CN111067677B - 一种肌电与压力结合的混合式传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种肌电与压力结合的混合式传感器，该传感器包括8个完全相同的传感模块、数据采集模块、无线适配器和上位机。本发明中传感模块1‑8的肌电电极的浮动电极是基于PDMS定制的空腔，空腔粘在电路板上的气压计周围，形成密闭的空间，中间的电极通过垫片与PDMS整体固定，电极在轴向具有弹性，被限定为只能轴向运动，作为施加在电极上的压力的探头。本发明降低了肌电图和机械地形图测量系统的结构复杂性，减少了EMG‑MMG测量中传感模块的数量，克服了混合式电极测量EMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题，确保EMG与MMG信号在时间与空间上的同步性，实现了EMG‑MMG测量系统的模块化和一体化。

Description

一种肌电与压力结合的混合式传感器
技术领域
本发明涉及生物医疗传感器技术领域，尤其涉及一种肌电与压力结合的混合式传感器。
背景技术
目前世界上有上百万的截肢患者，对于这些截肢患者而言，当前唯一的康复方式就是安装假肢。近几十年来，得益于工程技术的发展，基于人机接口的智能假肢给截肢患者带来了福音。智能假肢的概念至少包括两方面的内涵，其一是假肢本身机械电子与自主控制的智能，其二是人对假肢的控制体现智能，即假肢的佩戴者可以通过大脑或者身体健康部位的运动意图来控制假肢，这个主要就是通过所谓的人机接口来实现的。
广义的人机接口包括各种可以提取人的意图或者给人以反馈的人机交互装置，目前可用于假肢控制的安全，可靠，无创的人机包括肌电图(EMG)，脑电图(EEG)，机械地形图(MMG)，惯性测量单元(IMU)，近红外(NIFR)，以及超声波(Ultrasound)等。从原理上分析，EEG信号空间分辨率低，信噪比低，为了达到可用的控制精度往往需要佩戴复杂的电极帽以及使用昂贵的放大器，目前除了实验室级别的演示，还没有商用的假肢完全依靠EEG控制，IMU简单可靠，但是像身体驱动的假肢一样，需要用户做出大幅度的动作，且难以用于具体的精细的手势控制，NIFR则时间分辨率较低。
目前最常用的人机接口是肌电，肌电的利用虽然已有很长时间，信号处理的方法也已经很成熟，但是由于截肢用户的身体情况各不相同，依然存在不少仅通过信号处理很难处理的问题，例如信号测量过程中一些不可预知的意外，如肌电传感器的移位，皮肤出汗导致的复杂变化，运动过程中传感器与皮肤接触的接触状态变化，甚至于肌肉本身的疲劳造成的信号衰减等等。
MMG是通过测量肌肉的震动或者变形来达到识别用户的意图，而且它有一个明显的特征是，MMG往往伴随着EMG，因为EMG的产生需要肌肉收缩，而肌肉收缩时不可避免会产生变形或者震动，这种变形或者震动，就可以通过力传感器或者其它形式的传感器检测出来，一般称之为MMG。MMG对环境的依赖甚至要小于EMG，MMG不受汗液、皮肤阻抗和参考信号的影响，已被证实是一种有效的肌肉活动评价方式。因此，MMG也可以像EMG一样被用于假肢的控制，肌肉疲劳检测，以及肌肉的功能评价等。
单一的控制信号无法完全避免自身的缺陷，许多研究表明，基于EMG与MMG的混合信号作为假肢控制的信号源，与用单一的EMG或者MMG相比，可以提升分类识别的控制效果。而这些研究中使用的传感器基本上都是分离式的系统，也就是肌电与力的测量是两个完全独立的系统。肌电的测量通常使用商用的Myo Armband或者DELSYS等产品，而MMG的测量则采用FSR，麦克风，加速度计，振动传感器等。这种分离式的方式存在一定的不足，尤其是实际假肢控制时，一是传感模块的数目比较多，结构复杂，即使是使用FSR，也需要配套的机械固定装置与力探头，二是分立的系统存在信号同步的问题，为了同步可能又需要额外的装置。
发明内容
本发明的目的是降低肌电图(EMG)和机械地形图(MMG)测量系统的结构复杂性，减少EMG-MMG测量中传感模块的数量，克服混合式电极测量EMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题，确保EMG与MMG信号在时间与空间上的同步性，实现EMG-MMG测量系统的模块化和一体化。
为达到上述目的，采用如下技术方案：
一种肌电与压力结合的混合式传感器，包括传感模块1-8、数据采集模块、无线适配器和上位机。传感模块1-8通过type-C接口和数据采集模块相连接，数据采集模块通过无线适配器以无线的方式和上位机相连接；传感模块1-8用于完成肌电图和机械地形图的测量，肌电图采用两级放大的信号调理电路进行测量，机械地形图采用气压计进行测量。
传感模块中的肌电电极，既是肌电的电极，也是压力的探头，该电极在轴向具有弹性，相当于可浮动的电极。所述传感模块1-8机械结构采用的浮动电极是基于PDMS定制的空腔，空腔粘在电路板上的气压计周围，形成密闭的空间，同时中间的电极通过垫片与PDMS整体固定，由于PDMS具有弹性，而电极被限定为只能轴向运动，因此电极可以用来作为施加在电极上的压力的探头。传感模块1-8中的气压计放在电路板的正中央，且四周空白不布任何元器件，禁布区大小为10mm×10mm，该设计保证PDMS腔体后续的良好密封。
所述传感模块1-8通过自制的type-C接口和数据采集模块相连接，二者之间的信息采用差分形式进行传输提高信号的抗干扰能力，数据采集模块通过无线适配器以无线的方式和上位机相连接，无线连接的方式可以是蓝牙形式，但不局限于蓝牙，也可以是其他无线方式，如Zigbee、Wi-Fi、移动通信、数传电台等。
优选地，上位机可以对数据采集模块进行对时，确保传感器之间数据时间同步性。
所述数据采集模块和上位机之间数据传输时可以选择不加密或加密处理，优选地，加密时可以选择AES-256加密算法，提高了数据的安全性。
优选地，数据采集模块和上位机之间的数据传输可以兼容自定义数据加密传输协议和基于分段TCP协议无线传输协议，自定义数据传输协议可以满足定制用户的要求，基于分段TCP协议无线传输协议增强了传感器的适应性，降低了传感器组网的复杂性。
本发明的传感器结构采用创新设计，通过PDMS做的弹性空腔在气压计周围形成空腔，肌电采集的一个电极直接与PDMS固定，而相对于传感器外壳的电极是浮动的，这样在电极贴紧皮肤时，肌肉震动引起的浮动电极接触力的变化，通过PDMS的传导以及密闭气室的压缩，转化为气压的变化，从而测量MMG。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该结构中浮动电极本身既是EMG的探头，也是MMG的探头，降低EMG-MMG测量系统的结构复杂性，减少了EMG-MMG测量中传感模块的数量，克服了混合式电极测量EMG和MMG信号需要不同的传感器探头的问题，确保EMG与MMG信号在时间与空间上的同步性。
附图说明
图1为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器的组成示意图。
图2为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中传感模块1-8功能框图。
图3为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中数据采集模块功能框图。
图4为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中传感模块结构分解图，图中1：正电极；2：参考电极；3：负电极；4：盖板；5：垫圈；6：PDMS空腔；7：传感器PCB；8：底壳。
图5为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中传感模块结构剖面图，图中1：正电极；2：参考电极；3：负电极；4：盖板；5：垫圈；6：PDMS空腔；7：传感器PCB；8：底壳。
图6为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中传感模块与数据采集模块自定义数据包的格式。
图7为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器中传感模块与数据采集模块自定义数据包时间戳的格式。
图8为本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器的上位机界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解的是，本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
本发明的传感器结构采用创新设计，通过PDMS做的弹性空腔在气压计周围形成5mm×5mm×2mm大小的空腔，肌电采集的一个电极直接与PDMS固定，而相对于传感器外壳的电极侧是浮动的，这样在电极贴紧皮肤时，肌肉震动引起的浮动电极接触力的变化，通过PDMS的传导以及密闭气室的压缩，转化为气压的变化，从而测量MMG。该结构中浮动电极本身既是EMG的探头，也是MMG的探头，实现EMG-MMG测量系统的模块化和一体化。
如图1所示，本发明一种肌电与压力结合的混合式传感器，主要由传感模块1-8、数据采集模块、无线适配器和上位机所组成，传感模块1-8的结构完全一样。所述传感模块1-8通过自制的type-C接口和数据采集模块相连接，二者之间的信息采用差分形式进行传输提高信号的抗干扰能力，数据采集模块通过无线适配器以无线的方式和上位机相连接，无线连接的方式可以是蓝牙形式，但不局限于蓝牙，也可以是其他无线方式，如Zigbee、Wi-Fi、移动通信、数传电台等。所述传感模块1-8完成肌电图(EMG)和机械地形图(MMG)的测量，MMG采用气压计进行测量，EMG采用两级放大的信号调理电路。传感模块1-8中的肌电电极，既是肌电的电极，也是压力的探头，该电极在轴向具有弹性，相当于可浮动的电极。
传感模块1-8如图2所示，由正电极、负电极、参考电极、电压跟随器、高通滤波电路、一级放大电路、低通滤波电路、二级放大电路、气压计和Type-C接口所组成。所有传感模块1-8的结构与功能完全相同，针对肌电采集部分，经过正电极、负电极采集后的差分信号经电压跟随器提升输入阻抗以后，信号通过高通滤波电路，一级放大电路，低通滤波电路，二级放大电路后提取出有用的肌电信息，放大后的信号然后连接到type-C的接口，另一方面，气压计主要用于测量MMG，气压计的SPI输出信号也直接连接到type-C接口，传感模块1-8的供电由数据采集板提供，同样是通过type-C的接口。
传感模块的分解结构和剖面结构如图4、图5所示，采用创新设计，由正电极1、参考电极2、负电极3、盖板4、垫圈5、PDMS空腔6、传感器PCB7和底壳8所组成，浮动电极是基于PDMS定制的空腔，空腔粘在电路板上的气压计周围，形成密闭的空间，同时中间的电极通过垫片与PDMS整体固定，由于PDMS具有弹性，而电极被限定为只能轴向运动，因此电极可以用来作为施加在电极上的压力的探头。传感模块1-8中的气压计放在电路板的正中央，且四周空白不布任何元器件，禁布区大小为10mm×10mm，该设计保证PDMS腔体后续的良好密封。
数据采集模块如图3所示，由多通道模数转换器、电源部分、控制器和无线模块所组成，控制器可以采用单片机、DSP或FPGA，电源部分为数据采集模块和传感模块1-8供电，多通道数模转换器通过type-C接口将传感模块1-8输出的差分信号转换为数字肌电信号，控制器通过SPI接口提取传感模块1-8中气压计模块输出的数字压力信息和时间信息，控制器将数字肌电信号、数字压力信号和时间信号按照自定义数据帧或基于分段TCP协议无线传输协议通过无线方式发送给上位机，数据传输时可以选择不加密或加密处理，加密时可以选择AES-256加密算法，但是不局限于该加密算法，提高了数据的安全性。
混合式传感器中type-C接口数据定义表如表1所示，type-C接口包含电源信号、数字地、模拟地、差分模拟信号和数字信号几种形式，为了提高信号的抗干扰能力，传感模块1-8的肌电信号DataN_p、DataN_n(其中N＝1-8)在传输时采用差分的形式，差分线的周围采用地线(AGND)进行包围。传感模块1-8的气压计模块和数据采集模块之间的接口是SPI，数据采集模块通过地址线CSN(其中N＝1-8)实现对传感模块的选择，传感模块1-8共用数据线DATA、时钟线CLK和数字地(DGND)。数据采集模块为传感模块1-8提供电源信号，电源信号采用主电源线(包括VCC和GND)和备份电源线(包括VCC1和GND1)并联的方式，增加了供电的可靠性。传感模块1-8和数据采集模块的模拟地和数字地分开，电源地、模拟地、数字地最终在硬件上一点接地。
表1
Figure GDA0003381743470000071
Figure GDA0003381743470000081
数传感模块与数据采集模块自定义数据包的格式如图6所示。自定义数据包的每一帧数据包含1字节的帧头0xAB，1字节的帧长，9字节的时间戳，80字节的数据，1字节的帧尾0xBA，以及1字节的校验和，校验和的计算包括帧头和帧尾。自定义数据包时间戳的格式如图7所示，分别为8421码的年、月、日、时、分、十六进制毫秒的高8位，十六进制毫秒的低八位，十六进制微秒的高八位，十六进制微秒的低八位。
上位机界面示意图如图8所示，串口号可以罗列出计算机所拥有的所有串口，波特率可以设置当前打开串口的波特率，最高支持921600，启动按钮代表程序启动入口，保存文件可随时决定计算机收到的数据经过转换之后是否存储，路径标识文件存储的位置(如不选路径，则默认存储到当前程序所运行的目录)，接收数据框可显示装置通过串口上送的数据(支持清除操作)，发送数据框可输入想要下发的数据，经过发送操作可下发到装置，对时按钮可对装置进行对时。选择对应串口以及波特率后点击启动按钮即可进行数据接收，点击停止按钮可停止数据接收，所有数据接收和发送都使用十六进制。在启动以后，程序会自动向装置发送一次对时，如后续再对时，点击对时按钮即可。文件名字以时间格式命名且每次点击启动以后建立一个文件实际存储内容按照时间戳，数据中间加空格结尾回车换行的方式进行存储。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，包括传感模块1-8、数据采集模块、无线适配器和上位机，所述传感模块1-8通过type-C接口和数据采集模块相连接，数据采集模块通过无线适配器以无线的方式和上位机相连接；
所述传感模块1-8用于完成肌电图和机械地形图的测量，肌电图采用两级放大的信号调理电路进行测量，机械地形图采用气压计进行测量；
所述传感模块1-8的肌电电极，既是肌电的电极，也是压力的探头，浮动电极是基于PDMS定制的空腔，空腔粘在电路板上的气压计周围，形成密闭的空间，中间的电极通过垫片与PDMS整体固定，电极在轴向具有弹性，被限定为只能轴向运动，作为施加在电极上的压力的探头；
所述传感模块1-8中的气压计置于电路板正中央，且四周空白不布任何元器件，禁布区大小为10mm×10mm；
所述传感模块1-8由正电极、负电极、参考电极、电压跟随器、高通滤波电路、一级放大电路、低通滤波电路、二级放大电路、气压计和Type-C接口组成；一方面，肌电采集部分，经过正电极、负电极采集后的差分信号经电压跟随器提升输入阻抗以后，信号通过高通滤波电路，一级放大电路，低通滤波电路，二级放大电路后提取出有用的肌电信息，放大后的信号然后连接到type-C的接口，另一方面，气压计用于测量机械地形图，气压计的SPI输出信号也直接连接到type-C接口，传感模块1-8的供电由数据采集板提供，同样是通过type-C的接口。
2.根据权利要求1所述的一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，所述数据采集模块由多通道模数转换器、电源部分、控制器和无线模块所组成，控制器采用单片机、DSP或FPGA，电源部分为数据采集模块和传感模块1-8供电，多通道数模转换器通过type-C接口将传感模块1-8输出的差分信号转换为数字肌电信号，控制器通过SPI接口提取传感模块1-8中气压计模块输出的数字压力信息和时间信息，控制器将数字肌电信号、数字压力信号和时间信号通过无线方式发送给上位机。
3.根据权利要求1所述的一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，所述上位机可以对数据采集模块进行对时，确保传感器之间数据时间同步性。
4.根据权利要求1所述的一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，所述传感模块1-8通过自制的type-C接口和数据采集模块相连接，二者之间的信息采用差分形式，数据采集模块通过无线适配器以无线的方式和上位机相连接，无线连接的方式是蓝牙形式，Zigbee、Wi-Fi、移动通信、或数传电台。
5.根据权利要求1所述的一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，所述数据采集模块和上位机之间数据传输进行加密处理，使用AES-256加密算法。
6.根据权利要求1所述的一种肌电与压力结合的混合式传感器，其特征在于，数据采集模块和上位机之间的数据传输可以兼容自定义数据加密传输协议和基于分段TCP协议无线传输协议。
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