一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置的製作方法

2023-10-31 19:14:22

專利名稱：一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及生物醫學工程的電子技術領域，特別涉及一種基於無線表面 (如人體前臂表面)肌電信號的遙控裝置，利用人體的生理電信號實現與外圍世界的信息交互。
背景技術：
肌電信號(Electromyography，EMG)是伴隨著肌肉活動而產生的一種重要的生物電信號，其中蘊涵了肌肉狀態和肌肉活動的各種信息，根據測量中所用的電極和安放位置的不同，檢測到的肌電信號可被分為兩類針電極肌電信號(Needle EMG, NEMG)和表面電極肌電信號(Surface EMG，SEMG)，前者使用針形電極，將其插入到要測量的肌肉內部，直接在活動肌纖維附近檢測電位信息，而後者則是使用表面電極，將其安放在被測肌肉皮膚表面，測量肌肉活動在測量表面處的電位綜合。NEMG記錄的是電極附近為數較少的肌纖維的電活動，通常具有良好的空間解析度和較高的信噪比，但是針電極插入人體時會對肌肉和脂肪組織造成損傷，不宜反覆多次或者過長時間測量，也不宜同時測量多通道信號，所以， 不適合在如人機互動等日常生活中廣泛使用。表面電極相對針電極具有較大的檢測表面， 通常空間解析度較低，記錄的信號為一定範圍內肌纖維活動的電位綜合，而且SEMG比較微弱，容易受外界噪聲幹擾，信噪比較低，但是SEMG的最大優勢是測量的無損傷性，所以，根據實際需要，可以隨時在皮膚表面任意位置採集多通道的SEMG，而且採集信號的持續時間可以自由控制，是目前比較受歡迎的採集方式。近年來，SEMG不僅被廣泛應用於運動醫學、 康復工程、肌肉疾病診斷等領域，而且作為一種新穎的人機互動控制方式備受關注，肌電控制系統通過對相應肌群上採集到的SEMG信號的分析對不同人體動作進行識別，用識別結果來控制外圍設備。現有技術中，在硬體實現方面，現有的SEMG採集系統大多使用有線的方式，電極與採集設備及電腦等控制設備有線連接，由交流電源供電，這種方式易引入工頻幹擾，此夕卜，有線電極體積大、重量較重、功耗較大、對人體造成束縛，不便在日常生活中使用。另外， 在基於SEMG的實時手勢動作識別的研究方面，現有技術中大多數識別率較高的系統都是選取常見手勢動作中區分度比較明顯的六到八類粗大動作進行識別，而且基本上都使用了六到八個通道進行SEMG信號採集。識別率不高，實現較為複雜。

實用新型內容本實用新型提供一種體積小、重量輕、低功耗的基於無線表面肌電信號的遙控裝置。為了實現上述目的，本實用新型提供以下技術方案一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其包括信號發射端和信號接收端，所述信號發射端包括信號採集板、A/D轉換電路、第一單片機和發射模塊，所述信號採集板信號連接A/D轉換電路，所述A/D轉換電路信號連接第一單片機，所述第一單片機信號連接發射模塊，所述信號採集板連接表面肌電電極，所述信號接收端包括信號接收模塊、第二單片機和驅動電路，所述信號接收模塊信號連接第二單片機，所述第二單片機信號連接驅動電路，所述驅動電路信號連接電機。優選地，所述信號採集板包括電壓跟隨器、生物儀器放大器和帶通濾波器，所述表面肌電電極信號連接電壓跟隨器，所述電壓跟隨器信號連接生物儀器放大器，所述生物儀器放大器信號連接帶通濾波器，所述帶通濾波器連接所述A/D轉換電路。優 選地，還包括反饋電極，所述反饋電極和所述表面肌電電極共地，並且都連接所述信號發射端的信號採集板。通過實施以上技術方案，具有以下技術效果本實用新型提供的基於無線表面肌電信號的遙控裝置通過無線多通道便SEMG採集及處理系統的設計，使得SEMG採集系統更加便攜易用，體積小，重量輕，使用電池供電，用無線的方式傳輸數據，不僅可以避免工頻幹擾取得高信噪比的SEMG，還將人與高電壓危險設備隔離，電氣安全性好；還通過優化電極的配置和安放，僅用四通道SEMG實現了對十種精細複雜的中國數字手勢的識別，正確率高達90%以上，並且將SEMG的識別結果應用到遙控裝置的實時控制中去，實現了用無線SEMG 實時地靈活地控制遙控車。

圖1為本實用新型實施例提供的基於無線表面肌電信號的遙控裝置結構示意圖；圖2為本實用新型實施例提供的基於無線表面肌電信號的遙控裝置電路原理圖；圖3為本實用新型實施例提供的信號採集板的電路原理圖。
具體實施方式
為了更好的理解本實用新型的技術方案，
以下結合附圖詳細描述本實用新型提供的實施例。本實用新型實施例提供一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置，如圖1和圖2所示，包括信號發射端3和信號接收端4，所述信號發射端3包括信號採集板9、A/D轉換電路10、第一單片機11和發射模塊12，所述信號採集板9信號連接A/D轉換電路10，所述A/ D轉換電路10信號連接第一單片機11，所述第一單片機11信號連接發射模塊12，所述信號接收端包括信號接收模塊13、第二單片機14和驅動電路15、17，所述信號接收模塊13 信號連接第二單片機14，所述第二單片機14信號連接驅動電路15、17，所述驅動電路15、 17分別信號連接電機16、18。在具體的實施例中，所述信號採集板9如圖3所示包括電壓跟隨器19、生物儀器放大器20和帶通濾波器21，表面肌電電極1信號連接電壓跟隨器19， 所述電壓跟隨器19信號連接生物儀器放大器20，所述生物儀器放大器20信號連接帶通濾波器21。更為具體的，四通道表面肌電電極1放置於人體前臂的拇長伸肌、指屈肌、指伸肌和小指屈肌所對應的皮膚表面處，該遙控裝置還包括一個與面肌電電極1共地反饋電極2， 每通道表面肌電電極1包括一個正電極和一個負電極，正負電極分別連接電壓跟隨器19的輸入端，其輸出端連接生物儀器放大器20的輸入端，生物儀器放大器20對信號進行差分放大並去噪，放大倍數為20倍或者其他倍數，其輸出端連接切比雪夫I型一階帶通濾波器 21的輸入端，該濾波器21對信號進行有用頻段的提取和無用頻段的抑制，通頻帶為20 500Hz，通帶內的增益為50，其輸出端連接A/D轉換電路10，單片機11控制A/D轉換電路10 轉換的採樣頻率(此處為1000Hz)和發射模塊12的發射頻率；信號採集板9是由四通道圖3所示電路構成的60mmX30mmX2mm的雙面PCB，而A/D轉換電路10、單片機11和發射模塊12則共同組成與信號採集板9同樣尺寸的PCB板，它們兩者通過接口接連，組成尺寸為60mmX30mmX10mm的電路模塊3，由電源電路22供電。反饋電路23連接電源電路22， 輸出信號到反饋電極，可以有效的抑制人體的共模信號並使人體與電路共地。通過無線的方式，信號發射端3將採集到的SEMG傳輸給由接收模塊13、單片機14 和驅動電路15、17組成的電信號接收端4，經過第二單片機14對動作段檢測、特徵提取和識別算法的實現，將四通道SEMG信號的分類結果用作對遙控車的控制，遙控車由可充電鉛蓄電池M供電，車前部的兩個輪子7、8都為萬向輪，車後部的兩個輪子由直流電機5(16)和 6(18)分別控制。在該遙控裝置中，優選地，所述表面肌電電極為四對表面肌電電極，所述四對表面肌電電極分別設置在拇長伸肌的表面肌電電極、設置在指屈肌的表面肌電電極、設置在指伸肌的表面肌電電極和小指屈肌的表面肌電電極。首先是活動段檢測，當檢測到信號瞬時能量高於設定閾值，則認為活動段開始，當檢測到信號瞬時能量低於閾值，則認為活動段結束，活動段長度需大於100ms，否則視為噪聲，瞬時能量計算採用平均移動窗法；其次是特徵提取，通過計算各通道活動段的信號幅度絕對值均值(Mean Absolute Value,MAV)禾口絕對值均值比(Mean Absolute Value Ratio, MAVR)組成了一個1X8的特徵向量；最後就是通過各種常用的分類方法對特徵向量進行判別，這裡使用貝葉斯線性分類器，分類結果賦值給控制量，值域是從一到十的整數，分別代表遙控裝置的十種動作。該基於無線表面肌電信號的遙控裝置僅利用四通道前臂表面肌電信號實現對中國傳統一到十數字手勢的實時識別，這十種手勢都是有手指參與的精細動作，識別率達到 90%以上。具體的控制過程描述如下第二單片機14通過對接收的四通道SEMG的分析，若判別結果為十，則開啟對電機驅動電路15、17的控制，否則一直等待該結果；若判別結果為一，則驅動電路15、17以同樣的速度同時驅動電機16、18正轉，從而使遙控車向前直行；若判別結果為二，則驅動電路15、17以同樣的速度同時驅動電機16、18反轉，從而使遙控車直線後退；若判別結果為三，則驅動電路15無驅動信號，電機16停止轉動，驅動電路17驅動電機18正轉，從而使遙控車向前左轉；若判別結果為四，則驅動電路15驅動電機16正轉， 驅動電路17無驅動信號，電機18停止轉動，從而使遙控車向前右轉；若判別結果為五，則電機驅動電路15、17無驅動信號，電機16、18停止轉動，原地停止；若判別結果為六，則電機驅動電路15、17驅動電機16、18以半速轉動，默認情況為半速；若判別結果為七，則電機驅動電路15、17驅動電機16、18以全速轉動；若判別結果為八，則驅動電路15無驅動信號，電機 16停止轉動，驅動電路17驅動電機18反轉，從而使遙控車向後左轉；若判別結果為九，則驅動電路15驅動電機16反轉，驅動電路17無驅動信號，電機18停止轉動，從而使遙控車向後右轉。該遙控裝置通過無線多通道便SEMG採集及處理系統的設計，使得SEMG採集系統更加便攜易用，用無線的方式傳輸數據，還通過優化電極的配置和安放，僅用四通道SEMG
5實現了對十種精細複雜的中國數字手勢的識別，正確率高達90%以上，並且將SEMG的識別結果應用到遙控裝置的實時控制中去，實現了用無線SEMG實時地靈活地控制遙控車。 以上對本實用新型實施例所提供的一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本實用新型實施例的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其特徵在於，包括信號發射端和信號接收端，所述信號發射端包括信號採集板、A/D轉換電路、第一單片機和發射模塊，所述信號採集板信號連接A/D轉換電路，所述A/D轉換電路信號連接第一單片機，所述第一單片機信號連接發射模塊，所述信號採集板連接表面肌電電極，所述信號接收端包括信號接收模塊、 第二單片機和驅動電路，所述信號接收模塊信號連接第二單片機，所述第二單片機信號連接驅動電路，所述驅動電路信號連接電機。
2.如權利要求1所述基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其特徵在於，所述信號採集板包括電壓跟隨器、生物儀器放大器和帶通濾波器，所述表面肌電電極信號連接電壓跟隨器，所述電壓跟隨器信號連接生物儀器放大器，所述生物儀器放大器信號連接帶通濾波器， 所述帶通濾波器連接所述A/D轉換電路。
3.如權利要求2所述基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其特徵在於，還包括反饋電極，所述反饋電極和所述表面肌電電極共地，並且都連接所述信號發射端的信號採集板。
4.如權利要求1所述基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其特徵在於，所述表面肌電電極為四對表面肌電電極，所述四對表面肌電電極分別設置在拇長伸肌的表面肌電電極、 設置在指屈肌的表面肌電電極、設置在指伸肌的表面肌電電極和小指屈肌的表面肌電電極。
專利摘要本實用新型提供一種基於無線表面肌電信號的遙控裝置，其包括信號發射端和信號接收端，信號發射端包括信號採集板信號連接A/D轉換電路，A/D轉換電路信號連接第一單片機，第一單片機信號連接發射模塊，信號採集板連接表面肌電電極，信號接收端包括信號接收模塊信號連接第二單片機，第二單片機信號連接驅動電路，驅動電路信號連接電機。本實用新型提供的遙控裝置體積小，重量輕，使用電池供電，用無線的方式傳輸數據，不僅可以避免工頻幹擾取得高信噪比的SEMG，還將人與高電壓危險設備隔離，電氣安全性好，實現了用無線SEMG實時地靈活地控制遙控車。
文檔編號G05B19/042GK202102276SQ20112007371
公開日2012年1月4日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者王真, 陳勳 申請人:陳勳