CN106371371A - 肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统及方法，系统包含肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、同步采集触发模块、控制模块、存储模块和显示模块。工作时，同步采集触发模块同时发送阶跃信号给三个采集模块，触发其进行工作；三个采集模块分别基于绝对时间采集目标的肌电信号、力学信号和图像；控制模块根据绝对时间对采集的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。本发明对动物运动产生的肌电信号、力学信号以及运动姿态进行同步测量与储存，适用于分析动物运动时三种数据相互关联的场合。

Description

肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统及方法

技术领域

本发明涉及动物爬行时姿态、肌电信号以及力学信号的同步测量，尤其涉及一种肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统及方法。

背景技术

生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制，从动物运动的感受传入或神经支配入手，实现对动物的运动和某些行为的人为控制。而在生物机器人的研制过程中，对动物自身原始生物信号的提取和分析是一项必要的前提与基础，这些生物信号包括脑电、肌电、心电、脉搏、血压、呼吸量等，所以信号的准确采集与分析对于动物机器人的研究具有重大意义。相应采集仪器、设备或装置的研发工作也得到了快速的发展。

大壁虎具有体态大、行动迅速、负重能力强、在三维空间表面具有卓越的运动能力等优点，引起了国内外很多学者的研究兴趣。他们不仅研究了大壁虎在自由运动状态下，肌电信号的在体采集与分析，而且研究了大壁虎在不同的倾斜表面时，运动反力与运动状态的关系。2010年，南京航空航天大学仿生研究所自行研制出了三维力传感器，并结合高速摄像机，测试了大壁虎在不同的倾斜表面下，运动反力与运动状态的关系。2014年，该小组研制出了大壁虎肌电信号在体采集装置，分析了大壁虎不同体位对四肢运动的影响。

尽管目前国内外有研究人员分别对大壁虎的运动力学与运动状态，大壁虎的肌电信号与运动状态进行了同步分析。但是由于技术上的局限，无法使得力学测试系统，高速摄像以及肌电采集系统实现同步，很难将大壁虎的运动力学，运动状态以及肌电信号进行同步分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统及方法，能够实时显示并保存动物的运动姿态、运动时肌肉产生的电信号以及力学信号，并且能够将三种信号进行同步。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，包含肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、同步采集触发模块、控制模块、存储模块和显示模块；

所述同步采集触发模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块电气相连，所述控制模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、存储模块、显示模块电气相连；

所述同步采集触发模块用于同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块，触发肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块进行工作；

所述肌电信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述力学信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述高速图像采集模块用于基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述控制模块用于根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。

作为本发明肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统进一步的优化方案，所述肌电信号采集模块包含第一微处理器、第一时间单元、肌电信号处理单元和若干个肌肉电信号采集单元；

所述肌肉电信号采集单元的输入端设置在采集目标上，输出端均和肌电信号处理单元的输入端相连；

所述第一时间单元用于提供绝对时间给所述第一微处理器；

所述第一微处理器分别和同步采集触发模块、第一时间单元、各个肌电信号处理单元的控制端、肌电信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个肌肉电信号采集单元进行工作，并将处理过后的肌电信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。

作为本发明肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统进一步的优化方案，所述力学信号采集模块包含第二微处理器、第二时间单元、三维传感器阵列测力平台和力学信号处理单元；

所述三维传感器阵列测力平台为若干个三维力测试传感器排列成的平面，用于采集目标的力学信号；

所述三维力测试传感器的输出端均和所述力学信号处理单元的输入端相连；

所述第二时间单元用于提供绝对时间给所述第二微处理器；

所述第二微处理器分别和同步采集触发模块、第二时间单元、各个三维力测试传感器的控制端、力学信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个三维力测试传感器进行工作，并将处理过后的力学信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。

作为本发明肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统进一步的优化方案，所述高速图像采集模块包含高速摄像机；

所述高速摄像机设置在所述三维传感器阵列测力平台上，设置为外部上升沿触发模式，用于在接收到阶跃信号时按照预设的频率对采集目标进行拍摄，并将拍摄的图像和拍摄的绝对时间传递给所述控制模块。

本发明还公开了基于该肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统的工作方法，包含以下步骤：

步骤1），控制同步采集触发模块同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块；

步骤2），肌电信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤3），力学信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤4），高速图像采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤5），控制模块根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 通过对肌电信号、高速图像以及力学信号的实时采集与保存可以精确地分析动物在不同的运动姿态下所对应的肌肉所产生的电信号和所受到的力的关系，为深入研究动物运动提供了重要数据；

2. 所述的肌电信号处理与保存上位机以及力学信号处理与保存上位机其保存的时间数据分辨率可以到达微秒级别，因此可以将肌电信号与力学信号精确对应起来；

3. 肌电信号采集、处理与发送模块均集成在一起，减小了装置的体积与重量，弱化了重量对动物运动产生的影响。

附图说明

图1是本发明的整体架构图；

图2是本发明的肌电采集模块原理图；

图3是本发明的肌电采集上位机程序框图。

图中，1-同步采集触发模块，2-高速摄像机，3-第一微控制器，4-三维传感器阵列测力平台，5-力学信号处理单元与第二微处理器，6-控制模块，7-显示与存储模块，8-肌电采集模块，9-采集目标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，包含肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、同步采集触发模块、控制模块、存储模块和显示模块；所述同步采集触发模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块电气相连，所述控制模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、存储模块、显示模块电气相连。

所述同步采集触发模块用于同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块，触发肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块进行工作；其中，同步触发模块包含触发按钮和STC主控芯片的单片机，由STC主控芯片的单片机的I/O端口通过信号线分别连接至肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块端口，实验开始时，按下触发按钮，单片机将通过I/O端口发送一个阶跃信号触发肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块进行工作。此时，同步采集触发模块将转变为时间单元通过信号线分别向肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块的微处理器发送计数脉冲，用以实现时间上的同步。

所述肌电信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；所述力学信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；所述高速图像采集模块用于基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；所述控制模块用于根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。

所述肌电信号采集模块包含第一微处理器、第一时间单元、肌电信号处理单元和若干个肌肉电信号采集单元；所述肌肉电信号采集单元的输入端设置在采集目标上，输出端均和肌电信号处理单元的输入端相连；所述第一时间单元用于提供绝对时间给所述第一微处理器；所述第一微处理器分别和同步采集触发模块、第一时间单元、各个肌电信号处理单元的控制端、肌电信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个肌肉电信号采集单元进行工作，并将处理过后的肌电信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。

第一微控制器优先采用STM32F103。

所述力学信号采集模块包含第二微处理器、第二时间单元、三维传感器阵列测力平台和力学信号处理单元；所述三维传感器阵列测力平台为若干个三维力测试传感器排列成的平面，用于采集目标的力学信号；所述三维力测试传感器的输出端均和所述力学信号处理单元的输入端相连；所述第二时间单元用于提供绝对时间给所述第二微处理器；所述第二微处理器分别和同步采集触发模块、第二时间单元、各个三维力测试传感器的控制端、力学信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个三维力测试传感器进行工作，并将处理过后的力学信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。其中，三维传感器阵列测力平台由24个三维力测试传感器排布而成。传感器阵列通过传感器信号线连接到信号力学信号处理单元，将信号输出至力学信号处理单元进行处理。

所述高速图像采集模块包含高速摄像机；所述高速摄像机设置在所述三维传感器阵列测力平台上，设置为外部上升沿触发模式，用于在接收到阶跃信号时按照预设的频率对采集目标进行拍摄，并将拍摄的图像和拍摄的绝对时间传递给所述控制模块。

所述存储模块和显示模块也可以采用上位机来实现，控制模块将接收到的数据整合成为同步数据后，将其传递给上位机，由上位机来进行显示和存储。

上位机电脑安装有NI公司的数据采集卡，可实现采集采样率为333Kb/s,分辨率为16位的模数转换以及采集上位机的外部触发功能。

该肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统的工作方法，包含以下步骤：

步骤1），控制同步采集触发模块同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块；

步骤2），肌电信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤3），力学信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤4），高速图像采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤5），控制模块根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。

如图1所示，将高速摄像机安置在维传感器阵列测力平台上方，便于观察整体的运动姿态。

如图2所示为肌电信号采集模块原理图，用来采集肌电电信号的若干个电极通过模拟开关CD4051B连接至肌电信号处理单元，该肌电信号处理单元可以将微伏级电压经过两级放大电路放大至伏级电压并经由工频限波电路以及带通滤波电路滤除干扰信号最终处理至采样所需电压，由STM32F103为第一微处理器的分别率为12位的AD转换模块实现对模拟电压的采样，其最大转换速率可达到1Mhz，由三个I/O端口控制肌电采集端口，处理采样后的肌电信号传输给控制模块。

如图3所示为肌电采集上位机程序简图，开始运行后，首先将对串口进行初始化，主要初始化参数为串口号以及数据传输波特率，本设计采用波特率为921600。其次分两路同时处理:

（1）将接收数据帧头长度的字节数，当接收到的数据为数据帧头时将接多通道字节数的数据并将其转化为电压信号存入缓冲区进行显示与存储。

（2）获取当前计算机的绝对时间并将其存入缓冲区。此后将缓冲区数据进行保存，实验结束后，关闭串口，清除缓存区数据，完成整个实验数据采集与保存。

本发明系统亦可用于其他种类爬行动物的运动姿态、肌电信号以及力学信号的同步采集与记录。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，其特征在于，包含肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、同步采集触发模块、控制模块、存储模块和显示模块；

所述同步采集触发模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块电气相连，所述控制模块分别和肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块、存储模块、显示模块电气相连；

所述同步采集触发模块用于同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块，触发肌电信号采集模块、力学信号采集模块、高速图像采集模块进行工作；

所述肌电信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述力学信号采集模块用于基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述高速图像采集模块用于基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

所述控制模块用于根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。

2.根据权利要求1所述的肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，其特征在于，所述肌电信号采集模块包含第一微处理器、第一时间单元、肌电信号处理单元和若干个肌肉电信号采集单元；

所述肌肉电信号采集单元的输入端设置在采集目标上，输出端均和肌电信号处理单元的输入端相连；

所述第一时间单元用于提供绝对时间给所述第一微处理器；

所述第一微处理器分别和同步采集触发模块、第一时间单元、各个肌电信号处理单元的控制端、肌电信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个肌肉电信号采集单元进行工作，并将处理过后的肌电信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。

3.根据权利要求1所述的肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，其特征在于，所述力学信号采集模块包含第二微处理器、第二时间单元、三维传感器阵列测力平台和力学信号处理单元；

所述三维传感器阵列测力平台为若干个三维力测试传感器排列成的平面，用于采集目标的力学信号；

所述三维力测试传感器的输出端均和所述力学信号处理单元的输入端相连；

所述第二时间单元用于提供绝对时间给所述第二微处理器；

所述第二微处理器分别和同步采集触发模块、第二时间单元、各个三维力测试传感器的控制端、力学信号处理单元的输出端、以及控制模块相连，用于在接收到阶跃信号时控制控制各个三维力测试传感器进行工作，并将处理过后的力学信号同采集的绝对时间传递给所述控制模块。

4.根据权利要求3所述的肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统，其特征在于，所述高速图像采集模块包含高速摄像机；

所述高速摄像机设置在所述三维传感器阵列测力平台上，设置为外部上升沿触发模式，用于在接收到阶跃信号时按照预设的频率对采集目标进行拍摄，并将拍摄的图像和拍摄的绝对时间传递给所述控制模块。

5.基于权利要求1所述的肌电信号、力学信号与高速图像的同步采集系统的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1），控制同步采集触发模块同时发送阶跃信号给肌电信号采集模块、力学信号采集模块和高速图像采集模块；

步骤2），肌电信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的肌电信号，将采集的肌电信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤3），力学信号采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间采集目标的力学信号，将采集的力学信号处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤4），高速图像采集模块接收到阶跃信号后开始工作，基于绝对时间和预设的采集频率采集目标的图像，将采集的图像处理后同采集的绝对时间传递给所述控制模块；

步骤5），控制模块根据绝对时间对接收到的肌电信号、力学信号和图像进行整合，形成肌电信号、力学信号与高速图像的同步数据后存储至存储模块中，并控制显示模块显示该同步数据。