CN111820893A

CN111820893A - 一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统

Info

Publication number: CN111820893A
Application number: CN202010585823.0A
Authority: CN
Inventors: 常青; 金文光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-06-24
Filing date: 2020-06-24
Publication date: 2020-10-27

Abstract

本发明公开了一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，包括：采集端，所述采集端包括柔性采集板、核心板和电源板，所述柔性采集板用于采集表面肌肉电信号，并对电信号进行放大、滤波信号处理，所述核心板用于接收处理后的信号，对信号进行模数转换，再将模数转换后的信号与惯性运动信息一起打包发送，其中惯性运动信息包括加速度、角速度和磁场；所述电源板为柔性采集板和核心板提供工作电压；接收端，用于通过低功耗无线蓝牙技术接收打包发送的数据。本系统可应用于手势感知或操控的人机交互系统、人体步态分析的研究、医学中肌肉运动康复的训练等，结构紧凑、穿戴便携、信噪比高、功耗低。

Description

一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统

技术领域

本发明涉及微弱信号采集技术领域，尤其涉及一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统。

背景技术

表面肌电信号（SEMG）是电信号经过神经肌肉的传导在人体表皮产生的综合生物电现象。它是一种电压幅值很小的电信号，信号的幅度范围一般在20μV至300μV，信号的能量主要集中在50Hz至220Hz。通过采集与分析表面肌电信号数据，具有不对人体造成伤害、无痛、操作简便等优势，在手势交互、步态分析、康复医疗等领域都有广泛的应用前景和可观的经济价值。

嵌入式实时操作系统（RTOS）是能够以足够快的速度接收数据并处理事件，其处理的结果又能在短时间之内来控制系统或使系统作出快速响应，并协调所有实时任务有序运行的操作系统。它是一种成本低、占用资源小、功耗低、可靠性强的操作系统，广泛应用于小型智能终端等嵌入式系统中。

低功耗无线蓝牙技术（BLE）采用与经典蓝牙技术（Bluetooth）相同的工作频率，但是低功耗的优势可使产品在相同电量的情况下延长数倍使用时间。其还具有体积小、成本低的优势，可以在医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用中发挥作用。

目前在手势感知和操控领域，一些产品采用深度摄像机（Kinect）进行手势识别，缺点是成本高，存在遮挡的问题；另一些产品采用姿态传感器或弯曲传感器等需要大量的硬件来识别手势，这样的产品不但成本高而且穿戴不方便、视觉上显得笨重，难以在实际生活中推广使用。而在人体步态分析领域，有采用加速度传感器或惯性测量单元（IMU）采集人体运动的步态数据，也有采集足底压力分布数据分析步态的，这些产品具有姿态传感数据精度低、足底压力分布分辨率低的缺点。目前在肌肉运动电信号采集领域，很少有设备能够在无线的状态下完成便携式、低噪声、低功耗的数据采集。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，以解决现有技术存在的穿戴不方便、信噪比低、功耗高的问题。

本发明实施例提供一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，包括：

采集端，所述采集端包括柔性采集板、核心板和电源板，所述柔性采集板用于采集表面肌肉电信号，并对电信号进行放大、滤波信号处理，所述核心板用于接收处理后的信号，对信号进行模数转换，再将模数转换后的信号与惯性运动信息一起打包发送，其中惯性运动信息包括加速度、角速度和磁场；所述电源板为柔性采集板和核心板提供工作电压；

接收端，用于通过低功耗无线蓝牙技术接收打包发送的数据。

进一步地，所述柔性采集板由柔性电路板制作，包括N组肌电干电极和N组肌电信号调理模块，每组肌电干电极与对应的一组肌电信号调理模块相连，构成N通道表面肌电信号采集电路，其中N为正整数。

进一步地，所述核心板由无线微控制器及其外围电路、惯性测量单元和振动器组成，所述无线微控制器集成低功耗无线蓝牙模块和模数转换模块，通过运行嵌入式实时操作系统完成低功耗无线蓝牙的广播、连接和数据收发，同时响应从接收端发送的命令，控制肌电信号数据和惯性运动数据的采集、存储和控制振动器的启停。

进一步地，所述电源板由电源模块和锂电池组成，所述电源模块包括多种电源芯片、充电电路、电压保护电路，通过MicroUSB为3.7V的锂电池进行充电，从而根据核心板的控制为采集板提供±2.5V的稳定电压，为核心板提供2.5V的稳定电压，并优化功耗。

进一步地，每组肌电干电极由三块不锈钢电极组成，其中两片为采集电极，尺寸为10mm×10mm×1mm，两片采集电极之间的距离为20mm，另一片为参考电极，尺寸为10mm×4mm×1mm，位于两片采集电极的中间对称点位置作为参考地。

进一步地，每组肌电信号调理模块集成了四个运算放大器，对表面肌电信号进行两级放大、无源高通滤波和有源低通滤波处理，两级放大通过第一级差分放大电路和第二级低通放大电路实现，其中第一级差分放大电路对信号进行差分放大，第二级放大电路为四阶巴特沃兹低通滤波器，通带为-1dB at 220Hz，阻带为-20dB at 500Hz，放大电路增益为60dB。

进一步地，所述无线微控制器根据用户从接收端发出的命令控制数模转换器的采样频率，从而更改肌电信号和惯性测量单元的采样率以满足不同的应用要求，其中肌电信号的采样率范围为100Hz至500Hz。

进一步地，所述嵌入式实时操作系统通过惯性测量单元检测系统是否处于运动状态，如果在一段时间内装置没有运动，那么判断系统没有在被使用中，从而会关闭一切没有必要开启的资源，进入极低功耗休眠模式；若系统处于运动状态，嵌入式实时操作系统则被唤醒，执行低功耗蓝牙的连接和采集数据等任务。

进一步地，所述柔性采集板、核心板和电源板采用一体化的集成封装工艺，其中每组肌电干电极和每组肌电信号调理模块通过焊盘焊接在一起，而核心板和电源板通过微型接插件与柔性线路板连接，并且核心板和电源板与柔性采集板形成上下叠层的紧凑型结构。

进一步地，接收端接收采集端通过低功耗无线蓝牙技术发送的肌电信号和惯性测量数据，并通过USB串口发送到PC，所述接收端还将PC发出的更改采样率、控制振动器命令通过低功耗无线蓝牙技术发送给采集端，以满足不同的应用需求。

本系统结构可以分为负责信号采集和调理的采集板、负责信号模数转换和数据传输的核心板、以及数据接收和后续处理的接收端三个部分。采集板对表面肌电信号的总放大倍数为60dB，分两级放大，第一级差分放大电路增益为40dB，第二级四阶低通滤波器增益为20dB。核心板MCU采用BLE蓝牙芯片，搭载ti-rtos，对采集板输出的肌电信号进行12位8通道、采样率为100Hz ~ 500Hz的模数转换，同时以BLE从机的角色将表面肌电信号数据与惯性测量单元数据向接收端BLE主机发送。接收端MCU同样采用BLE蓝牙芯片，以BLE主机的角色接收核心板发送的数据并进行格式转换，再通过USB传送给PC进行后续的肌电信号处理与分析等应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的方案图；

图2为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的系统结构设计图；

图3为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的采集端外形图；

图4为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的柔性采集板实物图；

图5为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的核心板实物图；

图6为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的核心程序结构；

图7为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的建立低功耗蓝牙连接过程；

图8为本发明实施例提供的便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统的测试示例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，对本发明产品作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，包括：采集端1，所述采集端1包括柔性采集板3、核心板4和电源板5，所述柔性采集板3用于采集表面肌肉电信号（sEMG），并对电信号进行放大、滤波信号处理，所述核心板4用于接收处理后的信号，对信号进行模数转换，再将模数转换后的信号与惯性运动信息一起打包发送，其中惯性运动信息包括加速度、角速度和磁场；所述电源板5为柔性采集板3和核心板4提供工作电压；接收端2，用于通过低功耗无线蓝牙技术接收打包发送的数据。

进一步地，接收端可以通过UART发送至PC，以进行下一步的数字滤波、算法去噪、检测识别等处理和应用。本系统的结构设计如图2所示。每个部分的设计在后面的小节中有具体介绍。本系统的采集板由柔性电路板（FPC）制作，主要由不锈钢电极、AD8609芯片及其相关电路组成，其正反面如图4所示。不锈钢电极的尺寸为10mm×10mm×1mm，两片采集电极之间的距离为20mm。每个通道除了贴有两片采集电极外，还在其中间对称点位置贴有一片参考电极，尺寸为10mm×4mm×1mm，作为参考地，以尽量抑制共模干扰。

AD8609芯片集成了四个运算放大器，对表面肌电信号进行两级放大。第一级差分放大电路对信号进行差分放大，放大倍数为40dB；第二级放大电路为四阶巴特沃兹低通滤波器，通带为-1dB at 220Hz，阻带为-20dB at 500Hz，增益为20dB。柔性采集板通过FPC接插件连接电源板与核心板，放大后的肌电信号接入核心板的ADC接口。

本系统的核心板主要由CC2640R2F芯片及其外围电路、MPU9250芯片及其外围电路、2.4GHz天线等部分组成，其正、反两面如图5所示。

CC2640R2F芯片是一款无线微控制器，适用于Bluetooth 5 低功耗（BLE）的应用，具有极低的有源RF和MCU电流。该芯片主处理器为32位ARM® Cortex®-M3内核，具有丰富的外设功能集，其中包括一个独特的超低功耗传感器控制器（Sensor Controller），其功能均可在TI实时操作系统（TI-RTOS）中完成。MPU9250是最小的九轴运动跟踪设备之一，在降低了芯片尺寸和功耗的同时提高了性能。它包含一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计以及三轴数字罗盘（磁力计）。

本系统使用Sensor Controller实现控制ADC的采集、控制IIC与MPU9250通信、数据的存储与对IO口的控制，在主处理器的主任务中完成BLE广播、BLE连接、数据的提取与打包发送等功能。核心程序运行结构如图6所示。

首先在本采集环端电开机后，同时打开接收端电源，即发起BLE连接。连接完成后，核心板BLE从机运行Sensor Controller，控制IO口打开采集板电源，默认以200Hz的采样率打开ADC进行8通道的模数转换，默认以50Hz的采样率打开IIC控制惯性测量单元进行采样，同时将数据存储在环形缓存区内。在存储的数据达到一定的阈值后，当主任务没有数据在发送中即空闲时，Sensor Controller会发出中断。主任务检测到中断后，从环形缓存区内取出数据并进行打包发送给接收端，发送完毕后清除中断标志并重新使能中断。若BLE连接断开，主任务会结束Sensor Controller，关闭ADC、IIC以及采集板电源，进入低功耗状态，等待下一次连接。

在低功耗状态运行中，本系统通过惯性测量单元的加速度计检测采集端是否处于运动状态。如果在一段时间内采集端没有运动，那么可以判断采集端没有在被使用中，进而将核心板上没有必要开启的资源关闭，进入极低功耗的休眠模式；当采集端恢复运动状态，本系统将被唤醒，执行发起BLE连接和采集数据等任务。

本系统的核心板与接收端通过低功耗蓝牙技术（BLE）进行数据传输，核心板MCU作为BLE从机（Slave）的角色，接收端MCU作为BLE主机（Master）的角色，BLE主从机之间建立连接的过程如图7所示。

BLE之间进行数据通信的方式主要有write、read、notify和indicate四种，前两者由Master主动向Slave进行写、读操作，后两者由Slave主动向Master传输数据。其中notify方式在传输速率上是最高效的。Notify基于GATT层发送数据，可以依靠更底层的链路层保证空中数据不丢失，所以只要控制好notify的速率，以及使Master及时读取传来的数据，就能保证数据传输的可靠性。为了保证传输的高速率，本系统的Slave采用notify方式向Master传输表面肌电信号数据。

以notify方式传输数据，需要在BLE从机定义一个Characteristic结构体，其Value定义为一个字符型数组，用于存储从数据缓存区读取的表面肌电信号数据，其它属性参数按照notify方式的需求设置。关于这个数组的长度，根据BLE 5协议栈的规定，本系统设置为240字节，从而可以做到单次打包15帧的8通道肌电信号数据，或者12帧的8通道肌电信号数据与48字节的惯性测量单元数据进行发送。接收端BLE主机在与BLE从机成功建立连接后，就可以接收从机发送来的消息。当主机底层收到来自从机的消息，会自动判断消息类型，如果属于notify消息，也就是携带了表面肌电信号数据，则进入数据处理函数，将Value中的数据以一定的格式封装再通过UART发送给PC。

除了以notify方式传输数据，接收端BLE主机还根据需要向BLE从机发起write通信操作。通过write操作修改BLE从机特定服务的Characteristic特征值，来完成PC发起的修改采样率、启动振动器等控制命令，实现多采样率肌电信号采集和对手臂的振动反馈。

图8是受试者佩戴本采集环于前臂肌腹部，做手掌张开动作时采集到的8个通道的表面肌电信号的其中4个通道，从左至右、从上至下依次为通道1至通道4。观察可知，通道1、通道2和通道4的表面肌电信号十分明显，噪声相对来说较小，采集结果较为理想；通道3刚好接触了前臂桡骨外侧，因此噪声非常大。经过多次测试，表面肌电信号采集的质量与装置和皮肤之间接触的紧密程度、皮肤的测前准备相关。而良好的皮肤测前准备能够提高信号质量。

为了适合大部分人佩戴，本专利制作的采集环是周长可伸缩的、采取长度灵活可变的连接方式，如图3所示。其外壳由树脂制作，用硅胶绑带连接而成。因此本系统中采集板使用定制化柔性线路板，核心板内嵌于树脂外壳中，与柔性采集板连接，并设计独立的电源板统一向采集板、核心板供电。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种便携的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，包括：

采集端（1），所述采集端（1）包括柔性采集板（3）、核心板（4）和电源板（5），所述柔性采集板（3）用于采集表面肌肉电信号，并对电信号进行放大、滤波信号处理，所述核心板（4）用于接收处理后的信号，对信号进行模数转换，再将模数转换后的信号与惯性运动信息一起打包发送，其中惯性运动信息包括加速度、角速度和磁场；所述电源板（5）为柔性采集板（3）和核心板（4）提供工作电压；

接收端（2），用于通过低功耗无线蓝牙技术接收打包发送的数据。

2.根据权利要求1所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述柔性采集板（3）由柔性电路板制作，包括N组肌电干电极（6）和N组肌电信号调理模块（7），每组肌电干电极（6）与对应的一组肌电信号调理模块（7）相连，构成N通道表面肌电信号采集电路，其中N为正整数。

3.根据权利要求1所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述核心板（4）由无线微控制器（8）及其外围电路、惯性测量单元（9）和振动器（10）组成，所述无线微控制器（8）集成低功耗无线蓝牙模块（11）和模数转换模块（12），通过运行嵌入式实时操作系统（13）完成低功耗无线蓝牙的广播、连接和数据收发，同时响应从接收端（2）发送的命令，控制肌电信号数据和惯性运动数据的采集、存储和控制振动器（10）的启停。

4.根据权利要求1所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述电源板（5）由电源模块（14）和锂电池（15）组成，所述电源模块（14）包括多种电源芯片、充电电路、电压保护电路，通过MicroUSB为3.7V的锂电池（15）进行充电，从而根据核心板（4）的控制为采集板（3）提供±2.5V的稳定电压，为核心板（4）提供2.5V的稳定电压，并优化功耗。

5.根据权利要求2所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，每组肌电干电极（6）由三块不锈钢电极组成，其中两片为采集电极，尺寸为10mm×10mm×1mm，另一片为参考电极，尺寸为10mm×4mm×1mm，位于两片采集电极的中间对称点位置作为参考地。

6.根据权利要求2所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，每组肌电信号调理模块（7）集成了四个运算放大器，对表面肌电信号进行两级放大、无源高通滤波和有源低通滤波处理，两级放大通过第一级差分放大电路和第二级低通放大电路实现，其中第一级差分放大电路对信号进行差分放大，第二级放大电路为四阶巴特沃兹低通滤波器，通带为-1dB at 220Hz，阻带为-20dB at 500Hz，放大电路增益为60dB。

7.根据权利要求3所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述无线微控制器（8）根据用户从接收端（2）发出的命令控制数模转换器的采样频率，从而更改肌电信号和惯性测量单元的采样率以满足不同的应用要求，其中肌电信号的采样率范围为100Hz至500Hz。

8.根据权利要求3所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述嵌入式实时操作系统（13）通过惯性测量单元（9）检测系统是否处于运动状态，如果在一段时间内装置没有运动，那么判断系统没有在被使用中，从而会关闭一切没有必要开启的资源，进入极低功耗休眠模式；若系统处于运动状态，嵌入式实时操作系统（13）则被唤醒，执行低功耗蓝牙的连接和采集数据等任务。

9.根据权利要求1-8所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，所述柔性采集板（3）、核心板（4）和电源板（5）采用一体化的集成封装工艺，其中每组肌电干电极（6）和每组肌电信号调理模块（7）通过焊盘焊接在一起，而核心板（4）和电源板（5）通过微型接插件与柔性线路板连接，并且核心板（4）和电源板（5）与柔性采集板（2）形成上下叠层的紧凑型结构。

10.根据权利要求1所述的无线穿戴式肌肉运动信号采集系统，其特征在于，接收端（2）接收采集端（1）通过低功耗无线蓝牙技术发送的肌电信号和惯性测量数据，并通过USB串口发送到PC，所述接收端（2）还将PC发出的更改采样率、控制振动器（10）命令通过低功耗无线蓝牙技术发送给采集端（1），以满足不同的应用需求。