CN114631832A - 肌肉信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提高一种肌肉信号采集装置，该肌肉信号采集装置包括：采集电极；佩戴件，所述佩戴件具有用于佩戴于生物体表面的贴合面，所述采集电极安装于所述贴合面，所述佩戴件为柔性且可延展；信号采集组件，所述信号采集组件与所述采集电极电连接，所述信号采集组件设置为基于所述采集电极采集的肌肉电流模拟信号，输出肌肉数字信号。本发明提供的肌肉信号采集装置，通过采集电极采集肌肉电流模拟信号，并通过信号采集组件转化并输出肌肉数字信号，能够提高表面肌电信号采集的准确性，实现稳定采集和可靠的意图识别，扩大表面肌电信号测量的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴设备技术领域，尤其涉及一种肌肉信号采集装置。
背景技术
穿戴式生机接口技术是连接生物体的神经中枢和机电设备的桥梁，是实现生物体和机器自然交互的一个关键环节。用于生物体运动意图识别任务的生机接口，其最终目标是感知和解码生物体的神经中枢的运动意图信息，比如可以对大脑皮层和脊髓等位置的信号进行感知，并将此信息转换为对机电设备的控制指令。现有生机接口研究关注以表面肌电信号为代表的非植入式肌肉信号。
目前对表面肌电采集进行采集的装置，主要是通过记录电极之间的电位差来从皮肤提取表面肌电信号，但在许多实际应用场景中，测量不够准确，信号不稳定，可靠性较差。
发明内容
本发明提供一种肌肉信号采集装置，用以解决现有技术中测量不够准确，信号不稳定，可靠性较差的缺陷，实现提高表面肌电信号采集的准确性，实现稳定采集和可靠的意图识别，扩大表面肌电信号测量的适用范围。
本发明提高一种肌肉信号采集装置，该肌肉信号采集装置包括：
采集电极；
佩戴件，所述佩戴件具有用于佩戴于生物体表面的贴合面，所述采集电极安装于所述贴合面，所述佩戴件为柔性且可延展；
信号采集组件，所述信号采集组件与所述采集电极电连接，所述信号采集组件设置为基于所述采集电极采集的肌肉电流模拟信号，输出肌肉数字信号。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述信号采集组件包括：
数字采样模块，所述数字采样模块的输入端与所述采集电极的输出端电连接，所述数字采样模块用于将所述肌肉电流模拟信号转换为所述肌肉数字信号。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述信号采集组件还包括
跨阻放大模块，所述跨阻放大模块的输入端与所述采集电极的输出端电连接，所述跨阻放大模块的输出端与所述数字采样模块的输入端电连接，所述跨阻放大模块用于将所述采集电极采集到的电流形式的所述肌肉电流模拟信号进行放大，并转换为电压形式的参考电压信号，所述数字采样模块用于将所述参考电压信号转换为所述肌肉数字信号。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述信号采集组件还包括：
电压放大模块，所述电压放大模块的输入端与所述跨阻放大模块的输出端电连接，所述电压放大模块的输出端与所述数字采样模块的输入端电连接，所述电压放大模块用于将所述参考电压信号放大为电压放大信号，所述电压放大信号为处于所述数字采样模块的采样范围。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述信号采集组件还包括：
隔离滤波模块，所述隔离滤波模块的输入端与所述跨阻放大模块的输出端电连接，所述隔离滤波模块的输出端与所述电压放大模块的输入端电连接，所述隔离滤波模块用于进行前后级电路之间的缓冲和隔离。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述信号采集装置还包括：
电池；
电源管理模块，所述电源管理模块的输入端与电池电连接，所述数字采样模块、所述跨阻放大模块、所述电压放大模块和所述隔离滤波模块均与所述电源管理模块的输出端电连接，所述电源管理模块用于将电池输出电压转换为额定供电电压。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述数字采样模块包括STM32F103系列的微控制器；
和/或，所述跨阻放大模块包括OPA170芯片；
和/或，所述电源管理模块包括ASM1117-3.3芯片和TPS60400芯片。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述采集电极为多个，多个所述采集电极间隔开安装于所述贴合面，所述信号采集组件具有多个处理通道，每个所述采集电极与一个对应的所述处理通道电连接。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述佩戴件为柔性可延展织物制成，所述佩戴件具有通孔，所述采集电极为卡扣状，所述采集电极贯穿安装于所述通孔。
根据本发明提供的一种肌肉信号采集装置，所述采集电极为氯化银制成。
本发明提供的肌肉信号采集装置，通过采集电极采集肌肉电流模拟信号，并通过信号采集组件转化并输出肌肉数字信号，能够提高表面肌电信号采集的准确性，实现稳定采集和可靠的意图识别，扩大表面肌电信号测量的适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的肌肉信号采集装置的电路结构示意图；
图2是本发明提供的肌肉信号采集装置的佩戴位置正视图；
图3是本发明提供的肌肉信号采集装置的佩戴位置侧视图。
附图标记：
10：采集电极；20：佩戴件；30：信号采集组件；31：跨阻放大模块；32：隔离滤波模块；33：电压放大模块；34：数字采样模块；35：电源管理模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1至图3描述本发明的肌肉信号采集装置。
如图1、图2和图3所示，本发明提供一种肌肉信号采集装置，该肌肉信号采集装置包括：采集电极10、佩戴件20和信号采集组件30。
佩戴件20具有用于佩戴于生物体表面的贴合面，采集电极10安装于贴合面，佩戴件20为柔性且可延展。
可以理解的是，佩戴件20可以为柔性可延展织物制成，比如可以为棉、麻或者涤纶等绝缘材料制成，佩戴件20可以为闭合环状，佩戴件20可以穿戴于人体的手臂，佩戴件20的贴合面与人体皮肤接触，采集电极10为导电材料制成，比如可以为金属材料制成，采集电极10可以安装在佩戴件20的贴合面，当佩戴件20佩戴于生物体时，采集电极10可以和生物体的皮肤相接触，采集电极10可以采集生物体的表面肌电信号。
表面肌电信号是肌肉收缩过程中产生的电信号在皮肤表面的反映。在肌肉自主收缩过程中，神经中枢产生的电脉冲序列通过α运动神经元的神经肌肉接点传输至支配肌肉的诸多肌纤维细胞，产生肌纤维动作电位，这些动作电位在时间和空间上叠加并传导至皮肤表面，最终表现为表面肌电信号。表面肌电信号一方面包含了丰富的运动神经信息，也就是动作电位叠加，另一方面从理论上提前10-80ms肌肉力的输出，能够呈现出较丰富的生物体运动意图信息。
此处采用采集电极10可以采集到电流形式的表面肌电信号，也就是肌肉电流模拟信号。
信号采集组件30与采集电极10电连接，信号采集组件30设置为基于采集电极10采集的肌肉电流模拟信号，输出肌肉数字信号。
可以理解的是，信号采集组件30可以通过导线和采集电极10电连接，信号采集组件30可以接收到采集电极10采集到的肌肉电流模拟信号，并将肌肉电流模拟信号进行模数转换，得到肌肉数字信号，并将肌肉数字信号输出给与之连接的外部处理设备，供外部处理设备分析表面肌电信号，从而能够识别到生物体运动意图信息。
需要说明的是，穿戴式生机接口的最终目标是感知和解码生物体的神经中枢的运动意图信息，比如可以对大脑皮层和脊髓等位置的信号进行感知，并将此信息转换为对机电设备的控制指令。现有生机接口研究关注以表面肌电信号为代表的非植入式肌肉信号。
值得注意的是，发明人在研发过程中发现，基于电压采集的表面肌电信号测量技术中，一方面，电极之间的皮肤阻抗会由于电位差而在电极之间产生额外的电流，导致不同通道之间的信号串扰；另一方面，实际表面肌电穿戴过程中不可避免的存在汗液情况，如果电极被汗水或者其它液体覆盖，电极间阻抗的变化会降低肌电的信号质量，进而降低后续的识别精度。
通过本发明这种利用采集电极10采集肌肉电流模拟信号的方式，实现以非侵入的测量方式对动作电位在肌肉上叠加并传导至皮肤表面的电流信号的提取与采集，相比现有的电压型表面肌电信号采集技术，本发明从新的信号源提取肌肉电信号，克服了现有电压型肌电信号的交叉串扰与皮肤阻抗变化带来的信号质量下降的局限性，可在测量位置浸水以及测量点皮肤潮湿的条件下使用，实现在电极浸水条件下对肌肉电信号的稳定采集与意图识别，拓宽了表面肌电信号测量技术的适用范围。
本发明提供的肌肉信号采集装置，通过采集电极10采集肌肉电流模拟信号，并通过信号采集组件30转化并输出肌肉数字信号，能够提高表面肌电信号采集的准确性，实现稳定采集和可靠的意图识别，扩大表面肌电信号测量的适用范围。
如图1所示，在一些实施例中，信号采集组件30包括：数字采样模块34。
数字采样模块34的输入端与采集电极10的输出端电连接，数字采样模块34用于将肌肉电流模拟信号转换为肌肉数字信号。
可以理解的是，数字采样模块34可以为集成的微控制器，比如可以采用STM32F103系列的微控制器，其集成的多通道ADC模块将肌肉电流模拟信号进行采样，进行模数转换，转换为肌肉数字信号。
在一些实施例中，采集电极10可以有多个，比如为采集电极10可以为8个，可以采用8通道的数字采样模块34。可以选用STM32的ADC1的前八个通道(PA0～PA7)，使用定时器作为外部事件触发ADC通道进行采样，定时时间到达即触发八个通道的一次采样，循环往复。由于表面肌电信号有效频率在500Hz频段范围内，因此采样频率设置为1kHz。ADC和内存之间采用DMA模式进行数据传输，预先分配指定大小的内存空间，八个通道的数据填满该内存空间之后将触发DMA中断，在中断处理函数中控制串口发送ADC数据，也就是肌肉数字信号，给外部处理设备进行处理。
如图1所示，在一些实施例中，信号采集组件30还包括：跨阻放大模块31。
跨阻放大模块31的输入端与采集电极10的输出端电连接，跨阻放大模块31的输出端与数字采样模块34的输入端电连接，跨阻放大模块31用于将采集电极10采集到的电流形式的肌肉电流模拟信号进行放大，并转换为电压形式的参考电压信号，数字采样模块34用于将参考电压信号转换为肌肉数字信号。
可以理解的是，跨阻放大模块31安装于采集电极10和数字采样模块34的连接电路之间。跨阻放大模块31为一个带有负反馈电路的闭环系统，其中前向通道为跨阻放大电路，实现对nA级别的电流进行放大并转换为0-1V范围的电压信号。由于电源对称性误差以及运动伪影等干扰的影响，肌肉电流模拟信号存在低频干扰，跨阻放大模块31中可以包括低通滤波器，将肌肉电流模拟信号中的直流成分提取反馈至跨阻放大模块31的输入端，抵消直流分量的影响，抑制基线漂移。跨阻放大模块31的运放芯片采用了OPA170。跨阻放大模块31的反馈增益可以由跨阻放大模块31的负反馈电路中的反馈电阻决定，通过对电路系统建模与根轨迹法分析反馈系统稳定性，在保证稳定性的前提下调节反馈电阻实现信号跨阻放大。
跨阻放大模块31可以将电流信号转换为电压信号。
根据表面肌电信号的产生原理，皮肤表面条件变化，例如游泳或洗手，不会妨碍肌肉收缩，皮肤表面电位是肌肉激活的一种次级效应，因此对于大多数肌电信号模型可等效为在肌纤维水平上的电源。
根据电路原理，皮肤表面的表面肌电信号可表示为电压源与内阻Z的串联或者电流源与内阻的并联，内阻Z为肌肉等其它软组织的等效阻抗。此外，在测量电极与皮肤之间存在与皮肤条件相关的阻抗Rs，由于本发明采用等效电流源模式测量肌电电流信号，因此在理论上不受Rs的影响。
如图1所示，在一些实施例中，信号采集组件30还包括：电压放大模块33。
电压放大模块33的输入端与跨阻放大模块31的输出端电连接，电压放大模块33的输出端与数字采样模块34的输入端电连接，电压放大模块33用于将参考电压信号放大为电压放大信号，电压放大信号为处于数字采样模块34的采样范围。
可以理解的是，电压放大模块33安装于跨阻放大模块31和数字采样模块34的连接电路之间。电压放大模块33使用一个线性放大器对参考电压信号进一步放大，可以再经过一个一阶低通滤波器处理，后续数字采样模块34中的模数转换器ADC的采样范围可以是0～3.3V，那么需要使用一个加法器给信号提供一个1.65V的偏置，再输入数字采样模块34，此处电压放大模块33就可以将参考电压信号放大为处于数字采样模块34的采样范围的电压放大信号。
如图1所示，在一些实施例中，信号采集组件30还包括：隔离滤波模块32。
隔离滤波模块32的输入端与跨阻放大模块31的输出端电连接，隔离滤波模块32的输出端与电压放大模块33的输入端电连接，隔离滤波模块32用于进行前后级电路之间的缓冲和隔离。
可以理解的是，隔离滤波模块32安装于跨阻放大模块31和电压放大模块33的连接电路之间。隔离滤波模块32可以包括一阶高通滤波器和电压跟随器，隔离滤波模块32可以消除低频分量，实现前后级电路之间的缓冲与隔离。隔离滤波模块32的输入为跨阻放大模块31的输出端，隔离滤波模块32输出至电压放大模块33。
如图1所示，在一些实施例中，信号采集装置还包括：电池和电源管理模块35。
电源管理模块35的输入端与电池电连接，数字采样模块34、跨阻放大模块31、电压放大模块33和隔离滤波模块32均与电源管理模块35的输出端电连接，电源管理模块35用于将电池输出电压转换为额定供电电压。
可以理解的是，信号采集装置可以使用5V锂聚合物电池供电，电源管理模块35可以将5V电压转换至±3.3V，电源管理模块35可以通过ASM1117-3.3和TPS60400这两块芯片的转换，可分别获得+3.3V和-3.3V两个电源电压，为电路系统的其他模块供电，比如可以为数字采样模块34、跨阻放大模块31、电压放大模块33和隔离滤波模块32进行供电。
在一些实施例中，数字采样模块34包括STM32F103系列的微控制器；和/或，跨阻放大模块31包括OPA170芯片；和/或，电源管理模块35包括ASM1117-3.3芯片和TPS60400芯片。
如图2和图3所示，在一些实施例中，采集电极10为多个，多个采集电极10间隔开安装于贴合面，信号采集组件30具有多个处理通道，每个采集电极10与一个对应的处理通道电连接。
可以理解的是，多个采集电极10可以在佩戴件20上间隔开排布，从而能够测量多路肌肉电流模拟信号，信号采集组件30可以对应具有多个处理通道，每个采集电极10和一个处理通道对应电连接，这样就可以实现对每一路肌肉电流模拟信号的处理，这样能够检测到更丰富的表面肌电信号。
在一些实施例中，佩戴件20为柔性可延展织物制成，佩戴件20具有通孔，采集电极10为卡扣状，采集电极10贯穿安装于通孔。
可以理解的是，佩戴件20上可以具有贯穿的通孔，采集电极10可以卡扣状安装于通孔，在佩戴件20背离贴合面的一侧进行引线，这样能够节省采集电极10在贴合面上的安装空间，便于合理布线，提高采集电极10的安装密度。
在一些实施例中，采集电极10为氯化银制成。
氯化银电极是由表面覆盖有氯化银的多孔金属银浸在含Cl-的溶液中构成的电极。氯化银电极电势稳定，重现性很好。
在一些实施例中，佩戴件20可穿戴至用户的前臂，8个金属材质的采集电极10固定至织物材质的佩戴件20，佩戴件20的贴合面与人体皮肤接触，背离贴合面的侧面与导线连接。本实施例中金属电极采用了氯化银导电扣压制而成，通过导电扣两端卡扣通过织物打孔固定；本实施例中，8个肌电电极在织物横截面方向呈均匀分布。每个采集电极10可以通过单芯屏蔽导线与信号采集组件30中的跨阻放大模块31的输入端连接，信号采集组件30可以集成8个通道的信号输入，因此包括8个通道的跨阻放大模块31、隔离滤波模块32、电压放大模块33和数字采样模块34。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种肌肉信号采集装置，其特征在于，包括：
采集电极；
佩戴件，所述佩戴件具有用于佩戴于生物体表面的贴合面，所述采集电极安装于所述贴合面，所述佩戴件为柔性且可延展；
信号采集组件，所述信号采集组件与所述采集电极电连接，所述信号采集组件设置为基于所述采集电极采集的肌肉电流模拟信号，输出肌肉数字信号。
2.根据权利要求1所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述信号采集组件包括：
数字采样模块，所述数字采样模块的输入端与所述采集电极的输出端电连接，所述数字采样模块用于将所述肌肉电流模拟信号转换为所述肌肉数字信号。
3.根据权利要求2所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述信号采集组件还包括
跨阻放大模块，所述跨阻放大模块的输入端与所述采集电极的输出端电连接，所述跨阻放大模块的输出端与所述数字采样模块的输入端电连接，所述跨阻放大模块用于将所述采集电极采集到的电流形式的所述肌肉电流模拟信号进行放大，并转换为电压形式的参考电压信号，所述数字采样模块用于将所述参考电压信号转换为所述肌肉数字信号。
4.根据权利要求3所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述信号采集组件还包括：
电压放大模块，所述电压放大模块的输入端与所述跨阻放大模块的输出端电连接，所述电压放大模块的输出端与所述数字采样模块的输入端电连接，所述电压放大模块用于将所述参考电压信号放大为电压放大信号，所述电压放大信号为处于所述数字采样模块的采样范围。
5.根据权利要求4所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述信号采集组件还包括：
隔离滤波模块，所述隔离滤波模块的输入端与所述跨阻放大模块的输出端电连接，所述隔离滤波模块的输出端与所述电压放大模块的输入端电连接，所述隔离滤波模块用于进行前后级电路之间的缓冲和隔离。
6.根据权利要求5所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述信号采集装置还包括：
电池；
电源管理模块，所述电源管理模块的输入端与电池电连接，所述数字采样模块、所述跨阻放大模块、所述电压放大模块和所述隔离滤波模块均与所述电源管理模块的输出端电连接，所述电源管理模块用于将电池输出电压转换为额定供电电压。
7.根据权利要求6所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述数字采样模块包括STM32F103系列的微控制器；
和/或，所述跨阻放大模块包括OPA170芯片；
和/或，所述电源管理模块包括ASM1117-3.3芯片和TPS60400芯片。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述采集电极为多个，多个所述采集电极间隔开安装于所述贴合面，所述信号采集组件具有多个处理通道，每个所述采集电极与一个对应的所述处理通道电连接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述佩戴件为柔性可延展织物制成，所述佩戴件具有通孔，所述采集电极为卡扣状，所述采集电极贯穿安装于所述通孔。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的肌肉信号采集装置，其特征在于，所述采集电极为氯化银制成。
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