专利名称：一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多自由度假手电气控制系统的感觉反馈电刺激装置，属于生物肌电一体化(Biomechatronics)技术领域。
背景技术：
假手作为机器人领域的高技术产物，其应用对象是由于先天疾病或后天意外造成手部残疾的人，这就意味着假手将作为人手的一种替代伴随残疾人的日常生活。理想的假手应当具备类似人手的仿生特性，这就从三个主要方面对假手的设计提出了要求第一，要具有与人手相似的外观、重量、灵活度和抓取能力；第二，具备简单可靠的控制方式，使残疾人能够自如的控制假手动作；第三，具备向人体反馈假手状态信息的能力，从而实现通过假手向人体提供感觉反馈的能力。
2008年，姜力等人在中国专利局申请了名称为“一种用于仿人型肌电假手感觉反馈的电刺激器”的专利，申请号为200810064586.2，所述专利中的电刺激器具有单通道，使用单极性方波脉冲波形、可实现6级刺激等级，但由于原理上直接使用H桥型驱动芯片将PWM波形进行功率放大后产生单极性的电刺激信号刺激人体容易造成皮肤细胞极化，使皮肤对刺激的感受度降低，并且容易造成电荷在皮肤表面的积累，长时间使用会造成不舒适的针刺感，皮肤可能出现过敏。另外，该电刺激器的尺寸较大，集成度较低，不具备多通道和标准接口，可区分刺激等级有待进一步提高。
发明内容
本发明为解决采用电刺激作为感觉反馈方式的多自由度假手存在的感觉反馈可靠性差、舒适性较低、不具备多反馈通道、准确性较差、体积尺寸大以及缺乏通用接口的问题，提供了一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器。
本发明包括电源模块电路、波形发生器电路和放大驱动电路，所述电源模块电路的+20V驱动电源输出端连接放大驱动电路的正相驱动电源输入端，电源模块电路的-20V驱动电源输出端连接放大驱动电路的负相驱动电源输入端，波形发生器电路的波形输出端连接放大驱动电路的波形输入端， 放大驱动电路包括三路放大驱动通道第一路放大驱动通道、第二路放大驱动通道和第三路放大驱动通道，每一路放大驱动通道均包括放大驱动芯片、第三配置电阻、第四配置电阻、第五配置电阻、第六配置电阻、第七配置电阻、第八配置电阻和第九配置电阻，所述第三配置电阻的第一端与3.3V电源连接，第四配置电阻的第一端和放大驱动芯片的第一反向信号输入端都与第三配置电阻的第二端连接，放大驱动芯片的第一信号输出端和第五配置电阻的第一端都与第四配置电阻的第二端连接，第五配置电阻的第二端和第六配置电阻的第一端都与放大驱动芯片的第二正向信号输入端连接，放大驱动芯片的第三反向信号输入端和放大驱动芯片的第三信号输出端都与第六配置电阻的第二端连接，第七配置电阻的第一端和第八配置电阻的第一端都与放大驱动芯片的第二反向信号输入端连接，第八配置电阻的第二端和第九配置电阻的第二端都与放大驱动芯片的第二信号输出端连接，放大驱动芯片的第三正向信号输入端和电刺激器电刺激器电刺激器电极的一端都与第九配置电阻的第一端连接，所述电刺激器电刺激器电刺激器电极的另一端与电源地连接； 波形发生器电路包括波形发生器模块主控芯片，所述波形发生器模块主控芯片包括SPI通信接口，所述SPI通信接口包括片选引脚、时钟引脚和主机输出从机输入引脚，波形发生器模块主控芯片的第一波形输出端与第一路放大驱动通道中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片的第二波形输出端与第二路放大驱动通道中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片的第三波形输出端与第三路放大驱动通道中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接。
本发明的有益效果本发明的电刺激器简单可靠，工作稳定，接口通用化程度高；此外本发明的电刺激器在原理上使用数/模转换器和运算放大器配合，产生双极性刺激波形，避免了皮肤组织极化和皮肤表面电荷积累，电压幅值20V在人体安全电压36V之下，使用更为安全、舒适；另外本发明的电刺激器具备3路电刺激输出通道，采用标准的SPI通信接口，通用性强，同时本发明的电刺激器的大小仅有30×47mm，使假手与电刺激器的集成更加容易实现，易于满足多自由度假手对多反馈刺激通道的要求。
图1是本发明的电源模块电路A的电路结构示意图；图2是本发明的波形发生器电路B的电路结构示意图；图3是本发明的放大驱动电路C的电路结构示意图；图4是本发明工作在电气控制系统中的结构示意图；图5是具体实施方式
五中所述的±20V的双极性刺激信号示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一根据说明书附图2和3具体说明本实施方式，本实施方式包括电源模块电路A、波形发生器电路B和放大驱动电路C，所述电源模块电路A的+20V驱动电源输出端连接放大驱动电路C的正相驱动电源输入端，电源模块电路A的-20V驱动电源输出端连接放大驱动电路C的负相驱动电源输入端，波形发生器电路B的波形输出端连接放大驱动电路C的波形输入端， 放大驱动电路C包括三路放大驱动通道第一路放大驱动通道C-1、第二路放大驱动通道C-2和第三路放大驱动通道C-3，每一路放大驱动通道均包括放大驱动芯片4-3、第三配置电阻R3、第四配置电阻R4、第五配置电阻R5、第六配置电阻R6、第七配置电阻R7、第八配置电阻R8和第九配置电阻R9，所述第三配置电阻R3的第一端与3.3V电源连接，第四配置电阻R4的第一端和放大驱动芯片4-3的第一反向信号输入端都与第三配置电阻R3的第二端连接，放大驱动芯片4-3的第一信号输出端和第五配置电阻R5的第一端都与第四配置电阻R4的第二端连接，第五配置电阻R5的第二端和第六配置电阻R6的第一端都与放大驱动芯片4-3的第二正向信号输入端连接，放大驱动芯片4-3的第三反向信号输入端和放大驱动芯片4-3的第三信号输出端都与第六配置电阻R6的第二端连接，第七配置电阻R7的第一端和第八配置电阻R8的第一端都与放大驱动芯片4-3的第二反向信号输入端连接，第八配置电阻R8的第二端和第九配置电阻R9的第二端都与放大驱动芯片4-3的第二信号输出端连接，放大驱动芯片4-3的第三正向信号输入端和电刺激器电刺激器电刺激器电极P的一端都与第九配置电阻R9的第一端连接，所述电刺激器电刺激器电刺激器电极P的另一端与电源地连接； 波形发生器电路B包括波形发生器模块主控芯片4-2，所述波形发生器模块主控芯片4-2包括SPI通信接口4-21，所述SPI通信接口4-21包括片选引脚/CS、时钟引脚SCLK和主机输出从机输入引脚MOSI，波形发生器模块主控芯片4-2的第一波形输出端DA1与第一路放大驱动通道C-1中的放大驱动芯片4-3的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片4-2的第二波形输出端DA2与第二路放大驱动通道C-2中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片4-2的第三波形输出端DA3与第三路放大驱动通道C-3中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接。
具体实施方式
二根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式
一的进一步说明，本实施方式所述电源模块电路A包括电感L2、第一整流二级管D1、第二整流二级管D2、第三整流二级管D3、第四整流二级管D4、第一储能电容C2、第二储能电容C5、第一配置电阻R1、第二配置电阻R2、正反馈电容C4和电源模块主控芯片4-1，电源模块主控芯片4-1的电源输入端和电感L2的第一端都与3.3V电源连接，电感L2的第二端、第一储能电容C2的第一端以及第二储能电容C5的第一端都与电源模块主控芯片4-1的驱动电源输出端连接，第三整流二级管D3的阳极和第四整流二级管D4的阴极都与第一储能电容C2的第二端连接，第一配置电阻R1的第一端、第二配置电阻R2的第二端和正反馈电容C4的第二端都与电源模块主控芯片4-1的反馈端连接，第三整流二级管D3的阴极、第二配置电阻R2的第一端和正反馈电容C4的第一端都与放大驱动电路C的正相驱动电源输入端连接，第一整流二级管D1的阴极和第二整流二级管D2的阳极都与第二储能电容C5的第二端连接，第一整流二级管D1的阳极与放大驱动电路C的负相驱动电源输入端连接。
具体实施方式
三根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一的不同之处在于所述电源模块电路A还包括第一去藕电容C1、第一输出电容C6和第二输出电容C3，第一去藕电容C1的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第一输出电容C6的两端分别与正相驱动电源输出端和电源地连接，第二输出电容C3的两端分别与负相驱动电源输出端和电源地连接。
具体实施方式
四根据说明书附图2具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一、二或三的不同之处在于所述波形发生器电路B还包括第一滤波电容C7、第二去藕电容C8，第一滤波电容C7的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第二去藕电容C8的两端分别与3.3V电源和电源地连接。
具体实施方式
五根据说明书附图3、4和5具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一、二、三或四的不同之处在于每一路放大驱动通道均还包括第二滤波电容C11和第三去藕电容C12，所述第二滤波电容C11的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第三去藕电容C12的两端亦分别与3.3V电源和电源地连接。
本实施方式中，电源模块主控芯片4-1可采用LT1615芯片，封装形式为5引脚SOT-23，是凌力尔特公司(Linear Technology)出品的微功率升压型DC/DC转换芯片；波形发生器模块主控芯片4-2可采用AD5314芯片，封装形式为10引脚MSOP，是Analog Devices公司出品的数模转换芯片，具有10位精度，4路输出通道，数据传输兼容标准的SPI通信接口。放大驱动芯片4-3可采用LT1639芯片，封装形式为14引脚SO，是凌力尔特公司(Linear Technology)出品的四运算放大器芯片；电源模块电路A的3.3V输入电压由假手电气控制系统提供，可经过第一去藕电容C1(4.7uF，电容C1的两端分别与3.3V电源和电源地连接)滤波后进入LT1615芯片的电源输入端4脚和5脚，同时滤波后的电压经过电感L2(10uH)连接到LT1615芯片的驱动电源输出端1脚；LT1615芯片的驱动电源输出端1脚经由第一储能电容C2(1uF)、第三整流二级管D3(MBR0530)、第四整流二级管D4(MBR0530)、正反馈电容C4(4.7pF)和第一输出电容C6(1uF)，在第一配置电阻R1(13K)和第二配置电阻R2(200K)的作用下，配置出放大驱动电路C所需的正向驱动电压+20V，计算公式为Vout＝123×|R2/R1+1|，另外LT1615芯片的驱动电源输出端1脚经由第二储能电容C5(1uF)、第一整流二级管D1(MBR0530)、第二整流二级管D2(MBR0530)和第二输出电容C3(1uF)，配置出放大驱动电路C所需的负向驱动电压-20V； 波形发生器电路B的3.3V输入电压由假手电气控制系统提供，可经过第一滤波电容C7(10uF，电容C7的两端分别与3.3V电源和电源地连接)和第二去藕电容C8(0.1uF，电容C8的两端分别与3.3V电源和电源地连接)后进入AD5314芯片的1脚和5脚，波形发生器电路B所需的波形数据通过由AD5314芯片的8脚、9脚和10脚组成的SPI接口从假手电气控制系统获得，可产生三路刺激波形分别通过AD5314芯片的第一波形输出端2脚、第二波形输出端3脚和第四波形输出端4脚输出，接入放大驱动电路C的三个波形输入端；电源模块电路A输出的正向驱动电压+20V连接到放大驱动电路C的三个LT1639芯片(放大驱动芯片4-3)的正相驱动电源输入端4脚上，电源模块电路A输出的负向驱动电压-20V连接到放大驱动电路C的三个LT1639芯片的负相驱动电源输入端11脚上，由假手电气控制系统提供的3.3V输入电压经过第二滤波电容C11和第三去藕电容C12连接到第三配置电阻R3的第一端，第三配置电阻R3的第二端与放大驱动芯片4-3的第一反向信号输入端2脚和第四配置电阻R4的第一端连接，第四配置电阻R4的第二端与放大驱动芯片4-3的第一信号输出端1脚连接，放大驱动芯片4-3的第一正向信号输入端3脚作为刺激波形的第一路输入端与波形发生器电路B的AD5314芯片的第一波形输出端2脚连接(经过R3、R4和放大驱动芯片4-3构成的转换电路，可将刺激波形转换成双极性刺激波形，通过放大驱动芯片4-3的第一信号输出端1脚输出)，放大驱动芯片4-3的第一信号输出端1脚与第五配置电阻R5的第一端连接，第五配置电阻R5的第二端与第六配置电阻R6的第一端和放大驱动芯片4-3的第二正向信号输入端5脚连接，第六配置电阻R6的第二端与放大驱动芯片4-3的第三反向信号输入端8脚、第三信号输出端9脚连接，放大驱动芯片4-3的第二反向信号输入端6脚与第七配置电阻R7的第一端和第八配置电阻R8的第一端连接，放大驱动芯片4-3的第二信号输出端7脚与第八配置电阻R8的第二端和第九配置电阻R9的第二端连接，第九配置电阻R9的第一端与放大驱动芯片4-3的第三正向信号输入端10脚连接，从而在放大驱动芯片4-3的第一信号输出端1脚上产生的第一路双极性刺激波形经过R5、R6、R7、R8、R9和放大驱动芯片4-3构成的放大驱动电路，在放大驱动芯片4-3的第三正向信号输入端10脚产生了第一路幅值为±20V的双极性刺激信号，如图5，所述双极性刺激信号中和电压为零，避免了皮肤细胞极化，不易产生皮肤对刺激的感受度降低的现象。
本实施方式的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器作为电刺激电路4设置在由主DSP电路1、温度传感器电路2、蓝牙电路3、电刺激电路4、EMG调理电路5、从DSP电路6、CPLD电路7、多个直流电机8、多个电机驱动电路9、多个位置传感器10和多个力矩传感器11组成的假手电气控制系统中(参见图4)，当假手开始工作后，肌电电极拾取假手佩戴者的肌电信号，信号经过处理后送入主DSP电路1进行分类与识别，根据预存的样本给出相应的动作指令，同时随着假手本体的不断动作，位置传感器和力矩传感器实时检测假手的手指位置和抓取力大小并返回给从DSP电路6，从DSP电路6对返回的位置和握力信息进行处理，获得手指速度和握力等级，并通过通信总线传递给主DSP电路1，主DSP电路1根据速度和握力等级选择刺激强度，然后向电刺激电路4发送波形数据，电刺激电路4按数据生成相应刺激强度的双极性刺激信号，通过电刺激电极把相应的电刺激感觉作用在人体皮肤上。这样经过一段时间的训练，就能建立假手手指运动速度和抓取力情况与电刺激强度的对应关系。利用电刺激器的方式把假手的抓取力大小和手指运动速度信息转化为人体感觉舒适的电流引起的皮肤刺激感，由于整个皮肤表面都具有感觉神经，所以不必直接与神经直接相连就能把感觉信息反馈给大脑，根据电刺激器电极对皮肤表面的刺激程度可区分出八档不同强度的刺激等级，可被用来对应假手手指运动速度或抓取力大小的八个等级，以此来减少假手的误动作，该电刺激器的八档强度设置是通过控制系统向波形发生器模块主控芯片42输入刺激脉冲簇的刺激频率和占空比来实现的，详见下表 本实施方式所述电刺激器具有三路输出通道，大小仅有47×30mm，采用标准的SPI接口，具有多通道、高集成度、接口简单、安全舒适和通用性强的特点，很适合在假手上实际应用。
权利要求
1.一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于它包括电源模块电路(A)、波形发生器电路(B)和放大驱动电路(C)，所述电源模块电路(A)的+20V驱动电源输出端连接放大驱动电路(C)的正相驱动电源输入端，电源模块电路(A)的-20V驱动电源输出端连接放大驱动电路(C)的负相驱动电源输入端，波形发生器电路(B)的波形输出端连接放大驱动电路(C)的波形输入端，
放大驱动电路(C)包括三路放大驱动通道第一路放大驱动通道(C-1)、第二路放大驱动通道(C-2)和第三路放大驱动通道(C-3)，每一路放大驱动通道均包括放大驱动芯片(4-3)、第三配置电阻(R3)、第四配置电阻(R4)、第五配置电阻(R5)、第六配置电阻(R6)、第七配置电阻(R7)、第八配置电阻(R8)和第九配置电阻(R9)，所述第三配置电阻(R3)的第一端与3.3V电源连接，第四配置电阻(R4)的第一端和放大驱动芯片(4-3)的第一反向信号输入端都与第三配置电阻(R3)的第二端连接，放大驱动芯片(4-3)的第一信号输出端和第五配置电阻(R5)的第一端都与第四配置电阻(R4)的第二端连接，第五配置电阻(R5)的第二端和第六配置电阻(R6)的第一端都与放大驱动芯片(4-3)的第二正向信号输入端连接，放大驱动芯片(4-3)的第三反向信号输入端和放大驱动芯片(4-3)的第三信号输出端都与第六配置电阻(R6)的第二端连接，第七配置电阻(R7)的第一端和第八配置电阻(R8)的第一端都与放大驱动芯片(4-3)的第二反向信号输入端连接，第八配置电阻(R8)的第二端和第九配置电阻(R9)的第二端都与放大驱动芯片(4-3)的第二信号输出端连接，放大驱动芯片(4-3)的第三正向信号输入端和电刺激器电刺激器电刺激器电极(P)的一端都与第九配置电阻(R9)的第一端连接，所述电刺激器电刺激器电刺激器电极(P)的另一端与电源地连接；
波形发生器电路(B)包括波形发生器模块主控芯片(4-2)，所述波形发生器模块主控芯片(4-2)包括SPI通信接口(4-21)，所述SPI通信接口(4-21)包括片选引脚(/CS)、时钟引脚(SCLK)和主机输出从机输入引脚(MOSI)，波形发生器模块主控芯片(42)的第一波形输出端(DA1)与第一路放大驱动通道(C-1)中的放大驱动芯片(4-3)的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片(4-2)的第二波形输出端(DA2)与第二路放大驱动通道(C-2)中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接；波形发生器模块主控芯片(4-2)的第三波形输出端(DA3)与第三路放大驱动通道(C-3)中的放大驱动芯片的第一正向信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于电源模块电路(A)包括电感(L2)、第一整流二级管(D1)、第二整流二级管(D2)、第三整流二级管(D3)、第四整流二级管(D4)、第一储能电容(C2)、第二储能电容(C5)、第一配置电阻(R1)、第二配置电阻(R2)、正反馈电容(C4)和电源模块主控芯片(4-1)，电源模块主控芯片(4-1)的电源输入端和电感(L2)的第一端都与3.3V电源连接，电感(L2)的第二端、第一储能电容(C2)的第一端以及第二储能电容(C5)的第一端都与电源模块主控芯片(41)的驱动电源输出端连接，第三整流二级管(D3)的阳极和第四整流二级管(D4)的阴极都与第一储能电容(C2)的第二端连接，第一配置电阻(R1)的第一端、第二配置电阻(R2)的第二端和正反馈电容(C4)的第二端都与电源模块主控芯片(4-1)的反馈端连接，第三整流二级管(D3)的阴极、第二配置电阻(R2)的第一端和正反馈电容(C4)的第一端都与放大驱动电路(C)的正相驱动电源输入端连接，第一整流二级管(D1)的阴极和第二整流二级管(D2)的阳极都与第二储能电容(C5)的第二端连接，第一整流二级管(D1)的阳极与放大驱动电路(C)的负相驱动电源输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于所述电源模块电路(A)还包括第一去藕电容(C1)、第一输出电容(C6)和第二输出电容(C3)，第一去藕电容(C1)的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第一输出电容(C6)的两端分别与正相驱动电源输出端和电源地连接，第二输出电容(C3)的两端分别与负相驱动电源输出端和电源地连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于所述波形发生器电路(B)还包括第一滤波电容(C7)、第二去藕电容(C8)，第一滤波电容(C7)的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第二去藕电容(C8)的两端分别与3.3V电源和电源地连接。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于每一路放大驱动通道均还包括第二滤波电容(C11)和第三去藕电容(C12)，所述第二滤波电容(C11)的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第三去藕电容(C12)的两端亦分别与3.3V电源和电源地连接。
6.根据权利要求4所述的一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，其特征在于每一路放大驱动通道均还包括第二滤波电容(C11)和第三去藕电容(C12)，所述第二滤波电容(C11)的两端分别与3.3V电源和电源地连接，第三去藕电容(C12)的两端亦分别与3.3V电源和电源地连接。
全文摘要
一种用于假手感觉反馈的多通道微型电刺激器，它属于生物肌电一体化(Biomechatronics)技术领域，它解决了采用电刺激作为感觉反馈方式的多自由度假手存在的感觉反馈可靠性差、舒适性较低、不具备多反馈通道、准确性较差、体积尺寸大以及缺乏通用接口的问题。本发明包括电源模块电路、波形发生器电路和放大驱动电路，所述电源模块电路为放大驱动电路提供正、负驱动电源，波形发生器电路为放大驱动电路提供刺激波形，放大驱动电路将波形发生器电路产生的刺激波形转化为双极性刺激波形，并产生放大后用于刺激人体的双极性刺激信号。本发明为假肢的发展奠定了基础。
文档编号A61F2/54GK101766511SQ20101030069
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者姜力, 李楠, 刘宏 申请人:哈尔滨工业大学