CN110353678B - 一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于肌电信号采集技术领域，更具体地，涉及一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器。本发明提出了一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，通过选取导电硅胶作为电极材质，可以更好的贴合皮肤，易于获得精确的肌电信号。由于硅胶良好的密封性和防水性，基于导电硅胶的防水肌电信号传感器可以在潮湿甚至水域环境中采集肌电信号。

Description

一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器
技术领域
本发明属于肌电信号采集技术领域，更具体地，涉及一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器。
背景技术
肌电信号(EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(sEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，sEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。
肌电信号可以体现肌肉的运动，通过肌电信号，可以判断肌肉收缩程度、进行动作识别和控制机械臂等。因此，准确稳定的采集肌电信号是一个重要的问题。
目前主要有两种肌电信号采集方式：侵入式、非侵入式。侵入式是指侵入式电极直接插入需要检测的肌肉采集肌电信号。非侵入式是指通过贴片电极在肌肉表面采集肌电信号。侵入式可以获得更准确的肌电信号，信号质量高，但对人体有伤害，不宜日常使用。而非侵入式仅在肌肉表面通过贴片电极采集肌电信号，操作简单，并可长时间采集肌电信号。因此实验和日常生活通常采用非侵入式采集肌电信号。
非侵入式电极采集肌电信号一般使用Ag/AgCl电极，该电极为一次性使用，简单方便，但是使用过程中易脱落，不能防水。因此，非侵入式电极更好与肌肉贴合，不易脱落，在潮湿甚至水域环境中使用，是本发明亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，通过选取硅胶作为电极材质，可以更好的贴合皮肤，易于获得高质量的表面肌电信号，由于硅胶良好的密封性和防水性，导电硅胶电极可以在潮湿甚至水域环境中采集肌电信号。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，通过贴附在皮肤表面采集肌电信号，所述肌电信号传感器包括导电硅胶电极、信号处理单元和硅胶固定带，所述导电硅胶电极贴合在皮肤上，导电硅胶电极的输出端与信号处理单元的输入端电性连接，所述信号处理单元用于处理导电硅胶电极采集的肌电信号，硅胶固定带用于将导电硅胶电极固定在皮肤上；所述导电硅胶电极包括导电硅胶，导电硅胶与皮肤接触，且导电硅胶与信号处理单元电性连接，所述导电硅胶至少一层，导电硅胶的成分包括有机硅胶和碳粉，碳粉比例为1％-10％。碳粉比例决定了采集信号的质量，根据导电硅胶电极采集的表面肌电信号质量，选择最优的含碳比例。
本技术方案进一步的优化，所述导电硅胶有2层，两层导电硅胶碳粉比例不同，每一层碳粉比例均为1％-10％。根据导电硅胶电极采集的表面肌电信号质量，选择最优的含碳比例组合。
本技术方案进一步的优化，所述导电硅胶电极包括导电硅胶、导电层和防水绝缘层，导电层设置于导电硅胶和防水绝缘层之间。防水绝缘层的作用主要是避免误触影响肌电信号采集。
本技术方案更进一步的优化，导电硅胶电极还包括金属线和电极固定端，所述金属线连接导电硅胶和电极固定端，电极固定端固定在防水绝缘层上，所述电极固定端与信号处理单元电性连接。所述金属线的中间部分设置导电硅胶和导电层之间，金属线两端穿过导电层和防水绝缘层，所述金属线的两端固定在电极固定端上，并在固定部位采用防水材料封装。金属线两端都穿过导电层和防水绝缘层可以更牢固，不然容易脱落。
本技术方案更进一步的优化，所述防水材料为硅胶。
本技术方案进一步的优化，所述导电硅胶由两层以上构成，每层导电硅胶的含碳比例不同。
本技术方案进一步的优化，所述信号处理单元包括电极连接端、一级信号放大电路、信号滤波电路、二级信号放大电路和数据处理芯片，电极连接端与导电硅胶电极的电极固定端相连，电极连接端为一级信号放大电路的输入端与导电硅胶电极电性连接，一级信号放大电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端与二级信号放大电路的输入端相连，二级信号放大电路的输出端与数据处理芯片输入端相连，数据处理芯片输出端输出肌电信号的时域和频域特征。信号处理单元采用防水材料封装，信号处理单元的电极连接端和导电硅胶电极的电极固定端的连接处采用防水材料封装。
本技术方案进一步的优化，数据处理芯片的数据处理分为两部分，第一部分为对采集的表面肌电信号预处理，针对水域环境对肌电信号进行预处理。第二部分为提取表面肌电信号时域特征和频域特征。
在硅胶固定带上有小孔，可以放置导电硅胶电极，其固定孔的数量由通道数量决定，固定孔的位置由个体所采集肌肉位置决定。信号处理单元电极连接端和导电硅胶电极电极固定端相配合，将导电硅胶电极固定到硅胶固定带上的小孔。硅胶固定带由硅胶制成，起到绝缘，防水和固定的作用。
区别于现有技术，上述技术方案结构简单，可以自由选择采集肌电信号的通道数量，电极易于使用者佩戴，并且传感器具有防水的性质，可以在水域条件下采集肌电信号。
附图说明
图1为本发明的基于导电硅胶的肌电信号传感器的整体结构内侧图；
图2为本发明的基于导电硅胶的肌电信号传感器的整体结构外侧图；
图3为本发明的基于导电硅胶的肌电信号传感器的两通道信号处理单元图；
图4为本发明的基于导电硅胶的肌电信号传感器的导电硅胶电极图；
图5为本发明的基于导电硅胶的肌电信号传感器的硅胶固定带图。
附图说明：
1.1为硅胶固定带，1.2为导电硅胶电极，1.3为信号处理单元；3.1为第一电极连接端，3.2为第二电极连接端，3.3为第三电极连接端，3.4为第四电极连接端，3.5为第五电极连接端，4.2为电极固定端，5.1为第一硅胶固定带固定孔，5.2为第二硅胶固定带固定孔，5.3为第三硅胶固定带固定孔，5.4为第四硅胶固定带固定孔、5.5为第五硅胶固定带固定孔。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1和图2所示，分别为本发明优选一实施例基于导电硅胶的肌电信号传感器的整体结构内侧图和整体结构外侧图，该实施例设有两个通道肌电信号，肌电信号传感器包括导电硅胶电极1.2、信号处理单元1.3和硅胶固定带1.1，导电硅胶电极1.2贴合在皮肤上，导电硅胶电极1.2的输出端与信号处理单元1.3的输入端电性连接，信号处理单元1.3用于处理导电硅胶电极1.2采集的肌电信号，硅胶固定带1.1用于将导电硅胶电极固定在皮肤上。所述导电硅胶电极1.2包括导电硅胶，导电硅胶与皮肤接触，且导电硅胶电极与信号处理单元电性连接，导电硅胶的成分包括有机硅胶和碳粉，碳粉比例为1％-10％。碳粉比例决定了采集信号的质量，根据导电硅胶电极采集的表面肌电信号质量，选择最优的含碳比例。
图1为内侧图，导电硅胶电极1.2设置在硅胶固定带1.1的内侧，导电硅胶电极上的电极固定端与信号处理单元电极连接端配合连接，使得导电硅胶电极1.2固定在硅胶固定带1.1上，硅胶固定带1.1的外侧为电极连接端，如图2所示，为硅胶固定带1.1的外侧图。
阅图3所示，为基于导电硅胶的肌电信号传感器的两通道信号处理单元图，将信号处理单元的输入端即第一电极连接端3.1、第二电极连接端3.2、第三电极连接端3.3、第四电极连接端3.4与导电硅胶电极的电极固定端4.2配合，一一对应分别固定在第一硅胶固定带固定孔5.1、第二硅胶固定带固定孔5.2、第三硅胶固定带固定孔5.3、第四硅胶固定带固定孔5.4的位置，将第五电极连接端3.5与接地电极的电极固定端配合，固定在第五硅胶固定带固定孔5.5的位置。可以根据实际情况固定信号处理单元的位置。
信号处理单元1.3包括电极连接端、一级信号放大电路、信号滤波电路和二级信号放大电路，电极连接端与导电硅胶电极的电极固定端相连，电极连接端作为一级信号放大电路的输入端与导电硅胶电极电性连接，一级信号放大电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端与二级信号放大电路的输入端相连，二级信号放大电路的输出端与数据处理芯片输入端相连，数据处理芯片输出端输出表面肌电信号的时域和频域特征。信号处理单元经过对已采集表面肌电信号的滤波与特征提取，可以得到能够使用的肌电信号，例如，该信号可以用于动作识别和控制机械臂等。
数据处理芯片主要对已经放大和滤波的信号进一步处理，数据处理主要包括两个方面。第一部分为针对特定的采集环境即水域环境对表面肌电信号进行预处理，第二部分为提取表面肌电信号的时域特征和频域特征。
在水域环境中表面肌电信号采集与识别会受到影响，水域环境中采集表面肌电信号受到水的外力干扰，采集的表面肌电信号噪声增多，信号信噪比降低，尤其是采集的表面肌电信号的低频信号会受到影响。针对水域环境中低频信号受到影响的问题，数据处理芯片首先进行表面肌电信号的高通滤波，接下来进行表面肌电信号的特征提取。
该实施例提取表面肌电信号的时域特征为均方根(RMS)、方差(VAR)和平均绝对值积分(IAV)。
表面肌电信号序列xi的均方根计算方法为：
Figure BDA0002125240530000051
表面肌电信号序列xi的方差计算方法为：
Figure BDA0002125240530000061
表面肌电信号序列xi的平均绝对值积分计算方法为：
Figure BDA0002125240530000062
该实施例提取表面肌电信号的频域特征为中值频率(MF)，功率谱最大值(MPS)和平均功率频率(MPF)。
中值频率计算方法为：
Figure BDA0002125240530000063
其中，fMF为中值频率，Psd(f)为表面肌电信号的功率谱密度估计函数。
功率谱最大值计算方法为：
MPS＝MAX(Psd(f))
其中，Psd(f)为表面肌电信号的功率谱密度估计函数。
平均功率频率计算方法为：
Figure BDA0002125240530000064
其中，Psd(f)为表面肌电信号的功率谱密度估计函数。
该实施例在水域环境中采集的表面肌电信号未进行高通滤波，直接进行动作识别，四个动作基于时域特征识别准确率为93.70％，四个动作基于频域特征识别准确率为96.01％。该实施例采集的表面肌电信号先进行高通滤波，接下来进行手部动作识别，四个动作基于时域特征识别准确率为96.28％，四个动作基于频域特征识别准确率为96.57％。该实施例在水域环境中采集的表面肌电信号，经过高通滤波后基于时域特征和频域特征的识别准确率均提高。
参阅图4所示，为导电硅胶电极图。导电硅胶电极1.2由导电硅胶、导电布、防水绝缘布、硅胶、金属铜线和电极固定端组成。导电硅胶的成分包括有机硅胶和碳粉，碳粉比例为1％-10％。导电硅胶与导电布贴合，绝缘布与导电布贴合，主要是避免误触影响肌电信号采集，硅胶与绝缘布贴合，主要起到防水作用，金属铜线的中间部分在导电硅胶和导电布之间，金属铜线两端穿过导电布、绝缘布和硅胶，电极固定端与金属铜线两端通过锡焊固定，并在焊接部位通过硅胶封装。
导电硅胶由单层构成，该实施例的导电硅胶有1层，导电硅胶碳粉比例为1.5％。
导电硅胶由单层构成，该实施例的导电硅胶有1层，导电硅胶碳粉比例为4％。
导电硅胶由多层构成，每一层导电硅胶的碳粉比例不同。该实施例的导电硅胶有2层，从上到下依次第一层导电硅胶碳粉比例为1.5％，第二层导电硅胶碳粉比例为4％。
导电硅胶碳粉比例不同，导电硅胶的阻抗也不同，通过调整阻抗值，可以提高采集到的表面肌电信号的共模抑制比，提高采集到的表面肌电信号的质量。单层导电硅胶得到不同的阻抗值，可以通过直接改变导电硅胶的含碳比，多层导电硅胶得到不同的阻抗值，需要改变每一层导电硅胶的含碳比，不同含碳比组合可以得到不同的阻抗值。多层导电硅胶可以得到阻抗值的范围大于单层导电硅胶得到阻抗值的范围。
导电硅胶可以通过将导电物质与硅胶混合制成，该实施例导电硅胶由碳粉与硅胶混合，碳粉结构稳定，不与硅胶发生反应，便于在多种条件下使用导电硅胶电极，可以通过含碳量的不同，改变导电硅胶的阻抗。基于不同硅胶的最优含碳比均不同，制作不同含碳比的导电硅胶电极，通过导电硅胶采集表面肌电信号，计算表面肌电信号的信噪比，选择信噪比最高的导电硅胶电极，该导电硅胶电极的含碳比即为最优的含碳比。
参阅图5所示，为硅胶固定带图，硅胶固定带1.1由硅胶制成，起到绝缘，防水和固定的作用。在硅胶固定带1.1上有小孔，可以放置导电硅胶电极1.2，其固定孔的数量由通道数量决定，固定孔的位置由个体所采集肌肉位置决定。
该实施例可以根据实际需求与被试者的肌肉条件高度定制，高度定制化可以保证导电硅胶电极1.2与肌肉贴合紧密，满足使用所需条件。差异主要体现在硅胶固定带1.1的孔的位置和数量。
在实际使用中，可以根据所需要求选择不同数量的肌肉进行肌电信号采集，个体的肌肉位置差异与所选择的肌肉位置不同，可以在硅胶固定带1.1不同位置打孔。
本实施例采集两个通道肌电信号。参阅图5所示，为基于导电硅胶的肌电信号传感器的硅胶固定带图。硅胶固定带1.1打出5个孔分别为第一硅胶固定带固定孔5.1、第二硅胶固定带固定孔5.2、第三硅胶固定带固定孔5.3、第四硅胶固定带固定孔5.4和第五硅胶固定带固定孔5.5，并将导电硅胶电极1.2的电极固定端4.2置于孔内。在第五硅胶固定带固定孔5.5处放置导电硅胶电极作为接地电极。下一步将固定好导电硅胶电极1.2的硅胶固定带1.1按照肌肉位置固定于手臂上。下一步连接信号处理单元，本实施例选取采集两通道表面肌电信号的信号处理单元。
本发明可以在正常环境和水域环境中进行。在正常环境中，连接好后可直接进行肌电信号采集，无需做其余操作。在水域环境中，需要用硅胶密封封装导电硅胶电极的电极固定端与信号处理单元的电极连接端连接处，其余部分均已经做好封装处理，包括信号处理单元。如一人长期在水域环境中使用，选取相同的肌肉用于采集肌电信号，无需重复使用硅胶封装电极固定端与电极固定端连接处，该传感器可长期重复使用。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，其特征在于：所述肌电信号传感器包括导电硅胶电极、信号处理单元和硅胶固定带，所述导电硅胶电极贴合在皮肤上，导电硅胶电极的输出端与信号处理单元的输入端电性连接，所述信号处理单元用于处理导电硅胶电极采集的肌电信号，硅胶固定带用于将导电硅胶电极固定在皮肤表面；
所述导电硅胶电极包括导电硅胶，导电硅胶与皮肤接触，且导电硅胶与信号处理单元电性连接，导电硅胶的成分包括有机硅和碳粉，碳粉比例为1%-10%；所述导电硅胶有2层，两层导电硅胶含碳比例不同，每一层碳粉比例均为1%-10%，
与皮肤表面直接接触的为第一层导电硅胶，第一层导电硅胶之上为第二层导电硅胶，第一层导电硅胶碳粉比例为1.5%，第二层导电硅胶碳粉比例为4%，通过调整阻抗值可以提高采集到的表面肌电信号的共模抑制比；
所述信号处理单元包括电极连接端、一级信号放大电路、信号滤波电路、二级信号放大电路和数据处理芯片，所述电极连接端为一级信号放大电路的输入端与导电硅胶电极电性连接，一级信号放大电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端与二级信号放大电路的输入端相连，二级信号放大电路的输出端与数据处理芯片输入端相连，数据处理芯片输出端输出肌电信号的时域和频域特征。
2.如权利要求1所述的基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，其特征在于：所述导电硅胶电极包括导电硅胶、导电层和防水绝缘层，导电层设置于导电硅胶和防水绝缘层之间。
3.如权利要求2所述的基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，其特征在于：还包括金属线和电极固定端，所述金属线连接导电硅胶和电极固定端，电极固定端固定在防水绝缘层上，所述电极固定端与信号处理单元电性连接。
4.如权利要求3所述的基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，其特征在于：所述金属线的中间部分设置导电硅胶和导电层之间，金属线两端穿过导电层和防水绝缘层，所述金属线的两端固定在电极固定端上，并在固定部位采用防水材料封装。
5.如权利要求4所述的基于导电硅胶的防水肌电信号传感器，其特征在于：所述防水材料为硅胶。
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