CN106344012A - 一种运动疲劳肌电信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动疲劳肌电信号采集装置，包括能固定于人体相应部位的固定本体，还包括安装于该固定本体的肌电采集及处理电路，该肌电采集及处理电路包括肌电信号采集器、阻抗变换电路、滤波电路和放大电路，肌电信号采集器的输出接至阻抗变换电路的输入，阻抗变换电路的输出接至滤波电路的输入，滤波电路的输出接至放大电路的输入。本发明能将肌电信号转换为相应的电信号，并依次进行电流放大、滤波、放大处理获得便于后续识别和处理且能准确反应肌电信号频率升降的波形，从而克服了现有技术没有此类产品的空白；将本发明应用于电动跑步机中，能够准确反应人的运动疲劳情况，辅助用户达到最佳的锻炼效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号采集装置，特别是涉及一种运动疲劳肌电信号采集装置。
背景技术
电动跑步机是通过电机带动跑带使人以不同的速度或坡度被动的跑步或走动以体验不同的跑步环境，是一项全身性的运动方式。因其运动方式几乎没有蹬伸动作，这样与陆地上相比，可以减小运动强度，提高运动量，比陆地多跑1/3的路程，这对于提高使用者的心肺功能、肌耐力以及减肥都具有非常好的效果。因此，跑步机也深受广大健身爱好者的欢迎,是一种较好的有氧运动方式。
目前，电动跑步机一般是通过测量心率反映运动强度，并给出最大心跳率和目标心率参考表，由运动者自己或教练选择电动跑步机的速度或坡度。然而，由于人的个体差异，用这种方式很难达到最佳的锻炼效果。另外，最佳运动一般涉及两个指标：运动强度和运动疲劳，只有将两个指标平衡起来，才能达到最佳的锻炼效果。运动疲劳主要反映在肌肉疲劳上，目前，市面上并没有较为行之有效的用于检测肌肉疲劳情况的产品出现。
发明内容
本发明提供了一种运动疲劳肌电信号采集装置，其克服了背景技术所述的不足之处。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种运动疲劳肌电信号采集装置，包括能固定于人体相应部位的固定本体，还包括安装于该固定本体的肌电采集及处理电路，该肌电采集及处理电路包括肌电信号采集器、阻抗变换电路、滤波电路和放大电路，肌电信号采集器的输出接至阻抗变换电路的输入，阻抗变换电路的输出接至滤波电路的输入，滤波电路的输出接至放大电路的输入。
进一步的，所述固定本体还安装有无线发射模块，所述放大电路的输出接至该无线发射模块的输入。
进一步的，所述固定本体还安装有电源电路，该电源电路连接所述肌电采集及处理电路和所述无线发射模块。
进一步的，所述肌电信号采集器包括屏蔽层、电极、设于屏蔽层内的第一电路和设于屏蔽层外的第二电路，电极露出屏蔽层外，第一电路包括场效应管、两二极管、一电容和一电阻，场相应管的栅极连接电极，源极通过电阻接地，漏极为电源连接端，电容的一端连接场效应管的源级，另一端构成肌电信号采集器的输出端，两二极管的负极相连接，且该两二极管的正极分别连接场效应管的栅极和地端；第二电路包括两电阻和可调电阻，其中一电阻连接于场效应管的漏极和电容的另一端之间，另一电阻和可调电阻串联连接于电容的另一端和地端之间。
进一步的，所述阻抗变换电路包括第一运算放大器、一电容和两电阻，电容的一端连接所述脉搏波传感器的输出，另一端通过其中一电阻连接第一运算放大器的同相输入端；另一电阻的一端连接第一运算放大器的同相输入端，另一端接地，第一运算放大器的输出端连接所述滤波电路的输入；第一运算放大器的电源正输入端用于连接电源，电源负输入端接地。
进一步的，所述滤波电路为低通滤波电路，其包括第二运算放大器、两电阻和两电容，其中一电阻的一端连接所述阻抗变换电路的输出，另一端通过其中一电容连接第二运算放大器的反相输入端；另一电阻的一端连接其中一电阻的另一端，另一电阻的另一端和另一电容的一端分别连接第二运算放大器的同相输入端，另一电容的另一端接地；第二运算放大器的反相输入端连接其输出端，第二运算放大器的输出端连接所述放大电路的输入。
进一步的，所述放大电路包括第三运算放大器和两电阻，其中一电阻的一端连接所述滤波电路的输出，其中一电阻的另一端和另一电阻的一端分别连接第三运算放大器的反相输入端，另一电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，第三运算放大器的同相输入端接地，输出端构成所述放大电路的输出。
进一步的，所述无线发射模块为ZigBee发射模块。
进一步的，所述电源电路为可充电式电源电路，所述固定本体对应设有与该电源电路相适配的充电接口。
进一步的，所述固定本体为腿套或能系结于腿上的腿带。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的肌电采集及处理电路包括肌电信号采集器、阻抗变换电路、滤波电路和放大电路，能将肌电信号转换为相应的电信号，并依次进行电流放大、滤波、放大处理获得便于后续识别和处理且能准确反应肌电信号频率升降的波形，该波形即反应了人体相应部位的运动疲劳情况；本发明不仅克服了现有技术没有此类产品的空白，还能应用于电动跑步机中，能够准确反应人的腿部的运动疲劳情况，辅助用户达到最佳的锻炼效果；
2、本发明进一步设置无线发射模块，便于肌电采集及处理电路获得的数据对外传输，该无线发射模块优选采用ZigBee发射模块，具有性能稳定、功耗低、传输快等特点；
3、本发明进一步设置的电源电路，能够为肌电采集及处理电路和无线发射模块便捷供电；
4、本发明的肌电采集及处理电路还具有电路结构简单、成本低等特点；
5、所述固定本体优选为腿套或腿带，方便用户佩戴。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种运动疲劳肌电信号采集装置不局限于实施例。
附图说明
图1是本发明的腿套的结构示意图；
图2是本发明的电路原理框图；
图3是本发明的肌电采集及处理电路的电路结构示意图；
图4是本发明的ZigBee发射模块的电路结构示意图；
图5是本发明的电源电路的电路结构示意图。
具体实施方式
实施例，请参见图1、图2所示，本发明的一种运动疲劳肌电信号采集装置，包括能固定于腿上的固定本体，该固定本体具体为腿套1，此外，该固定本体还可以是能系结于腿上的腿带等。本发明还包括安装于腿套1的肌电采集及处理电路3，该肌电采集及处理电路3包括肌电信号采集器31、阻抗变换电路32、滤波电路33和放大电路34，肌电信号采集器31的输出接至阻抗变换电路32的输入，阻抗变换电路32的输出接至滤波电路33的输入，滤波电路33的输出接至放大电路34的输入。
本实施例中，所述腿套1还安装有无线发射模块和电源电路5，所述放大电路34的输出接至该无线发射模块的输入。电源电路5连接所述肌电采集及处理电路3及所述无线发射模块。
本实施例中，所述肌电采集及处理电路3以一片低功耗精密4运放的TLV2244芯片为核心。具体，该肌电采集及处理电路3的各部分电路的电路结构如图3所示：
所述肌电信号采集器31设有屏蔽层311，能防止外部干扰，其还包括电极312、设于屏蔽层311内的第一电路和设于屏蔽层311外的第二电路，电极312露出屏蔽层311外，第一电路包括场效应管BG、两二极管D1、D2、一电容C0和一电阻R1，场相应管BG的栅极连接电极312，源极通过电阻R1接地，漏极为电源连接端，电容C0的一端连接场效应管BG的源级，另一端构成肌电信号采集器31的输出端，两二极管D1、D2的负极相连接，且该两二极管D1、D2的正极分别连接场效应管BG的栅极和地端；第二电路包括两电阻R2、R3和可调电阻Rx，用于调整输出波形的对称性，其中一电阻R3连接于场效应管BG的漏极和电容C0的另一端之间，另一电阻R2和可调电阻Rx串联连接于电容C0的另一端和地端之间。该肌电信号采集器31拾取到的肌电信号经OUT1送入阻抗变换电路32。
阻抗变换电路32即为一电压跟随器，其主要作用是进行阻抗变换，加大该电路带负载的能力，其实质是对电流进行动态放大，随后级电路电流的变化进行放大。该阻抗变换电路32包括第一运算放大器A1、一电容C1和两电阻R4、R5，电容C1的一端连接所述肌电信号采集器31的输出(即连接所述OUT1)，另一端通过其中一电阻R4连接第一运算放大器A1的同相输入端；另一电阻R5的一端连接第一运算放大器A1的同相输入端，另一端接地，第一运算放大器A1的输出端连接所述滤波电路33的输入。第一运算放大器A1的电源正输入端用于连接电源，电源负输入端接地。
由于前级电路输出信号比较微弱，且存在其它高频干扰，所以需经滤波电路进行滤波处理。如图3所示，该滤波电路33为低通滤波电路，其包括第二运算放大器A2、两电阻R6、R7和两电容C2、C3，其中一电阻R6的一端连接所述阻抗变换电路32的输出(即第一运算放大器A1的输出端)，另一端通过其中一电容C2连接第二运算放大器A2的反相输入端；另一电阻R7的一端连接其中一电阻R6的另一端，另一电阻R7的另一端和另一电容C3的一端分别连接第二运算放大器A2的同相输入端，另一电容C3的另一端接地；第二运算放大器A2的反相输入端连接其输出端，第二运算放大器A2的输出端连接所述放大电路34的输入。
所述放大电路34包括第三运算放大器A3和两电阻R8、R9，其中一电阻R8的一端连接所述低通滤波电路33的输出(即第二运算放大器A2的输出端)，其中一电阻R8的另一端和另一电阻R9的一端分别连接第三运算放大器A3的反相输入端，另一电阻R9的另一端连接第三运算放大器A3的输出端，第三运算放大器A3的同相输入端接地，输出端输出端构成所述放大电路34的输出。经滤波电路33输出的信号为微弱的肌电信号，需经过放大电路34放大处理，该放大电路34的放大倍数为100倍。
本实施例中，所述无线发射模块具体为ZigBee发射模块4，该ZigBee发射模块4的电路结构如图4所示，其由芯片U2、芯片U3及其外围电路组成，其中芯片U2是由型号为AD7718的芯片构成的A/D(模/数)变换器，它具有10路通道的24位模数转换模块，支持4线SPI和I2C主从模式等特点；芯片U3是型号为CC2420的射频芯片，该射频芯片是一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片，只需极少外部元器件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性，系统成本低，性能稳定且功耗极低。利用此芯片开发的ZigBee发射模块4支持数据传输率高达250kb/s，码片速率达2MChip/s，可以实现多点对多点的快速组网。该CC2420射频芯片可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、COn)设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
从所述放大电路34输出的交流信号由芯片U2的AIN1、AIN2端输入，进行A/D(模/数)变换，变换后经过芯片U3为核心的ZigBee发射电路调制为2.4GHz高频信号，再由ZigBee发射模块4的无线输出天线发射输出。
所述电源电路5为可充电式电源电路，所述腿套1对应设有与该电源电路5相适配的充电接口2，该充电接口2优选USB接口。具体，该电源电路5的电路结构如图5所示，其由电池BT、U4稳压集成电路及周围元件构成3.3V电压输出，为肌电采集及处理电路3和ZigBee发射模块4供电。
经研究表明，在完成相同负荷的条件下，肌肉疲劳时肌电的振幅值增加，这是因为肌肉疲劳时，肌肉不得不动用更多的肌纤维参加运动以保持相同的肌力。由于肌肉疲劳会降低放电的频率，因而可通过观察肌电信号频率的升降来判断所测肌肉的疲劳程度。本发明正是基于此提供了上述运动疲劳肌电信号采集装置，其可与安装有ZigBee接收模块6及处理器的跑步机7、脉搏信号采集装置配合使用。应用时，运动者将本发明的腿套1佩戴在其小腿上，用于采集运动者的小腿的肌电信号。由于肌肉疲劳时肌电的振幅值增加，因而通过观察肌电信号频率的升降可判断所测肌肉的疲劳程度。本发明将采集和处理获得的用于反应肌电信号频率升降的波形经过ZigBee发射模块4发射出去，由跑步机7上的ZigBee接收模块6进行接收，同时，脉搏信号采集装置采集和发送运动者的脉搏信号给跑步机7，跑步机的处理器及其控制系统根据运动者的肌电信号和脉搏信号控制跑步机7调整速度和/或坡度，使运动者达到最佳的锻炼效果。
本发明的一种运动疲劳肌电信号采集装置，还可以应用其它场合，例如，应用于医院中，作为医生辅助治疗的一种医用器械。
在其它实施例中，所述无线发射模块也可以采用蓝牙模块或其它无线发射装置等。
在其它实施例中，所述固定本体换做其它部件，例如可套或系结在人的手臂上的部件，则使本发明可用于检测人的手臂肌肉的运动疲劳情况。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种运动疲劳肌电信号采集装置，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种运动疲劳肌电信号采集装置，包括能固定于人体相应部位的固定本体，其特征在于：还包括安装于该固定本体的肌电采集及处理电路，该肌电采集及处理电路包括肌电信号采集器、阻抗变换电路、滤波电路和放大电路，肌电信号采集器的输出接至阻抗变换电路的输入，阻抗变换电路的输出接至滤波电路的输入，滤波电路的输出接至放大电路的输入。
2.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述固定本体还安装有无线发射模块，所述放大电路的输出接至该无线发射模块的输入。
3.根据权利要求2所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述固定本体还安装有电源电路，该电源电路连接所述肌电采集及处理电路和所述无线发射模块。
4.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述肌电信号采集器包括屏蔽层、电极、设于屏蔽层内的第一电路和设于屏蔽层外的第二电路，电极露出屏蔽层外，第一电路包括场效应管、两二极管、一电容和一电阻，场相应管的栅极连接电极，源极通过电阻接地，漏极为电源连接端，电容的一端连接场效应管的源级，另一端构成肌电信号采集器的输出端，两二极管的负极相连接，且该两二极管的正极分别连接场效应管的栅极和地端；第二电路包括两电阻和可调电阻，其中一电阻连接于场效应管的漏极和电容的另一端之间，另一电阻和可调电阻串联连接于电容的另一端和地端之间。
5.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述阻抗变换电路包括第一运算放大器、一电容和两电阻，电容的一端连接所述脉搏波传感器的输出，另一端通过其中一电阻连接第一运算放大器的同相输入端；另一电阻的一端连接第一运算放大器的同相输入端，另一端接地，第一运算放大器的输出端连接所述滤波电路的输入；第一运算放大器的电源正输入端用于连接电源，电源负输入端接地。
6.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述滤波电路为低通滤波电路，其包括第二运算放大器、两电阻和两电容，其中一电阻的一端连接所述阻抗变换电路的输出，另一端通过其中一电容连接第二运算放大器的反相输入端；另一电阻的一端连接其中一电阻的另一端，另一电阻的另一端和另一电容的一端分别连接第二运算放大器的同相输入端，另一电容的另一端接地；第二运算放大器的反相输入端连接其输出端，第二运算放大器的输出端连接所述放大电路的输入。
7.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述放大电路包括第三运算放大器和两电阻，其中一电阻的一端连接所述滤波电路的输出，其中一电阻的另一端和另一电阻的一端分别连接第三运算放大器的反相输入端，另一电阻的另一端连接第三运算放大器的输出端，第三运算放大器的同相输入端接地，输出端构成所述放大电路的输出。
8.根据权利要求2所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述无线发射模块为ZigBee发射模块。
9.根据权利要求3所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述电源电路为可充电式电源电路，所述固定本体对应设有与该电源电路相适配的充电接口。
10.根据权利要求1所述的运动疲劳肌电信号采集装置，其特征在于：所述固定本体为腿套或能系结于腿上的腿带。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang Jinbiao Inventor after: Xu Ling Inventor after: Zhang Lingcong Inventor after: Xie Heping Inventor after: Zhang Guojin Inventor before: Xu Ling Inventor before: Zhang Lingcong Inventor before: Huang Jinbiao Inventor before: Xie Heping Inventor before: Zhang Guojin |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170125 |