一种替代盲人视觉的环境感知装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种盲人视觉替代装置，特别是一种基于超声波的替代盲人视觉的环境感知装置。本技术包括超声传感器阵列，触觉感知阵列，中央控制器。超声传感器阵列和触觉感知阵列覆盖全身并一一对应。超声传感器阵列发射超声波并接收超声波遇到障碍物反射的回波回波转换成电信号送入接收电路处理，最后送入中央控制器，中央控制器精确计算每个传感器距离障碍物的距离，然后根据各个传感器距离障碍物的距离控制对应的触觉感知器件发出不同程度对人体皮肤的刺激。本实用新型专利技术可使盲人在日常生活和出行上获得方便，不但比盲杖和导盲犬能提供更为丰富的环境信息，而且是盲人通过自身的触觉自主形成对周边环境的感知，提高了盲人的生存体验质量。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种盲人视觉替代装置，特别是一种基于超声波的替代盲人视觉的环境感知装置。
技术介绍
现有专利的一些盲人视觉替代技术(TVSS)，基本都是用于帮助盲人阅读文字的技术，然而生活中方便盲人出行、代替盲杖的视觉替代技术对盲人是非常有实用意义的，通过检索，这方面的技术还没有被发现。现有的盲杖是以接触前方障碍物或下方地面的点接触方式来探索周围环境的，这 种方法不能给盲人以周边环境的全面整体的认识；导盲犬方式则是依赖于导盲犬引路，没有盲人本身对环境的认知，成本高。这两种目前的常用方法只能有限地在生活到上帮助盲人，不能提高盲人的生存体验质量，比如拥有和视觉类似的自我感知能力。
技术实现思路
本专利技术就是为了解决以上问题而设计的。系统由固定于身体前面的传感器阵列和固定于身体后面的触觉感知阵列，中央控制器组成。(图I)位于身体前面的每一个传感器都和位于身体后面的每一个触觉感知器件在平面位置上一一对应起来，根据每个传感器检测到的障碍物的距离来控制和它对应的触觉感知器件的刺激强度，整个阵列从而形成一幅触觉“图像”。(图2)传感器阵列是负责感知周边障碍物的。本专利技术使用使用超声波作为传感介质。超声波是指振动动频率大于20KHz的声波，超声波具有束射性，有较好的直线传播特性，遇到障碍物后具有类似光学特性的反射性，能量集中、传输过程中衰减较小，超声波实现起来也比较简单。在本设计中，超声波工作频率为40KHz，超声传感器有效作用距离范围为O. I米(盲区) 3米。中央控制器负责障碍物距离的计算和总体控制系统各个部件的运行；触觉感知阵列是负责把障碍物的距离信息以触觉的形式传递给使用者；超声传感器阵列以护胸、护臂、护腿、头箍、脚夹的形式覆盖在身体的前面；触觉感知阵列以护胸、护臂、护腿、头箍，脚背电极的形式覆盖身体的后面；除了脚夹以外，超声传感器阵列中的每一个传感器都和安装在身体对侧(后面)的的触觉感知器件在水平位置上一致，即--对应。传感器阵列由一个护胸，两个护臂，两个护腿，一个头箍，两个脚夹组成，护胸、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接传感器护胸，脚夹通过线缆连接传感器护腿；触觉感知阵列由一个护背，两个护臂，两个护腿，两个脚背电极组成，护背、护臂、护腿缝合于一体，头箍通过线缆连接护背，脚背电极通过线缆连接电极护腿。头箍中的触觉感知器件是由微型直流步进电机带动不平衡不对称半圆舵轮实现。对地面的探测使用了脚夹，脚夹由探测头、立柱和夹子组成；与脚夹超声传感器相对应的电极是固定于脚背的。传感器和电极护胸护背护臂护腿都使用双层纤维布或棉布制作，夹层内有柔性电路板，元件焊接在柔性电路板上。工作原理安装在身体前部的传感器阵列上的某个传感器向前发射超声波，超声波在遇到前方的障碍物后会反射回来，又被超声传感器所接收，接收到的超声波被转换成电信号送入超声接收电路放大整形，处理后的信号最后被中央控制器检测，中央控制器计量出从发射出超声波到接收到回波之间的时间差，然后根据公式s = V*T/2(其中S为传感器到障碍物的距离，T是发射到接收的时间差，V是在15C°时声波在空气中的传播速度，数值为340米/秒，因精度要求不高，忽略了温度和大气密度等因素对声速的影响)，计算出传感器距离障碍物之间的长度，中央控制器控制和这个超声传感器对 应的那个触觉感知器件动作，触觉感知器件就会发出对人体皮肤的刺激，中央控制器根据障碍物距离的不同控制触觉感知器件的工作电压、电流的大小，触觉感知器件就发出不同强度的刺激，刺激量和障碍物距离成反比，即障碍物距离越近时刺激越强，距离越远刺激就越弱(脚背电极除外)。这种刺激可以是电刺激，也可以是机械刺激。因为传感器和触觉感知器件在身体前后的一一对应性，所以这个触觉感知器件发出的刺激就能代表这个器件所在位置的身体对侧一一身体前方的障碍物的距离情况。这样，一对超声传感器和触觉感知器件所形成的从视觉到触觉的转换就完成了。当传感器阵列中的所有超声传感器都工作起来，经由上述转换，触觉感知阵列中就会在身体后面形成多达几十个的刺激点，这些刺激点结合起来就形成了一个刺激感觉面，刺激感觉面会给人一个对前方障碍物的整体认识，这就相当于形成了一幅覆盖全身的代表前方障碍物的触觉“图像”，从而实现了用触觉替代视觉对空间障碍物进行认知。使用者通过移动位置可以对更广阔的环境情况进行认知，就能够避开障碍物进行行走。这种触觉感知的能力，使用者通过一段时间的使用、训练和适应就可以获得。由于脸部到颈部、腰部以下大腿以上、膝盖的这三部分无法放置传感器和电极，因此这三部分不具有主动探测能力。可用如下方法来解决对于前两部分，使用者可以把前臂放在脸部或小腹部前方，借用前臂的超声波传感护臂和触觉感知护臂来感知在这两个区域的障碍物情况；对于后者，在特殊情况下，可以提起小腿利用小腿的传感器来感知膝盖部分前方的障碍物情况。对于地面情况，分地面下陷和地面突起两种情形。地面下陷是最需要防范的，脚夹就是专门用于这方面探测的；地面突起可用如下方法探测向前水平伸展并转动双臂可以感知地面突起的情况，以右臂举例，右臂从左前方转动到右后方，可感知接近180°范围内地面的情况。触觉感知器件使用了按摩/理疗电极片和机械感知器件两种方式。电极片用于身体，它的好处有对人体无任何刺激和副作用，产品柔软、有弹性，可贴在身上任何不平整的地方，因此身体后背、四肢皮肤的感知都用了电极片。由于头部安装电极不便，头部触觉的感知器件，使用了不平衡舵轮，不平衡舵轮转动时会对头部会施以不平衡的压力。为方便安装，头部的超声波传感器和机械触觉感知器件都安装在同一个头箍中。脚夹是固定在鞋子前端的一个超声波探测装置，专门用于探测地面是否下陷(如下行的台阶)，它包括探测头、立柱和夹子(图6)。探测头里面有I个探测方向偏向前下方的超声波传感器，偏向前方可以提前发现前方地面是否有下陷情况，但是偏角也不能太大，否则影响回波的强度。立柱用于支撑探测头，夹子的作用是把鞋夹固定在鞋子上。脚夹中的超声传感器所对应的电极是安装在脚背上的，这是全身所有超声传感器和触觉感知器件中唯一在空间上不是——对应的部分。对于一个身高I. 7米左右，体型正常的的人来说，全身至少使用77个超声波传感器和77个触觉感知器件。所有这些传感器和触觉感知器件基本覆盖了身体的绝大部分(图2)，可以全范围感知前方障碍物情况。为降低瞬时功耗，同时也是为了避免各个超声传感器发出的超声波之间的相互干扰，超声波传感器发射和接收超声波时不是同步进行的，而是一个一个逐个进行的。因此总的处理时间是一个超声传感器发射接收的时间乘以传感器的数目。综合考虑盲区和超声波在空气中的衰减等因素，设定发射盲区为O. lm，因此每个传感器每次发射接收超声波的最短时间为588us ;以障碍物的最远距离3米计算，每个超声波传感器的发射接收时间最长为17.6ms ;以图2中的75个超声传感器计算，(脚夹上的两个传感器单独处理，不算在内)，传感器发射接收总耗时最短为O. 558*75 = 41. 85ms，最长为17. 6*75 = 1320ms ;电极控制矩阵执行时间500us，所有触觉感知器件的控制是同步进行的，触觉感知器件中动作时间最 长的是不平衡舵轮，它的动作时间为200ms，因此加上触觉感知器件控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种替代盲人视觉的的环境感知装置，其特征在于由固定于身体前面的传感器阵列和固定于身体后面的触觉感知阵列，中央控制器组成；位于身体前面的每一个传感器都和位于身体后面的每一个触觉感知器件在平面位置上一一对应起来，根据每个传感器检测到的障碍物的距离来控制和它对应的触觉感知器件的刺激强度，整个阵列从而形成一幅触觉“图像”。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，
申请(专利权)人：洪波，
类型：实用新型
国别省市：