一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統技術方案

一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，涉及生機電一體化技術領域。本發明專利技術是為了解決現有采集人體肌肉電信號的方法在假肢應用中，肌電信號容易發生漂移，導致識別的精度和準確度下降的問題。本發明專利技術所述的一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，能夠同時采集人體前臂表面肌電信號和近紅外信號，利用表面肌電信號和近紅外信號包含的人體運動信息進行解碼，基于模式識別，識別出動作。提高假肢控制的準確性和抗干擾能力。本發明專利技術適用于為智能假肢提供人體肌肉的生機信號。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于生機電一體化

技術介紹
表面肌電信號是肌肉纖維動作電位經過肌肉、皮下組織、皮膚等濾波作用，時間和空間上疊加形成的。目前絕大多數商業假肢的控制，是用表面肌電電極采集人體前臂的肌肉電信號(Electromyography，EMG)作為信號源，對肌肉電信號包含的信息基于一定策略進行解碼，識別出人的控制意圖，對假肢進行控制。在實際的假肢應用中，長時間使用會使，肌電信號容易發生漂移，導致識別的精度和準確度下降。
技術實現思路
本專利技術是為了解決現有采集人體肌肉電信號的方法在假肢應用中，肌電信號容易發生漂移，導致識別的精度和準確度下降的問題，現提供一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統。一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，它包括：多個采集節點103和數據匯聚單元104；采集節點103包括：表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、無線傳輸和信號處理模塊、電源管理模塊和電池模塊；表面肌電信號采集模塊用于采集人體表面肌電信號，功能性近紅外信號采集模塊用于采集入射到人體皮膚組織并經肌肉組織反射或散射的近紅外光譜，表面肌電信號采集模塊的表面肌電信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的表面肌電信號輸入端，功能性近紅外信號采集模塊的近紅外信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的近紅外信號輸入端，無線傳輸和信號處理模塊將信號通過藍牙傳輸的方式發送至數據匯聚單元104，電池模塊的電壓信號輸出端連接電源管理模塊的電壓信號輸入端，電源管理模塊分別為表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊和無線傳輸和信號處理模塊供電。表面肌電信號采集模塊包括：多個肌電電極201、前置放大電路202、二階高通濾波電路203、四階低通濾波電路204、有源雙T陷波電路205和一號電壓抬升模塊206；功能性近紅外信號采集模塊包括：LED驅動電路208、多波長LED209、光探測器210、二階低通濾波電路211和二號電壓抬升模塊212；無線傳輸和信號處理模塊為藍牙4.1MCU 207，該藍牙4.1MCU207中包括：A/D轉換單元、驅動單元和RF射頻單元；多個肌電電極201分別用于采集人體不同位置的表面肌電信號，多個肌電電極201的表面肌電信號輸出端同時連接前置放大電路202的表面肌模擬信號輸入端，前置放大電路202的放大信號輸出端連接二階高通濾波電路203的放大信號輸入端，二階高通濾波電路203的高通濾波信號輸出端連接四階低通濾波電路204的高通濾波信號輸入端，四階低通濾波電路204的低通濾波信號輸出端連接有源雙T陷波電路205的低通濾波信號輸入端，有源雙T陷波電路205雙T陷波信號輸出端連接一號電壓抬升模塊206的雙T陷波信號輸入端，驅動單元的驅動信號輸出端連接LED驅動電路208的驅動信號輸出端，LED驅動電路208的LED驅動信號輸出端連接多波長LED的LED驅動信號輸入端，多波長LED發出的多波長LED光照射在人體皮膚表面，光探測器210用于采集人體皮膚表面發射和散射的多波長LED光，光探測器210的信號輸出端連接二階低通濾波電路211的信號輸入端，二階低通濾波電路211的低通濾波信號輸出端連接二號電壓抬升模塊212的低通濾波信號輸入端，一號電壓抬升模塊206的模擬信號輸出端和二號電壓抬升模塊212的模擬信號輸出端同時連接A/D轉換單元的模擬信號輸入端，A/D轉換單元的數字信號輸出端連接RF射頻單元的數字信號輸入端。本專利技術所述的一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，能夠同時采集人體前臂表面肌電信號和近紅外信號，利用表面肌電信號和近紅外信號包含的人體運動信息進行解碼，基于模式識別，識別出動作。提高假肢控制的準確性和抗干擾能力。附圖說明圖1為一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統的整體結構示意圖；圖2為采集節點的內部結構示意圖；圖3為肌電電極與前置放大電路之間的具體連接結構示意圖；圖4為功能性近紅外信號采集模塊與無線傳輸和信號處理模塊的具體連接結構示意圖；圖5為充電基座的結構示意圖；圖6為電路板與屏蔽層之間的位置示意圖；圖7為采集節點外殼的結構示意圖；圖8為采集節點與數據匯聚單元通訊的時序示意圖；圖9為腕帶的結構示意圖。具體實施方式具體實施方式一：參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，它包括：多個采集節點103和數據匯聚單元104；采集節點103包括：表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、無線傳輸和信號處理模塊、電源管理模塊和電池模塊；表面肌電信號采集模塊用于采集人體表面肌電信號，功能性近紅外信號采集模塊用于采集入射到人體皮膚組織并經肌肉組織反射或散射的近紅外光譜，表面肌電信號采集模塊的表面肌電信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的表面肌電信號輸入端，功能性近紅外信號采集模塊的近紅外信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的近紅外信號輸入端，無線傳輸和信號處理模塊將信號通過藍牙傳輸的方式發送至數據匯聚單元104，電池模塊的電壓信號輸出端連接電源管理模塊的電壓信號輸入端，電源管理模塊分別為表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊和無線傳輸和信號處理模塊供電。本實施方式中，表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、無線傳輸和信號處理模塊、電源管理模塊和電池模塊均位于硬質外殼內。如圖6所示，表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、電源管理模塊和電池模塊均位于同一塊印制電路板604上，無線傳輸和信號處理模塊位于另一塊印制電路板602上，兩塊印制電路板通過插座連接，且兩塊電路板之間有鎳銀金屬屏蔽層603，601表示鋰電池，200mAh，電壓7.4V，用于為多個采集節點103供電。鋰電池與采集節點外殼上的銅質觸點連接，采集節點在充電基座充電時，外殼上的銅質觸電與基座相應的觸點接觸，進行充電；近紅外光源由鋰電池直接供電，電路中其他芯片的供電電壓由REG113轉換為3.3V，由ICL7660轉換為-3.3V。在實際應用時，多個采集節點103可通過腕帶或雙面膠帶固定在人體上。所述腕帶的結構如圖9所示，包含8個采集電極安裝位，901為采集節點安放槽，902為安放位置間隙，腕帶的材料為聚亞安酯，具有彈性，增加伸縮性，能夠適應不同粗細的手臂。雙面膠帶能夠將采集電極黏貼在皮膚表面，材料為無紡布。數據匯聚單元104將信號發送至PC或智能假肢。數據匯聚單元104通過USB與PC通信；數據匯聚單元104通過UART(通用異步收發傳輸器)與智能假肢通信。如圖8所示，設采集節點為6個，6個采集節點采用時分多址的方式，由數據匯聚中心發出同步時鐘信號，處于接收狀態，采集節點處于廣播狀態，節點接收到時鐘信號以后，產生延遲，按照時序將數據發送給數據匯聚中心(即數據匯聚單元104)，數據匯聚中心可通過USB與電腦連接進行前期訓練或數據處理，可通過UART與假肢連接控制假肢。近紅外光譜方法(NIRS)是近些年來發展起來的非侵入式、無損檢測的方法，近紅外光對人體組織有較強的穿透能力，當近紅外光進入人體組織被吸收和散射后，可得到對應的反射和投射光譜，這種光譜攜帶了人體組織中多種成分信息，可以提取出人體肌肉運動信息，用于假肢控制，聯合表面肌電與功能性近紅外光譜用以提高假肢控制中本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，其特征在于，它包括：多個采集節點(103)和數據匯聚單元(104)；采集節點(103)包括：表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、無線傳輸和信號處理模塊、電源管理模塊和電池模塊；表面肌電信號采集模塊用于采集人體表面肌電信號，功能性近紅外信號采集模塊用于采集入射到人體皮膚組織并經肌肉組織反射或散射的近紅外光譜，表面肌電信號采集模塊的表面肌電信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的表面肌電信號輸入端，功能性近紅外信號采集模塊的近紅外信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的近紅外信號輸入端，無線傳輸和信號處理模塊將信號通過藍牙傳輸的方式發送至數據匯聚單元(104)，電池模塊的電壓信號輸出端連接電源管理模塊的電壓信號輸入端，電源管理模塊分別為表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊和無線傳輸和信號處理模塊供電。

【技術特征摘要】
1.一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，其特征在于，它包括：多個采集節點(103)和數據匯聚單元(104)；采集節點(103)包括：表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊、無線傳輸和信號處理模塊、電源管理模塊和電池模塊；表面肌電信號采集模塊用于采集人體表面肌電信號，功能性近紅外信號采集模塊用于采集入射到人體皮膚組織并經肌肉組織反射或散射的近紅外光譜，表面肌電信號采集模塊的表面肌電信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的表面肌電信號輸入端，功能性近紅外信號采集模塊的近紅外信號輸出端連接無線傳輸和信號處理模塊的近紅外信號輸入端，無線傳輸和信號處理模塊將信號通過藍牙傳輸的方式發送至數據匯聚單元(104)，電池模塊的電壓信號輸出端連接電源管理模塊的電壓信號輸入端，電源管理模塊分別為表面肌電信號采集模塊、功能性近紅外信號采集模塊和無線傳輸和信號處理模塊供電。2.根據權利要求1所述的一種應用于假肢控制的多源生機信號采集系統，其特征在于，表面肌電信號采集模塊包括：多個肌電電極(201)、前置放大電路(202)、二階高通濾波電路(203)、四階低通濾波電路(204)、有源雙T陷波電路(205)和一號電壓抬升模塊(206)；功能性近紅外信號采集模塊包括：LED驅動電路(208)、多波長LED(209)、光探測器(210)、二階低通濾波電路(211)和二號電壓抬升模塊(212)；無線傳輸和信號處理模塊為藍牙4.1MCU(207)，該藍牙4.1MCU(207)中包括：A/D轉換單元、驅動單元和RF射頻單元；多個肌電電極(201)分別用于采集人體不同位置的表面肌電信號，多個肌電電極(201)的表面肌電信號輸出端同時連接前置放大電路(202)的表面肌模擬信號輸入端，前置放大電路(202)的放大信號輸出端連接二階高通濾波電路(203)的放大信號輸入端，二階高通濾波電路(203)的高通濾波信號輸出端連接四階低通濾波電路(204)的高通濾波信號輸入端，四階低通濾波電路(204)的低通濾波信號輸出端連接有源雙T陷波電路(205)的低通濾波信號輸入端，有源雙T陷波電路(205)雙T陷波信號輸出端連接一號電壓抬升模塊(206)的雙T陷波信號輸入端，驅動單元的驅動信號輸出端連接LED驅動電路(208)的驅動信號輸出端，LED驅動電路(208)的LED驅動信號輸出端連接多波長LED的LED驅動信號輸入端，多波長LED發出的多波長LED光照射在人體皮膚表面，光探測器(210)用于采集人體皮膚表面發射和散射的多波長LED光，光探測器(210)的信號輸出端連接二階低通濾波電路(211...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姜力，劉凱，樊紹巍，郭闖強，楊威，張華杰，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23