CN109620161B - 一种参数可调的体感触觉激励发生器 - Google Patents

Abstract

一种参数可调的体感触觉激励发生器，可解决现有的体感触觉激励发生器不能调节触觉刺激的振动幅度，适用性较差的技术问题。包括步进电机、磁动机构、导轨滑块机构及恒定频率控制单元；所述磁动机构包括磁钢和磁铁，所述磁钢固定在步进电机输出轴顶端的轴套上，所述磁铁位于磁钢的正上方；所述导轨滑块机构包括导轨、滑块和顶针；所述导轨包括上套筒、下套筒和套筒调节套；所述套筒调节套套设在上套筒上；本发明通过设置套筒调节套和标尺，使套筒调节套可以沿上套筒向下移动，就可以精确得出体感触觉激励的幅度值。本发明采用机械方式，精确调节人体能够感觉的刺激幅度，灵活地提供各种精确幅度的体感触觉激励，能够避免使用中带来的创伤。

Description

一种参数可调的体感触觉激励发生器

技术领域

本发明涉及体感触觉技术领域，具体涉及一种参数可调的体感触觉激励发生器。

背景技术

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，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。

ZL231310464975.5报导了一种体感触觉激励发生器，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，该装置能够精确调节触觉振动的频率，但该装置不能调节触觉刺激的振动幅度，不能得到不同刺激幅度下的相应参数。

从调研中不难发现，上述体感刺激装置能够精确调节触觉振动的频率，但该装置不能调节触觉刺激的振动幅度，不能得到不同刺激幅度下的相应参数，从而该装置在使用中有较大的限制性。体感诱发电位SEP方面的研究无论是对刺激的频率，还是对刺激的幅度的要求都是比较高的，具有一定的特殊性。一种参数可调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

本发明提出的一种参数可调的体感触觉激励发生器，可解决现有的体感触觉激励发生器不能调节触觉刺激的振动幅度，不能得到不同刺激幅度下的相应参数，适用性较差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种参数可调的体感触觉激励发生器，包括步进电机、磁动机构、导轨滑块机构及恒定频率控制单元，所述步进电机固定在底板上；所述磁动机构包括磁钢和磁铁，所述磁钢固定在步进电机输出轴顶端的轴套上，所述磁铁位于磁钢的正上方；

所述导轨滑块机构包括导轨、滑块和顶针；所述滑块为磁铁，顶针固定在所述磁铁上；所述步进电机的输出轴与导轨导向垂直；

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；

其特点在于：

所述导轨包括上套筒、下套筒和套筒调节套；

所述套筒调节套套设在上套筒上，所述套筒调节套与上套筒的外侧螺纹连接；

所述下套筒内设置一体腔作为滑块的轨道；

所述上套筒和套筒调节套中心有内径一致的小孔作为顶针的轨道。

进一步的，所述下套筒外侧固定有一个标尺，所述套筒调节套外侧标有刻度线。

进一步的，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。

进一步的，所述上套筒和下套筒，通过紧固螺栓固定为一个完整的套筒；下套筒通过套筒紧固螺栓固定在底板上。

进一步的，所述顶针通过螺纹结合螺帽与磁铁固定连接，磁体安置于下套筒的腔体中，所述顶针的上半部分是光杆，在顶杆靠近底部设置螺纹，磁铁套在顶针上，用螺帽进行固定；所述磁铁阳极朝下；轴套通过两枚紧固螺钉固定于步进电机输出轴上，磁钢被固联于轴套上。

进一步的，所述步进电机固定在竖板上，所述竖板固定在底板上，所述套筒也固定在底板上，步进电机输出轴通过套筒侧壁上的圆孔伸入套筒内壁下部腔体，在腔体内转动，同时带动磁钢电极的反转。

进一步的，所述顶针的材质为铜。

进一步的，所述磁钢采用的是铷铁硼磁钢。

进一步的，所述步进电机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。

由上述技术方案可知，本发明的参数可调的体感触觉激励发生器通过设置套筒调节套和标尺，通过旋转套筒调节套，使套筒调节套可以沿上套筒向下移动，就可以精确调节顶针向上运动的极限位置与套筒调节套顶端之间的相对位置，即精确得出体感触觉激励的幅度值。

本发明具有以下有益效果：

1、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；

2、该装置采用机械方式，精确调节人体能够感觉的刺激幅度，灵活地提供各种精确幅度的体感触觉激励，能够避免使用中带来的创伤，灵活地提供各种精确幅度的体感触觉激励。

附图说明

图1是参数可调的体感触觉激励发生器结构示意图；

图2是套筒调节套和标尺的结构示意图；

图3是图2的左视图；

图4 是轴套安装（俯视）示意图；

图5是顶针及顶针与磁钢装配图；

图6是控制系统工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的参数可调的体感触觉激励发生器，包括步进电机18、一组磁动机构以及一组导轨滑块机构；其中，所述一组导轨滑块机构包括导轨、滑块和顶针10，所述滑块为磁铁12，顶针10固定在滑块上；所述导轨包括上套筒1、下套筒4和套筒调节套23；所述上套筒1外壁设有外螺纹槽，所述套筒调节套23的内壁设有与所述外螺纹槽相配合的内螺纹槽；所述下套筒4有一体腔，该体腔作为滑块的导轨；所述上套筒1和套筒调节套23中心有内径一致的小孔，作为顶针10的导轨。

如图2和图3所示，所述下套筒4左侧安装有一个标尺21，利用标尺紧固螺栓22固定在下套筒4上，套筒调节套23外侧标有刻度线，一圈刻度从0.0-4.0毫米。当标尺21的箭头对着刻度0时，顶针10向上运动的极限位置与套筒调节套23的上端平齐，此时为套筒调节套23的顶点，通过旋转套筒调节套23，使套筒调节套23可以沿上套筒1向下移动，就可以精确调节顶针10向上运动的极限位置与套筒调节套23顶端之间的相对位置，即精确得出体感触觉激励的幅度值。

导轨滑块机构的套筒分为上套筒1和下套筒4，通过紧固螺栓2固定为一个完整的套筒；下套筒4通过套筒紧固螺栓7固定在底板19上；上套筒1和套筒调节套23中心有内径一致的小孔，用于顶针10的导轨。铜质顶针10通过螺纹9结合螺帽11与圆环形磁铁12固联，磁体12安置于下套筒4的腔体中，所述顶针10的上半部分是光杆，在顶针10靠近底部的部分加工上螺纹9，环形磁铁12套在顶针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23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与安置于下套筒4内的磁铁之间的“同性相斥、异性相吸”，顶针10是系统产生振动的部分，被带动在下套筒4内上下运动以产生恒定频率的机械振动刺激，通过顶针10顶部将振动传递给人手指。顶针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，这里选用铜作为顶针的加工材料，在顶针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套在顶针10上，再用螺帽11进行固定。顶针10的上半部分是光杆，可以减少顶针10上下振动的过程中与上套筒盖1和套筒调节套23的摩擦，防止卡死又减少了振动噪声。上套筒1和套筒调节套23之间用螺纹连接，通过旋转套筒调节套23，可以调节顶针10伸出套筒调节套23的高度，即为体感触觉激励的幅度。

结合图4和图5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，并且下套筒4内壁上部也给顶针10提供了上下滑动的腔体。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针10伸出，并通过大于顶针10直径但小于螺纹9外径的孔径大小限制了顶针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。

其中，所述磁钢5采用的是铷铁硼磁钢，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6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，即附图6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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种参数可调的体感触觉激励发生器，包括步进电机（18）、磁动机构、导轨滑块机构及恒定频率控制单元，所述步进电机(18)固定在底板(19)上；

所述磁动机构包括磁钢(5)和磁铁(12)，所述磁钢(5)固定在步进电机（18）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；

所述导轨滑块机构包括导轨、滑块和顶针（10）；所述滑块为磁铁(12)，顶针(10)固定在所述磁铁(12)上；所述步进电机（18）的输出轴(16)与导轨导向垂直；

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；

其特征在于：

所述导轨包括上套筒（1）、下套筒（4）和套筒调节套（23）；

所述套筒调节套（23）套设在上套筒（1）上，所述套筒调节套（23）与上套筒（1）的外侧螺纹连接；

所述下套筒（4）内设置一体腔作为滑块的轨道；

所述上套筒（1）和套筒调节套（23）中心有内径一致的小孔作为顶针（10）的轨道；

所述下套筒（4）外侧固定有一个标尺（21），所述套筒调节套（23）外侧标有刻度线；

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；

所述上套筒（1）和下套筒（4），通过紧固螺栓（2）固定为一个完整的套筒；下套筒（4）通过套筒紧固螺栓（7）固定在底板（19）上。

2.根据权利要求1所述的参数可调的体感触觉激励发生器，其特征在于：

所述顶针（10）通过螺纹（9）结合螺帽（11）与磁铁（12）固定连接，磁铁（12）安置于下套筒（4）的腔体中，所述顶针（10）的上半部分是光杆，在顶针（10）靠近底部设置螺纹（9），磁铁（12）套在顶针（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。

3.根据权利要求2所述的参数可调的体感触觉激励发生器，其特征在于：所述步进电机（18）固定在竖板（14）上，所述竖板（14）固定在底板（19）上，所述套筒（4）也固定在底板（19）上，步进电机（18）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。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的参数可调的体感触觉激励发生器，其特征在于：所述顶针（10）的材质为铜。

5.根据权利要求4所述的参数可调的体感触觉激励发生器，其特征在于：所述磁钢（5）采用的是铷铁硼磁钢。

6.根据权利要求5所述的参数可调的体感触觉激励发生器，其特征在于：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。