时空双通道机器人触觉再现电流刺激方法及装置

摘要

时空双通道机器人触觉再现电流刺激装置涉及一种用于机器人触觉再现的电流刺激装置，本地计算机的输入端接遥机器人触觉信息，计算机的输出端接声卡或插卡，声卡或插卡的输出端分别接空间通道信号调理模块和时间通道电压电流变换模块，空间通道信号调理模块的输出端接继电器组选通模块，时间通道电压电流变换模块和继电器组选通模块的输出端接触觉再现电极阵列；其方法是将遥作业机器人的触觉信息通过计算机处理成两路输入信号，采用时间和空间两个通道的电流刺激触觉再现的方式，采用连续变化的周期刺激电流输出到触点阵列，触点阵列将电流刺激器产生的刺激电流通过电触点作用于操作者的指端，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者。

说明书

                      技术领域

本发明涉及一种用于机器人触觉再现的电流刺激装置，尤其是能使操作者获得温和触觉感受的时空双通道机器人触觉再现电流刺激器。

                      背景技术

现有机器人触觉再现装置其实现方式包括气动刺激、振动刺激、神经肌肉刺激和电刺激等多种形式。其中，电刺激触觉再现由于具有便于集成和实现小型化、分辨率高、易于和计算机接口、功耗低以及成本低等诸多优点，深得研究人员关注。电触觉再现通过控制刺激电流的波形及强度，给操作者的肌体组织施加一定强度且均值为零的交变电流，通过电流对肌体神经末梢的刺激激发操作者的触觉感受，从而达到触觉再现和感觉替代等目的。但是，现有电触觉再现装置采用的刺激电流大多为阵发脉冲波，存在瞬时电流突变导致突发刺痛等不舒服感觉，以及触觉时间适应性等困难。

                            发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有电刺激触觉再现装置存在的上述问题，提供一种时空双通道触觉电流刺激器，该触觉电流刺激器不仅能通过电流刺激给操作者提供感觉，而且还能为操作者提供温和舒服的触觉感受。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：依据以色列魏茨曼科学研究院(Weizmann Institute of Science)的神经生物学专家Ehud Ahissa博士关于大脑触觉信息的获取是由空间和时间两个通道的数据同时编码而成这一最新科学发现，提出一种基于时间和空间两个通道的电流刺激触觉再现方法。即除选通刺激电流与触觉再现阵列各触点的连接(空间通道)外，还对刺激电流信号随时间的波形变化进行实验研究，采用连续变化的周期刺激电流(时间通道)取代单一的阵发脉冲电流，以消除电触觉再现的突发刺痛感并改善电触觉的时间适应性。

本发明的时空双通道机器人触觉再现电流刺激装置，由计算机控制部分和触觉再现电流刺激器部分所组成，其特征在于计算机控制部分包括本地计算机和计算机声卡(或插卡)，触觉再现电流刺激器部分包括空间通道信号调理模块、时间通道电压电流变换模块、继电器组选通模块、触觉再现电极阵列。其中本地计算机接收遥机器人的触觉信息输入，计算机内置声卡(或插卡)，声卡(或插卡)的双声道音频输出分别接空间通道信号调理模块和时间通道电压电流变换模块，空间通道信号调理模块的输出端接继电器组选通模块，继电器组选通模块对时间通道电压电流变换模块与触觉再现电极阵列上各触点的电气连接进行通断控制。

在触觉再现电流刺激器部分中，时间通道电压电流变换模块由信号放大器“F”和压流变换器“V/I”相串联组成，信号放大器“F”的输入端为时间通道电压电流变换模块的输入端，接计算机声卡(或插卡)；信号放大器“F”的输出端接压流变换器“V/I”，压流变换器“V/I”的输出端接触觉再现电极阵列；空间通道信号调理模块由频率测量模块“U1”构成，继电器组选通模块由数据锁存器1至数据锁存器4、传输门1至传输门2、与门“IC12”、三极管“N12”和继电器“J12”等组成，频率测量模块“U1”的输入端接声卡(或插卡)，频率测量模块“U1”的输出端分别接数据锁存器“1～3”和传输门“1～2”，数据锁存器“1～3”和传输门“1～2”构成一个i行j列的触点选通矩阵，矩阵各点处的行列值接与门，经驱动后选通相应电触点与时间通道电压电流变换模块刺激电流源的电气连接。

本发明的时空双通道机器人触觉再现电流刺激的方法是将遥作业机器人的触觉信息和刺激电流控制信号通过计算机处理成立体声音频信号两个通道的音波信号，采用时间和空间两个通道的电流刺激触觉再现方式，将电流刺激器产生的连续变化的周期刺激电流通过电触点作用于操作者的指端，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者。

有益效果：基于时空双通道方法的机器人触觉再现电流刺激装置，具有硬件简单、成本低廉和使用方便的优点，并可以全部或部分地克服消除电触觉再现中操作者的突发刺痛感，改善触觉再现的时间适应性困难，为操作者提供全真的温和电触觉感受。

                          附图说明

图1是本发明的总体结构框图。其中有空间通道信号调理模块1、时间通道电压电流变换模块2、继电器组选通模块3、触觉再现电极阵列4、遥机器人触觉信息5、本地计算机6、计算机声卡或插卡7、操作者8。

图2是时空双通道电流刺激器电原理图。

图3是触觉再现实验人机控制界面。

图4是时空双通道音波文件波形图。

图5是触觉再现实验电流刺激波形图。其中：图(a)是早期实验采用的阵发脉冲波；图(b)是采用专业音波处理软件生成的双通道周期脉动波；图(c)是叠加了随机噪声的波形；图(d)是以“10∶1”压缩显示的全局波形图。

                       具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

图1为本发明提供的时空双通道触觉再现电流刺激器方框图。由空间通道信号调理模块1、时间通道电压电流变换模块2、继电器组选通模块3、触觉再现电极阵列4等组成，时空双通道触觉电流刺激器与本地计算机6的计算机声卡或插卡7相连，接收远地的遥机器人触觉信息5，为操作者8提供电触觉再现所需的刺激电流。图2为本发明的电路原理图。

在结构上时空双通道机器人触觉再现电流刺激装置，主要由计算机控制部分和触觉再现电流刺激器部分所组成，计算机控制部分包括本地计算机6和计算机声卡(或插卡)7，触觉再现电流刺激器部分包括空间通道信号调理模块1、时间通道电压电流变换模块2、继电器组选通模块3、触觉再现电极阵列4，其中本地计算机6的输入端接遥机器人触觉信息5，计算机6的输出端接声卡或插卡7，声卡或插卡7的输出端分别接空间通道信号调理模块1和时间通道电压电流变换模块2，空间通道信号调理模块1的输出端接继电器组选通模块3，继电器组选通模块对时间通道电压电流变换模块2与触觉再现电极阵列4上各触点的电气连接进行通断控制。

在触觉再现电流刺激器部分中，时间通道电压电流变换模块2由信号放大器“F”和压流变换器“V/I”相串联组成，信号放大器“F”的输入端为时间通道电压电流变换模块2的输入端，接计算机声卡(或插卡)7；信号放大器“F”的输出端接压流变换器“V/I”，压流变换器“V/I”的输出端接触觉再现电极阵列4；空间通道信号调理模块1由频率测量模块“U1”构成，继电器组选通模块3由数据锁存器1至数据锁存器4、传输门1至传输门2、与门“IC12”、三极管“N12”和继电器“J12”等组成，频率测量模块“U1”的输入端接声卡(或插卡)7，频率测量模块“U1”的输出端分别接数据锁存器“1～3”和传输门“1～2”，数据锁存器“1～3”和传输门“1～2”构成一个i行j列的触点选通矩阵，矩阵各点处的行列值接与门，经驱动后选通相应电触点与时间通道电压电流变换模块刺激电流源的电气连接。图中，矩阵“D12”点处的行列值接与门“IC12”，“IC12”的输出接三极管“N12”，“N12”的输出端接继电器，以控制触觉再现电极阵列上与“D12”对应的触点与刺激电流源的通断连接。

本发明的时空双通道机器人触觉再现电流刺激的方法是将遥作业机器人的触觉信息和刺激电流控制信号通过计算机处理成立体声音频信号两个通道的音波信号，采用时间和空间两个通道的电流刺激触觉再现方式，将电流刺激器产生的连续变化的周期刺激电流通过电触点作用于操作者的指端，从而将遥作业机器人的触觉信息提供给本地操作者。

在机器人系统的控制下，远地触觉信息实时传送和储存到本地计算机的触觉数据文件dcj.dat中。实验室环境下，触觉数据可以由安装在主从式机器人从手指端的触觉传感器获取，也可以由操作者通过附图3所示的人机控制界面选通相关圆形图标提供，圆形图标与触觉再现阵列上的电触点一一对应，操作者通过点击图标可以使其由黑色变为灰色(如附图3中的D1、D4、D5)以选通该图标对应的电触点，也可以再次点击图标使其由灰色变为黑色而断开相应的电触点，选定图标，相关触点选通信息即被写入到触觉数据文件dcj.dat中。

基于时空双通道的电触觉再现，不仅要求遥机器人的触觉信息，即触觉再现的空间通道数据，还需要为触觉再现装置提供时间通道的刺激电流控制信号，以使操作者获得温和舒服的电刺激触感。时空双通道下的刺激电流控制信号采用音波文件播放的方式产生。

按下附图3控制界面中的“开始”按钮，系统软件将触觉数据从dcj.dat文件中读出，与时间通道的刺激电流波形和强度等控制信息一起，通过专业音波处理软件合成为适合于声卡播放的立体声音波文件。附图4即为采用专业软件合成的WAV格式音波文件两个声道的波形示意图，其中，(a)是左声道，对应时间通道刺激电流控制信号，(b)是右声道，为单频率周期信号，对应空间通道的触点选通信息。声卡的音频输出与附图1中右侧虚线框所示的触觉再现电流刺激器相连。左声道输出的时间通道电流控制信号为电压信号，经电压—电流变换后成为具有特定波形特征和一定强度的触觉再现刺激电流；右声道输出的空间通道触点选通控制信号与电流刺激器的空间通道信号调理模块1相连，信号调理模块的主要功能为频率测量，频率测量模块采用数字频率测量专用芯片ICM7226B。该芯片为40脚双列直插大规模集成电路，具有测频计数、锁存、译码、位段驱动显示、量程与小数点选择和多路逻辑控制等功能，配以少量的外围元件即可以实现性能优良的10MHz以上数字频率测量模块。ICM7226B测得的频率参数可以通过芯片的位段输出管脚直接驱动共阴极LED显示器，也可以通过BCD码输出端口与计算机或其他数字接口电路相连传送数据。本发明中采用BCD码输出，BCD码的输出可以构成一个具有i行和j列的矩阵，矩阵各点处行列线上的0/1电平信号经与门并驱动继电器可以选通或断开相应电触点与刺激电流源的连接。附图2显示了触点D12的电路连接。频率测量模块测得的频率不同，选通的触点也不同。

下面对空间通道的频率编码方案进行详细介绍。

本发明通过声卡播放音波文件的方式将空间通道触觉信息由计算机传送至电流刺激器，为确保数据传送准确，空间通道的数据信息采用频率编码，并占用音波文件的一个声道。频率编码范围受计算机声卡的带宽限制。声卡带宽与音频带宽相同一般为20Hz～20kHz。

十进制数可以用四位BCD码bit3 bit2 bit1 bit0表示。9的BCD码为1001，由于bit3为1时，bit2，bit1不能为1，因此最高位与其他位之间存在排斥性，会导致再现矩阵某列(行)只能为0或只能为1，故放弃最高位bit3，因而只有bit0、bit1、bit2可用，所以频率上限应为17777Hz。另外，由于频率下限为20Hz，十位的bit1与高位的bit位不能同时为0，具有排斥性，所以十位的bit1不可用，但当bit1为1时，bit0及个位的bit位与高位bit位之间没有排斥性，因此，所有可供使用的bit位有：万位的bit0、千位的bit2、bit1、bit0、百位的bit2、bit1、bit0、十位的bit2、bit0及个位的bit2、bit1、bit0等共12个bit位，这12个bit位可组成的最大触点阵列为6×6，可基本满足字符和简单图形的再现要求。为方便起见，可千位和百位构成阵列的行线，万位bit0与十位的bit2、bit0及个位的bit位作为列线，从而构成如下阵列：

 万位    十位         个位 行号  Bit0  Bit2  Bit0  Bit2  Bit1  Bit0百位  Bit2  D₁₁  D₁₂  D₁₃  D₁₄  D₁₅  D₁₆  1  Bit1  D₂₁  D₂₂  D₂₃  D₂₄  D₂₅  D₂₆  2  Bit0  D₃₁  D₃₂  D₃₃  D₃₄  D₃₅  D₃₆  3千位  Bit2  D₄₁  D₄₂  D₄₃  D₄₄  D₄₅  D₄₆  4  Bit1  D₅₁  D₅₂  D₅₃  D₅₄  D₅₅  D₅₆  5  Bit0  D₆₁  D₆₂  D₆₃  D₆₄  D₆₅  D₆₆  6    列号  1  2  3  4  5  6

触点阵列的各位用D_ij表示，i为行号，j为列号，触点选通模式按排列组合共有 $>\Sigma >=>C>36>1>>+>C>36>2>>+>·>·>·>+>C>36>35>>+>C>36>36>\; >s>个。各触点选通的频率参数为(*表示参数为任意值)：$

  万位       十位             个位 行号  Bit0  Bit2  Bit0  Bit2  Bit1  Bit0百位  Bit2  14***  4*4*  4*1*  4**4  4**2  4**1  1  Bit1  12***  2*4*  2*1*  2**4  2**2  2**1  2  Bit0  11***  1*4*  1*1*  1**4  1**2  1**1  3千位  Bit2  1*4**  *44*  *41*  *4*4  *4*2  *4*1  4  Bit1  1*2**  *24*  *21*  *2*4  *2*2  *2*1  5  Bit0  1*1**  *14*  *11*  *1*4  *1*2  *1*1  6    列号  1  2  3  4  5  6

多触点选通时，频率参数是各单触点频率参数的“或”(即参数按位若不同即进行累加)，例如：D11和D52，则频率参数为：14***+*24*＝1424*；D11和D12，则频率参数为：14***+4*4*＝14*4*；D11和D51，则频率参数为：14***+1*2**＝142**；D11、D52和D12，则频率参数为：14***+*24*+4*4*＝1424*。

这里需要解决的一个问题是，当选择选通D11和D52时，D12和D51也被同时选通，这是不希望出现的，其他对角选通时也存在同样问题，尤其是同时选通更多的触点，问题会更复杂。这一问题存在两种可能的解决方案。

其一是用上述12个bit位直接作为触点选通信号，由于各bit位之间互不干涉，所以这一方案是可行的，但是这种情况下触点数只有12个，最大只能排成3×4的阵列。该方案下各触点选通的频率参数为：

  万            千             百        十           个  Bit位 Bit0 Bit2 Bit1 Bit0 Bit2 Bit1 Bit0 Bit2 Bit0 Bit2 Bit1 Bit0  频率 10kHz 4kHz 2kHz 1kHz 400Hz 200Hz 100Hz 40Hz 30Hz 24Hz 22Hz 21Hz  序号 触点12 触点11 触点10 触点9 触点8 触点7 触点6 触点5 触点4 触点3 触点2 触点1

对于多触点选通，当没有个位的bit位触点时，频率值为各点频率值的直接代数和，个位的bit位触点之间的组合时，其频率遵循“或”原则进行运算(例如，24Hz与22Hz等于26Hz)，个位触点组与不含30Hz触点的高位bit触点组合时，频率直接累加，当包含30Hz触点时，个位bit触点的2*Hz按3*Hz进行处理。由于30Hz的特殊性，编程时可先判断30Hz的触点4是否选通，如选通，则将个位的21Hz、22Hz和24Hz改为31Hz、32Hz和34Hz再行处理。否则保持不变。接着对个位的触点1、2、3进行选通判别，频率参数按“或”处理，最后再与5～12各触点的频率参数求和，这样就可以根据触觉信息的情况计算出频率参数。

上述方案对于简单触觉表示是可行的，但对于复杂的触觉信息将显得不足。

其二是考虑上述存在触点误选通6×6阵列，由于触点误选通是在不同行之间发生的，而同一行上的各触点之间不会相互干涉，因此我们可以采用逐行选通的方法排除触点误选。逐行选通时，各列的数据信息采用锁存器进行锁存，因为多点选通发生在不同行的触点上，所以要求在选通某一行的触点时，之前选通的触点不能被释放，因此，对于已经选通的电触点需要采用锁存器进行锁存保持，以确保与触觉信息相对应的电触点能够被同时选通。

如果能够将频率拓展到音频以外(板卡单独定制)，触点数可大大增加，总共有3×n个触点。当频率达到100Mhz＝10⁸Hz时，触点数达到3×8＝24个，方案一可排成4×6的阵列，基本满足简单图形的触觉表达，按方案二可排成12×12的阵列，可实现复杂图象和字符的触觉显示。但频率范围越宽，对测频技术的要求也会越高。

图5为具体电触觉再现实施时所采用的电流刺激波形。其中(a)为早期实验采用的阵发脉冲波；(b)为采用专业音波处理软件生成的波形和强度随时间而变化的周期脉动波，函数表达式为0.3*sin(2*pi*t*f)+0.3*sin(2*pi*t*f*1.2599)+0.3*sin(2*pi*t*f*1.4983)(f＝250Hz)；(c)为叠加了0.1*rand(2)随机噪声的波形；

(d)为上述波形以“10∶1”压缩显示的全局波形图。

触觉再现实施例表明，阵发脉冲波易导致操作者的刺痛感和时间适应性；基于(b)波形的触觉再现在长时间使用的情况下无明显突发刺痛感，且较好的改善了时间适应性；而基于(c)波的触觉实验，则可以使操作者获得较为舒服的温和触觉感受。

使操作者获得温和触觉感受的电流刺激波形并不局限于上述波形，在波形没有突变的情况下，操作者基本无刺痛感，而叠加噪声则有利于操作者获得相对温和舒服的触觉感受，并改善触觉再现的时间适应性。