本發(fā)明涉及力觸覺激勵、生物電采集與識別的儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種同步檢測觸覺刺激力和肌電信號的觸覺檢測裝置。

背景技術(shù)：

觸覺作為一種不同于視覺和聽覺的感覺，更多的受主觀感情因素影響，因而存在一定的個體差異，近幾年隨著虛擬現(xiàn)實、運動與健康科學等領(lǐng)域的興起，觸覺激勵相關(guān)方面的研究重新進入人們的視野。皮膚作為哺乳動物重要的感覺器官，是一種具有觸點非常密集非常靈敏的感受器，皮膚通過接觸或觸摸可以獲得相應(yīng)的感受信息。隨著神經(jīng)醫(yī)學、康復(fù)工程的發(fā)展，人們對皮膚觸覺分析相關(guān)的研究越來越重視。目前，市場上對該類檢測傳感器需求比較大，相關(guān)的新傳感器比較多，其中相關(guān)生物信號放大模塊是表面肌電信號的重要部件之一，而無痛和便攜性成為評判相關(guān)性能的重要指標。

常見相關(guān)物刺激信號測量方法通過一觸發(fā)信號輸入刺激裝置而產(chǎn)生相應(yīng)刺激信號，該刺激一般為力刺激或電刺激等等。該刺激信號依據(jù)其形態(tài)，通過不同的方式刺激待測生物體，生物體在接收刺激信號后會產(chǎn)生相應(yīng)的生理信號，該生理信號被感測裝置所量得，并直接存入相應(yīng)的信號處理裝置內(nèi)，整個過程刺激裝置和感測裝置都是同步的。相關(guān)的處理數(shù)據(jù)具有同步性，通過該同步信號，即可得知該生物體數(shù)據(jù)資料，據(jù)此作出相關(guān)分析及評估。近年來市面上關(guān)于相關(guān)的裝置比較多，其缺陷在于：第一，電子器件暴露在強磁場環(huán)境下，極大影響數(shù)據(jù)的可靠性；第二，采用低頻脈沖信號，導(dǎo)致偏心馬達頻率響應(yīng)不高，裝置體積較大，不容易固定，便攜性太差；第三，價格昂貴，制約了相關(guān)產(chǎn)品普及化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、能夠?qū)ι矬w表面肌電信號進行放大，同時使觸覺刺激力頻率可調(diào)的同步檢測觸覺刺激力和肌電信號的觸覺檢測裝置。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：一種同步檢測觸覺刺激力和肌電信號的觸覺檢測裝置，包括可調(diào)力觸覺激勵裝置和肌電信號采集放大裝置，所述可調(diào)力觸覺激勵裝置包括用于發(fā)送脈沖并帶動偏心輪轉(zhuǎn)動的交流電機機構(gòu)、用于產(chǎn)生彈性形變的彈性鋼尺機構(gòu)、用于產(chǎn)生力數(shù)據(jù)的偏心輪機構(gòu)和用于產(chǎn)生豎直方向上位移以改變刺激生物體表皮的探針機構(gòu)，所述交流電機機構(gòu)與偏心輪機構(gòu)固連，所述偏心輪機構(gòu)的偏心輪緊貼在彈性鋼尺機構(gòu)的彈性鋼尺上，彈性鋼尺機構(gòu)的下端面固設(shè)探針機構(gòu)；所述肌電信號采集放大裝置包括前級放大電路，其輸入端接收人體表面的肌電信號，其輸出端依次通過四階低通濾波電路、50Hz工頻陷波電路、后級放大電路和電平抬升電路與低功耗微控制器的輸入端相連，低功耗微控制器通過無線藍牙模塊與STM32微控制器無線通訊。

所述交流電機機構(gòu)包括交流電機和電機驅(qū)動器，所述偏心輪機構(gòu)由偏心輪、軸套和延長軸組成，所述偏心輪通過緊固螺栓與軸套相連，軸套通過緊固螺栓與延長軸相連，延長軸通過緊固螺栓與交流電機的電機輸出軸軸連。

所述彈性鋼尺機構(gòu)包括彈性鋼尺、X軸方向微調(diào)裝置、Y軸方向微調(diào)裝置和上支撐板，所述彈性鋼尺和上支撐板均為水平布置，所述上支撐板位于彈性鋼尺的上方，所述上支撐板通過鐵質(zhì)支撐柱固定在鋼制底板上，上支撐板向下通過緊固螺釘固定安裝X軸方向微調(diào)裝置，X軸方向微調(diào)裝置向下通過緊固螺釘固定安裝Y軸方向微調(diào)裝置，Y軸方向微調(diào)裝置通過緊固螺釘固定在彈性鋼尺上，所述彈性鋼尺向下固定探針機構(gòu)。

所述探針機構(gòu)包括壓力傳感器和探針，壓力傳感器通過緊固螺絲固定在彈性鋼尺的末端上，壓力傳感器的測力方向與彈性鋼尺的振動方向一致，探針粘貼在壓力傳感器上，所述壓力傳感器的輸出端與STM32微控制器的輸入端相連，STM32微控制器的輸出端與PC上位機的輸入端相連。

所述交流電機的外表面包裹防電磁材料,所述交流電機固設(shè)在大泡沫板上。

所述前級放大電路包括放大器U1A，其正相輸入端通過電阻R1接表面肌電信號IN+信號，其反相輸入端與電阻R3的一端相連，其輸出端與分別與電容C5的一端、電阻R6的一端相連，電容C5的另一端接放大器U2的3腳，電阻R2跨接在放大器U1A的反相輸入端和輸出端上，電阻R6的另一端接放大器U1C的正相輸入端，放大器U1C的反相輸入端與其輸出端相連，且該輸出端接地，電阻R7的一端接放大器U1C的正相輸入端，電阻R4跨接在放大器U1B的反相輸入端和輸出端上，放大器U1B的正相輸入端通過電阻R5接表面肌電信號IN-信號，放大器U1B的輸出端分別接電阻R7的另一端、電容C6的一端，電容C6的另一端接放大器U2的2腳，放大器U2的1腳通過電阻R10接放大器U2的8腳，放大器U2的輸出端作為前級放大電路的輸出端；所述放大器U1A和放大器U1B均采用OPA4277UA芯片，所述放大器U2采用INA118芯片。

所述四階低通濾波電路包括運放U3A，其正相輸入端依次通過電阻R19、電阻R22接前級放大電路的輸出端，運放U3A的正相輸入端與電阻R19的一端相連，電阻R19的另一端與電容C11的一端相連，電容C11的另一端分別與運放U3A的反相輸入端、運放U3A的輸出端相連，運放U3A的輸出端與電阻R20的一端相連，電阻R20的另一端分別與電阻R21、電容C14的一端相連，電阻R21的另一端接運放U3B的正相輸入端，電容C14的另一端分別接運放U3B的反相輸入端、運放U3B的輸出端，運放U3B的輸出端作為四階低通濾波電路的輸出端；所述運放U3A和運放U3B均采用OPA4277UA芯片。

所述后級放大電路包括運放U3C，其正相輸入端與50Hz工頻陷波電路的輸出端相連，其反相輸入端一方面通過電阻R11接地，另一方面通過電阻R12與運放U3C輸出端相連，運放U3C的輸出端通過電阻R13接運放U3D的正相輸入端，運放U3D的反相輸入端分別與電阻R16、電阻R17的一端相連，電阻R16的另一端接地，電阻R17的另一端與運放U3D的輸出端相連，運放U3D的輸出端通過電阻R18與電平抬升電路的輸入端相連；所述運放U3C和運放U3D均采用OPA4277UA芯片。

由上述技術(shù)方案可知，本裝置集成度高，工作安全；由于采用屏蔽裝置，信號穩(wěn)定，環(huán)境造成的噪聲干擾??；無創(chuàng)刺激方式對生物體創(chuàng)傷小，刺激力大小頻率可調(diào)，可以靈活調(diào)制交款頻率范圍的觸覺刺激；涉及電路功能結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用的固定方式，采集信號穩(wěn)定，信號濾波功能強，電路抵抗工頻干擾能力強；系統(tǒng)設(shè)計成本造價低，可擴展性強，有競爭優(yōu)勢，同時由于其結(jié)構(gòu)簡單，作為研究推廣較容易，可以極大的促進相關(guān)運動康復(fù)等研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中可調(diào)力觸覺激勵裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為交流電機啟動前的靜息狀態(tài)到交流電機啟動后的壓力最大狀態(tài)的偏心輪和彈性鋼尺的位置狀態(tài)示意圖；

圖3為本發(fā)明中探針機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為肌電信號采集放大裝置的電路框圖；

圖5、圖6、圖7分別為圖4中前級放大電路、四階低通濾波電路和后級放大電路的電路原理圖。

具體實施方式

如圖1、4所示，一種同步檢測觸覺刺激力和肌電信號的觸覺檢測裝置，包括可調(diào)力觸覺激勵裝置和肌電信號采集放大裝置，所述可調(diào)力觸覺激勵裝置包括用于發(fā)送脈沖并帶動偏心輪轉(zhuǎn)動的交流電機機構(gòu)、用于產(chǎn)生彈性形變的彈性鋼尺機構(gòu)、用于產(chǎn)生力數(shù)據(jù)的偏心輪機構(gòu)和用于產(chǎn)生豎直方向上位移以改變刺激生物體表皮的探針機構(gòu)，所述交流電機機構(gòu)與偏心輪機構(gòu)固連，所述偏心輪機構(gòu)的偏心輪10緊貼在彈性鋼尺機構(gòu)的彈性鋼尺9上，彈性鋼尺機構(gòu)的下端面固設(shè)探針機構(gòu)；所述肌電信號采集放大裝置包括前級放大電路15，其輸入端接收人體表面的肌電信號，其輸出端依次通過四階低通濾波電路16、50Hz工頻陷波電路、后級放大電路17和電平抬升電路與低功耗微控制器的輸入端相連，低功耗微控制器通過無線藍牙模塊與STM32微控制器無線通訊，所述低功耗微控制器采用MSP430F149芯片。

由于SEMG信號幅值很小，在5mv左右，極易受到噪聲干擾，需要前級放大電路15前級放大后才能濾波，放大倍數(shù)為11.64；四階低通濾波電路16用于過濾掉噪聲信號源，獲得有用信號源，在10到160hz左右；SEMG信號經(jīng)過前級放大濾波后，幅值在50mv左右，信號太弱，不能進行采集，經(jīng)過后級放大電路17放大后電壓在0.5v左右；電平抬升電路可以將后級抬升的電壓調(diào)整到AD采集的范圍內(nèi)。KOHZUMOTOR為交流電機型號。肌電信號EMG是眾多肌纖維中運動單元動作電位MUAP在時間和空間上的疊加。表面肌電信號SEMG是淺層肌肉EMG和神經(jīng)干上電活動在皮膚表面的綜合效應(yīng)，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動；相對于針電極EMG，SEMG在測量上具有非侵入性、無創(chuàng)傷、操作簡單等優(yōu)點。肌電信號由接觸人體皮膚的肌電電極貼片通過導(dǎo)聯(lián)信號線傳輸而來的，該電極貼片為醫(yī)用生理電采集貼片，粘貼于人體體表。

如圖1所示，所述交流電機機構(gòu)包括交流電機13和電機驅(qū)動器，所述偏心輪機構(gòu)由偏心輪10、軸套4和延長軸5組成，所述偏心輪10通過緊固螺栓與軸套4相連，軸套4通過緊固螺栓與延長軸5相連，延長軸5通過緊固螺栓與交流電機13的電機輸出軸軸連。所述交流電機13的外表面包裹防電磁材料6，所述防電磁材料6采用銀纖維紗布，所述交流電機13固設(shè)在大泡沫板14上以達到減震效果。

所述偏心輪10的外輪直徑D＝2R＝32mm，內(nèi)輪直徑d＝25mm，偏心距h＝3mm，彈性鋼尺9的長度L＝L1+L2＝1450mm，L1由X軸方向微調(diào)裝置3調(diào)節(jié)，L2為偏心輪10與彈性鋼尺9相切點到彈性鋼尺9最右端的距離長度，最大刺激深度

如圖1、2所示，所述彈性鋼尺機構(gòu)包括彈性鋼尺9、X軸方向微調(diào)裝置3、Y軸方向微調(diào)裝置8和上支撐板1，所述彈性鋼尺9和上支撐板1均為水平布置，所述上支撐板1位于彈性鋼尺9的上方，所述上支撐板1通過鐵質(zhì)支撐柱2固定在鋼制底板7上，上支撐板1向下通過緊固螺釘固定安裝X軸方向微調(diào)裝置3，X軸方向微調(diào)裝置3向下通過緊固螺釘固定安裝Y軸方向微調(diào)裝置8，Y軸方向微調(diào)裝置8通過緊固螺釘固定在彈性鋼尺9上，所述彈性鋼尺9向下固定探針機構(gòu)。上支撐板1和偏心輪10之間沒有接觸，偏心輪10和彈性鋼尺9接觸相切。所述鋼制底板7在實驗中會產(chǎn)生較大振動，影響實驗效果，在實際操作中應(yīng)將鋼制底板7固定在較大的實驗平臺上同時在鋼制底板7上粘貼上相關(guān)的吸振材料。通過正交放置的X軸方向微調(diào)裝置3和Y軸方向微調(diào)裝置8可以精確地改變偏心輪10與彈性鋼尺9的接觸位置，以改變探針11豎直方向的刺激深度，模擬不同的觸覺感受。

如圖1、3所示，所述探針機構(gòu)包括壓力傳感器12和探針11，壓力傳感器12通過緊固螺絲固定在彈性鋼尺9的末端上，壓力傳感器12的測力方向與彈性鋼尺9的振動方向一致，探針11粘貼在壓力傳感器12上，所述壓力傳感器12的輸出端與STM32微控制器的輸入端相連，STM32微控制器的輸出端與PC上位機的輸入端相連。壓力傳感器12接受來自探針11傳來的壓力反饋，并通過有線方式將數(shù)據(jù)傳送給STM32微控制器，微控制器將數(shù)據(jù)進行簡單的去噪處理數(shù)模轉(zhuǎn)換，并通過無線方式傳送給PC上位機。探針11豎直方向移動觸壓皮膚，根據(jù)牛頓第三定律，壓力傳感器12接收反饋來的力信號并將力信號轉(zhuǎn)化成電信號，發(fā)送給STM32微控制器，STM32微控制器實時記錄壓力信號，壓力傳感器就是一個將壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號的裝置。

如圖1、2所示，在交流電機13通電后，通過調(diào)節(jié)交流電機的電機驅(qū)動器產(chǎn)生一定穩(wěn)定脈沖，交流電機13據(jù)此穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，通過軸套4與延長軸5固定的偏心輪10產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)動，壓迫與偏心輪10緊貼的彈性鋼尺9，彈性鋼尺9隨之產(chǎn)生彈性形變，固定在彈性鋼尺9下的探針11產(chǎn)生豎直方向上位移改變刺激相關(guān)生物體表皮，壓力傳感器12實時記錄由探針11刺激過來的反饋壓力信號并通過有線方式傳送給STM32微控制器。整個彈性鋼尺9在水平方向可通過X軸方向微調(diào)裝置3、Y軸方向微調(diào)裝置8進行微調(diào)，從而在皮膚不同位置(精度0.1mm)實現(xiàn)觸覺刺激。

如圖5所示，所述前級放大電路15包括放大器U1A，其正相輸入端通過電阻R1接表面肌電信號IN+信號，其反相輸入端與電阻R3的一端相連，其輸出端與分別與電容C5的一端、電阻R6的一端相連，電容C5的另一端接放大器U2的3腳，電阻R2跨接在放大器U1A的反相輸入端和輸出端上，電阻R6的另一端接放大器U1C的正相輸入端，放大器U1C的反相輸入端與其輸出端相連，且該輸出端接地，電阻R7的一端接放大器U1C的正相輸入端，電阻R4跨接在放大器U1B的反相輸入端和輸出端上，放大器U1B的正相輸入端通過電阻R5接表面肌電信號IN-信號，放大器U1B的輸出端分別接電阻R7的另一端、電容C6的一端，電容C6的另一端接放大器U2的2腳，放大器U2的1腳通過電阻R10接放大器U2的8腳，放大器U2的輸出端作為前級放大電路15的輸出端；所述放大器U1A和放大器U1B均采用OPA4277UA芯片，所述放大器U2采用AD620芯片。IN+信號、IN-信號為混雜多種干擾信號的表面肌電信號，本質(zhì)為微電壓信號，在5mv左右。

如圖6所示，所述四階低通濾波電路16包括運放U3A，其正相輸入端依次通過電阻R19、電阻R22接前級放大電路15的輸出端，運放U3A的正相輸入端與電阻R19的一端相連，電阻R19的另一端與電容C11的一端相連，電容C11的另一端分別與運放U3A的反相輸入端、運放U3A的輸出端相連，運放U3A的輸出端與電阻R20的一端相連，電阻R20的另一端分別與電阻R21、電容C14的一端相連，電阻R21的另一端接運放U3B的正相輸入端，電容C14的另一端分別接運放U3B的反相輸入端、運放U3B的輸出端，運放U3B的輸出端作為四階低通濾波電路16的輸出端；所述運放U3A和運放U3B均采用OPA4277UA芯片。

如圖7所示，所述后級放大電路17包括運放U3C，其正相輸入端與50Hz工頻陷波電路的輸出端相連，其反相輸入端一方面通過電阻R11接地，另一方面通過電阻R12與運放U3C輸出端相連，運放U3C的輸出端通過電阻R13接運放U3D的正相輸入端，運放U3D的反相輸入端分別與電阻R16、電阻R17的一端相連，電阻R16的另一端接地，電阻R17的另一端與運放U3D的輸出端相連，運放U3D的輸出端通過電阻R18與電平抬升電路的輸入端相連；所述運放U3C和運放U3D均采用OPA4277UA芯片。

可調(diào)力觸覺激勵裝置將刺激力信號發(fā)送給STM32微控制器，STM32微控制器的串口通過無線藍牙模塊與上位機雙向通訊。

所述前級放大電路15采用1個能實現(xiàn)高輸入阻抗和高共模抑制比的AD620運算放大器；所述50Hz工頻陷波電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器和一個可調(diào)電阻實現(xiàn)消除49.5～50.5工頻干擾的陷波功能；所述后級放大電路由一個帶有4路放大功能的LM324N放大器構(gòu)成。

結(jié)合圖5、圖6和圖7，所述前級放大電路15采用高共模抑制比、低輸入偏執(zhí)電流的運放U2即運放INA118，增益取R₃₀＝4.7kΩ,則算出前級放大倍數(shù)G1＝11.64,經(jīng)前級放大電路15放大后的數(shù)據(jù)幅值比較小而且微弱不能直接采集，加入的后級放大電路17采用TI公司生產(chǎn)的低漂移低功耗放大器OPA4277，其中后級放大增益所述四階低通濾波器16采用的是高通濾波器和四階巴特沃斯低通濾波電路，由一個OPA4277運算放大器作為高通濾波電路，該四階低通濾波電路16可將肌電信號限制在10～160hz的范圍內(nèi)使得到的信號包含更多的原始信號的頻率分量。

本裝置在交流電機13通電后，通過調(diào)節(jié)交流電機驅(qū)動器產(chǎn)生穩(wěn)定的低頻脈沖驅(qū)動交流電機13轉(zhuǎn)動，偏心輪10隨之同步轉(zhuǎn)動按壓彈性鋼尺9，固定在彈性鋼尺9下的探針11振動方向上下移動刺激生物體皮膚，壓力傳感器12實時記錄反饋過來的壓力信息并通過串口發(fā)送給STM32微控制器，通過調(diào)節(jié)X軸方向的微調(diào)裝置3和Y軸方向微調(diào)裝置8可以改變探針11的最大刺激深度以獲得不同觸覺效果。與此同時，生物體肌電信號通過左端IN1經(jīng)差分電路再通過前級放大電路15、四階低通濾波電路16、50Hz工頻陷波電路、后級放大電路17及電平抬升電路處理，處理得到的肌電信號通過無線藍牙發(fā)射端傳輸給STM32微控制器，在此過程中，藍牙接收端在接收發(fā)送端的肌電信號并確認準確無誤后將肌電傳感器的4路肌電信號同此刻壓力傳感器壓力傳來的壓力信號合并成5路信號通過串口發(fā)送給上位機軟件，上位機軟件設(shè)置好采樣頻率后實時顯示并存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，整個過程同步。所述肌電傳感器包括整個電路模塊，即放大模塊，濾波模塊等，還包括藍牙的發(fā)送端。

綜上所述，本發(fā)明利用交流電機13轉(zhuǎn)動偏心輪10，偏心輪10施力壓迫具有彈性的懸臂梁鋼尺，在彈性鋼尺9末端安裝壓力傳感器12，在壓力傳感器12面板沿測力方向固定刺激探針11，通過調(diào)節(jié)交流電機13的轉(zhuǎn)動頻率控制偏心輪10按壓彈性鋼尺9的頻率，通過調(diào)節(jié)偏心輪10與彈性鋼尺9的作用點控制彈性鋼尺9末端振動幅度，從而使探針11產(chǎn)生力頻率、力振動幅度、力大小可測和可控的振動力，探針11沿振動方向上下移動，刺激人體或動物的皮膚，從而實現(xiàn)一種觸覺刺激力可測和力頻率可調(diào)的觸覺刺激裝置。