CN211272120U - 一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，导盲杖控制电路包括单片机、信号转换器、多个超声波测距模块、多个脉冲分配器、刺激电压产生器，刺激电压产生器包括多个驱动电路、升压变压器B、激励开关管Q3、变压器初级调压电路，单片机输出端通过信号转换器与多个超声波测距模块电性连接，单片机输出端还与多个脉冲分配器输入端连接，多个脉冲分配器输出端分别连接多个驱动电路，多个驱动电路输出端与升压变压器B次级输出端均连接刺激电极，升压变压器B初级分别连接激励开关管Q3输出端和变压器初级调压电路输出端，激励开关管Q3还连接单片机。其探测范围扩大，使盲人感知到一定范围内障碍物的二维分布，可探测移动目标。

Description

一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖。

背景技术

导盲杖用于帮助盲人出行探查前方不远处地面的障碍物，过去通常是一根简单的手杖，近年来出现了电子导盲杖。电子导盲杖较多采用超声波测距原理。它是利用超声波遇到障碍物会产生反射波，并且超声波在空气中传播速度基本不变的特性。只要测出超声波从发射一刻到遇到障碍物产生的反射波回到原来发射点的时间，就可以计算出障碍物的距离。超声波发射、接收并产生出障碍物回波传播时间的超声测距电路已经有模块化产品。大多数电子导盲杖利用超声测距模块测出障碍物距离，然后通过震动、语音等方式提示，以起到导盲的作用。但是这些产品只能提供单一方向上路障的信息，探测视野比较狭窄。

还有的电子导盲杖产品用微型摄像机进行摄像，通过图像分析软件得出图像特征，然后用语音进行描述和提醒。但是语言只能描述环境的一些特征信息，并不直观和具体。

人的感觉器官有视、听、触、嗅、味、冷热等，其中视觉接收的信息量是最大的。视觉能感知物体的二维轮廓信息，以及明暗和色彩信息。当视觉受损以后，没有其他感觉器官能够完全替代视觉的作用。在其他感觉中，只有触觉和冷热觉在人体上呈现二维分布。特别有用的是触觉，人体有些部位的触觉非常敏感和精细。借助一定方法，有可能让盲人通过触觉感知二维信息，从而部分替代视觉的二维信息感知功能。

在各种触觉再现方法中，电刺激产生的触觉由于刺激灵活、实现装置简单、脉冲参数精确可控等特点而受到研究者广泛关注。电触觉是模拟皮肤感受器对于物理刺激产生感受电位的原理，通过电极将刺激脉冲作用于皮肤感受器，并在刺激过程中通过改变刺激脉冲的幅值、频率等参数而使人产生不同的刺激感觉的一种触觉再现方法。但目前还没有一种很好的让盲人通过刺激脉冲刺激皮肤的触觉感知二维信息的超声导盲杖。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，通过增加超声波探测的范围和通过给盲人皮肤电触觉的方式，可以获得障碍物在一个区域内实时的二维分布信息，以帮助盲人更好地感知环境。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，包括导盲杖本体和设置在导盲杖本体上的刺激电极点阵，以及设计在导盲杖本体内的控制电路，所述控制电路包括单片机、信号转换器、多个超声波测距模块、多个脉冲分配器、刺激电压产生器，所述刺激电压产生器包括多个驱动电路、升压变压器B、激励开关管Q3、变压器初级调压电路，所述单片机输出端通过信号转换器与多个超声波测距模块电性连接，所述单片机输出端还与多个脉冲分配器输入端连接，所述多个脉冲分配器输出端分别连接多个驱动电路，所述多个驱动电路输出端与升压变压器B次级输出端均连接刺激电极，所述升压变压器B初级分别连接激励开关管Q3输出端和变压器初级调压电路输出端，所述激励开关管Q3输入端连接单片机。

优选的，所述超声波测距模块为N个，所述刺激电极阵列有N列刺激电极，且每列刺激电极有M个刺激电极，M的取值是根据在有效探测距离内需要的距离分辨率，则M＝L/S，其中L为有效探测距离，S为距离分辨率。

优选的，所述信号转换器型号为CD4052。

优选的，所述脉冲分配器为型号74HC138的译码器。

优选的，所述驱动电路包括光电隔离器PVI1050N和N沟道场效应管CS1N60，所述光电隔离器PVI1050N输入端连接脉冲分配器输出端，所述PVI1050N输出端连接N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极，所述N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极还连接1MΩ电阻，所述N沟道场效应管CS1N60的漏极连接刺激电极输入端，所述CS1N60的源极连接升压变压器B次级接地端。

优选的，所述变压器初级调压电路包括可调电阻W、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2，所述可调电阻W可调端通过电阻R1连接NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的基极，所述NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的发射极连接升压变压器B初级一端，且所述NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的发射极连接还连接电容C1一端，电容C1另一端接地，所述升压变压器B初级另一端连接激励开关管Q3漏极，所述NPN三极管Q1集电极通过开关SW连接5V电源，所述PNP三极管Q2的集电极和激励开关管Q3源极接地，所述激励开关管Q3栅极连接单片机。

优选的，所述升压变压器B初级之间连接二极管。

优选的，所述刺激电极占面积10～20cm²，相邻两个刺激电极间隔约5～10mm

本实用新型的有益效果是：

1、采用了二维分布的多束超声波扫描，使电子导盲杖的探测范围扩大到一个面。

2、应用了二维点阵电刺激，使盲人感知到一定范围内障碍物的二维分布，大大增加了对障碍物的感知信息。

3、基于不间断地超声探测和实时给盲人电刺激信息，障碍物在这个范围内的移动也可以被感知到，使探测可以针对移动目标。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地阐明本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本实用新型基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖原理框图；

图2为本实用新型基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖具体实现方案电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，包括导盲杖本体和设置在导盲杖本体上的刺激电极点阵，以及设计在导盲杖本体内的控制电路，所述控制电路包括单片机、信号转换器、多个超声波测距模块、多个脉冲分配器、刺激电压产生器，所述刺激电压产生器包括多个驱动电路、升压变压器B、激励开关管Q3、变压器初级调压电路，所述单片机输出端通过信号转换器与多个超声波测距模块电性连接，所述单片机输出端还与多个脉冲分配器输入端连接，所述多个脉冲分配器输出端分别连接多个驱动电路，所述多个驱动电路输出端与升压变压器B次级输出端均连接刺激电极，所述升压变压器B初级分别连接激励开关管Q3输出端和变压器初级调压电路输出端，所述激励开关管Q3输入端连接单片机。

图2为基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖具体实现方案。其中，U1是微控制器。超声测距模块有4路。

U1为单片机，图中MPSYS是微处理器系统的缩写，这里一般的8位单片机即可，比如MCS51。U2是信号转接器，型号为CD4052。U3～U7是5个型号74HC138译码器，组成脉冲选择分配器。B是升压变压器，Q3是其激励开关管。Q1、Q2、W等组成变压器初级的调压电路。

Q4～Q35是32个刺激电极的开关控制管，U8～U39是32个光电隔离器，组成刺激电压产生器驱动电路，光电隔离器型号优选为PVI1050N，N沟道场效应管型号优选为CS1N60，光电隔离器PVI1050N输入端连接脉冲分配器输出端，PVI1050N输出端连接N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极，N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极还连接1MΩ电阻，N沟道场效应管CS1N60的漏极连接刺激电极输入端，CS1N60的源极连接升压变压器B次级接地端。

微控制器经过信号转接器轮流启动各个超声测距模块，并接收和解算它们的测距信息。它根据测距信息输出控制码，经脉冲选择分配器选择某路刺激电路开通。微控制器同时输出一定频率的方波信号，经Q3激励变压器初级，经变压器升压后使有关电极得到一定强度和频率的电压输出。面板上的旋钮W可以调节刺激电压，即刺激强度。

Q1、Q2、W、C1等组成的调压电路中，W的可调端可以得到一个在0到+5V之间的调节电压，经过R1加到Q1、Q2的基极，R1的作用是限制电流。这个调节电压与C1上的充电电压比较。当调节电压高于C1上的充电电压时，Q1导通，电池通过Q1的集电极到发射极向C1充电，直到C1上的充电电压约等于调节电压；当调节电压低于C1上的充电电压时，Q2导通，C1上的充电电压通过Q2的发射极到集电极向地放电，直到C1上的充电电压约等于调节电压。所以，W可以调节C1上的充电电压，C1是储能电容，它的充电电压就是当激励管Q3开通时，给变压器B的初级电压。变压器按1:10的固定比例升压，在次级得到对人体的刺激电压。因为C1上的电压可以调节，所以对人体的刺激电压也能得到调节。

变压器B初级接的二极管，它的作用是抑制变压器反峰电压对Q3的冲击。如果没有二极管，当Q3导通时，变压器初级受到一个上正下负的电压激励，内部产生上正下负的抵抗电压；当Q3截止时，变压器初级内部产生上负下正的抵抗电压，这个电压与C1上的电压相等，并与C1电压串联，使得Q3源极受到2倍电压的冲击，对它的电压耐受性提出挑战。如果接上二极管，在Q3截止时，变压器初级内部产生的上负下正的抵抗电压将被二极管导通泄放，从而保护Q3免受较高的电压冲击。

超声波发射和接收用超声波测距模块完成。用多个超声测距模块按一定间隔角度分布。这个间隔角度的确定是依据每个模块的超声波束有效能量的发散角度(比如15度)，使它们能既不重叠又不疏漏地有效覆盖一个角度范围(比如4个超声测距模块覆盖60度)。

二维电压刺激点阵是用微小的金属导电体接触人体皮肤，通过传递一定频率和电压的电脉冲波形，给人体电刺激。刺激点的分布对应超声探测的空间，即一个扇形超声探测空间，对应一个扇形皮肤电刺激区域。扇形的顶点对应探测距离的原点，而扇形的弧顶对应探测范围的最远距离边界，扇形的两边对应探测范围的左右边界。当用N个超声测距模块时，刺激电极有N列，它们的排列角度与超声波束排列间隔角度一致。每一列又分别有M个刺激点。M的取值是根据在有效探测距离内需要的距离分辨率。例如有效探测距离为L，距离分辨率要求为S，则M＝L/S。一般的超声测距模块有效探测距离可以在4m以上。所有刺激电极的电流通过一个在阵列顶端的公共电极形成回路。所有刺激电极仅占10～20cm²范围，相邻两个电极间隔约5～10mm，可以用手掌感受这些刺激。

以上描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：包括导盲杖本体和设置在导盲杖本体上的刺激电极点阵，以及设计在导盲杖本体内的控制电路，所述控制电路包括单片机、信号转换器、多个超声波测距模块、多个脉冲分配器、刺激电压产生器，所述刺激电压产生器包括多个驱动电路、升压变压器B、激励开关管Q3、变压器初级调压电路，所述单片机输出端通过信号转换器与多个超声波测距模块电性连接，所述单片机输出端还与多个脉冲分配器输入端连接，所述多个脉冲分配器输出端分别连接多个驱动电路，所述多个驱动电路输出端与升压变压器B次级输出端均连接刺激电极，所述升压变压器B初级分别连接激励开关管Q3输出端和变压器初级调压电路输出端，所述激励开关管Q3输入端连接单片机。

2.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述超声波测距模块为N个，所述刺激电极阵列有N列刺激电极，且每列刺激电极有M个刺激电极，M的取值是根据在有效探测距离内需要的距离分辨率，则M＝L/S，其中L为有效探测距离，S为距离分辨率。

3.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述信号转换器型号为CD4052。

4.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述脉冲分配器为型号74HC138的译码器。

5.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述驱动电路包括光电隔离器PVI 1050N和N沟道场效应管CS1N60，所述光电隔离器PVI 1050N输入端连接脉冲分配器输出端，所述PVI 1050N输出端连接N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极，所述N沟道场效应管CS1N60的栅极和源极还连接1MΩ电阻，所述N沟道场效应管CS1N60的漏极连接刺激电极输入端，所述CS1N60的源极连接升压变压器B次级接地端。

6.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述变压器初级调压电路包括可调电阻W、NPN三极管Q1、PNP三极管Q2，所述可调电阻W可调端通过电阻R1连接NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的基极，所述NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的发射极连接升压变压器B初级一端，且所述NPN三极管Q1、PNP三极管Q2的发射极连接还连接电容C1一端，电容C1另一端接地，所述升压变压器B初级另一端连接激励开关管Q3漏极，所述NPN三极管Q1集电极通过开关SW连接5V电源，所述PNP三极管Q2的集电极和激励开关管Q3源极接地，所述激励开关管Q3栅极连接单片机。

7.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述升压变压器B初级之间连接二极管。

8.如权利要求1所述的一种基于电压点阵刺激的二维超声导盲杖，其特征在于：所述刺激电极占面积10～20cm²，相邻两个刺激电极间隔约5～10mm。

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