一种电触觉适宜刺激控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电触觉适宜刺激控制装置，尤其是借助电触觉技术为可穿戴式或便携式的智能设备提供电触觉适宜刺激显示方案。该装置中控制器作为整个装置的控制中枢，根据构建的电触觉环境交互模型，对采集的温湿度、噪声、电刺激参数、刺激施加时间以及预先输入的操作者性别、年龄、教育背景、职业等信息进行数据融合，进而产生电触觉刺激的控制波形，通过电压调整、电压‑电流转换以及刺激阵列电流分配等模块，最后形成电触觉显示阵列的刺激信号，实现了电触觉闭环控制。本发明专利技术基于触觉暂留效应，通过多路开关的动态切换，还能够实现电极阵列的动态扫描显示，极大的降低了电触觉显示装置的设计成本。

A suitable stimulus control device for electric tactile sensation

【技术实现步骤摘要】
一种电触觉适宜刺激控制装置
本专利技术涉及一种控制装置，具体涉及一种电触觉适宜刺激控制装置，属于电刺激控制装置

技术介绍
电刺激是触觉显示中占据重要地位的技术方法和手段。触觉显示借助外部刺激使人类通过肤觉感知图文、影像、色彩、纹理、温度以及触觉力等信息，是领域内的前沿和研究热点。触觉显示在技术方法方面主要包括气动刺激、振动刺激、射流刺激和电刺激等。电刺激与机械刺激、振动刺激、气动刺激、超声刺激和射流刺激等方式相比具有体积小、响应快、信息密度高、低功耗、柔顺性好且简单方便的优点，是感觉功能替代、康复治疗、智能假肢、远程操控、虚拟现实及游戏娱乐等领域最有前途的技术方法，也是研究人员重点关注的研究方向。但是，电触觉显示技术在应用方面遇到的最大障碍在于电极皮肤接触阻抗的不稳定，易引起感觉的不舒服，甚至会产生刺痛感。如何通过技术手段克服电触觉的缺点和不足是领域内的研究重点。电触觉在感知过程中，可控的电流刺激通过电极接触皮肤作用于内部的感觉纤维最终在大脑的感觉功能区形成感知。通过调节刺激参数电刺激能够使人产生触压、轻拍、振动、麻、痒和痛等多种有差别的触感觉，进一步的，通过阵列式或者环绕式的多点刺激以及分时多参控制实现丰富的触觉渲染和纹理表达。电触觉的环境交互模型和感知过程中的非稳态特性研究是电触觉显示领域的基础性问题，通过交互模型和感知特性研究能够掌握电触觉显示相关的控制方法以及电刺激装置的基础数据，从而为未来触觉显示器的设计开发提供设计依据和基本准则，对未来触觉显示器的研制与开发具有重要价值。电触觉环境交互模型具有明显的多变量、非线性和强耦合特征。在交互过程中，电触觉不仅与电刺激本身的电压、电流、频率、波形、刺激脉冲宽度和脉冲间隔等参数有关，而且与电极皮肤接触部位、接触面积、被试的年龄、性别和心理倾向等因素有关，此外，电触觉还受外界周围的温度、湿度以及电磁噪声等环境因素的影响。电触觉各要素之间并非是严格的线性关系，尤其是环境因素的引入，使交互过程充满了显著的非线性特性，这主要是因为，环境因素不仅影响电极皮肤接触阻抗的大小而且还会影响人的心理，进而在交互过程中产生某种心理倾向，使人放松或者恐慌，而这种心理状态反过来还会影响电极皮肤接触环境，诸如惊慌或者恐惧状态下人容易出汗，使得接触阻抗不稳定。所以，在建模过程中，要综合考虑多影响因子对感知输出的影响特性，以及多因子之间的相互耦合关系，进而构建多输入、强耦合、非线性的环境交互模型，在此基础上，研究非线性因子之间的解耦方法，实现将非线性转换为线性的关系特性，从而能够达到简单、方便、稳定和可靠的电触觉显示应用控制。电触觉是学者们一直关心的问题，电触觉的典型应用主要包括主从机器人、感觉功能替代、义肢感觉重建、触觉康复医疗(按摩)、微创手术触觉反馈，以及虚拟现实中通过视触觉融合显示器或可穿戴式交互设备实现人与虚拟对象的沉浸式交互等。上述应用均为当前的热点方向和前沿。在空间和海洋遥主从机器人应用中，借助触觉显示研究人员可操控洋底或国际空间站遥机器人实现精细作业；在康复医疗领域，电触觉可帮助安装义肢的残障人士实现义肢末端的感觉重建，对于视障人群，电触觉可实现视觉感官的功能替代，使其较好地感知环境信息，大大提高生活品质，HuangJ.等的研究还发现，对于佩戴耳蜗的听障人群，电触觉可显著增强噪声环境中耳蜗的语音识别能力；在微创手术中，高水平的医学专家可借助触觉显示实现精准的微创手术(如达芬奇机器人)，也可借助触觉反馈为远在千里之外的病人操刀治病；在虚拟现实领域，在普通的手机屏上二次开发的电触觉显示器能够实现视触觉融合显示，人们不仅能够看到屏幕上的虚拟对象，而且通过滑动能够感受到对象的边缘以及纹理等特征，从而给操作者带来更好的沉浸式的体验。触觉显示技术是当前国际上的研究前沿和重点，IEEE每年上半年都会召开专门的触觉学术会议IEEEHapticsSymposium，为世界上顶级的触觉研究者展示、交流和沟通研究成果提供了平台，此外美国还有专门的学术期刊IEEETransactionsonHaptics供领域内的学者们进行技术展示和交流。美国政府对触觉显示相关的研究工作非常关注，能源部、美国抗盲基金会等多家机构和实验室为相关研究提供长期的巨额资金资助。欧洲和日本的政府部门也分别有相应的经费资助计划对触觉研究给予重点支持。令人兴奋的是，近年来国内越来越多的机构开始涉及触觉显示技术研究，并在该领域做出重要成绩，如北京航空航天大学、中科院合肥智能所、清华大学、西安交通大学、杭州电子科技大学、上海交通大学及东南大学等。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种电触觉适宜刺激控制装置，该方案具有广阔的应用空间，除上述主从机器人、康复医疗、微创手术、虚拟现实等领域外，电触觉显示技术在军事国防、脑机接口、远程制造、影视制作、游戏娱乐和消防救灾等领域也具有广阔的应用前景。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种电触觉适宜刺激控制装置，其特征在于，所述控制装置包括控制器、数模转换模块、电压/电流转换模块、电流刺激分配模块、电触觉显示阵列以及电刺激信息采集模块、被试信息采集模块、环境信息采集模块，其中，控制器包括电触觉环境交互模型和波形发生器，所述控制器通过电刺激信息采集模块、被试信息采集模块和环境信息采集模块，获取电触觉刺激参数、被试的年龄、性别、职业背景、受教育状况、以及周围环境的温度、湿度和噪声等信息，并将其作为电触觉环境交互模型的输入；所述电触觉环境交互模型对相关信息进行数据融合，产生波形控制信号，并通过波形发生器输出一定波形的电触觉刺激；所述波形发生器产生的电刺激信号经过数模转换模块和电压/电流转换模块形成恒流刺激信号；所述电刺激信息采集模块是系统记录正在施加的电刺激波形、电压强度、电流强度、施加时间、动态变化过程等参数；所述被试信息采集模块是当前作用对象的性别、年龄、籍贯、身高/体重，教育背景、职业等信息，往往事先录入，当更换作用对象时，信息往往需要重新录入；所述环境信息采集模块是实时采集的当前环境的温度、湿度和噪声等信息。作为本专利技术的一种改进，所述恒流电刺激信号通过电流刺激分配模块分配给电触觉显示阵列相应的触点，用以电触觉显示；作为本专利技术的一种改进，所述电流刺激分配模块是一种多路开关，具有快速切换功能，其中，每一路开关独立地控制一个刺激电极，进一步的，通过快速控制多路开关的通断，实现刺激电极阵列的动态扫描式显示。作为本专利技术的一种改进，所述电触觉显示阵列是一种柔性电极阵列，其中，基底整体覆铜作为电极的阳极，各个电极子制成半圆形状，表面镀金，作为电极的阴极，进而实现阴极刺激。作为本专利技术的一种改进，所述波形发生器可产生0-20kHz的任意波形，其输入就是电触觉环境交互模型产生的波形控制信号。实际实施过程中，电触觉刺激波形多采用正弦波和方波，尤其是后者，所以波形的脉冲宽度、脉冲频率、以及脉冲持续时间等多指方波的参数。作为本专利技术的一种改进，所述电极阵列中显示的触点通过触点电流分配器进行控制。作为本专利技术的一种改进，所述信息采集模块6包括电刺激信息采集模块、被试信息采集模块以及环境信息采集模块，其中电刺激信息由电触觉刺激器直接导入，并且动态变化，被试信息多通过事先录入。整个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电触觉适宜刺激控制装置，其特征在于，所述控制装置包括控制器、数模转换模块、电压/电流转换模块、电流刺激分配模块、电触觉显示阵列以及电刺激信息采集模块、被试信息采集模块、环境信息采集模块，其中，控制器包括电触觉环境交互模型和波形发生器，所述控制器通过电刺激信息采集模块、被试信息采集模块和环境信息采集模块，获取电触觉刺激参数、被试的年龄、性别、职业背景、受教育状况、以及周围环境的温度、湿度和噪声等信息，并将其作为电触觉环境交互模型的输入；所述电触觉环境交互模型对相关信息进行数据融合，产生波形控制信号，并通过波形发生器输出一定波形的电触觉刺激；所述波形发生器产生的电刺激信号经过数模转换模块和电压/电流转换模块形成恒流刺激信号；所述电刺激信息采集模块是系统记录正在施加的电刺激波形、电压强度、电流强度、施加时间、动态变化过程等参数；所述被试信息采集模块是当前作用对象的性别、年龄、籍贯、身高/体重，教育背景、职业等信息，往往事先录入，当更换作用对象时，信息往往需要重新录入；所述环境信息采集模块是实时采集的当前环境的温度、湿度和噪声等信息。

【技术特征摘要】
1.一种电触觉适宜刺激控制装置，其特征在于，所述控制装置包括控制器、数模转换模块、电压/电流转换模块、电流刺激分配模块、电触觉显示阵列以及电刺激信息采集模块、被试信息采集模块、环境信息采集模块，其中，控制器包括电触觉环境交互模型和波形发生器，所述控制器通过电刺激信息采集模块、被试信息采集模块和环境信息采集模块，获取电触觉刺激参数、被试的年龄、性别、职业背景、受教育状况、以及周围环境的温度、湿度和噪声等信息，并将其作为电触觉环境交互模型的输入；所述电触觉环境交互模型对相关信息进行数据融合，产生波形控制信号，并通过波形发生器输出一定波形的电触觉刺激；所述波形发生器产生的电刺激信号经过数模转换模块和电压/电流转换模块形成恒流刺激信号；所述电刺激信息采集模块是系统记录正在施加的电刺激波形、电压强度、电流强度、施加时间、动态变化过程等参数；所述被试信息采集模块是当前作用对象的性别、年龄、籍贯、身高/体重，教育背景、职业等信息，往往事先录入，当更换作用对象时，信息往往需要重新录入；所述环境信息采集模块是实时采集的当前环境的温度、湿度和噪声等信息。2.根据权利要求1所述的电触觉适宜刺激控制装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈慧玲，朱辉生，王玉玺，周近，曹禺，
申请(专利权)人：江苏第二师范学院江苏省教育科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32