CN105498091A - 佩戴式多功能触觉电刺激腕带 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种佩戴式多功能触觉电刺激腕带，包括：腕带本体；控制装置，所述控制装置设置在所述腕带本体上，在所述控制装置内设有控制电路；刺激点，所述刺激点的数量为若干个，所述刺激点设置在所述腕带本体内壁上，所述刺激点与所述控制电路连接。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：具备宽输出范围、高刺激精度的多通道轻量化电刺激设备，通过低功耗蓝牙与手机等互联网设备进行通讯，预设不同的刺激条件，在条件触发时输出恒流电脉冲刺激皮肤，获得丰富的电触觉体验。达到了现有技术未能达到的多通道轻量化电刺激器的要求，满足了智能腕带提供丰富人工触觉的需求。

Description

佩戴式多功能触觉电刺激腕带
技术领域
本发明涉及到可穿戴设备、人机交互和医疗康复技术领域，具体是一种佩戴式多通道触觉电刺激腕带。
背景技术
智能腕带作为一种可穿戴的轻便型智能设备，因为其与环境良好的交互功能，已经成为当前互联网浪潮中关注热点之一。根据环境变化或是预先设定，智能腕带通过提供人工触觉告知使用者相关信息，以便使用者及时判断做出相应动作。
人主要通过皮肤来感知周遭环境的触觉反馈。人体皮下有六种触觉感受器，在自然环境下，人的皮肤受到挤压，相应的，触觉感受器受到挤压，同时在与感受器相连的传入神经束中产生动作电位，神经电信号传入CNS(中枢神经系统)，进而人能感受到触觉。根据感受触感的快慢和感受器的感受区域可以将感受器分为四类：FAI(fastadaptation)、FAII、SAI、SAII，振动感可以由FA型感受器感受到，压力感可由SA型感受器感受到，纹理、粗糙感等复杂触觉可能是上述几种感受器综合作用的效果。
产生人工触觉的方式主要是振动触觉和电触觉，其中电触觉能够产生更为丰富的触觉信息。振动触觉本质上是通过对皮肤造成机械变形来引起触觉，而电触觉本质上是直接用电流刺激皮肤下的感受器/神经纤维束来引起触觉的，电触觉更为直接。振动触觉实现起来简单，能实现振动感，但是受限于振动电极面积，空间分辨率不高，主要用做触觉提示用。电触觉空间分辨率更高，能够实现压力感、振动感、滑觉、刚度等复杂信息。
经文献检索发现，中国专利公开号为CN103500488A，专利名称为：通过智能手环对驾驶员进行提醒的方法、系统和智能手环，申请日为2013年10月08日。该发明提出了一种通过智能手环对驾驶员进行提醒的方法、系统和智能手环，其中方法包括以下步骤：智能手环获取提醒指令，以及智能手环向车辆的驾驶员发出振动提醒。该手环通过改变振动的幅值和次数来提供人工触觉反馈。该手环存在以下不足：1、通过改变振动的幅值仅仅提供了不同强度的振动感觉，人工触觉种类单一，不能满足智能腕带提供丰富感觉的要求；2、通过不同的振动次数来区分不同的动作要求，直观上不便于记忆，同时多次振动加大了延时，有损智能手环/腕带的实时性能。
经文献检索发现，中国专利公开号为CN103830841A，专利名称为：可穿戴的经皮肤的电刺激设备及其使用方法，申请日为2013年11月26日。该设备包括主单元和辅单元，该主单元包括第一经皮肤电极,而辅单元包括第二经皮肤电极。该设备可以能够无线通信。主单元和辅单元被置于用户皮肤上的两个位置，例如，用户的头部或颈部。第一和第二经皮肤电极是电连接。电刺激被驱动于这两个电极之间。电刺激诱导该设备的用户的认知效果。该电刺激设备存在以下不足：1、仅仅具备单通道，无法满足丰富人工触觉的要求；2、用于通过刺激头部来激活脑部神经和皮层等敏感部位，从电刺激的强度来说无法满足皮肤等敏感性较低的地方；3、体积较大，重量较重，无法满足腕带的体积和重量限制。
总体来说，之前的电刺激器多数笨重体积大，通道数少，难以同时满足可穿戴的轻量化设计要求和触觉神经电刺激多样化的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于现有智能腕带和电刺激设备的不足，基于轻量化和人工触觉多样化的需求的佩戴式多功能触觉电刺激腕带。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种佩戴式多功能触觉电刺激腕带，包括：腕带本体；控制装置，所述控制装置设置在所述腕带本体上，在所述控制装置内设有控制电路；刺激点，所述刺激点的数量为若干个，所述刺激点设置在所述腕带本体内壁上，所述刺激点与所述控制电路连接；其中所述控制电路包括：主控芯片，所述主控芯片输出电压脉冲信号，所述主控芯片记为第一芯片；恒流源模块，所述恒流源模块与所述主控芯片连接，所述恒流源模块将所述电压脉冲信号转换成电流脉冲信号；极性转换模块，所述极性转换模块与所述恒流源模块连接，所述极性转换模块用于将所述电流脉冲信号转换成正负脉冲信号；柔性电极模块，所述柔性电极模块通过多路复用模块与所述极性转换模块连接，所述多路复用模块将所述正负脉冲信号分配到所述柔性电极模块；所述柔性电极模块与所述刺激点连接；相互连接的供电模块及电压转换模块，所述供电模块通过所述电压转换模块与所述主控芯片、所述恒流源模块、所述极性转换模块及所述多路复用模块连接以供电。
优选地，所述恒流源模块由第一级差分放大电路和第二级电压跟随电路组成；其中所述第一级差分放大电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容C1及第一放大器U1；所述第一放大器U1的正相输入端通过所述第六电阻R6接收所述主控芯片输出的所述电压脉冲信号Vorder，所述第一放大器U1的反相输入端通过所述第一电阻R1接收所述主控芯片输出的所述电压脉冲信号Vorder，所述第一放大器U1的电源端与电压端连接，所述第一放大器U1的接地端接地，所述第一电容C1连接在所述电压端与地端之间；
所述第二级电压跟随电路包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C2、负载电阻Rload及第二放大器U2；所述第二放大器U2的反相输入端通过所述第五电阻R5与所述第一放大器U1的正相输入端连接，所述第二放大器U2的正相输入端通过串联的第三电阻R3和第四电阻R4连接在所述第一放大器U1的输出端与所述第二电阻R2的连接点，所述第一电容C2连接在所述电压端与地端之间，所述负载电阻Rload的一端与所述第二放大器U2的正相输入端连接，所述负载电阻Rload的另一端接地；所述第二放大器U2的输出端与所述第二放大器U2的反相输入端连接。
优选地，所述极性转换模块包括极性转换芯片以及分别与所述极性转换芯片连接的第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4，所述极性转换芯片记为第二芯片；其中
所述第一三极管Q1的集电极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接，所述第四三极管Q4的集电极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第四三极管Q4的发射极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接；
所述第二三极管Q2的集电极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接，所述第三三极管Q3的集电极与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第三三极管Q3的发射极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接；
第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第一二极管D1的负极与所述第一三极管Q1的集点极连接；
第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的集点极连接；
第三二极管D3的正极与所述第三三极管Q3的发射极连接，所述第三二极管D3的负极与所述第三三极管Q3的集点极连接；
第四二极管D4的正极与所述第四三极管Q4的发射极连接，所述第四二极管D4的负极与所述第四三极管Q4的集点极连接；
所述第一三极管Q1的基极与所述极性转换芯片的控制引脚P1连接，所述第二三极管Q2的基极与所述极性转换芯片的控制引脚N1连接，所述第三三极管Q3的基极与所述极性转换芯片的控制引脚P2连接，所述第四三极管Q4的基极与所述极性转换芯片的控制引脚N2连接；
所述多路复用模块通过所述极性转换芯片的LP端与所述第四三极管Q4的集电极与所述第一三极管Q1的发射极的连接点连接；
所述多路复用模块通过所述极性转换芯片的LN端与所述第三三极管Q4的集电极与所述第二三极管Q2的发射极的连接点连接，在所述LN端和所述第三三极管Q4的集电极与所述第二三极管Q2的发射极的连接点之间连接第七电阻R7。
优选地，所述多路复用模块由第三芯片U3、第四芯片U4、第五芯片U5和第六芯片U6组成；其中
所述第三芯片U3和所述第四芯片U4的使能端分别与所述极性转换芯片的LP端连接；所述第五芯片U5及所述第六芯片U6的使能端分别与所述极性转换芯片的LN端连接。
优选地，在所述第三芯片U3的低电平端与地端之间连接第三耐高压稳压电容C3，在所述第三芯片U3的电源端与地端之间连接第四耐高压稳压电容C4；
在所述第四芯片U4的低电平端与地端之间连接第五耐高压稳压电容C5，在所述第四芯片U4的电源端与地端之间连接第六耐高压稳压电容C6；
在所述第五芯片U5的低电平端与地端之间连接第七耐高压稳压电容C7，在所述第五芯片U5的电源端与地端之间连接第八耐高压稳压电容C8；
在所述第六芯片U6的低电平端与地端之间连接第九耐高压稳压电容C9，在所述第六芯片U6的电源端与地端之间连接第十耐高压稳压电容C10。
优选地，所述控制电路还包括蓝牙模块，所述控制电路通过所述蓝牙模块与外界通信。
优选地，所述主控芯片为基于ARMCortex-M4的32位单片机stm32F405。
优选地，所述第一放大器U1及所述第二放大器U2为LinearTechnology公司的高压集成运放LTC6090。
优选地，所述极性转换芯片为intersil公司的CA3083高速大功率三极管集成芯片。
优选地，所述第三芯片U3、所述第四芯片U4、所述第五芯片U5和所述第六芯片U6为MAXIM公司的4通道耐高压高速模拟开关芯片MAX14757。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：具备宽输出范围、高刺激精度的多通道轻量化电刺激设备，通过低功耗蓝牙与手机等互联网设备进行通讯，预设不同的刺激条件，在条件触发时输出恒流电脉冲刺激皮肤，获得丰富的电触觉体验。达到了现有技术未能达到的多通道轻量化电刺激器的要求，满足了智能腕带提供丰富人工触觉的需求。
说明书附图
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带系统结构框图；
图2为本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带使用示意图；
图3为本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带恒流源模块原理图；
图4为本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带极性翻转模块原理图；
图5为本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带多路复用模块原理图。
具体实施方式
下面采用具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带，包括腕带本体10以及设置在腕带本体上10的控制装置11，控制装置11内的控制电路包括供电模块1(9V镍氢电池)、电压转换模块2、低功耗蓝牙模块3、主控芯片4、恒流源模块5、电流采集模块6、极性翻转模块7、多路复用模块8、柔性电极阵列9。供电模块1通过稳压后连接电压转换模块2，电压转换模块2输出不同的电压保证其他模块的正常运行；主控芯片4通过内部DA输出编码过的电压脉冲信号，经过恒流源模块5转换得到相应幅值、脉宽、频率的恒定电流脉冲信号，经过极性转换模块7得到正负脉冲信号，然后通过多路复用模块8实时分配到柔性电极模块9不同刺激点12，刺激相应位置皮肤，激活手臂或是手腕部位的丰富感觉；电流采集模块6采集输出恒流脉冲，反馈到主控芯片，调整电压脉冲输出，闭环控制保持系统稳定；低功耗蓝牙模块3通过PC或是手机接入互联网，自由调制不同的人工触觉模式。各个模块通过PCB内部走线连接，柔性电极模块9通过FPC软排线连接。
如图2所示，触发相应的条件后，电刺激智能腕带激活对应的5个刺激点12，刺激模式主要有以下几种：一、单点刺激模式，可提供不同强度的压力感和振动感；二、多点轮扫模式，按照顺时针或是逆时针间隔固定时间激活5个刺激点12，可提供不同速度的滑动感；三、多点混合模式，例如将5个刺激点12分别对应五个手指，每个点不同的刺激模式对应每个手指不同的操作，例如可用于辅助弹奏乐器训练。
如图3所示，本实例中恒流源模块8的主控芯片为LinearTechnology公司的高压集成运放LTC6090，主要由U1为核心的第一级差分放大器和U2为核心的第二级电压跟随器组成。单片机的控制信号为Vorder，第一级输出电压为V1，第二级输出电压为V2，负载电阻(皮肤电阻及其他电阻)Rload上电压为Vout，C1和C2为稳压电容。根据电压跟随器特性有其中R3为限流保险丝，从硬件上保证电刺激器不会突发大电流，R4为调整电阻。根据差分放大器的特点，有又有刺激电流为联立上述三式，得到 I s t i m = - R 2 ( R 5 + R 6 ) V o r d e r R 1 ( R 3 + R 4 ) ( R 5 + R 6 ) + R l o a d ( R 1 R 5 - R 2 R 6 ) , 取R1＝R2＝R3＝R4，即得 I s t i m = - V o r d e r R 3 + R 4 , 与负载无关。
如图4所示，本实例中极性翻转模块的主控芯片为intersil公司的CA3083高速大功率三极管集成芯片。其中Q1、Q2、Q3、Q4为CA3083中的四个三极管，D1、D2、D3、D4为反向截止二极管。P1、N1和P2、N2是两对控制引脚，通过单片机定时器切换这两对控制引脚通断可以输出正负电脉冲，消除电荷积累的影响。LP和LN两端输入到下级多路复用模块。R7为标准电阻，得到它两端的压差再除以R7电阻值即得到了输出电流，该电压差可通过放大倍数为1的差分放大器获得并通过主控芯片读取，实现输出电脉冲的闭环反馈，增强其稳定性。
如图5所示，本实例中多路复用模块的主控芯片为MAXIM公司的4通道耐高压高速模拟开关芯片MAX14757，每两片构成一组，分别控制LP和LN的选通。单片机某一时刻仅选通一路，也就是每组只选通一个LP和LN，刺激到特定的柔性PCB刺激点。模拟开关的高速性保证了刺激信号不失真，模拟开关的良好性能实现了各个通道之间的隔离，避免了通道串扰。其中C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10均为耐高压稳压电容。
本领域技术人员应该理解，本发明中芯片的未用文字说明连接关系的引脚可以根据现有技术(例如芯片的DATDSHEET)和实际需要进行必要的连接，在此不予赘述。
本发明佩戴式多功能触觉电刺激腕带可应用的场合包括：
1.指导手部动作学习，例如弹奏乐器(钢琴、吉它等)。五个刺激点代表五个手指，乐谱可以通过程序输入，电脉冲按乐谱节奏通过腕带的五个点刺激皮肤，提示使用者对应的手指需要产生运动，从而加快使用者的学习过程。
2.远程通讯，熟人、朋友或恋人之间，虽然远隔千山万水，可以使用该设备通过互联网向对方，发送触觉电刺激信息，双方可以用约定好的电刺激模式发送暗语。
3.该发明可以作为“无声的闹钟”使用，设定好刺激的时间点，到时会发出电脉冲刺激，唤醒使用者。极大方便了那些与他人共处一室的使用者，它只会唤醒使用者，不会吵醒和干扰其它人。
4.针对假肢者，本发明专利可以实现假肢手和截肢者的触觉感知信息反馈，把假肢手传感器的信息通过触觉电刺激传递给截肢者，实现人在环中的闭环控制，从而增强截肢者使用假肢的操控性能。
5.潜在的应用还包括游戏娱乐、虚拟现实、手机和电脑等领域里涉及的人机交互。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，包括：
腕带本体；
控制装置，所述控制装置设置在所述腕带本体上，在所述控制装置内设有控制电路；
刺激点，所述刺激点的数量为若干个，所述刺激点设置在所述腕带本体内壁上，所述刺激点与所述控制电路连接；其中
所述控制电路包括：
主控芯片，所述主控芯片输出电压脉冲信号，所述主控芯片记为第一芯片；
恒流源模块，所述恒流源模块与所述主控芯片连接，所述恒流源模块将所述电压脉冲信号转换成电流脉冲信号；
极性转换模块，所述极性转换模块与所述恒流源模块连接，所述极性转换模块用于将所述电流脉冲信号转换成正负脉冲信号；
柔性电极模块，所述柔性电极模块通过多路复用模块与所述极性转换模块连接，所述多路复用模块将所述正负脉冲信号分配到所述柔性电极模块；
所述柔性电极模块与所述刺激点连接；
相互连接的供电模块及电压转换模块，所述供电模块通过所述电压转换模块与所述主控芯片、所述恒流源模块、所述极性转换模块及所述多路复用模块连接以供电。
2.根据权利要求1所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述恒流源模块由第一级差分放大电路和第二级电压跟随电路组成；其中
所述第一级差分放大电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第六电阻R6、第一电容C1及第一放大器U1；所述第一放大器U1的正相输入端通过所述第六电阻R6接收所述主控芯片输出的所述电压脉冲信号Vorder，所述第一放大器U1的反相输入端通过所述第一电阻R1接收所述主控芯片输出的所述电压脉冲信号Vorder，所述第一放大器U1的电源端与电压端连接，所述第一放大器U1的接地端接地，所述第一电容C1连接在所述电压端与地端之间；
所述第二级电压跟随电路包括：第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C2、负载电阻Rload及第二放大器U2；所述第二放大器U2的反相输入端通过所述第五电阻R5与所述第一放大器U1的正相输入端连接，所述第二放大器U2的正相输入端通过串联的第三电阻R3和第四电阻R4连接在所述第一放大器U1的输出端与所述第二电阻R2的连接点，所述第一电容C2连接在所述电压端与地端之间，所述负载电阻Rload的一端与所述第二放大器U2的正相输入端连接，所述负载电阻Rload的另一端接地；所述第二放大器U2的输出端与所述第二放大器U2的反相输入端连接。
3.根据权利要求2所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述极性转换模块包括极性转换芯片以及分别与所述极性转换芯片连接的第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3及第四二极管D4，所述极性转换芯片记为第二芯片；其中
所述第一三极管Q1的集电极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接，所述第四三极管Q4的集电极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第四三极管Q4的发射极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接；
所述第二三极管Q2的集电极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接，所述第三三极管Q3的集电极与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第三三极管Q3的发射极与所述负载电阻Rload一端上的电压Vout连接；
第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第一二极管D1的负极与所述第一三极管Q1的集点极连接；
第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极连接，所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的集点极连接；
第三二极管D3的正极与所述第三三极管Q3的发射极连接，所述第三二极管D3的负极与所述第三三极管Q3的集点极连接；
第四二极管D4的正极与所述第四三极管Q4的发射极连接，所述第四二极管D4的负极与所述第四三极管Q4的集点极连接；
所述第一三极管Q1的基极与所述极性转换芯片的控制引脚P1连接，所述第二三极管Q2的基极与所述极性转换芯片的控制引脚N1连接，所述第三三极管Q3的基极与所述极性转换芯片的控制引脚P2连接，所述第四三极管Q4的基极与所述极性转换芯片的控制引脚N2连接；
所述多路复用模块通过所述极性转换芯片的LP端与所述第四三极管Q4的集电极与所述第一三极管Q1的发射极的连接点连接；
所述多路复用模块通过所述极性转换芯片的LN端与所述第三三极管Q4的集电极与所述第二三极管Q2的发射极的连接点连接，在所述LN端和所述第三三极管Q4的集电极与所述第二三极管Q2的发射极的连接点之间连接第七电阻R7。
4.根据权利要求3所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述多路复用模块由第三芯片U3、第四芯片U4、第五芯片U5和第六芯片U6组成；其中
所述第三芯片U3和所述第四芯片U4的使能端分别与所述极性转换芯片的LP端连接；所述第五芯片U5及所述第六芯片U6的使能端分别与所述极性转换芯片的LN端连接。
5.根据权利要求4所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，在所述第三芯片U3的低电平端与地端之间连接第三耐高压稳压电容C3，在所述第三芯片U3的电源端与地端之间连接第四耐高压稳压电容C4；
在所述第四芯片U4的低电平端与地端之间连接第五耐高压稳压电容C5，在所述第四芯片U4的电源端与地端之间连接第六耐高压稳压电容C6；
在所述第五芯片U5的低电平端与地端之间连接第七耐高压稳压电容C7，在所述第五芯片U5的电源端与地端之间连接第八耐高压稳压电容C8；
在所述第六芯片U6的低电平端与地端之间连接第九耐高压稳压电容C9，在所述第六芯片U6的电源端与地端之间连接第十耐高压稳压电容C10。
6.根据权利要求1所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述控制电路还包括蓝牙模块，所述控制电路通过所述蓝牙模块与外界通信。
7.根据权利要求1所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述主控芯片为基于ARMCortex-M4的32位单片机stm32F405。
8.根据权利要求2所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述第一放大器U1及所述第二放大器U2为LinearTechnology公司的高压集成运放LTC6090。
9.根据权利要求3所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所述极性转换芯片为intersil公司的CA3083高速大功率三极管集成芯片。
10.根据权利要求4所述的佩戴式多功能触觉电刺激腕带，其特征在于，所14757述第三芯片U3、所述第四芯片U4、所述第五芯片U5和所述第六芯片U6为MAXIM公司的4通道耐高压高速模拟开关芯片MAX14757。
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