающий на электродах, контактирующих с кожей, тактильные ощущения, клавиатуру ввода кода Брайля, отдельную клавишу для передачи служебных команд ("принять сообщение", "конец связи" и т. д. ), переключатель режима работы устройства "передача информации" - "прием информации", электроды на поверхности клавиатуры, представляющие собой две полоски из проводящего материала, которые подключены к выходу генератора импульсов, шифратор электрического сигнала по коду Брайля и дешифратор для считывания информации в виде электрических импульсов, вызывающих тактильные ощущения, соответственно брайлевским знакам.

При этом для устройства не имеет принципиального значения система кодирования сигналов - используется ли, например, стандартная шестиклавишная клавиатура, восьмиклавишная или другие.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства, посредством которого осуществляется обмен информацией между слепоглухонемыми, где:

1 - источник питания;

2 - передатчик информационных сигналов;

3 - приемник информационных сигналов;

4 - дешифратор информационных сигналов;

5 - генератор импульсов, создающих тактильное ощущение электровоздействия;

6 - электроды;

7 - шифратор;

8 - переключатель "прием - передача".

Причем приемник и передатчик - это узлы устройства, необходимые только для беспроводной связи (в радиодиапазоне, диапазоне инфракрасных волн или других диапазонах волн).

На фиг. 2 показана клавиатура, где 1-6 - информационные клавиши, 7 - служебная клавиша.

Обмен информацией между слепоглухонемыми осуществляется следующим образом.

Передающий нажимает кнопку с самовозвратом переключателя режима работы 8 ("прием-передача"). При этом устройство переводится в режим "передача", и принимающий, имеющий контакт только с электродами служебной клавиши, получает тактильное ощущение электрического импульса ("начало связи"). Он также нажимает кнопку с самовозвратом переключателя режима работы в положение "передача", а передающий, также имеющий контакт со служебной клавишей, принимает, соответственно, такой же сигнал - подтверждение - начала связи. После этого передающий нажимает информационные клавиши и передает информацию (кодом Брайля, например), а принимающий, приложив пальцы к информационным клавишам считывает эту информацию благодаря тому, что генератор импульсов создает на электродах соответствующих клавиш импульсы напряжения, вызывающие тактильные ощущения электровоздействия.

Служебную клавишу удобно разместить на боковой поверхности портативного аппарата. При этом электроды располагаются под большим пальцем, и слепоглухонемой всегда готов к приему. В случае, если руки заняты, электроды служебной клавиши могут (через разъем в корпусе аппарата) быть расположены в любой части тела (где допускается электровоздействие). В реализованной конструкции аппарата использованы 2 варианта - либо в виде ремешка наручных часов, на внутренней поверхности которого расположены 2 проводящие полоски, либо в виде клипсы, прикрепляемой к любой части тела (к уху, руке и др.).

В качестве приемника-передатчика в реализованной конструкции использованы радиопереговорные устройства типа "Уоки-Токи". Принципиального значения типы приемников-передатчиков не имеют, так как предлагаемое устройство легко состыковывается с любым радиотелефоном или просто телефоном.

Для оперативного и простого управления величиной электровоздействия (или интенсивностью ощущения) электроды выполнены в виде двух полос проводящего материала, расстояние между которыми сужается. В случае, если проводимость кожи изменилась по сравнению с нормой, например повысилась (пот, влага), можно, помимо предусмотренной регулировки амплитуды импульсов в генераторе, переместить пальцы к участку, где расстояние между электродами больше и, тем самым, увеличить сопротивление воспринимающего участка кожи и уменьшить ощущение электровоздействия.

Генератор создает пачки импульсов, причем длительность пачек составляет 3-6 мс, а интервал между ними - 100-150 мс.

При большей длительности пачек начинают сказываться адаптация к электровоздействию и поляризация кожи и, как следствие, снижение ощущения электровоздействия, а при меньших длительностях - неуверенный прием (фиксация) факта электровоздействия. Интервал между пачками можно увеличить сколько угодно (это уменьшает мешающее действие адаптации), но при этом снижается скорость передачи информации. При выбранных значениях скорость составляет 400-600 знаков в минуту. Импульсы в пачке имеют частоту около 3000 Гц. Как отмечалось, на этой частоте наблюдается наибольшая чувствительность сенсорных волокон. Это позволило получить для всех испытуемых уверенные ощущения электровоздействия уже при токах 10-15 мА, что, в свою очередь, позволило реализовать портативный аппарат с источником питания небольшой энергоемкости (батарея "Крона"). При выбранных параметрах генератор импульсов не нуждается в автоматической регулировке амплитуды импульсов во время сеанса, как это предлагается в [1]. Этому способствовало использование электродов в форме сходящихся (но не пересекающихся) прямых. Выбирая участок с большим или меньшим расстоянием между электродами, легко регулировать степень электровоздействия.

Таким образом, благодаря выбору оптимальных параметров воздействия пачек импульсов, оптимальному соотношению длительности пачки и интервалов между пачками удалось уменьшить мешающее проведению длительных (более 10 с) сеансов обмена информацией между слепоглухонемыми явление адаптации организма и поляризации кожи до величины, практически не мешающей этому, и, в конечном счете, создать работоспособное устройство. (Авторы же [1] вообще не обнаружили явление адаптации, либо сознательно обошли его.)

При этом амплитуда импульса должна быть обязательно больше пороговой по ощущению электровоздействия (фиг. 3). Импульсы тока с амплитудой меньшей пороговой (зона 2) вообще не ощущаются. Авторы же [1] ошибочно считали, что если произведения величины импульса на время его действия будут равными (фиг. 4), то есть I₁T₁=I₂Т₂, то ощущения, вызываемые ими, одинаковы.

Выбор заполнения пачки импульсами частотой в области 3 кГц, в которой наблюдается наибольшая чувствительность сенсорных волокон, позволил получить уверенные ощущения электровоздействия при весьма малых токах (10-15 мА), что, в свою очередь, позволило создать портативное устройство с батареей небольшой энергоемкости ("Крона").