CN103340737A - 盲人导航信息感知的振动触觉表达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，包括：M×N电机阵列，所述M×N电机阵列设在腰带上且M×N电机阵列设在佩戴状态下的腰带前部，M=1～3，N=2～8，其特征在于，在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有电机驱动电路，所述的电机驱动电路包括隔离模块和驱动模块，所述振动触觉表达装置还包括主控CPU模块，所述主控CPU模块根据从无线通讯模块获取的电机控制指令，选通电机驱动电路并控制相应的振动电机工作，所述的电机控制指令包括振动电机序号、振幅及振动持续时间。本装置为当前盲人行走的安全性提供了保障。

Description

盲人导航信息感知的振动触觉表达装置

技术领域

本发明涉及一种盲人导航信息感知的振动触觉表达装置。

背景技术

目前，为提高盲人生活质量，各国研究者都致力于研制各类盲人导航装置来帮助盲人克服视觉缺失所造成的行走障碍，虽然已有盲用拐杖，导盲犬等工具帮助其行走，但很难辅助他们在嘈杂的环境中行走。如何让盲人在嘈杂的环境中安全行走，是研究者需要攻克的难点。

随着触觉感知理论和再现技术的发展，触觉提示在盲人导航系统中的应用越来越受到各国研究者的关注。与以往单纯依靠语音提示进行盲人导航相比，触觉提示有着巨大的优势。国外已进行了相关研究，与国外相比，国内对振动触觉的研究仍属于小范围的个别研究，在规模上和深度上都存在较大差距。

临床实验表明，盲人的触觉感知能力要远高于正常人水平，利用振动触觉提示盲人行走具有较好的发展前景。国内针对盲人进行的振动触觉的感知效果试验很少，运用纽扣振动电机阵列实现盲人导航方面还是空白。

发明内容

本发明的目的解决当前盲人行走安全性难以保障的缺陷，提供一种使用安全的盲人导航信息感知的振动触觉表达装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，包括：M×N电机阵列，所述M×N电机阵列设在腰带上且M×N电机阵列设在佩戴状态下的腰带前部，M=1～3，N=2～8，其特征在于，在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有电机驱动电路，所述的电机驱动电路包括隔离模块3和驱动模块4，所述振动触觉表达装置还包括主控CPU模块2，所述主控CPU模块2根据从无线通讯模块1获取的电机控制指令，选通电机驱动电路并控制相应的振动电机工作，所述的电机控制指令包括振动电机序号、振幅及振动持续时间。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明纽扣式振动电机阵列分布的设计可以用于实现全方位的方向提示，通过上位机获得的方向信息，结合纽扣式振动电机的驱动电路实现盲人自主导航；

(2)采用集成的驱动芯片，不仅具有较高的集成性，并且集成芯片驱动特性统一，能够保证同样的振动效果，保证了人体感知的一致性；

(3)主控模块定时检测霍尔电流传感器电路中电流的大小，闭环控制电路电流输出，并通过可恢复保险丝进行过电流保护，进一步保证了系统的安全；

(4)纽扣振动电机阵列中添加温度传感器对温度实时检测，防止电机振动温度过高对人体造成伤害；

(5)留有无线通讯接口，便于实现系统封装，可以有效的实现系统的便携性；

(6)结构简单，便携式可穿戴振动腰带设计，舒适性好，可适用于不同体型用户，不增加负担，使用方便。

附图说明

图1为本发明的阵列式振动电机排布图。

图2为本发明的阵列式振动电机电路组成框图。

图3为本发明的阵列式振动电机电路各模块连接图。

图4为本发明的主控CPU芯片图。

图5为本发明的阵列式纽扣振动电机的电路图。

图6为本发明的温度信号采集电路。

图7为本发明的总体控制流程框图及控制中断图。

图8为本发明的蓝牙通讯数据格式图。

具体实施方式：

一种盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，包括：M×N电机阵列，所述M×N电机阵列设在腰带上且M×N电机阵列设在佩戴状态下的腰带前部，M=1～3，N=2～8，其特征在于，在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有电机驱动电路，所述的电机驱动电路包括隔离模块3和驱动模块4，所述振动触觉表达装置还包括主控CPU模块2，所述主控CPU模块2根据从无线通讯模块1获取的电机控制指令，选通电机驱动电路并控制相应的振动电机工作，所述的电机控制指令包括振动电机序号、振幅及振动持续时间。所述驱动模块4的输出电流由霍尔电流传感器6采集并经多路模拟选择开关7将输出电流输至主控CPU模块2，当所述输出电流大于1A时，停止电机工作；当所述输出电流小于或等于1A时，电机继续工作。在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有温度传感器8且温度传感器8位于佩戴状态下的腰带的内侧，所述温度传感器8用于采集电机的温度信号，并通过总线与主控CPU模块2的输入口相连，所述主控CPU模块2通过输入口分地址读取温度传感器8的温度值，当温度值高于35℃时，则将振动电机的振幅设置为原来的一半，否则，电机继续按照原振幅振动。M×N电机阵列采用3×6电机阵列，主控CPU模块2采用型号为STM32F103VET6的CPU，18个驱动模块4由型号为ULN2803的第一驱动芯片401、第二驱动芯片402及第三驱动芯片403实现，主控CPU模块2的18个输出口PA0～PA15及PB0～PB1分别连接18路电机驱动电路，电机驱动电路中的隔离模块3选用18个线性光耦301，所述的线性光耦301选用PC817芯片，可对一路信号进行隔离，主控CPU模块2的18个输出口分别连接在18个线性光耦的1脚上，处理过的信号由4脚输出，且18个线性光耦中的任意8个线性光耦的4脚分别与第一驱动芯片401的1～8脚连接，18个线性光耦中的另外8个线性光耦的4脚分别与第二驱动芯片402的1～8脚连接，18个线性光耦中的剩余2个线性光耦的4脚分别与第三驱动芯片403的1、2脚连接，由第一驱动芯片401的18～11脚输出的信号分别经自恢复保险丝404输至18个振动电机中的任意8个振动电机，第二驱动芯片402的18～11脚输出的信号分别经自恢复保险丝404输至18个振动电机中的另外8个振动电机，第三驱动芯片403的18～17脚分别经自恢复保险丝404输至18个振动电机中的剩余2个振动电机。多路模拟选择开关7采用型号为HEF4052的双4通道模拟选择器，18路驱动模块4的输出电流分别由型号为CSM001A的第一霍尔电流传感器601、第二霍尔电流传感器602及第三霍尔电流传感器603采集，由于每次选通的是一路电机驱动电路，在ULN2803中只有一路信号被驱动放大，输出电流即为ULN2803中的总电流，霍尔电流传感器只需测量ULN2803中的总电流便可得到输出电流。第一霍尔电流传感器601的1脚与第一驱动芯片401的10脚连接，第一霍尔电流传感器601的3脚通过第一电阻R201与地连接，且第一电阻R201的一端与第一霍尔电流传感器601的3脚连接，第一电阻R201的另一端与地连接，所述第一电阻R201的一端与HEF4052的12脚连接；第二霍尔电流传感器602的1脚与第二驱动芯片402的10脚连接，第二霍尔电流传感器602的3脚通过第二电阻R202与地连接，且第二电阻R202一端与第二霍尔电流传感器602的3脚连接，第二电阻R202的另一端与地连接，所述第二电阻R202的一端与的14脚连接；第三霍尔电流传感器603的1脚与第三驱动芯片403的10脚连接，第三霍尔电流传感器603的3脚通过第三电阻R203与地连接，且第三电阻R203的一端与第三霍尔电流传感器603的3脚连接，第三电阻R203的另一端与地连接，所述第三电阻R203的一端与的15脚连接。所述HEF4052的13脚与STM32F103VET6的PB4脚连接。

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

图1为阵列式振动电机排布图。

振动电机通过粘接和缝制的方法固定在有弹性的腰带上。电机选用直径为0.9cm的振动电机，其体积较小，不会给人体造成伤害，保证了人体的舒适性。电机的排布结构如图1，每3个振动电机为一列，上下间隔为3-5cm，形成从水平方向左到右180°每30°一个方向共6个方向的提示，每个角度上垂直方向上，中，下三个方向的提示。根据调研显示，通过振动触觉表达进行每30°代表一个方向的正确率高达80%，因此这样的排布在符合人体对触觉感知的分辨率的前提下，能获得良好的方向指示效果。同时，在每个电机底部布置一个温度传感器8，型号为502DS18B20检测温度，并通过总线传送到CPU芯片的GPIO上以供CPU实时读取温度数据，进行分析判断，当温度值高于35℃时，则将振动电机的振幅设置为原来的一半，否则，电机继续按照原振幅振动。

图2是本发明的阵列式振动电机电路组成框图。

本电路主要由电源模块9、主控CPU模块2、隔离模块3、驱动模块4、无线通信模块1、阵列式纽扣振动电机模块5、温度传感器8、霍尔电流传感器6及多路模拟选择开关7共九个部分组成。主控CPU模块2通过无线通讯1获得电机控制指令，并对控制电机控制指令进行解析，电机控制指令包括振动电机序号、振幅及振动持续时间。本电路中主控CPU模块2选用基于ARM-CortexM3内核的主控芯片STM32F103VET6，它解析控制电机命令后，通过配置I/O口的PWM模式实现电机的振幅、频率可调，最终实现更为丰富的振动触觉编码处理。电路中采用I/O口独立控制电机的方式，各路输出口分别通过隔离模块3进行信号处理，进而通过驱动模块4进行功率放大，最终控制阵列式纽扣振动电机5实现方向振动表达。为了保证电路的稳定性，选用霍尔电流传感器6对输出电流进行定时检测，如果驱动电路输出电流过大，不仅可通过可恢复保险丝404将对电路进行保护，而且通过主控CPU2停止电机振动，保证系统安全。同时，纽扣振动电机阵列的温度通过温度传感器8实时检测，防止温度过高对人体造成伤害。此外，系统通过集成的电源模块9供电，方便携带。

图3为本发明的阵列式振动电机电路各模块连接图。

从主控制CPU芯片STM32F103VET6输出的电机控制信号，通过隔离模块3实现强电与弱电之间的隔离，在本模块中，选用301对一路I/O输出信号进行处理，该芯片可增加电路的安全性，减小电路干扰，简化电路设计。处理后的信号被送往具有八路信号放大功能的401驱动芯片ULN2803，ULN2803可进行八路信号功率放大，实现驱动501共8个电机的目的。该芯片集成性好，并且可以保证电机在相同信号下的振动感知效果相同，提高了电路的稳定性与电机的特性统一，保证了系统的便携性。通过ULN2803输出的电流经可恢复保险丝404可以防止电流过大对电路造成损害，同时，主控芯片通过定时采集第一霍尔电流传感器601第二霍尔电流传感器602第三霍尔电流传感器603获取的输出电流信息，由于每次选通的是一路电机驱动电路，在ULN2803中只有一路信号被驱动放大，输出电流即为ULN2803中的总电流，霍尔电流传感器只需测量ULN2803中的总电流便可得到输出电流。当所述输出电流大于1A时，停止电机工作；当所述输出电流小于或等于1A时，电机继续工作，对系统的安全性进行进一步保证。同时，纽扣振动电机阵列的温度通过温度传感器8实时检测，防止温度过高对人体造成伤害。

图4为本发明的主控CPU芯片图。

本发明的主控CPU模块选用基于ARM-Cortex M3内核的主控芯片STM32F103VET6，主控芯片STM32F103VET6的PA0～PA15及PB0～PB1连接电机控制电流，PB2～PB3输出信号用于控制多路模拟选择开关7的选通，PB4用于读取多路模拟选择开关7的输出信号。

图5为本发明的阵列式纽扣振动电机的电路图。

阵列式纽扣振动电机的电路图主要包含两部分，上面部分为隔离电路，隔离模块3选用线性光耦PC817芯片对信号进行隔离。下面部分主要是驱动电路与电机的连接，驱动模块4选用驱动芯片ULN2803对信号进行放大，霍尔电流传感器选用CSM001A芯片。主控芯片STM32F103VET6通过多路模拟选择开关7分时采集第一霍尔电流传感器601第二霍尔电流传感器602第三霍尔电流传感器603获取的输出电流信息进行判断。由于每次选通的是一路电机驱动电路，在ULN2803中只有一路信号被驱动放大，输出电流即为ULN2803中的总电流，霍尔电流传感器只需测量ULN2803中的总电流便可得到输出电流。当所述输出电流大于1A时，停止电机工作；当所述输出电流小于或等于1A时，电机继续工作，对系统的安全性进行进一步保证。

图6为本发明的温度信号采集电路。

18路温度信号通过不同的地址挂在总线上，供主控芯片STM32F103VET6读取，主控芯片STM32F103VET6通过GPIO口作为总线连接18个温度传感器，并分地址读取D1～D18分别获得每个温度传感器的值。

图7为本发明的总体控制流程框图及控制中断图。

系统首先进行初始化，“初始化”包括系统时钟初始化、I/O口初始化、USART初始化、GPIO初始化。I/O口初始化包括为USART分配引脚，USART初始化包括使能USART0、设置波特率、初始化USART0时钟、使能USART中断，同时配置输入口，GPIO初始化时设置GPIO复用功能的PWM模式，以实现PWM输出。初始化结束后，程序顺序按地址获取温度传感器8的数据，并对温度值判断是否高于35℃，如果温度值高于35℃时，则将振动电机的振幅设置为原来的一半，否则，电机继续按照原控制参数配置。温度检测结束后，程序顺序开通多路模拟选择开关7读取霍尔电流传感器6的电流信号，然后进行A/D转换，判断电流是否大于1A。当电流大于1A时，停止电机工作；当电流小于或等于1A时，电机继续工作，对系统的安全性进行进一步保证。同时，系统一直等待通信中断。接收到无线通讯模块1传送的中断命令后，CPU解析出所需控制的电机序号，确定下面需要进行配置的引脚。根据电机控制命令的内容确定对引脚操作，通过修改寄存器的值实现。

图8为本发明的蓝牙通讯数据格式图。

上下位机通过起始位0xcc与终止位0xdd进行匹配，匹配成功，则进行数据的顺序读取，第一位数据是所需振动的电机序号，第二位为振动幅值，第三位是电机振动的持续时间。

Claims (5)

1.一种盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，包括：M×N电机阵列，所述M×N电机阵列设在腰带上且M×N电机阵列设在佩戴状态下的腰带前部，M=1～3，N=2～8，其特征在于，在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有电机驱动电路，所述的电机驱动电路包括隔离模块（3）和驱动模块（4），所述振动触觉表达装置还包括主控CPU模块（2），所述主控CPU模块（2）根据从无线通讯模块（1）获取的电机控制指令，选通电机驱动电路并控制相应的振动电机工作，所述的电机控制指令包括振动电机序号、振幅及振动持续时间。

2.根据权利要求1所述的盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，其特征在于，所述驱动模块（4）的输出电流由霍尔电流传感器（6）采集并经多路模拟选择开关（7）将输出电流输至主控CPU模块（2），当所述输出电流大于1A时，停止电机工作；当所述输出电流小于或等于1A时，电机继续工作。

3.根据权利要求1或2所述的盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，其特征在于，在M×N电机阵列的每个振动电机上连接有温度传感器（8）且温度传感器（8）位于佩戴状态下的腰带的内侧，所述温度传感器（8）用于采集电机的温度信号，并通过总线与主控CPU模块（2）的输入口相连，所述主控CPU模块（2）通过输入口分地址读取温度传感器（8）的温度值，当温度值高于35℃时，则将振动电机的振幅设置为原来的一半，否则，电机继续按照原控制指令振动。

4.根据权利要求3所述的盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，其特征在于，M×N电机阵列采用3×6电机阵列，主控CPU模块（2）采用型号为STM32F103VET6的CPU，18个驱动模块（4）由型号为ULN2803的第一驱动芯片（401）、第二驱动芯片（402）及第三驱动芯片（403）实现，主控CPU模块（2）的18个输出口PA0～PA15及PB0～PB1分别连接18路电机驱动电路，电机驱动电路中的隔离模块（3）选用18个线性光耦(301)，所述的线性光耦(301)选用PC817芯片，可对一路信号进行隔离，主控CPU模块（2）的18个输出口分别连接在18个线性光耦的1脚上，处理过的信号由4脚输出，且18个线性光耦中的任意8个线性光耦的4脚分别与第一驱动芯片（401）的1～8脚连接，18个线性光耦中的另外8个线性光耦的4脚分别与第二驱动芯片（402）的1～8脚连接，18个线性光耦中的剩余2个线性光耦的4脚分别与第三驱动芯片（403）的1、2脚连接，由第一驱动芯片（401）的18～11脚输出的信号分别经自恢复保险丝（404）输至18个振动电机中的任意8个振动电机，第二驱动芯片（402）的18～11脚输出的信号分别经自恢复保险丝（404）输至18个振动电机中的另外8个振动电机，第三驱动芯片（403）的18～17脚分别经自恢复保险丝（404）输至18个振动电机中的剩余2个振动电机。

5.根据权利要求4所述的盲人导航信息感知的振动触觉表达装置，其特征在于，多路模拟选择开关（7）采用型号为HEF4052的双4通道模拟选择器，18路驱动模块（4）的输出电流分别由型号为CSM001A的第一霍尔电流传感器（601）、第二霍尔电流传感器（602）及第三霍尔电流传感器（603）采集，第一霍尔电流传感器（601）的1脚与第一驱动芯片（401）的10脚连接，第一霍尔电流传感器（601）的3脚通过第一电阻（R201）与地连接，且第一电阻（R201）的一端与第一霍尔电流传感器（601）的3脚连接，第一电阻（R201）的另一端与地连接，所述第一电阻（R201）的一端与HEF4052的12脚连接；第二霍尔电流传感器（602）的1脚与第二驱动芯片（402）的10脚连接，第二霍尔电流传感器（602）的3脚通过第二电阻（R202）与地连接，且第二电阻（R202）的一端与第二霍尔电流传感器（602）的3脚连接，第二电阻（R202）的另一端与地连接，所述第二电阻（R202）的一端与的14脚连接；第三霍尔电流传感器（603）的1脚与第三驱动芯片（403）的10脚连接，第三霍尔电流传感器（603）的3脚通过第三电阻（R203）与地连接，且第三电阻（R203）的一端与第三霍尔电流传感器（603）的3脚连接，第三电阻（R203）的另一端与地连接，所述第三电阻（R203）的一端与的15脚连接。所述HEF4052的13脚与STM32F103VET6的PB4脚连接。

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