CN103494642A - 一种体感触觉激励发生器 - Google Patents

Abstract

一种体感触觉激励发生器，包括步进电机、一组磁动机构以及一组导轨滑块机构，还包括恒定频率控制单元；恒定频率控制单元的上位机输出端与无线发射模块的输入端相连接，刺激频率通过上位机传输到无线信号发射模块，再通过无线发射模块输出端将数据发射出去，无线接收模块的输入端接收数据，通过无线接收模块的输出端将数据传送至微控制模块，微控制模块经过进行计算后产生一定频率的脉冲信号，控制磁动机构的磁钢转动，从而使磁铁上下运动，产生触觉激励效果，本发明采用人体能够感觉的频率精确可调的低频触觉振动激励，动力来源稳定可靠、频率精确可调，能够避免使用中带来的创伤，灵活地提供各种精确频率的体感触觉激励，且结构设计简单，集成度高，噪音小又便于携带。

Description

一种体感触觉激励发生器

技术领域

本发明涉及一种体感触觉装置，尤其是一种体感触觉激励发生器。 

背景技术

皮肤作为人类重要的感觉器官，是一种非常灵敏的感受器，其触点非常密集，而且触点分辨率在身体的不同部位也有所不同。人通过接触或触摸（包含振动觉、触觉、痛觉等）可以获得两种基本的感受：机体感受和本体感受。机体感受提供了我们关于物体形状、表面纹理或粗糙程度以及温度方面的信息；本体感受是肌肉以及筋腱感受到的肌肉内部力量和运动，从而深层次地获得物体形状、力度和硬度的信息。由此可见，皮肤这种特殊的感觉器官，其作用和功效是其它功能器官所无法替代的。 

在体感诱发电位SEP（Somatosensory Evoked Potentials，简称SEP）研究中，常用电流脉冲刺激指、趾皮神经或肢体大的混合神经干中的感觉纤维，达到体感刺激的目的。这种皮肤电刺激方式，一般对仪器设备的性能参数要求非常高，而且装置复杂、价格昂贵，在推广应用方面存在着一定的局限性。此外，这种电流脉冲刺激的方式对某些诸如振动、接触和疼痛的刺激效果难以逼真模拟，而且刺激效果并没有定量定性的指标（例如，一般刺激量要求达到同侧拇指或小趾球肌有可见收缩为宜），具有一定的主观性和随机性。从本质上而言，电流脉冲刺激方式对被试是有一定的创伤性和危险性的（施加的电刺激过强，可能使被试产生痉挛现象）。 

理论上，电刺激能够引起相对多类型的神经纤维的兴奋，增加了波形的复杂性。但是实验也表明，通过对被试施加一定的触觉、振动觉或痛觉激励同样能够达到检测人体某些机能的目的。有文献报道，通过对被试食指施加一定的电磁振动刺激，能有效地诊断精神分裂症。此外，触觉激励是一种无创或低创、易控的体感激励，安全系数高，被试的接受程度也高。因此基于触觉的体感激励得到了广泛的认可和接受。 

目前常用的几种体感激励装置主要有以下几种： 

文献1：K.A.Kaczmarek,K.M.Kramer,J.G.Webster,and R.G.Radwin,“A16-channel 8-parameter waveform electrotactile stimulation system”,IEEE Trans.Biomed.Eng.,vol.38,pp.933-943,1991报道了一种基于电脉冲的体感刺激装置，该装置通过计算机接口对人体进行电刺激以模拟生理触觉：这种刺激器采用表面电极或针状电极，对被试的腕部、肘部或腘部的神经肌肉施加刺激，以诱发脑电波相关电位，有一定的创伤性。一般对装置的可靠性、安全性要求极高。这种装置的价格一般比较昂贵、操作技术性高、装置复杂，缺乏一定的灵活性。 

基于静电吸附式的刺激装置：这种刺激器主要用于SEP研究或虚拟现实技术领域的人机接触交互应用研究中。其原理是利用硅基片在其之上制作相应的电极阵列，并覆盖高强度的电绝缘材料聚酰亚胺薄膜。当电极上施加一定的高电压，该硅片能够产生静电吸附力，从而对被试相应的刺激部位产生触觉刺激。如文献2：http://www.dcs.gla.ac.uk/～stephen/workshops/haptic/papers/stone.pdf所述的美国Wisconsin大学研制的Teletact Ⅱ和Tacticon 1600触觉刺激装置。相似的装置，还有利用可充气的气囊进行体感触觉刺激，不同之处在于利用气阀控制装置进行充气放气，以模拟触觉刺激。通常，这类装置的结构复杂、成本高而且仅能够产生简单的触觉刺激信号，使用的灵活性比较差。 

基于振动音圈的刺激装置：这种装置利用电磁效应原理，通过对振动音圈施加一定频率和强度的电流信号，使线圈起振，从而产生类似的触觉刺激。如文献3：http://www.cs.unc.edu/～welch/class/comp239/media/pdf/touch_force/touch_forc e.pdf中所述的美国Virtual Technologies公司开发的“CyberTouch”及EXOS公司开发的“Touch Master”系统就采用了振动音圈作为触觉发生器，以作为简单的振动触觉器。这种装置的刺激频率一般不高，仅为0～250Hz左右，而且体积比较大，只能提供简单的振动觉或触觉刺激。 

ZL201010143724.3报道了一种基于继电器改造的刺激装置：当给继电器线圈加上交流信号后，线圈上便会产生顺时针或者逆时针流到的电流，根据电磁感应原理，其在空间产生的磁场会随之改变方向和大小。这样继电器的悬臂梁会受到不同大小的牵引力的作用下而产生上下振动，带动尖端的小针振动，就可以给予皮肤振动刺激。该种装置的刺激频率不高，响应比较迟滞且不稳定。 

ZL200820029540.2报道了一种基于偏心扁平马达的刺激装置：偏心马达频率响应不够，激振器体积过于庞大，不容易固定。 

ZL200510105242.8报道了一种基于压电陶瓷逆压电效应的刺激装置：通过电极接上正相或负相电压时，压电片弯曲形变方向的不同，带动刺激装置上下运动。压电陶瓷产生的振动幅度太小，几乎难以感觉到，且压电陶瓷谐振频率过高，不符合低频振动激励的要求。 

ZL200410073954.1报道了一种基于电磁铁的体感触觉刺激发生装置，电磁铁在驱动信号的控制下，产生低频振动，从而带动刺激力臂的上下振动，进而带动刺激针棒的上下运动，以对人体进行触觉刺激。神经科学研究发现，SSSEP在21Hz刺激频率附近的响应较强，而该激励器能实现的频率过低，不能满足针对人体手指最佳刺激响应的研究。 

从调研中不难发现，上述的几类体感刺激发生装置要么价格昂贵、装置复杂；要么 刺激简单，效果差，频率过高或过低，性价比低，灵活性也不是很好。事实上，SSSEP方面的研究无论是对刺激的方式，还是对刺激的灵活性的要求都是比较高的，具有一定的特殊性。一种小型便携、功能集中、使用安全的体感触觉激励发生装置成为了市场需求的趋势。 

发明内容

发明目的：为了客服现有技术的不足，本发明提供一种小型便携、功能集中的磁钢式的体感触觉激励发生装置。 

技术方案：一种体感触觉激励发生器，包括步进电机、一组磁动机构以及一组导轨滑块机构；所述步进电机固定在底板上； 

所述一组磁动机构包括磁钢和磁铁，所述磁钢固定在电机输出轴顶端的轴套上，所述磁铁位于磁钢的正上方； 

所述一组导轨滑块机构包括导轨和滑块；所述滑块为磁铁，顶杆固定在磁铁上；所述步进电机的输出轴与导轨导向垂直。方向保持垂直，磁铁与磁钢之间的相对位置保持恒定。 

所述磁钢为铷铁硼磁钢，该磁钢磁力强，性能高，可电镀，能够通过线切割进行二次加工，以满足对磁钢尺寸的需求。 

该发明还包括套筒，套筒内壁上端有一体腔，该体腔同时作为导轨滑块机构的轨道，呈上大下小的阶梯状孔，限定了滑块上下移动的范围。 

所述的一种体感触觉激励发生器，其特征在于：还包括恒定频率控制单元，所述恒定频率控制单元包括上位机、无线发射模块、无线接收模块以及微控制模块；所述上位机的输出端与无线发射模块的输入端相连接，频率通过上位机传输到无线信号发射模块，再通过无线发射模块输出端将数据发射出去，无线接收模块的输入端接收数据，通过无线接收模块的输出端将数据传送至微控制模块，微控制模块经过进行计算后产生一定频率的脉冲信号；所述步进电机的驱动器接收所述恒定频率控制单元中的微控制模块的输出的脉冲信号，步进电机根据该信号进行调速，控制步进电机输出轴顶端轴套上的磁钢的磁极转换频率。 

有益效果： 

1、稳定性高，由于磁钢和磁铁之间位置相对恒定，因此对电机影响的最大作用排斥力恒定，不会因电机负载有变化而减速； 

2、结构设计简单，集成度高，装置体积小，便于携带，且工作中安全稳定，噪音小； 

3、本发明采用人体能够感觉的频率精确可调的低频触觉振动激励，动力来源稳定可靠、频率精确可调，能够避免使用中带来的创伤，灵活地提供各种精确频率的体感触觉激励。 

附图说明

图1是体感触觉激励发生器结构示意图 

图2是轴套安装（俯视）示意图 

图3是轴套结构示意图 

图4是图3的左视图 

图5是套筒结构示意图 

图6是图5的右视图 

图7是顶杆及顶杆与磁钢装配图 

图8是控制系统工作流程图 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。 

结合图1和图2所示，一种体感触觉激励发生器，其特征在于：包括步进电机18、一组磁动机构以及一组导轨滑块机构； 

所述一种体感触觉激励发生器，底部有一底板19，铝制稳固竖板14通过三枚竖板紧固螺钉17固定于铝制稳固底板19上，所述铝制底板19放在桌面上会产生较大噪音，这些噪音会影响实验者的感受，从而影响实验效果，所以又在铝板下面粘上了吸震材料8，用于降低系统工作过程中的噪音，所述吸震材料可采用泡沫塑料或能达到同样效果的材料。 

结合图1、图3、图4、图5、图6以及图7，导轨滑块机构的套筒4通过套筒紧固螺钉7固定在底板19上，套筒盖1通过三枚磁钢紧固螺钉2与套筒4固定；确保步进电机在转动的过程中，伸入套筒内的部分不会碰到套筒壁，保证了系统能够安全稳定的工作；套筒盖1呈上大下小阶梯轴状，且套筒盖1上贯通一个孔，用于通过顶杆10。铜质顶杆10通过螺纹9结合螺帽11与圆环形磁铁12固联，安置于套筒4的上部腔体中，所述顶杆10的上半部分是光杆，在顶杆10靠近底部的部分加工上螺纹9，环形磁铁12套在顶杆10上，用螺帽11进行固定；所述磁铁12阳极朝下；轴套6通过两枚轴套紧固螺钉13固定于步进电机输出轴16上，磁钢5被固联于轴套6上；所述步进电机输出轴16上，两枚固定用的轴套紧固螺钉13位于同一个平面内并相互垂直，两枚磁钢紧固螺钉3将两块金属垫片20将磁钢5固定在轴套6末端的槽中。凭借随步进电机输出轴 16一起转动的磁钢12与安置于套筒4内的磁铁之间的“同性相斥、异性相吸”，顶杆10是系统产生振动的部分，被带动在套筒4内上下运动以产生恒定频率的机械振动刺激，通过顶杆10顶部将振动传递给人手指。顶杆10与设计的环形磁铁12相固连。为了防止其他物质会影响磁钢的磁性以及作用方向，这里选用铜作为顶杆的加工材料，在顶杆靠近底部的部分加工上螺纹9，这样就可以很方便的将磁铁12套在顶杆10上，再用螺帽11进行固定。顶杆10的上半部分是光杆，可以减少顶杆10上下振动的过程中与套筒盖1的摩擦，防止卡死又减少了振动噪声。 

结合图1、图2、图7所示，磁动机构依靠磁钢5磁极的反转变化实现振动刺激功能的，而磁钢5磁极的反转是依靠步进电机输出轴16的转动实现的，为将磁钢5连接到步进电机输出轴16上，设计了一个轴套6。所述套筒4的作用是在使圆形磁铁12在其内部产生“同性相斥、异性相吸”作用，并且套筒4内壁上部也给顶杆10提供了上下滑动的腔体。套筒4内壁上部腔体呈上大下小阶梯孔状，以限制圆形磁铁12向下运动的极限位置。套筒盖1呈上大下小阶梯轴状，通过三枚螺钉2与套筒连接，套筒盖1正中央有个小孔以方便顶杆10伸出，并通过大于顶杆10直径但小于螺纹9外径的孔径大小限制了顶杆10向上运动的极限位置，本发明所述一种体感触觉激励的振动幅度被设计为2mm。套筒4固定在底板19上，步进电机18固定在竖板14上，步进电机输出轴16通过套筒4侧壁上的圆孔伸入套筒4内壁下部腔体，在腔体内转动，同时带动磁钢5电极的反转。 

结合图1、图2所示的磁钢5采用的是铷铁硼磁钢，其特征是磁力强，性能高，可电镀，可通过线切割进行二次加工以满足对磁钢尺寸的需求。所述磁钢5也可采用其他类型的磁钢，能达到基本相同的效果，但是铷铁硼磁钢的实验效果最佳，故选择铷铁硼磁钢。 

结合图8所示，恒定频率控制单元包括上位机、无线发射模块、无线接收模块以及微控制模块；所述上位机的输出端与无线发射模块的输入端相连接，刺激频率通过上位机传输到无线信号发射模块，再通过无线发射模块输出端将数据发射出去，无线接收模块的输入端接收数据，通过无线接收模块的输出端将数据传送至微控制模块，微控制模块经过进行计算后产生一定频率的脉冲信号。 

步进电机18通过四枚步进电机紧固螺钉15固定于竖板14上，步进电机18的驱动器接收所述恒定频率控制单元中的微控制模块的输出信号，步进电机18根据该信号进行调速，通过速度来控制步进电机输出轴16顶端轴套6上的磁钢5的磁极转换频率。 

所述步进电机18中，控制系统由双环形脉冲信号、功率驱动电路组成，所述步进电机18的驱动器是两相混合式步进电机驱动器，采用交流伺服驱动器的电流环进行细 分控制，步进电机的转矩波动很小，低速运行很平稳,几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于其它两相驱动器，定位精度高。 

具体来说，借助PC上位机软件实现端口配置、控制无线信号发射模块连接与断开、设置激励器的振动频率以及控制激励器启动与关闭等功能。上位机软件设计时编写了串口通信程序，与信号发射模块建立稳定可靠的联系，上位机将操作者设置的刺激频率发送到无线信号发射模块，无线信号发射模块将数据发射出去，进行了频率计算的算法设计之后，可发送精确的振动频率控制命令。设计下位机，即图8中的MCU(微控制模块)对无线通信的程序，使得下位机能够准确接收上位机命令，并且根据上位机的命令设计激励器驱动程序以保证对激励器的精确控制。无线单片机接收来自发射台的数据后，根据接收的命令产生一定频率的脉冲信号，继而步进电机18驱动器根据脉冲频率来进行步进电机的调速，继而控制固定于电机输出轴并可随之转动的磁钢5阳极或者阴极朝上的频率。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种体感触觉激励发生器，其特征在于：包括步进电机（18）、一组磁动机构以及一组导轨滑块机构；

所述步进电机（18）固定在底板（19）上；

所述一组磁动机构包括磁钢（5）和磁铁（12），所述磁钢（5）固定在电机输出轴（16）顶端的轴套（6）上，所述磁铁（12）位于磁钢（5）的正上方；

所述一组导轨滑块机构包括导轨和滑块；所述滑块为磁铁（12），顶杆（10）固定在磁铁（12）上；所述步进电机的输出轴（16）与导轨导向垂直。

2.权利要求1所述的一种体感触觉激励发生器，其特征在于：所述磁钢（5）为铷铁硼磁钢。

3.权利要求1所述的一种体感触觉激励发生器，其特征在于：还包括套筒（4），套筒（4）内壁上端有一体腔，该体腔同时作为导轨滑块机构的轨道，呈上大下小的阶梯状孔。

4.权利要求1所述的一种体感触觉激励发生器，其特征在于：还包括恒定频率控制单元，所述恒定频率控制单元包括上位机、无线发射模块、无线接收模块以及微控制模块；所述上位机的输出端与无线发射模块的输入端相连接，频率通过上位机传输到无线信号发射模块，再通过无线发射模块输出端将数据发射出去，无线接收模块的输入端接收数据，通过无线接收模块的输出端将数据传送至微控制模块，微控制模块经过进行计算后产生一定频率的脉冲信号；所述步进电机（18）的驱动器接收所述恒定频率控制单元中的微控制模块的输出的脉冲信号，步进电机（18）根据该信号进行调速，控制步进电机输出轴（16）顶端轴套（6）上的磁钢（5）的磁极转换频率。

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