一种用于盲文阅读的三维电触觉表皮电子系统

摘要

本发明属于表皮电子领域，并公开了一种用于盲文阅读的三维电触觉表皮电子系统，该系统包括并行排列的多组电极对，其中，每组电极对包括上下两个电极对，每个电极对包括正电极、负电极和电源，在上下电极对中分别通入电流，该上下电极对分别产生电场，二者产生的电场发生干涉形成干涉信号，多组电极对形成的多个干涉信号对应一个盲文字，通过多个干涉信号对皮肤的刺激实现盲文的阅读，其中，不同组的电极对中通入的电流频率不同，同一组电极对中上下电极对中通入的电流频率也不同；通过本发明，实现盲人在任何状态下自由的阅读，阅读速度快，分辨率高，有效提高盲人的阅读能力。

说明书

技术领域

本发明属于表皮电子领域，更具体地，涉及一种用于盲文阅读的三维电触觉表皮电子系统。

背景技术

盲文阅读器发展到今天除去传统的通过物理触摸的方式阅读之外，还增添了很多新的方法让盲人进行阅读。美国桑迪亚国家实验室Anderson T等人研制了一种能够让盲人感觉到指尖振动的盲文点字装置，是通过电磁驱动的探针阵列直接与手指指尖接触实现的；东京大学Kajimoto等人提出了一种SmartTouch系统，主要是通过光传感器采集人的视觉信息，并将该信息转化为触觉信息来实现的，它们设计的盲文显示器是以电极阵列的排布形式呈现的，电极纵向间距2.5mm，横向间距2.0mm，实验使用正/负脉冲有选择地对Merkel细胞(压力觉)和Meissner小体(振动觉)分别进行了刺激，从而使人的手指端产生触觉，以识别盲文码字；我国在盲文阅读器的研究开发上也已经有了很多成果，专利CN103413479A发明了一种可滚动的扫描器和蓝牙耳机，将盲文数据转化成音频，实现同步阅读；清华大学的研究团队研发出了一种利用压电陶瓷材料，通过电压强弱控制压电陶瓷发生伸缩、弯曲的变形，从而推动探针的上升或下降，以此来显示盲文形成盲文点显器。

上述研究中基于电触觉的盲人阅读器对于电刺激参数范围要求很高，并且一般在刺激的时候随着受试者的微小的动作刺激电极也会发生相应的移动，导致刺激参数不稳定，伴随着受试者的刺痛感。并且上述研究都需要人手去触碰装置形成触觉，使得受试者不能自如的释放双手去做别的事情。并且现有的盲人阅读器还伴随着加工难度大、制作成本高等一系列问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于盲文阅读的三维电触觉表皮电子系统，通过采用与盲文对应的多组电极对，在同一组电极对的上下电极中通入高频电流，上下高频电流产生的电场发生干涉形成低频干涉信号，多组低频干涉信号刺激皮肤以此实现盲文的阅读，其中，通过调节高频电流的大小、幅值、相位或频率，实现所述干涉信号在皮肤上的作用区的三维触感的调节，且产生的低频干涉信号使皮肤感受不到痛觉，此外，采用的电极可共形贴在皮肤上，不随身体的运动而改变电极位置，且有良好的排汗性能，该系统阅读速度快，分辨率高，有效提高盲人的阅读能力。

按照本发明，提供了一种用于盲文阅读的三维电触觉表皮电子系统，其特征在于，该系统包括并行排列的多组电极对，其中，

每组所述电极对包括上下两个电极对，每个所述电极对包括正电极、负电极和电源，在所述上下电极对中分别通入电流，该上下电极对分别产生电场，二者产生的电场发生干涉形成干涉信号，多组所述电极对形成的多个干涉信号对应一个盲文字，通过所述多个干涉信号对皮肤的刺激实现盲文的阅读，其中，不同组的所述电极对中通入的电流频率不同，同一组所述电极对中上下电极对中通入的电流频率也不同；

对于同一组所述电极对，通过分别调节所述上下电极中通入电流的大小、幅值、相位或频率，实现所述干涉信号在皮肤上的作用区的三维触感的调节，其中，通过调节所述电流的大小，幅值或相位，使得所述干涉信号在皮肤上的作用区的大小和位置发生变化，通过调节所述电流的频率，使得所述干涉信号在皮肤的刺激深度不同，以此实现所述三维触感的调节。

进一步优选地，所述正、负电极结构相同，且均包括上层有机柔性层、金属层和下层有机柔性层，其中，所述上层和下层有机柔性层的材料优选采用PET，PEN，PI，PDMS或Ecoflex，所述金属层B的材料优选采用金，银或铜。PET，PEN，PI，PDMS或Ecoflex等材料的延展性好，使得电极器件具有拉伸性能，金，银或铜的导电性能好，且在通入高频电流时不会发生电化学反应灼烧皮肤。

进一步优选地，所述正、负电极的厚度均小于5μm，其中，所述金属层和下层有机层的总厚度小于2μm，超薄厚度使得电极与皮肤的贴合效果好，不易发生刺激作用点产生位移的情况。

进一步优选地，所述电极对中通入的电流的频率均不小于1000Hz，因为大于1000Hz的电流信号称之为高频信号，神经细胞可以将其过滤，同一组电机对中的上下电极对中通入的电流的频率相差100Hz～200Hz，进而产生的拍频信号为低频信号，可以刺激到神经细胞。

进一步优选地，所述通入电流的大小不超过2mA，幅值不超过1mA，超过了人体则会产生触电感，太小则没有感觉。

进一步优选地，所述正、负电极之间的距离优选采用1cm～3cm，使得电场传播不会进入皮肤深层，所述上下电极对之间的间距优选采用3cm～5cm，使得刺激域有一个横向的移动范围但又不至于太远发生不了干涉，所述相邻的电极组之间的间距优选采用4cm～6cm，大于了皮肤感受分辨率且能充分利用皮肤表面空间。

进一步优选地，所述干涉信号的频率优选为50Hz～150Hz，在这个频率范围内，是皮肤感受器中的触觉感受器的敏感频率区域，而非痛觉、振动觉等，以此避免皮肤感受到痛觉或其他不适的感受。

进一步优选地，呈蜿蜒蛇形，该蜿蜒蛇形包括多条相交的蛇形，每条蛇形包括多个串联的单元，每个单元均包括三段S型，中间段的S型大于两端的S型，这样的设计能够极大的提高整个结构的拉伸性能(至20％)以至于在与皮肤贴合时不发生断裂，且增大了整个器件的占空比(至40％)，提高了电学性能。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的系统利用两高频率电流交错干扰可深入人体内的特性，在一个维度上可实现连续的特定深度的刺激，在另外一个维度上通过排布组合数组电极对，可产生多个刺激作用区，即给定一个电信号，就可得到一个含有三维坐标的刺激从而获得不同的触感，实现高效和高精度的识别，提高盲人的阅读速度和阅读效率；

2、本发明提供的系统中采用的电极对以及连接结构都非常的轻、薄、小，且具备良好的拉伸性能，符合皮肤的力学特性，贴附在人体皮肤表面，共形性能好，几乎感觉不到它的存在，使得该系统的应用情景变广，提高使用率；

3、本发明通过控制独立电流源中通入的电流的大小、幅值、相位或频率等参数的值，即可实现电极间形成的电场的频率与幅值的精确控制，改变作用区只需改变输入的独立电流源的参数，由此实现刺激作用区快捷简单的控制；

4、本发明提供的系统，直接贴附在皮肤表面，包括刺激背部、手臂、坐骨、腹部等，不限于身体的部位，解放盲人的双手，可实现随时随地在任何状态下的自由阅读，阅读速度快，分辨率高，有效的提高盲人的阅读能力。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的三维电触觉表皮电子系统结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的电流干涉形成低频作用区的原理示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的电极图案设计示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的电极截面的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的电极贴与皮肤表面的实物图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-正电极 2-负电极 3-电源 4-电场线 5-干涉作用区

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，图中只显示了三组电极对，该系统包括并行排列的多组电极对，其中，

每组电极对包括上下两个电极对，每个电极对包括正电极1、负电极2和电源3，在上下电极对中分别通入电流，该上下电极对分别产生电场，二者产生的电场发生干涉形成干涉信号，多组电极对形成的多个干涉信号对应一个盲文字，通过多个干涉信号对皮肤的刺激实现盲文的阅读，其中，不同组的电极对中通入的电流频率不同，同一组电极对中上下电极对中通入的电流频率也不同；

对于同一组电极对，通过分别调节所述上下电极中通入电流的大小、幅值、相位或频率，实现干涉信号在皮肤上的作用区的三维触感的调节，其中，通过调节电流的大小，幅值或相位，使得干涉信号在皮肤上的作用区的大小和位置发生变化，通过调节电流的频率，使得干涉信号在皮肤的刺激深度不同，以此实现三维触感的调节。

电极1和2是直接贴在皮肤上的，电流干涉在皮下产生低频作用区5，刺激到触觉神经，使人体感受到触觉；电流干涉刺激表皮神经是指利用两个频率相差100Hz以下的高频(>1000Hz)电流发出刺激波形，在两电流交汇处会发生干涉，形成低频作用区，刺激对高频信号有滤波作用的皮下神经；如图1中所示，在一条直线上分布多组电极对，就能产生多个低频作用区5。

如图2所示，上下电极对均产生电场4，电场强度大小随着输入电流大小变化而变化，在上下电场的交汇处，会形成100～200Hz的低频干涉区，只有低频信号才能刺激神经纤维，因此在此处就形成了低频作用区5；三维触感是通过设置多个电极对、排布电极间距、控制刺激电流频率幅值来实现的，调节输入电流的幅值、相位，低频干涉区的大小和位置就会有所不同，调节输入电流的频率，可以实现干涉信号频率的不同，从而刺激皮肤的深度不同，通过对干涉区域的大小、位置和深度的调节，实现三维触感的调节。

如图3所示，电极1和2采用,采用蜿蜒蛇形结构，该蜿蜒蛇形包括多条相交的蛇形，每条蛇形包括多个串联的单元，每个单元均包括三段S型，中间段的S型大于两端的S型，蛇形线宽设计小于500μm，电极的末端设置有连接线，用于与电源连接；电极的截面如图4所示，是一个有机柔性层-金属层-有机柔性层的三层结构，有机柔性层A的厚度为微米级，材料可为PET，PEN，PI，PDMS，Ecoflex等等，金属层B厚度为微米级，材料可为金，银，铜等导电材料，总厚度小于5μm。电极贴附在皮肤上，由于电极的厚度极薄，可以提高与皮肤的共形性能和拉伸性能，以及贴附后的舒适度，在使用时，将电极贴在皮肤上，再接入连接电源的导线，用医用胶带固定。

多组电极对中的电源为多个不同频率的电源，其中还包括着波形与幅值的选择，以三组电极对为例：刺激电流大小不得超过2mA，需要多个电源，两两为一组，第一组电极对上电极对的电源中通入电流频率可以在1900～2100Hz之间，下电极对相对于上电极对中的电流频率增减100～200Hz；第二组电极对上电极对的电源中通入电流频率可以在3900～4100Hz之间，下电极对相对于上电极对中的电流频率增减100～200Hz；第三组电极对上电极对的电源中通入电流频率可以在5900～6100Hz之间，下电极对相对于上电极对中的电流频率增减100～200Hz，电流波形常为正弦波，幅值不得超过1mA；

电极对包括正电极、负电极和电源，其中，当电流从电源流入电极时，两电极得到的电流值相同，方向相反，从而在皮肤表面及底层形成电场一，与之相对应的上电极对/下电极对也是用同样的方式将电流传递给给与之对应的两个电极，在皮肤表面及底层形成电场二，电场一与电场二在没有交汇的时候都属于高频信号，一旦交汇，就会形成低频，带有高频幅值的特性，刺激到皮肤组织深处；

本实施例中，正负电极之间相距2cm，上下电极对之间相距3～5cm，根据刺激位置的分辨率而定，如要增加刺激作用区，只需在皮肤表面的一个方向上阵列化排布好的电极对，阵列间距也是视刺激分辨率而定，不同组电极对之间一般相距4～6cm；

本发明采用的是一种廉价高效的柔性表皮电子制造工艺：其通过将金属-有机层薄膜从硬基板上剥离下来转印到柔性基板上的工艺，金属-有机层非常薄，厚度小于2μm，当它贴附与人体表面的时候，无不适感，且与皮肤共形，不随皮肤的运动而产生相对位移；

电极的图案为蜿蜒蛇形结构，设计为该形状主要是为了电极能够满足皮肤的自然拉伸(通常为20％)，以防止在刺激过程中发生断裂；

利用本发明提供的系统时，需形成与本发明对应的编码方式，即指将一个文字对应一组或多组刺激电流参数，不同的文字对应不同的触觉，形成一套自有的盲文编码系统，以供训练盲人阅读；

本发明提供的表皮电子系统可用于刺激背部、手臂、坐骨、腹部等，分辨率越低的位置需要分布的电极数量越多。

下面以刺激手臂识别字母“I”为例来进一步解释说明本发明的工作流程。

(1)本流程需要三组刺激电极对，按照图1所示的位置贴附在人体表面，其中正负相距2cm，上下电极对相距4cm，不同电极组之间的距离是5cm，通过电源连接导线将其与电源相连；

(2)上下电极对中电源分别给定两个相差100Hz的高频电流，三组电极对中通入的电流的频率要相差1000Hz以上，以防电极组之间发生干扰；

(3)第一组和第三组输入电流频率每隔5秒变换一次，使得电力线交汇区从中线左端慢慢移向右边，也即在第一组电极中线和第三组电极中线上形成了“一”字的触感，第二组输入电流不变换频率，使得电力线交汇区在四个电极的中心处，也即在第二组电极的中点处形成了一个点的触感；

(4)将感受到的触感与原先指定的“I”字母相对应的触感匹配，即可准确识别出来，实现触觉代替视觉。

综上所述，本发明在于提供一种半连续的干扰电刺激方式，且有别于已知电刺激法，本发明仅需在原来的刺激系统上排列额外相同原理的电极对，即可产生多个低频作用区，并且采用的柔性制造工艺使得电极在佩戴时无不适感，与皮肤贴合效果好，即可达到正确的有效的电刺激，未来可用于盲文的识别当中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。