CN106249904B - 一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构。本发明结构设计简单，集成度高，工作安全；通过在交流电机外表面包裹防电磁材料，构成电磁屏蔽装置，因而干扰基本消除，信号稳定性高；本发明采用无创机械刺激的方式，避免使用中造成创伤，由于频率可调，刺激强度可调，力作用稳定，并且可以灵活调制较宽频率范围的触觉刺激。

Description

一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置
技术领域
本发明涉及触觉力刺激的仪器技术领域，尤其是一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置。
背景技术
触觉是人体感受体表微弱接触力的感觉，是由垂直体表的压力和沿体表方向的切向力共同作用于触觉感受器而引起的神经非持续放电活动。不同于压觉，触觉仅仅是体表微弱力而非压迫力的感觉，触觉是人体感知外界微力和获知接触物纹理属性的重要信息来源。近几年随着虚拟现实、人机交互、医学与健康等领域的兴起，触觉感知相关方面的研究受到广泛重视。目前，触觉刺激广泛运用在人体神经功能检测与皮肤康复诊断，触摸感知教育，虚拟现实的触觉再现等领域。随着技术的逐渐成熟，以虚拟现实和虚拟感知为主的触觉再现将更广泛地进入人们的信息获取领域里。
近几年，相关方面的装置比较多。目前，现有的各类触觉刺激发生装置都存在同样的问题，装置的力大小和振幅不可测和不可控，因而存在改进需求或者被新发明替代，以实现力的频率、方向、大小、作用时间可同步检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成了偏心轮，使用者可以调节触觉刺激力大小和频率，灵活性好的触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，该装置包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构。
所述交流电机机构包括交流电机和电机驱动器，所述偏心轮机构由偏心轮、轴套和延长轴组成，所述偏心轮通过紧固螺栓与轴套相连，轴套通过紧固螺栓与延长轴相连，延长轴通过紧固螺栓与交流电机的电机输出轴轴连。
所述弹性钢尺机构包括弹性钢尺、X轴方向微调装置、Y轴方向微调装置和上支撑板，所述弹性钢尺和上支撑板均为水平布置，所述上支撑板位于弹性钢尺的上方，所述上支撑板通过铁质支撑柱固定在钢制底板上，上支撑板向下通过紧固螺钉固定安装X轴方向微调装置，X轴方向微调装置向下通过紧固螺钉固定安装Y轴方向微调装置，Y轴方向微调装置通过紧固螺钉固定在弹性钢尺上，所述弹性钢尺向下固定探针机构。
所述探针机构包括压力传感器和探针，压力传感器通过紧固螺丝固定在弹性钢尺的末端上，压力传感器的测力方向与弹性钢尺的振动方向一致，探针粘贴在压力传感器上，所述压力传感器的输出端与STM32微控制器的输入端相连，STM32微控制器的输出端与PC上位机的输入端相连。
所述交流电机的外表面包裹防电磁材料,所述交流电机固设在大泡沫板上。
由上述技术方案可知，本发明利用交流电机转动偏心轮，偏心轮施力压迫具有弹性的悬臂梁钢尺，在弹性钢尺末端安装压力传感器，在压力传感器面板沿测力方向固定刺激探针，通过调节交流电机的转动频率控制偏心轮按压弹性钢尺的频率，通过调节偏心轮与弹性钢尺的作用点控制弹性钢尺末端振动幅度，从而使探针产生力频率、力振动幅度、力大小可测和可控的振动力。本发明结构设计简单，集成度高，工作安全；通过在交流电机外表面包裹防电磁材料，构成电磁屏蔽装置，因而干扰基本消除，信号稳定性高；本发明采用无创机械刺激的方式，避免使用中造成创伤，由于频率可调，刺激强度可调，力作用稳定，并且可以灵活调制较宽频率范围的触觉刺激。由于触觉刺激力大小和力频率可调，力作用稳定，并且可以灵活调制0～30Hz频率范围的触觉刺激。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为交流电机启动前的静息状态到交流电机启动后的压力最大状态的偏心轮和弹性钢尺的位置状态示意图；
图3为本发明中探针机构的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，该装置包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮10紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺9上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构。
如图1所示，所述交流电机机构包括交流电机13和电机驱动器，所述偏心轮机构由偏心轮10、轴套4和延长轴5组成，所述偏心轮10通过紧固螺栓与轴套4相连，轴套4通过紧固螺栓与延长轴5相连，延长轴5通过紧固螺栓与交流电机13的电机输出轴轴连。所述交流电机13的外表面包裹防电磁材料6，所述防电磁材料6采用银纤维纱布，所述交流电机13固设在大泡沫板14上以达到减震效果。
所述偏心轮10的外轮直径D＝2R＝32mm，内轮直径d＝25mm，偏心距h＝3mm，弹性钢尺9的长度L＝L1+L2＝1450mm，L1由X轴方向微调装置3调节，L2为偏心轮10与弹性钢尺9相切点到弹性钢尺9最右端的距离长度，最大刺激深度
Figure GDA0003825605520000031
如图1、2所示，所述弹性钢尺机构包括弹性钢尺9、X轴方向微调装置3、Y轴方向微调装置8和上支撑板1，所述弹性钢尺9和上支撑板1均为水平布置，所述上支撑板1位于弹性钢尺9的上方，所述上支撑板1通过铁质支撑柱2固定在钢制底板7上，上支撑板1向下通过紧固螺钉固定安装X轴方向微调装置3，X轴方向微调装置3向下通过紧固螺钉固定安装Y轴方向微调装置8，Y轴方向微调装置8通过紧固螺钉固定在弹性钢尺9上，所述弹性钢尺9向下固定探针机构。上支撑板1和偏心轮10之间没有接触，偏心轮10和弹性钢尺9接触相切。所述钢制底板7在实验中会产生较大振动，影响实验效果，在实际操作中应将钢制底板7固定在较大的实验平台上同时在钢制底板7上粘贴上相关的吸振材料。通过正交放置的X轴方向微调装置3和Y轴方向微调装置8可以精确地改变偏心轮10与弹性钢尺9的接触位置，以改变探针11竖直方向的刺激深度，模拟不同的触觉感受。
如图1、3所示，所述探针机构包括压力传感器12和探针11，压力传感器12通过紧固螺丝固定在弹性钢尺9的末端上，压力传感器12的测力方向与弹性钢尺9的振动方向一致，探针11粘贴在压力传感器12上，所述压力传感器12的输出端与STM32微控制器的输入端相连，STM32微控制器的输出端与PC上位机的输入端相连。压力传感器12接受来自探针11传来的压力反馈，并通过有线方式将数据传送给STM32微控制器，微控制器将数据进行简单的去噪处理数模转换，并通过无线方式传送给PC上位机。探针11竖直方向移动触压皮肤，根据牛顿第三定律，压力传感器12接收反馈来的力信号并将力信号转化成电信号，发送给STM32微控制器，STM32微控制器实时记录压力信号，压力传感器就是一个将压力转换成电压信号的装置。
如图1、2所示，在交流电机13通电后，通过调节交流电机的电机驱动器产生一定稳定脉冲，交流电机13据此稳定转动，通过轴套4与延长轴5固定的偏心轮10产生偏心转动，压迫与偏心轮10紧贴的弹性钢尺9，弹性钢尺9随之产生弹性形变，固定在弹性钢尺9下的探针11产生竖直方向上位移改变刺激相关生物体表皮，压力传感器12实时记录由探针11刺激过来的反馈压力信号并通过有线方式传送给STM32微控制器。整个弹性钢尺9在水平方向可通过X轴方向微调装置3、Y轴方向微调装置8进行微调，从而在皮肤不同位置(精度0.1mm)实现触觉刺激。
综上所述，本发明利用交流电机13转动偏心轮10，偏心轮10施力压迫具有弹性的悬臂梁钢尺，在弹性钢尺9末端安装压力传感器12，在压力传感器12面板沿测力方向固定刺激探针11，通过调节交流电机13的转动频率控制偏心轮10按压弹性钢尺9的频率，通过调节偏心轮10与弹性钢尺9的作用点控制弹性钢尺9末端振动幅度，从而使探针11产生力频率、力振动幅度、力大小可测和可控的振动力，探针11沿振动方向上下移动，刺激人体或动物的皮肤，从而实现一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置。

Claims (3)

1.一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，其特征在于：该装置包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮(10)紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺(9)上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构；
所述弹性钢尺机构包括弹性钢尺(9)、X轴方向微调装置(3)、Y轴方向微调装置(8)和上支撑板(1)，所述弹性钢尺(9)和上支撑板(1)均为水平布置，所述上支撑板(1)位于弹性钢尺(9)的上方，所述上支撑板(1)通过铁质支撑柱(2)固定在钢制底板(7)上，上支撑板(1)向下通过紧固螺钉固定安装X轴方向微调装置(3)，X轴方向微调装置(3)向下通过紧固螺钉固定安装Y轴方向微调装置(8)，Y轴方向微调装置(8)通过紧固螺钉固定在弹性钢尺(9)上，所述弹性钢尺(9)向下固定探针机构；上支撑板(1)和偏心轮(10)之间没有接触，偏心轮(10)和弹性钢尺(9)接触相切；通过正交放置的X轴方向微调装置(3)和Y轴方向微调装置(8)可以精确地改变偏心轮(10)与弹性钢尺(9)的接触位置，以改变探针(11)竖直方向的刺激深度，模拟不同的触觉感受；
所述探针机构包括压力传感器(12)和探针(11)，压力传感器(12)通过紧固螺丝固定在弹性钢尺(9)的末端上，压力传感器(12)的测力方向与弹性钢尺(9)的振动方向一致，探针(11)粘贴在压力传感器(12)上，所述压力传感器(12)的输出端与STM32微控制器的输入端相连，STM32微控制器的输出端与PC上位机的输入端相连；压力传感器(12)接受来自探针(11)传来的压力反馈，并通过有线方式将数据传送给STM32微控制器，微控制器将数据进行简单的去噪处理数模转换，并通过无线方式传送给PC上位机；探针(11)竖直方向移动触压皮肤，根据牛顿第三定律，压力传感器(12)接收反馈来的力信号并将力信号转化成电信号，发送给STM32微控制器，STM32微控制器实时记录压力信号，压力传感器就是一个将压力转换成电压信号的装置。
2.根据权利要求1所述的触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，其特征在于：所述交流电机机构包括交流电机(13)和电机驱动器，所述偏心轮机构由偏心轮(10)、轴套(4)和延长轴(5)组成，所述偏心轮(10)通过紧固螺栓与轴套(4)相连，轴套(4)通过紧固螺栓与延长轴(5)相连，延长轴(5)通过紧固螺栓与交流电机(13)的电机输出轴轴连。
3.根据权利要求2所述的触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置，其特征在于：所述交流电机(13)的外表面包裹防电磁材料(6),所述交流电机(13)固设在大泡沫板(14)上。
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