[發明專利]一種實時識別踝關節運動的肌電信號采集設備及識別方法

有效

• 申請號: 201210151067.6
• 申請日: 2012-05-15
• 公開（公告）號: CN102657527A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 鄭恩昊;陳保君;王啟寧;王龍;魏坤琳
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: A61B5/0488
• 分類號: A61B5/0488;A61B5/11
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;關暢

技術領域

本發明涉及一種智能肢體技術領域中的肌電信號采集系統及方法，特別是關于一種用于實時識別踝關節運動的肌電信號采集設備及識別方法。

背景技術

智能肢體是20世紀末到21世紀初發展起來的新興技術，主要包括外骨骼和智能假肢兩大類；其主要功能特點是能夠根據外界條件的變化（人動作的變化）自動調整肢體系統的參數，使其運動自如，為人提供助力或肢體替代；其在軍事、康復醫療等領域有廣闊的應用前景。針對智能肢體的任務和結構特點，其控制方式主要有如下幾類：操作者控制，直接力反饋控制，地面反作用力(GRF)控制，預編程控制，主從控制和生物信號控制。目前生物信號控制研究中，肌電信號（EMG）研究相對廣泛，其產生的機理是基于生物電現象，通過神經傳導，觸發肌纖維收縮。它不僅反映了神經肌肉的功能狀態，而且超前于肌肉的收縮，用于智能肢體的控制可以降低延遲時間，使智能肢體的運動更加協調平穩。

人下肢有多種運動模態，比如平地走、上下樓梯、跨越障礙物和轉彎等。每一種運動模態都會涉及踝關節的背屈和跖屈，而且每一種運動模態踝關節的運動都由這兩種基本動作組成。對于外骨骼、智能假肢等設備，實時識別人踝關節的動作至關重要，相比上肢假肢和上肢外骨骼，下肢控制要求的穩定性和實時性更強。一但控制決策失誤，穿戴者隨時有摔倒的危險。

一些研究者利用肌電信號來控制下肢假肢設備，識別下肢運動模態。比如基于多核支持向量機的肌電信號分類方法，該方法采用小波系數尺度間相關性消噪法濾除原始信號噪聲，利用消噪后的小波系數進行特征提取，并結合支持向量機和決策樹方法分類；利用肌電信號識別人行走步態周期的方法，利用峰谷分段積分法得到人體行走步態周期。

但是上述系統和方法存在諸多缺點和不足，基于多核支持向量機的肌電信號分類方法，實時性差，信號去噪和特征提取方法復雜，加上支持向量機和決策樹分類方法，整個分類器運算量大，占用了大量時間，不適合假肢或外骨骼設備實時控制。利用峰谷分段積分法識別人行走周期方法，雖然計算相對簡單，但是肌電信號的波形隨著每一個步態周期發生變化，即使同一種運動模態下，每一個步態周期的信號波形也有很大差別，因此會嚴重影響識別效果。因此需要更好的系統來實現踝關節狀態的實時識別。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能采集多通道肌電信號，識別效果穩定，消除肌電信號偏置的實時識別踝關節運動的肌電信號采集設備及識別方法。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種實時識別踝關節運動的肌電信號采集設備，其特征在于：它包括一肌電信號采集電路和一上位機，所述肌電信號采集電路采集肌電信號采集設備模擬信號輸出端的肌電信號，處理后傳輸至所述上位機內，由所述上位機中的數據處理模塊處理后，實時識別踝關節狀態；所述肌電信號采集電路包括一無線接收模塊、多路運放模塊、一單片機和一電源模塊，所述電源模塊為整個肌電信號采集電路供電；肌電信號經所述無線接收模塊分別傳輸至各路所述運放模塊，經放大后輸入所述單片機內，將肌電信號轉化為數字信號后經所述數據傳輸模塊傳輸至所述上位機。

所述電源模塊包括為所述運放模塊供電的+5V電源電路和-5V電源電路，以及為其他芯片供電的5V轉3.3V電源電路；所述+5V電源電路和-5V電源電路都采用型號為LM2575-5的直流開關電源芯片，所述5V轉3.3V電源電路采用型號為LM1117-3.3的低壓差線性穩壓芯片。

所述多路運放模塊為八路，采集八個通道的肌電信號放大后輸出。

每一路所述運放模塊均包括前級偏置電路、線性放大電路和后級偏置電路，所述前級偏置電路提供直流偏置電壓，抵消掉其接收到的肌電信號中偏置電壓對后級放大的影響；所述線性放大電路對所述前級偏置電路輸出的肌電信號進行放大，由所述后級偏置電路中的偏置電壓將放大后的肌電信號電壓轉換至0～3.3V范圍以內。

所述前級偏置電路和線性放大電路共包括四個運算放大器，第一個所述運算放大器與第二個所述運算放大器構成電壓跟隨器，第一個所述運算放大器正向端連接第一個可調電阻，所述第一個可調電阻由5V電源供電；第二個所述運算放大器的正向端連接肌電信號，根據肌電信號的基準電平調節所述第一個可調電阻實現對偏置電壓的調節；所述電壓跟隨器的輸出端連接第三個所述運算放大器的正向端，第三個所述運算放大器將肌電信號和偏置電壓相加，使肌電信號的基準電壓變為0V后，輸入第四個運算放大器內放大后輸出。