一种基于电流点阵刺激的二维超声导盲杖的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于电流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。电刺激脉冲具有恒压脉冲和恒流脉冲两种，前者比较简单。但是对人的刺激作用强弱主要与刺激电流有关，当用恒压型刺激脉冲时，刺激电流将随着接触电阻的变化而变化，刺激强度就有变化。而使用恒流型刺激脉冲时，刺激电流在一定接触电阻范围内保持不变，所以可以使刺激强度不随接触电阻而变化。但目前还没有一种基于恒流型刺激脉冲的二维超声导盲杖技术方案。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电流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，本发明提供了一种基于电流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、刺激电流产生器，所述刺激电流产生器包括多个驱动电路、dc-dc升压模块、恒流控制器，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所述驱动电路，所述多个所述驱动电路均连接dc-dc升压模块输出端，所述每个驱动电路输出端与恒流控制器输出端连接刺激电极输入端。

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，所述刺激电流产生器包括光电隔离器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dc-dc升压模块输出端，所述cs1n60的源极连接刺激电极输入端。

优选的，所述恒流控制器包括运算放大器和三极管，所述运算放大器同相端连接10kω可调电阻可调端，所述可调电阻一端通过开关sw连接5v直流电源，可调电阻另一端接地，电源所述运算放大器反相端连接三极管发射极，所述运算放大器输出端连接三极管基极，所述三极管集电极连接刺激电极公共输入端。

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。

优选的，所述dc-dc升压模块输入端通过开关sw接5v直流电源。

本发明的有益效果是：

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。

4、使用恒流型刺激脉冲，刺激电流在一定接触电阻范围内保持不变，所以可以使刺激强度不随接触电阻而变化，对人的皮肤刺激强度比较舒缓。

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

附图说明

图1为本发明基于电流点阵刺激的二维超声导盲杖原理框图；

图2为本发明基于电流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，一种基于电流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、刺激电流产生器，所述刺激电流产生器包括多个驱动电路、dc-dc升压模块、恒流控制器，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所述驱动电路，所述多个驱动电路均连接dc-dc升压模块输出端，所述每个驱动电路输出端与恒流控制器输出端连接刺激电极输入端。

图2为基于电流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。u8是dc-dc升压模块，现在市场上有许多型号的dc-dc模块产品，这里型号不限，作用是将+5v电压上升到50v直流电压，为刺激电极提供高压电，dc-dc升压模块输入端通过开关sw接5v直流电源。

u9、q1、r1、w等组成恒流控制器，包括运算放大器u9和三极管q1，运算放大器同相端连接10kω可调电阻可调端，可调电阻一端通过开关sw连接5v直流电源，可调电阻另一端接地，电源运算放大器反相端连接三极管发射极，运算放大器输出端连接三极管基极，三极管集电极连接刺激电极公共输入端。

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，组成刺激电流产生器，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dc-dc升压模块输出端，cs1n60的源极连接刺激电极输入端。

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，经脉冲选择分配器以一定频率选择某路刺激电路开通。

由于恒流控制器的控制，刺激电流的幅值是恒定的，也即不随皮肤接触电阻的变化而变化。面板上的旋钮w可以调节刺激电流幅值，即调节刺激强度。其原理是：设恒流控制器输入电压为ui(即旋钮w调节后分压输出到运算放大器的电压)，运算放大器u9同相端电压为up，反相端电压为un，则ui＝up＝un，三极管饱和导通时集电极电流ic≈发射极电流ie(基极电流相对很小，可忽略不计)所以刺激电极上的电流io满足：io＝ic＝ie＝un/r1＝ui/r1。正因为io＝ui/r1，r1为定值，电路输入电压ui控制电流io，即io不随负载(人体电阻)的变化而变化，从而实现压控恒流。旋钮w的调节则改变了ui大小，因此调节旋钮w可以调节刺激强度。

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)。

二维电流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流的电脉冲波形，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。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。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发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明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。