信號放大倍數自動調節的肌電假手的製作方法

2023-05-31 20:26:26

專利名稱：信號放大倍數自動調節的肌電假手的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電子假手，尤其是一種採用肌電信號控制的肌電假手。
背景技術：
肌電信號(Electromyogram，EMG)是在神經控制下肌纖維運動產生的電生理信 號。表面肌電信號(Surface Electromyogram, SEMG)是指在皮膚表面募集到的皮膚淺層肌 肉運動的肌電信號總和。其主要特點有一是信號幅度小。通常在幾十微伏。二是信號頻 率位於低頻範圍(10HZ-500HZ)。雖然肌電信號的幅度很小，但是它包含的豐富的信息，這些 信息包括人手發出的動作模式、動作速度大小等。通過本領域專家多年的研究表明，肌電信 號是當前最理想的假手控制信息源。由於不同的假手使用者，發出的肌電信號強度不一樣；即使對同一個假手使用者 而言，由於皮膚環境(如皮膚乾燥程度、導電性等)的改變，經電極引入的肌電信號強度也 會不一樣。因此，肌電信號採集電路的放大倍數，需要根據肌電信號強度進行調整。目前，現有的肌電假手放大倍數的改變，需要用螺絲刀手動調節電位器來實現，這 給假肢穿戴者使用假肢帶來了極大的不便。
發明內容本實用新型是要解決肌電假手放大電路增益需要手動調節的技術問題，而提供一 種信號放大倍數自動調節的肌電假手。為實現上述目的，本實用新型的技術方案是一種信號放大倍數自動調節的肌電 假手，包括表面電極、前置放大電路、信號預處理電路、動態增益電路、A/D轉換電路、MSP430 微控制器系統和假手驅動電路；其特點是表面電極從皮膚表面引入未經任何處理的肌電 信號，肌電信號經前置放大電路實現初級放大，放大後的信號進入信號預處理電路，由信號 預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波處理後的肌電信號，經 動態增益電路進一步放大，放大後的信號由A/D轉換電路轉換進入MSP430微控制器系統， 然後由MSP430微控制器系統對肌電信號幅度進行判斷，根據判斷結果對動態增益電路的 放大倍數進行調節，使放大後的肌電信號幅度處在0. 4V-3. OV範圍內，然後，根據採集到的 肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現對假手 的控制。動態增益電路由LM358放大器和X9315數字電位器構成，X9315數字電位器上設 有電阻VH固定端一，電阻VL固定端，電阻VW可調端；晶片的^、UID Jm片選端，計 數方式控制端、電阻調節量控制端，晶片的^、UID,歷 片選端，計數方式控制端、電 阻調節量控制端分別連接到MSP430微處理器的Pl. 2,PL UPl. 0連接端，由MSP430微處理 器對採集到的肌電信號的平均值進行判斷，然後對Χ9315數字電位器做相應調整，實現放 大倍數的改變。本實用新型的有益效果是本實用新型的信號放大倍數自動調節的肌電假手通過對採入微處理器的肌電信號幅度平均值進行判斷，然後對肌電放大電路的放大倍數作出相 應的調整，從而使放大後的肌電信號幅度處在一個合理的範圍內。通過實驗驗證表明，該肌 電假手通過微控制器對採集到的信號幅度平均值的判斷，能夠很好的實現對放大肌電放大 電路增益的實時調節。解決了現有肌電假手放大倍數的調整用手動調節電位來實現的技術 問題，給使用者帶來了極大方便。

圖1是具有動態增益的肌電假手控制系統框圖；圖2是動態增益電路的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步的說明。如圖1所示，本實用新型的信號放大倍數自動調節的肌電假手，由表面電極、前置 放大電路、信號預處理電路、動態增益電路、A/D轉換電路、MSP430微控制器系統和假手驅 動電路組成。本實施方式的前置放大電路主放大器採用儀用放大器AD620 ；動態增益電路由放 大器LM358和數字電位器X9315構成；MSP430微控制器系統選用MSP430F149晶片。電路具體構成。表面電極與前置放大電路相連接，前置放大電路連接到後一級信 號預處理電路，信號預處理電路後緊接動態增益電路，動態增益電路連接到A/D轉換電路， A/D轉換電路連接到MSP430微控制器系統，MSP430微控制器系統的假手驅動控制信號輸出 口與假手驅動電路相連接。工作原理結合圖1、圖2對該系統的工作原理進行說明。由表面電極從皮膚表面 引入未經任何處理的肌電信號，信號經前置放大電路實現初級放大，放大後的信號進入信 號預處理電路，由信號預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波 處理後的肌電信號，經動態增益電路進一步放大，放大後的信號由A/D(5)轉換進入MSP430 微控制器系統，然後由微控制器系統對肌電信號幅度進行判斷，根據判斷結果對動態增益 電路的放大倍數進行調節，使放大後的肌電信號幅度處在一個0. 4V-3. OV範圍內。此外，經 微控制器系統處理的肌電信號，輸出用於假手驅動電路的控制，從而實現對假手的控制。圖2中的動態增益電路由LM358放大器和X9315數字電位器構成。X9315數字電 位器的VH和VL是電阻的兩個固定端，VW是電阻的可調端。 Ξ、UID, 分別是晶片 的片選端，計數方式控制端、電阻調節量控制端，這三個端分別連接到MSP430微處理器的 P1.2、P1. 1、P1.0。由MSP430微處理器對採集到的肌電信號的平均值進行判斷，然後對數字 電位器做相應調整，實現放大倍數的改變。對一個具體的假手使用者而言，其肌電採集電路的放大倍數，並不需要每次採集 肌電信號都進行調整。因此，該系統對肌電採集電路放大倍數的調整，通過操作外部的按 鈕，使系統進入放大倍數可調的狀態。放大倍數調整完成後，只要系統便於使用，就不需要 對肌電採集電路的放大倍數進行調整。肌電信號採集電路的增益自動調整，關鍵在於肌電信號和幹擾識別、肌電信號幅 度大小的判斷以及根據判斷結果確定調整後的動態增益電路的放大倍數。具體的實現方法
4如下①肌電信號與幹擾的判別。對採集到的肌電信號做分組處理，每組有η個肌電值， 然後求每一組肌電信號絕對值的平均值。設在第i個時刻採集到第j組的信號為χηΧΜ，該 組信號的平均值記為力，則信號平均值的計算如公式(1)所示
1 rtxp+l)Xj=- Σ(/" = 1,2,3Λ0,1,2,Λ)(!)
^ xi=xnxj+i由於假手動作時的肌電信號的平均值，一定會大於假手沒有動作時肌電信號(幹 擾)的平均值，且兩者的差值至少為N(N >0)。因此，可以將相鄰的兩組肌電信號的平均值 做比較，比較所得的差值用於區分肌電信號和幹擾。具體的識別有兩步一是肌電信號發生
的判斷。若力> 斤，則說明從第j+Ι組開始採集到的信號是有用的肌電信號。二是 肌電信號持續的判斷。若|力+1-&|<^^'是一個略小於N的值)。三是肌電信號停止的 判斷。若肉+1|-|力|<-#，則說明從第j+ι組開始採集到的信號是幹擾。這三步必須按順序 執行，且每一步都不能少，才能完成對肌電信號與幹擾的正確判斷。②肌電信號是否過小的判斷。將①中判別出來的有用肌電信號的均值的最小值 Amm，與肌電信號發生閾值為m(m大於0)作比較。若^^-mkK-m (K是一個略大於m 的值)，則表明肌電採集電路的放大倍數不需要調整，反之，則逐級增大肌電採集電路放大 倍數。③肌電信號是否過大的判斷，即判斷肌電信號是否飽和。將①中判別出來的 有用肌電信號的均值的最大值力胃與M相比較，M是一個略小於A/D轉換量程的數。若 ^nax-MM，則說明信號飽和，此時，需要將肌電採集電路的放大倍數逐級減小，直到信號 滿足不再飽和為止。反之，則不需要調整肌電信號採集電路放大倍數。
權利要求一種信號放大倍數自動調節的肌電假手，包括表面電極、前置放大電路、信號預處理電路、動態增益電路、A/D轉換電路、MSP430微控制器系統和假手驅動電路；其特徵在於所述表面電極從皮膚表面引入未經任何處理的肌電信號，肌電信號經前置放大電路實現初級放大，放大後的信號進入信號預處理電路，由信號預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波處理後的肌電信號，經動態增益電路進一步放大，放大後的信號由A/D轉換電路轉換進入MSP430微控制器系統，由MSP430微控制器系統對肌電信號幅度進行判斷，根據判斷結果對動態增益電路的放大倍數進行調節，使放大後的肌電信號幅度處在0.4V 3.0V範圍內，然後，根據採集到的肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現對假手的控制。
2.根據權利要求1所述的信號放大倍數自動調節的肌電假手，其特徵在於所述動態 增益電路由LM358放大器和X9315數字電位器構成，X9315數字電位器上設有電阻VH固定 端一，電阻VL固定端，電阻VW可調端；晶片的^、[//萬、_片選端，計數方式控制端、 電阻調節量控制端，晶片的^、urn, INC片選端，計數方式控制端、電阻調節量控制端 分別連接到MSP430微處理器的PI. 2、P1. UPl. 0連接端，由MSP430微處理器對採集到的肌 電信號的平均值進行判斷，然後對X9315數字電位器做相應調整，實現放大倍數的改變。
專利摘要本實用新型涉及一種信號放大倍數自動調節的肌電假手，表面電極從皮膚表面引入肌電信號，肌電信號經前置放大電路實現初級放大後的信號進入信號預處理電路，由信號預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，經動態增益電路進一步放大後的信號由A/D轉換電路轉換進入微控制器系統，然後由微控制器系統對肌電信號幅度進行判斷，根據判斷結果對動態增益電路的放大倍數進行調節，使放大後的肌電信號幅度處在0.4V-3.0V範圍內，然後，根據採集到的肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現對假手的控制。本實用新型解決了現有肌電假手放大倍數的調整用手動調節電位來實現的技術問題，給使用者帶來了極大方便。
文檔編號A61F2/72GK201727612SQ20102023224
公開日2011年2月2日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者周祥宇, 喻洪流, 李丕丁, 李盼盼, 胡加華 申請人:上海理工大學