CN105877745B - 基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法 - Google Patents

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    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
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Abstract

本发明提供一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法，该系统包括心电电极、前置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机；所述心电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述心电电极的输出端连接所述前置放大器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述单片机的输出端连接直流电机的驱动电路。该系统不仅能够采集和放大人体肌肉在收缩时的电压信号，还能够通过实时输出信号的频带能量来控制直流电机的速度，以达到将肌肉收缩力的大小转化为装置运动速度快慢的目的。本系统具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。

Description

基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法
技术领域
本发明属于人体电生理信号检测与利用技术领域，具体涉及基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法。
背景技术
表面肌肉电信号是神经系统电活动在皮肤表面处时间和空间上综合叠加的结果。它是一种无创伤检测的生物电信号，在对认识和了解人体神经系统信息传递、基础医学研究、临床诊断、运动医学和康复工程中均有广泛的应用。但目前所使用的表面肌电信号采集装置普遍价格昂贵，且大多使用起来不方便，这为肌电控制系统的开发以及使用带来诸多不便。此外，目前主要的控制方法为基于阈值决策的控制方法，在这种控制方法中，表面肌肉电信号相当于一种开关，当肌电信号的某些特征值超过一定阈值时则判断有动作执行，否则判断为没有，进而通过判断的结果来控制设备电机的启停，在这种控制方法下很难使用表面肌电信号来实现对设备的运动速度进行控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法。
本发明的技术方案是：
一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，包括心电电极、前置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机；
所述心电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述心电电极的输出端连接所述前置放大器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述单片机的输出端连接直流电机的驱动电路；
所述心电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号；
所述前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、对电信号进行一级放大；
所述带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波；
所述后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大；
所述单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
所述根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为：建立频带能量与PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线性关系确定输出信号的占空比；
所述频带能量与PWM波形占空比的线性模型如下所示：
αi＝λ×ei；
其中，αi为对应在第i个采集点时信号的输出占空比，ei为对应在第i个采集点时电信号的平均频带能量，λ为线性模型的系数。
采用基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统进行直流电机速度控制的方法，包括：
在人体肌肉运动时，通过所述心电电极采集人体肌肉上方表皮处的电信号；
通过所述前置放大器降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、对电信号进行一级放大；
通过所述带通滤波器对一级放大后的电信号进行滤波；
通过所述后级放大器对滤波后的电信号进行二级放大；
通过所述单片机对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据；
通过所述对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法，该系统不仅能够采集和放大人体肌肉在收缩时的电压信号，还能够通过实时输出信号的频带能量来控制直流电机的速度，以达到将肌肉收缩力的大小转化为装置运动速度快慢的目的，本系统具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。该系统使用较少的电子器件，可使用电池供电，且能够输出与肌电信号的能量特征相对应的PWM波形来控制直流电机的转速，通过这种方式来根据人体使用力的大小来控制外部设备的运动速度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中前置放大器的电路图；
图3为本发明具体实施方式中带通滤波器和后级放大器的电路图；
图4为本发明具体实施方式中基于表面肌电信号的直流电机速度控制方法的流程图；
图5为本发明具体实施方式中无任何动作时右臂肱二头肌处测量到的肌肉电信号波形图；
图6为本发明具体实施方式中右臂用力抬起时肱二头肌测得的肌肉电信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，如图1所示，包括心电电极、前置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机。
心电电极设置于人体右臂肱二头肌上方表皮处，心电电极的输出端连接前置放大器输入端，前置放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接后级放大器的输入端，后级放大器的输出端连接单片机，单片机的输出端连接直流电机的驱动电路。
心电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号。
本实施方式中，采集人体肌肉上方表皮处的电信号的心电电极可使用一次性心电电极。
前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、对电信号进行一级放大。
本实施方式中，前置放大器如图2所示，包括仪表放大器U1和第一运算放大器U4A，还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、可变电阻RW1和第一电容C1。
仪表放大器U1的型号为AD620，第一运算放大器U4A的型号为LM324。
仪表放大器U1的VIN+引脚和VIN-引脚连接心电电极，仪表放大器U1的两个RG引脚分别连接可变电阻RW1的两端，仪表放大器U1的VOUT引脚连接第一电容U1的一端，第一电容U1的另一端连接第一运算放大器U4A的正极输入端，第一运算放大器U4A的正极输入端还连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接地，第一运算放大器U4A的负极输入端连接第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接地，第二电阻R2的另一端连接第一运算放大器U4A的输出端，第一运算放大器U4A的输出端连接带通滤波器的输入端。
带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波。滤波范围设置为100Hz-1kHz。
本实施方式中，如图3所示，带通滤波器由二阶低通滤波器和二阶高通滤波器组合成带通滤器，包括第二运算放大器U4B、第三运算放大器U4C、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二电容C08、第三电容C09、第五电容C10、第六电容C11和第七电容C12。
第二运算放大器U4B和第三运算放大器U4C均为LM324。
第二运算放大器U4B的正极输入端连接第五电阻R5的一端和第三电容C09的一端，第三电容C09的另一端接地，第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的一端和第二电容C08的一端，第四电阻R4的另一端连接第一运算放大器U4A的输出端，第二运算放大器U4B的负极输入端连接第二电容C08的另一端和第二运算放大器U4B的输出端，第二运算放大器U4B的输出端连接第五电容C10的一端，第五电容C10的另一端连接第六电阻R6的一端和第六电容C11的一端，第六电容C11的另一端连接第三运算放大器U4C的正极输入端和第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端接地，第三运算放大器U4C的负极输入端连接第六电阻R6的另一端和第三运算放大器U4C的输出端，第三运算放大器U4C的输出端还连接第七电容C12的一端，第七电容C12的另一端连接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接地，第七电容C12的另一端还连接第四运算放大器U4D的正极输入端。
后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大。
本实施方式中，后级放大器包括第四运算放大器U4D、第九电阻R9和第十电阻R10，第四运算放大器U4D的型号为LM324。
第四运算放大器U4D的正极输入端连接第七电容C12的另一端，第四运算放大器U4D的负极输入端连接第九电阻R9的一端和第十电阻R10的一端，第九电阻R9的另一端接地，第十电阻R10的另一端连接第四运算放大器U4D的输出端，第四运算放大器U4D的输出端连接单片机的输入端。
人体肌肉上方表皮处的电信号经过多次放大后，总体放大倍数可达到1800倍。
单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
本实施方式中，单片机的型号为STC89C52。
本实施方式中，对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值的计算公式如式(1)所示：
其中，ei为对应在第i个采集点时电信号的平均频带能量，n为平均频带能量的窗口长度，vj为时间窗内第j个采集点时电信号电压值。
根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为：建立频带能量与PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线性关系确定输出信号的占空比。
频带能量与PWM波形占空比的线性模型如式(2)所示：
αi＝λ×ei (2)
其中，αi为对应在第i个采集点时信号的输出占空比，ei为对应在第i个采集点时电信号的平均频带能量，λ为线性模型的系数。本实施方式中，线性模型的系数λ为4。
采用基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统进行直流电机速度控制的方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1：在人体肌肉运动时，通过所述心电电极采集人体肌肉上方表皮处的电信号。
S2：通过所述前置放大器降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、对电信号进行一级放大。
S3：通过所述带通滤波器对一级放大后的电信号进行滤波。
S4：通过所述后级放大器对滤波后的电信号进行二级放大。
S5：通过所述单片机对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据。
S6：通过所述对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
本实施方式中，无任何动作时右臂肱二头肌处测量到的肌肉电信号如图5所示，右臂用力抬起时肱二头肌测得的肌肉电信号如图6所示，可见二者区别较为明显，放大信号明显。

Claims (1)

1.一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，包括心电电极、前置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机；
所述心电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述心电电极的输出端连接所述前置放大器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述单片机的输出端连接直流电机的驱动电路；
所述心电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号；
所述前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、对电信号进行一级放大；
所述带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波；
所述后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大；
所述单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速；
其特征在于，所述根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为：建立频带能量与PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线性关系确定输出信号的占空比；
所述频带能量与PWM波形占空比的线性模型如下所示：
αi＝λ×ei；
其中，αi为对应在第i个采集点时信号的输出占空比，ei为对应在第i个采集点时电信号的平均频带能量，λ为线性模型的系数。
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