CN114795251A

CN114795251A - 一种面部肌电检测电极及检测装置

Info

Publication number: CN114795251A
Application number: CN202110060954.1A
Authority: CN
Inventors: 赵新刚; 徐壮; 张道辉; 张弼; 姚杰; 赵明
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明涉及一种面部肌电检测电极及检测装置，系统包括：面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元、上位机单元以及电源管理单元。面部肌电检测电极为柔性肌电电极，用于感受人体的面部肌电信号，信号调理单元对所采集的肌电信号进行放大、滤波处理，主控单元负责对调理后的信号进行采集，采集后的数据将通过无线通信单元传输至上位机单元，上位机单元通过软件对采集的数据进行处理，并完成肌电信号的解码以及动作指令的识别，电源管理单元负责对该装置进行供电。本发明提供的一种面部肌电检测电极及检测装置，便携舒适、可穿戴性强，可与人体皮肤紧密贴合，实现多通道的表面肌电信号采集。

Description

一种面部肌电检测电极及检测装置

技术领域

本发明涉及智能人机交互设备领域，具体地说是一种面部肌电检测电极及检测装置。

背景技术

表面肌电信号作为一种常见的人体生理信号被广泛应用于人机交互系统中，以完成助力机器人、康复机器人等系统的交互控制。由于操作者自身的原因或是操作系统复杂性的需要，如康复治疗中的面瘫患者、高位截瘫患者等，常常会出现无法使用双手的情况，这就需要通过面部肌电完成康复效能评估及指令的交互。

目前针对表面肌电信号检测的系统大多针对人体的四肢，通过所采集的肌电信号进一步完成手势动作识别、下肢关节运动估计的功能。由于人体四肢的肌肉较面部相比更为发达，当使用常规的肌电检测装置进行面部肌电检测时，会出现装置灵敏度欠佳的情况，使得面部肌电信号不能有效的识别；同时由于面部肌肉群分布较为密集，而传统的电极贴式肌电电极，难以对多个肌肉群进行有效的区分，无法做到精细的面部肌电指令分类；此外，在进行发音、咀嚼等面部动作时，传统的电极无法有效的跟随皮肤变形，在肌电检测时极易发生电极脱落等情况，而导致肌电信息丢失。因此，需要一种针对面部肌电信号检测的电极和装置，以满足面部肌电指令识别的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种面部肌电检测电极及检测装置，采用基于柔性可延展面部肌电电极的设计，使得系统可紧密贴合在皮肤表面，根随皮肤变形完成肌电信号的稳定采集。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种面部肌电检测电极，包括肌电电极点、连接线以及连接头，其中，肌电电极点，用于采集人体面部肌电信号，并将采集的肌电信号通过连接线发送给连接头，连接头将肌电信号发送给外部电路。

所述肌电电极点为多个，肌电电极点为圆形导电金属盘。

所述连接线为波浪形，每个肌电电极点和连接头之间由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一根绝缘连接线相连。

所述连接头为多芯FPC公头连接器。

一种面部肌电检测装置，包括顺序连接的面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元以及上位机，还包括分别与信号调理单元、主控单元、无线通信单元连接的电源管理单元，其中：

面部肌电检测电极，包括肌电电极点、连接线以及线接头，其中，肌电电极点，用于采集人体面部肌电信号，并将采集的肌电信号通过连接线发送给连接头，连接头将肌电信号发送给信号调理单元；

信号调理单元，用于对肌电信号进行处理，并将处理后的肌电信号发送给主控单元；

主控单元，用于对处理后的肌电信号进行模数转换，生成肌电数据，并通过无线通信单元发送给上位机；

上位机，用于对接收到的肌电数据进行处理，进而通过机器学习或深度学习方法，完成肌电信号的解码以及动作指令的识别；

电源管理单元，用于分别给信号调理单元、主控单元、无线通信单元供电。所述信号调理单元包括顺序连接的隔直网络电路、前置放大电路、带通滤波电路、信号放大电路、工频陷波电路，每个电路均与电源管理单元连接，隔直网络电路与面部肌电检测电极中的连接头相连，工频陷波电路与主控单元相连，

其中：

隔直网络电路，用于消除肌电信号中的极化电压；

前置放大电路，用于提高电路阻抗，从而减少肌电信号中的噪声；

带通滤波电路，用于滤除肌电信号的高频噪声和低频噪声；

信号放大电路，用于分级放大肌电信号；

工频陷波电路，用于消除肌电信号中的工频干扰。

所述信号调理单元设于封闭金属壳体内，以屏蔽电磁干扰。

上位机对肌电数据进行的处理包括：数据解析、数字滤波、类别标签校正、特征提取。

所述电源管理单元的供电方式为锂电池供电。

所述电源管理单元具有充电功能和过电保护功能。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明提供了一种面部肌电检测电极及检测装置，该装置便携、舒适，可有效适应面部肌电信号的采集需求；所提出的面部肌电电极具有柔性可延展功能，能够稳定的贴合皮肤表面跟随皮肤变形，实现面部肌电信号的稳定检测。

附图说明

图1是本发明的面部肌电检测装置原理框图；

图2是本发明的面部肌电检测电极结构示意图；

图3是本发明的面部肌电检测电极粘贴位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

一种面部肌电检测电极及检测装置，包括以下部分：

面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元、上位机单元以及电源管理单元；所述面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元、上位机单元依次连接，所述电源管理单元为信号调理单元、主控单元、无线通信单元供电。

可采集肌电信号的通道数为20通道。

面部肌电检测电极，由肌电电极点、波浪形连接线及连接头构成，可附着于人体面部皮肤表面，感受人体的面部肌电信号。

信号调理单元，包括：隔直网络电路、前置放大电路、带通滤波电路、信号放大电路、工频陷波电路等几个部分。

无线通信单元，采用WIFI通信的方式完成采集数据的无线传输。

上位机单元，通过上位机软件可完成肌电数据的解析、处理、解码及面部肌电指令的识别等功能。

电源管理单元，所述的供电方式为锂电池供电，且包含充电功能和过电保护功能。

面部肌电检测电极，可紧密贴合皮肤表面，跟随皮肤变形进行拉伸，实现采集信号的稳定获取。

如图1所示是本发明的面部肌电检测装置原理框图；

一种面部肌电检测电极及检测装置，由面部肌电检测电极1、信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4、上位机单元5以及电源管理单元6等六个部分组成；所述的面部肌电检测电极1、信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4、上位机单元5依次连接，所述电源管理单元6为信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4供电。其中，面部肌电检测电极1作为检测装置的感受器，用于感受人体面部的表面肌电信号；信号调理单元2用于对感受到的微弱表面肌电信号进行信号调理，从而获得有效、高质量的肌电信号；主控单元3通过高精度A/D转换器对调理后的模拟肌电信号进行采集，采集通道数为20；采集后的肌电数据通过无线通信单元4传输至上位机单元5中；上位机单元5，上位机单元5可通过WIFI方式接收无线通信单元4发送的肌电数据，并依据通信协议对该数据进行解析；解析后的数据首先通过IIR数字陷波器滤除信号中残存的工频干扰，再通过巴特沃斯带通滤波器对信号中的噪声进行滤除；滤波后的数据通过归一化处理结合最大面积方法，完成类别标签的校正；然后采用滑动窗口法对校正后数据进行特征提取，所提取的特征包括，肌电平均绝对值、波长、过零点数、斜率变化次数等；最后依据提取后的特征，使用机器学习或深度学习的方法，完成动作指令的识别。电源管理单元6负责对肌电检测装置进行供电，其供电方式为锂电池供电，供电电压为3.7V，且包含充电功能和过电保护功能，装置的充电接口为micro USB接口，可通过连接充电宝等方式完成充电操作。当充电器对锂电池过充电时，为防止因温度上升所导致锂电池爆炸的情况，添加了过电保护功能，通过电压比较器监测电池的充电电压，当充电电压达到额定最大电压时，启动MOS管关断充电回路，即激活过充电保护功能，中止充电。

所述的信号调理单元2由隔直网络电路2-1、前置放大电路2-2、带通滤波电路2-3、信号放大电路2-4、工频陷波电路2-5等五个部分构成。其中隔直网络2-1采用高通网络设计，用于消除由极化电压所带来的影响；前置放大电路2-2由低噪声、低漂移、高共模抑制比仪用运算放大器构成，用于提高系统的输入阻抗，减小检测装置引入的噪声；带通滤波电路2-3由一个二阶有源巴特沃斯型高通滤波器和一个二阶有源巴特沃斯型低通滤波器组成，截止频率分别为10Hz和500Hz，用于滤除肌电信号有效频段外的高、低频噪声；信号放大电路2-4用于表面肌电信号的分级放大，由于肌电信号属于微弱的生理信号，因此需要将信号进行多级放大，避免信号输出端出现饱和的现象；工频陷波电路2-5由双T型陷波电路构成，电路的截止频率为50Hz，用于减小外接环境引入的工频干扰。整个信号调理单元2在装置集成安装过程中应通过金属外壳对电路板进行包裹，以达到电磁屏蔽的目的。

如图2所示是本发明本发明的面部肌电检测电极结构示意图；

所述的面部肌电检测电极，由肌电电极点1-1、波浪形连接线1-2及连接头1-3构成，面部肌电检测电极可搭配柔性硅胶衬底或肌内效贴布，粘贴于人体面部肌肉表面，用于感受人体的面部肌电信号。其中，肌电电极点1-1为由10个直径为1cm的圆形导电金属盘构成，所选材料为金属银，电极厚度为0.4mm，通过导电胶与柔性FPC板的金属焊盘相连接，FPC板的金属焊盘采用沉金工艺进行表面处理，肌电电极点1-1被直接贴合于皮肤表面，检测面部肌电信号；柔性FPC板中的金属导电线为波浪形连接线1-2，用于连接肌电电极点1-1和连接头1-3，任意肌电电极点和连接头之间都由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一根绝缘连接线相连。由于连接线采用波浪形设计，使得连接线构型形成一个平面弹簧结构，在电极跟随皮肤变形而产生拉伸的过程中可产生对应的形变，从而实现稳定的肌电信号采集；连接头1-3由一个间距1mm的10芯FPC公头连接器构成，用于连接面部肌电检测电极1与信号调理单元2。

如图3所示是本发明的面部肌电检测电极粘贴位置示意图；

肌电电极点1-1的粘贴位置应与人体面部肌肉群分布的位置一一对应，其中，101为笑肌、102为降口角肌、103为降下唇肌、104为颧大肌、105为颧小肌、106为提上唇肌。在面部动作指令识别时，上述肌肉群会直接影响整个人体的面部动作，因此采用这种电极-肌肉对应的设计方式会使得面部肌电检测更为准确。在本发明中共计包含两个相同上述面部肌电检测电极，分别放置于左右脸两侧，结合面部肌电检测装置，可有效实现人体面部肌电信号的检测和面部肌电动作指令的识别。

Claims

1.一种面部肌电检测电极，其特征在于，包括肌电电极点、连接线以及连接头，其中，肌电电极点，用于采集人体面部肌电信号，并将采集的肌电信号通过连接线发送给连接头，连接头将肌电信号发送给外部电路。

2.根据权利要求1所述的一种面部肌电检测电极，其特征在于，所述肌电电极点为多个，肌电电极点为圆形导电金属盘。

3.根据权利要求1所述的一种面部肌电检测电极，其特征在于，所述连接线为波浪形，每个肌电电极点和连接头之间由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一根绝缘连接线相连。

4.根据权利要求1所述的一种面部肌电检测电极，其特征在于，所述连接头为多芯FPC公头连接器。

5.一种面部肌电检测装置，其特征在于，包括顺序连接的面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元以及上位机，还包括分别与信号调理单元、主控单元、无线通信单元连接的电源管理单元，其中：

电源管理单元，用于分别给信号调理单元、主控单元、无线通信单元供电。

6.根据权利要求5所述的一种面部肌电检测装置，其特征在于，所述信号调理单元包括顺序连接的隔直网络电路、前置放大电路、带通滤波电路、信号放大电路、工频陷波电路，每个电路均与电源管理单元连接，隔直网络电路与面部肌电检测电极中的连接头相连，工频陷波电路与主控单元相连，其中：

隔直网络电路，用于消除肌电信号中的极化电压；

带通滤波电路，用于滤除肌电信号的高频噪声和低频噪声；

信号放大电路，用于分级放大肌电信号；

工频陷波电路，用于消除肌电信号中的工频干扰。

7.根据权利要求5所述的一种面部肌电检测装置，其特征在于，所述信号调理单元设于封闭金属壳体内，以屏蔽电磁干扰。

8.根据权利要求5所述的一种面部肌电检测装置，其特征在于，上位机对肌电数据进行的处理包括：数据解析、数字滤波、类别标签校正、特征提取。

9.根据权利要求5所述的一种面部肌电检测装置，其特征在于，所述电源管理单元的供电方式为锂电池供电。

10.根据权利要求5所述的一种面部肌电检测装置，其特征在于，所述电源管理单元具有充电功能和过电保护功能。