一種體感觸覺激勵發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】一種體感觸覺激勵發(fā)生器，包括步進電機、一組磁動機構(gòu)以及一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)，還包括恒定頻率控制單元；恒定頻率控制單元的上位機輸出端與無線發(fā)射模塊的輸入端相連接，刺激頻率通過上位機傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊，再通過無線發(fā)射模塊輸出端將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，無線接收模塊的輸入端接收數(shù)據(jù)，通過無線接收模塊的輸出端將數(shù)據(jù)傳送至微控制模塊，微控制模塊經(jīng)過進行計算后產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，控制磁動機構(gòu)的磁鋼轉(zhuǎn)動，從而使磁鐵上下運動，產(chǎn)生觸覺激勵效果，本發(fā)明采用人體能夠感覺的頻率精確可調(diào)的低頻觸覺振動激勵，動力來源穩(wěn)定可靠、頻率精確可調(diào)，能夠避免使用中帶來的創(chuàng)傷，靈活地提供各種精確頻率的體感觸覺激勵，且結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，集成度高，噪音小又便于攜帶。
【專利說明】一種體感觸覺激勵發(fā)生器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種體感觸覺裝置，尤其是一種體感觸覺激勵發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002]皮膚作為人類重要的感覺器官，是一種非常靈敏的感受器，其觸點非常密集，而且觸點分辨率在身體的不同部位也有所不同。人通過接觸或觸摸(包含振動覺、觸覺、痛覺等)可以獲得兩種基本的感受:機體感受和本體感受。機體感受提供了我們關(guān)于物體形狀、表面紋理或粗糙程度以及溫度方面的信息；本體感受是肌肉以及筋腱感受到的肌肉內(nèi)部力量和運動，從而深層次地獲得物體形狀、力度和硬度的信息。由此可見，皮膚這種特殊的感覺器官，其作用和功效是其它功能器官所無法替代的。
[0003]在體感誘發(fā)電位SEP (Somatosensory Evoked Potentials,簡稱 SEP)研究中，常用電流脈沖刺激指、趾皮神經(jīng)或肢體大的混合神經(jīng)干中的感覺纖維，達到體感刺激的目的。這種皮膚電刺激方式，一般對儀器設(shè)備的性能參數(shù)要求非常高，而且裝置復(fù)雜、價格昂貴，在推廣應(yīng)用方面存在著一定的局限性。此外，這種電流脈沖刺激的方式對某些諸如振動、接觸和疼痛的刺激效果難以逼真模擬，而且刺激效果并沒有定量定性的指標(例如，一般刺激量要求達到同側(cè)拇指或小趾球肌有可見收縮為宜)，具有一定的主觀性和隨機性。從本質(zhì)上而言，電流脈沖刺激方式對被試是有一定的創(chuàng)傷性和危險性的(施加的電刺激過強，可能使被試產(chǎn)生痙攣現(xiàn)象)。
[0004]理論上，電刺激能夠引起相對多類型的神經(jīng)纖維的興奮，增加了波形的復(fù)雜性。但是實驗也表明，通過對被試施加一定的觸覺、振動覺或痛覺激勵同樣能夠達到檢測人體某些機能的目的。有文獻報道，通過對被試食指施加一定的電磁振動刺激，能有效地診斷精神分裂癥。此外，觸覺激勵是一種無創(chuàng)或低創(chuàng)、易控的體感激勵，安全系數(shù)高，被試的接受程度也高。因此基于觸覺的體感激勵得到了廣泛`的認可和接受。
[0005]目前常用的幾種體感激勵裝置主要有以下幾種:
[0006]文獻I: K.A.Kaczmarek, K.M.Kramer, J.G.Webster, andR.G.Radwin, “A16_channel 8-parameter waveform electrotactiIe stimulationsystem”，IEEE Trans.Biomed.Eng., vol.38, pp.933-943，1991 報道了一種基于電脈沖的體感刺激裝置，該裝置通過計算機接口對人體進行電刺激以模擬生理觸覺:這種刺激器采用表面電極或針狀電極，對被試的腕部、肘部或胭部的神經(jīng)肌肉施加刺激，以誘發(fā)腦電波相關(guān)電位，有一定的創(chuàng)傷性。一般對裝置的可靠性、安全性要求極高。這種裝置的價格一般比較昂貴、操作技術(shù)性高、裝置復(fù)雜，缺乏一定的靈活性。
[0007]基于靜電吸附式的刺激裝置:這種刺激器主要用于SEP研究或虛擬現(xiàn)實【技術(shù)領(lǐng)域】的人機接觸交互應(yīng)用研究中。其原理是利用硅基片在其之上制作相應(yīng)的電極陣列，并覆蓋高強度的電絕緣材料聚酰亞胺薄膜。當(dāng)電極上施加一定的高電壓，該硅片能夠產(chǎn)生靜電吸附力，從而對被試相應(yīng)的刺激部位產(chǎn)生觸覺刺激。如文獻2:http://www.dcs.gla.ac.uk/ ~stephen/workshops/haptic/papers/stone, pdf 所述的美國 Wisconsin 大學(xué)石開制的Teletact II和Tacticon 1600觸覺刺激裝置。相似的裝置，還有利用可充氣的氣囊進行體感觸覺刺激，不同之處在于利用氣閥控制裝置進行充氣放氣，以模擬觸覺刺激。通常，這類裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高而且僅能夠產(chǎn)生簡單的觸覺刺激信號，使用的靈活性比較差。
[0008]基于振動音圈的刺激裝置:這種裝置利用電磁效應(yīng)原理，通過對振動音圈施加一定頻率和強度的電流信號，使線圈起振，從而產(chǎn)生類似的觸覺刺激。如文獻3:http://www.cs.unc.edu/ ~welch/class/comp239/media/pdf/touch_force/touch_forc e.pdf 中所述的美國Virtual Technologies公司開發(fā)的“CyberTouch”及EXOS公司開發(fā)的“TouchMaster”系統(tǒng)就采用了振動音圈作為觸覺發(fā)生器，以作為簡單的振動觸覺器。這種裝置的刺激頻率一般不高，僅為O~250Hz左右，而且體積比較大，只能提供簡單的振動覺或觸覺刺激。
[0009]ZL201010143724.3報道了一種基于繼電器改造的刺激裝置:當(dāng)給繼電器線圈加上交流信號后，線圈上便會產(chǎn)生順時針或者逆時針流到的電流，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，其在空間產(chǎn)生的磁場會隨之改變方向和大小。這樣繼電器的懸臂梁會受到不同大小的牽引力的作用下而產(chǎn)生上下振動，帶動尖端的小針振動，就可以給予皮膚振動刺激。該種裝置的刺激頻率不高，響應(yīng)比較遲滯且不穩(wěn)定。
[0010]ZL200820029540.2報道了一種基于偏心扁平馬達的刺激裝置:偏心馬達頻率響應(yīng)不夠，激振器體積過于龐大，不容易固定。
[0011]ZL200510105242.8報道了一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的刺激裝置:通過電極接上正相或負相電壓時，壓電片彎曲形變方向的不同，帶動刺激裝置上下運動。壓電陶瓷產(chǎn)生的振動幅度太小，幾乎難以感覺到，且壓電陶瓷諧振頻率過高，不符合低頻振動激勵的要求。
[0012]ZL200410073954.1報道了一種基于電磁鐵的體感觸覺刺激發(fā)生裝置，電磁鐵在驅(qū)動信號的控制下，產(chǎn)生低頻振動，從而帶動刺激力臂的上下振動，進而帶動刺激針棒的上下運動，以對人體進行觸覺刺激。神經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，SSSEP在21Hz刺激頻率附近的響應(yīng)較強，而該激勵器能實現(xiàn)的頻率過低，不能滿足針對人體手指最佳刺激響應(yīng)的研究。
[0013]從調(diào)研中不難發(fā)現(xiàn)，上述的幾類體感刺激發(fā)生裝置要么價格昂貴、裝置復(fù)雜；要么刺激簡單，效果差，頻率過高或過低，性價比低，靈活性也不是很好。事實上，SSSEP方面的研究無論是對刺激的方式，還是對刺激的靈活性的要求都是比較高的，具有一定的特殊性。一種小型便攜、功能集中、使用安全的體感觸覺激勵發(fā)生裝置成為了市場需求的趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]發(fā)明目的:為了客服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種小型便攜、功能集中的磁鋼式的體感觸覺激勵發(fā)生裝置。
[0015]技術(shù)方案:一種體感觸覺激勵發(fā)生器，包括步進電機、一組磁動機構(gòu)以及一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)；所述步進電機固定在底板上；
[0016]所述一組磁動機構(gòu)包括磁鋼和磁鐵，所述磁鋼固定在電機輸出軸頂端的軸套上，所述磁鐵位于磁鋼的正上方；
[0017]所述一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)包括導(dǎo)軌和滑塊；所述滑塊為磁鐵，頂桿固定在磁鐵上；所述步進電機的輸出軸與導(dǎo)軌導(dǎo)向垂直。方向保持垂直，磁鐵與磁鋼之間的相對位置保持恒定。
[0018]所述磁鋼為銣鐵硼磁鋼，該磁鋼磁力強，性能高，可電鍍，能夠通過線切割進行二次加工，以滿足對磁鋼尺寸的需求。
[0019]該發(fā)明還包括套筒，套筒內(nèi)壁上端有一體腔，該體腔同時作為導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的軌道，呈上大下小的階梯狀孔，限定了滑塊上下移動的范圍。
[0020]所述的一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:還包括恒定頻率控制單元，所述恒定頻率控制單元包括上位機、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊以及微控制模塊；所述上位機的輸出端與無線發(fā)射模塊的輸入端相連接，頻率通過上位機傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊，再通過無線發(fā)射模塊輸出端將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，無線接收模塊的輸入端接收數(shù)據(jù)，通過無線接收模塊的輸出端將數(shù)據(jù)傳送至微控制模塊，微控制模塊經(jīng)過進行計算后產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號；所述步進電機的驅(qū)動器接收所述恒定頻率控制單元中的微控制模塊的輸出的脈沖信號，步進電機根據(jù)該信號進行調(diào)速，控制步進電機輸出軸頂端軸套上的磁鋼的磁極轉(zhuǎn)換頻率。
[0021]有益效果:
[0022]1、穩(wěn)定性高，由于磁鋼和磁鐵之間位置相對恒定，因此對電機影響的最大作用排斥力恒定，不會因電機負載有變化而減速；
[0023]2、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，集成度高，裝置體積小，便于攜帶，且工作中安全穩(wěn)定，噪音?。?br> [0024]3、本發(fā)明采用人體能夠感覺的頻率精確可調(diào)的低頻觸覺振動激勵，動力來源穩(wěn)定可靠、頻率精確可調(diào)，能夠避免使用中帶來的創(chuàng)傷，靈活地提供各種精確頻率的體感觸覺激勵。
【專利附圖】

【附圖說明】
`[0025]圖1是體感觸覺激勵發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖
[0026]圖2是軸套安裝(俯視)示意圖
[0027]圖3是軸套結(jié)構(gòu)示意圖
[0028]圖4是圖3的左視圖
[0029]圖5是套筒結(jié)構(gòu)示意圖
[0030]圖6是圖5的右視圖
[0031]圖7是頂桿及頂桿與磁鋼裝配圖
[0032]圖8是控制系統(tǒng)工作流程圖
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0034]結(jié)合圖1和圖2所示，一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:包括步進電機18、一組磁動機構(gòu)以及一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)；
[0035]所述一種體感觸覺激勵發(fā)生器，底部有一底板19，鋁制穩(wěn)固豎板14通過三枚豎板緊固螺釘17固定于鋁制穩(wěn)固底板19上，所述鋁制底板19放在桌面上會產(chǎn)生較大噪音，這些噪音會影響實驗者的感受，從而影響實驗效果，所以又在鋁板下面粘上了吸震材料8，用于降低系統(tǒng)工作過程中的噪音，所述吸震材料可采用泡沫塑料或能達到同樣效果的材料。[0036]結(jié)合圖1、圖3、圖4、圖5、圖6以及圖7，導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的套筒4通過套筒緊固螺釘7固定在底板19上，套筒蓋I通過三枚磁鋼緊固螺釘2與套筒4固定；確保步進電機在轉(zhuǎn)動的過程中，伸入套筒內(nèi)的部分不會碰到套筒壁，保證了系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的工作；套筒蓋I呈上大下小階梯軸狀，且套筒蓋I上貫通一個孔，用于通過頂桿10。銅質(zhì)頂桿10通過螺紋9結(jié)合螺帽11與圓環(huán)形磁鐵12固聯(lián)，安置于套筒4的上部腔體中，所述頂桿10的上半部分是光桿，在頂桿10靠近底部的部分加工上螺紋9，環(huán)形磁鐵12套在頂桿10上，用螺帽11進行固定；所述磁鐵12陽極朝下；軸套6通過兩枚軸套緊固螺釘13固定于步進電機輸出軸16上，磁鋼5被固聯(lián)于軸套6上；所述步進電機輸出軸16上，兩枚固定用的軸套緊固螺釘13位于同一個平面內(nèi)并相互垂直，兩枚磁鋼緊固螺釘3將兩塊金屬墊片20將磁鋼5固定在軸套6末端的槽中。憑借隨步進電機輸出軸16 —起轉(zhuǎn)動的磁鋼12與安置于套筒4內(nèi)的磁鐵之間的“同性相斥、異性相吸”，頂桿10是系統(tǒng)產(chǎn)生振動的部分，被帶動在套筒4內(nèi)上下運動以產(chǎn)生恒定頻率的機械振動刺激，通過頂桿10頂部將振動傳遞給人手指。頂桿10與設(shè)計的環(huán)形磁鐵12相固連。為了防止其他物質(zhì)會影響磁鋼的磁性以及作用方向，這里選用銅作為頂桿的加工材料，在頂桿靠近底部的部分加工上螺紋9，這樣就可以很方便的將磁鐵12套在頂桿10上，再用螺帽11進行固定。頂桿10的上半部分是光桿，可以減少頂桿10上下振動的過程中與套筒蓋I的摩擦，防止卡死又減少了振動噪聲。
[0037]結(jié)合圖1、圖2、圖7所示,磁動機構(gòu)依靠磁鋼5磁極的反轉(zhuǎn)變化實現(xiàn)振動刺激功能的，而磁鋼5磁極的反轉(zhuǎn)是依靠步進電機輸出軸16的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的，為將磁鋼5連接到步進電機輸出軸16上，設(shè)計了一個軸套6。所述套筒4的作用是在使圓形磁鐵12在其內(nèi)部產(chǎn)生“同性相斥、異性相吸”作用，并且套筒4內(nèi)壁上部也給頂桿10提供了上下滑動的腔體。套筒4內(nèi)壁上部腔體呈上大下小階梯孔狀，以限制圓形磁鐵12向下運動的極限位置。套筒蓋I呈上大下小階梯軸狀，通過三枚螺釘2與套筒連接，套筒蓋I正中央有個小孔以方便頂桿10伸出，并通過大于頂桿10直徑但小于螺紋9外徑的孔徑大小限制了頂桿10向上運動的極限位置，本發(fā)明所述一種體感觸覺激勵的振動幅度被設(shè)計為2mm。套筒4固定在底板19上，步進電機18固定在豎板14上，步進電機輸出軸16通過套筒4側(cè)壁上的圓孔伸入套筒4內(nèi)壁下部腔體，在腔體內(nèi)轉(zhuǎn)動，同時帶動磁鋼5電極的反轉(zhuǎn)。
[0038]結(jié)合圖1、圖2所示的磁鋼5采用的是銣鐵硼磁鋼，其特征是磁力強，性能高，可電鍍，可通過線切割進行二次加工以滿足對磁鋼尺寸的需求。所述磁鋼5也可采用其他類型的磁鋼，能達到基本相同的效果，但是銣鐵硼磁鋼的實驗效果最佳，故選擇銣鐵硼磁鋼。
[0039]結(jié)合圖8所示，恒定頻率控制單元包括上位機、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊以及微控制模塊；所述上位機的輸出端與無線發(fā)射模塊的輸入端相連接，刺激頻率通過上位機傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊，再通過無線發(fā)射模塊輸出端將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，無線接收模塊的輸入端接收數(shù)據(jù)，通過無線接收模塊的輸出端將數(shù)據(jù)傳送至微控制模塊，微控制模塊經(jīng)過進行計算后產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號。
[0040]步進電機18通過四枚步進電機緊固螺釘15固定于豎板14上，步進電機18的驅(qū)動器接收所述恒定頻率控制單元中的微控制模塊的輸出信號，步進電機18根據(jù)該信號進行調(diào)速，通過速度來控制步進電機輸出軸16頂端軸套6上的磁鋼5的磁極轉(zhuǎn)換頻率。
[0041]所述步進電機18中，控制系統(tǒng)由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路組成，所述步進電機18的驅(qū)動器是兩相混合式步進電機驅(qū)動器，采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細分控制，步進電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它兩相驅(qū)動器，定位精度高。
[0042]具體來說，借助PC上位機軟件實現(xiàn)端口配置、控制無線信號發(fā)射模塊連接與斷開、設(shè)置激勵器的振動頻率以及控制激勵器啟動與關(guān)閉等功能。上位機軟件設(shè)計時編寫了串口通信程序，與信號發(fā)射模塊建立穩(wěn)定可靠的聯(lián)系，上位機將操作者設(shè)置的刺激頻率發(fā)送到無線信號發(fā)射模塊，無線信號發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，進行了頻率計算的算法設(shè)計之后，可發(fā)送精確的振動頻率控制命令。設(shè)計下位機，即圖8中的MCU(微控制模塊)對無線通信的程序，使得下位機能夠準確接收上位機命令，并且根據(jù)上位機的命令設(shè)計激勵器驅(qū)動程序以保證對激勵器的精確控制。無線單片機接收來自發(fā)射臺的數(shù)據(jù)后，根據(jù)接收的命令產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，繼而步進電機18驅(qū)動器根據(jù)脈沖頻率來進行步進電機的調(diào)速，繼而控制固定于電機輸出軸并可隨之轉(zhuǎn)動的磁鋼5陽極或者陰極朝上的頻率。
[0043]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。`
【權(quán)利要求】
1.一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:包括步進電機(18)、一組磁動機構(gòu)以及一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)； 所述步進電機(18)固定在底板(19)上； 所述一組磁動機構(gòu)包括磁鋼(5)和磁鐵(12),所述磁鋼(5)固定在電機輸出軸(16)頂端的軸套(6 )上，所述磁鐵(12)位于磁鋼(5 )的正上方； 所述一組導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)包括導(dǎo)軌和滑塊；所述滑塊為磁鐵(12)，頂桿(10)固定在磁鐵(12)上；所述步進電機的輸出軸(16)與導(dǎo)軌導(dǎo)向垂直。
2.權(quán)利要求1所述的一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:所述磁鋼(5)為銣鐵硼磁鋼。
3.權(quán)利要求1所述的一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:還包括套筒(4)，套筒(4)內(nèi)壁上端有一體腔，該體腔同時作為導(dǎo)軌滑塊機構(gòu)的軌道，呈上大下小的階梯狀孔。
4.權(quán)利要求1所述的一種體感觸覺激勵發(fā)生器，其特征在于:還包括恒定頻率控制單元，所述恒定頻率控制單元包括上位機、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊以及微控制模塊；所述上位機的輸出端與無線發(fā)射模塊的輸入端相連接，頻率通過上位機傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊，再通過無線發(fā)射模塊輸出端將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，無線接收模塊的輸入端接收數(shù)據(jù)，通過無線接收模塊的輸出端將數(shù)據(jù)傳送至微控制模塊，微控制模塊經(jīng)過進行計算后產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號；所述步進電機(18)的驅(qū)動器接收所述恒定頻率控制單元中的微控制模塊的輸出的脈沖信號，步進電機(18)根據(jù)該信號進行調(diào)速，控制步進電機輸出軸(16)頂端軸套(6)上的磁鋼(5)的磁極轉(zhuǎn)換頻率。
【文檔編號】A61B19/00GK103494642SQ201310464975
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】王慧, 王河成, 胡海樺, 李博維, 宋愛國 申請人:東南大學(xué)