基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括心電電極、前置放大器、帶通濾波器、后級放大器和單片機；所述心電電極設置于人體肌肉上方表皮處，所述心電電極的輸出端連接所述前置放大器輸入端，所述前置放大器的輸出端連接所述帶通濾波器的輸入端，所述帶通濾波器的輸出端連接所述后級放大器的輸入端，所述后級放大器的輸出端連接所述單片機，所述單片機的輸出端連接直流電機的驅動電路。該系統(tǒng)不僅能夠采集和放大人體肌肉在收縮時的電壓信號，還能夠通過實時輸出信號的頻帶能量來控制直流電機的速度，以達到將肌肉收縮力的大小轉化為裝置運動速度快慢的目的。本系統(tǒng)具有成本低、結構比較簡單、使用方便的優(yōu)勢。
【專利說明】
基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于人體電生理信號檢測與利用技術領域，具體設及基于表面肌電信號的 直流電機速度控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 表面肌肉電信號是神經系統(tǒng)電活動在皮膚表面處時間和空間上綜合疊加的結果。 它是一種無創(chuàng)傷檢測的生物電信號，在對認識和了解人體神經系統(tǒng)信息傳遞、基礎醫(yī)學研 究、臨床診斷、運動醫(yī)學和康復工程中均有廣泛的應用。但目前所使用的表面肌電信號采集 裝置普遍價格昂貴，且大多使用起來不方便，運為肌電控制系統(tǒng)的開發(fā)W及使用帶來諸多 不便。此外，目前主要的控制方法為基于闊值決策的控制方法，在運種控制方法中，表面肌 肉電信號相當于一種開關，當肌電信號的某些特征值超過一定闊值時則判斷有動作執(zhí)行， 否則判斷為沒有，進而通過判斷的結果來控制設備電機的啟停，在運種控制方法下很難使 用表面肌電信號來實現對設備的運動速度進行控制。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對現有技術的不足，本發(fā)明提出基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)及 方法。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是：
[0005] -種基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)，包括屯、電電極、前置放大器、帶 通濾波器、后級放大器和單片機；
[0006] 所述屯、電電極設置于人體肌肉上方表皮處，所述屯、電電極的輸出端連接所述前置 放大器輸入端，所述前置放大器的輸出端連接所述帶通濾波器的輸入端，所述帶通濾波器 的輸出端連接所述后級放大器的輸入端，所述后級放大器的輸出端連接所述單片機，所述 單片機的輸出端連接直流電機的驅動電路；
[0007] 所述屯、電電極，用于采集人體肌肉上方表皮處的電信號；
[0008] 所述前置放大器，用于降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共模 信號、對電信號進行一級放大；
[0009] 所述帶通濾波器，用于對一級放大后的電信號進行濾波；
[0010] 所述后級放大器，用于對濾波后的電信號進行二級放大；
[0011] 所述單片機，用于對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據，對電信 號數據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電信號的平均頻帶能量值得到輸 出信號的占空比，根據該占空比下的PWM波形控制直流電機的轉速。
[0012] 所述根據電信號的平均頻帶能量值得到輸出信號的占空比的具體過程為:建立頻 帶能量與PWM波形占空比的線性模型，根據電信號的平均頻帶能量值和PWM波形占空比的線 性關系確定輸出信號的占空比；
[0013]所述頻帶能量與PWM波形占空比的線性模型如下所示：
[0014] αι = λ X ei ；
[001引其中，α功對應在第i個采集點時信號的輸出占空比，e功對應在第i個采集點時電 信號的平均頻帶能量，λ為線性模型的系數。
[0016] 采用基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)進行直流電機速度控制的方法， 包括：
[0017] 在人體肌肉運動時，通過所述屯、電電極采集人體肌肉上方表皮處的電信號；
[0018] 通過所述前置放大器降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共模信 號、對電信號進行一級放大；
[0019] 通過所述帶通濾波器對一級放大后的電信號進行濾波；
[0020] 通過所述后級放大器對濾波后的電信號進行二級放大；
[0021] 通過所述單片機對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據；
[0022] 通過所述對電信號數據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電信號 的平均頻帶能量值得到輸出信號的占空比，根據該占空比下的nm波形控制直流電機的轉 速。
[0023] 本發(fā)明的有益效果：
[0024] 本發(fā)明提出一種基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)不僅 能夠采集和放大人體肌肉在收縮時的電壓信號，還能夠通過實時輸出信號的頻帶能量來控 制直流電機的速度，W達到將肌肉收縮力的大小轉化為裝置運動速度快慢的目的，本系統(tǒng) 具有成本低、結構比較簡單、使用方便的優(yōu)勢。該系統(tǒng)使用較少的電子器件，可使用電池供 電，且能夠輸出與肌電信號的能量特征相對應的PWM波形來控制直流電機的轉速，通過運種 方式來根據人體使用力的大小來控制外部設備的運動速度。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】中基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)的結構 示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】中前置放大器的電路圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】中帶通濾波器和后級放大器的電路圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】中基于表面肌電信號的直流電機速度控制方法的流程 圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】中無任何動作時右臂化二頭肌處測量到的肌肉電信號 波形圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明【具體實施方式】中右臂用力抬起時化二頭肌測得的肌肉電信號波形 圖。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】加 W詳細的說明。
[0032] -種基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括屯、電電極、前 置放大器、帶通濾波器、后級放大器和單片機。
[0033] 屯、電電極設置于人體右臂化二頭肌上方表皮處，屯、電電極的輸出端連接前置放大 器輸入端，前置放大器的輸出端連接帶通濾波器的輸入端，帶通濾波器的輸出端連接后級 放大器的輸入端，后級放大器的輸出端連接單片機，單片機的輸出端連接直流電機的驅動 電路。
[0034] 屯、電電極，用于采集人體肌肉上方表皮處的電信號。
[0035] 本實施方式中，采集人體肌肉上方表皮處的電信號的屯、電電極可使用一次性屯、電 電極。
[0036] 前置放大器，用于降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共模信號、 對電信號進行一級放大。
[0037] 本實施方式中，前置放大器如圖2所示，包括儀表放大器U1和第一運算放大器U4A， 還包括第一電阻R1、第二電阻R2、第Ξ電阻R3、可變電阻RW1和第一電容C1。
[0038] 儀表放大器U1的型號為AD620，第一運算放大器U4A的型號為LM324。
[0039] 儀表放大器U1的VIN+引腳和VIN-引腳連接屯噸電極，儀表放大器U1的兩個RG引腳 分別連接可變電阻RW1的兩端，儀表放大器U1的V0UT引腳連接第一電容U1的一端，第一電容 U1的另一端連接第一運算放大器U4A的正極輸入端，第一運算放大器U4A的正極輸入端還連 接第Ξ電阻R3的一端，第Ξ電阻R3的另一端接地，第一運算放大器U4A的負極輸入端連接第 一電阻R1的一端和第二電阻R2的一端，第一電阻R1的另一端接地，第二電阻R2的另一端連 接第一運算放大器U4A的輸出端，第一運算放大器U4A的輸出端連接帶通濾波器的輸入端。
[0040] 帶通濾波器，用于對一級放大后的電信號進行濾波。濾波范圍設置為lOOHz-化化。 [0041 ]本實施方式中，如圖3所示，帶通濾波器由二階低通濾波器和二階高通濾波器組合 成帶通濾器，包括第二運算放大器U4B、第Ξ運算放大器U4C、第四電阻R4、第五電阻R5、第六 電阻R6、第屯電阻R7、第八電阻R8、第二電容C08、第Ξ電容C09、第五電容CIO、第六電容C11 和第屯電容C12。
[0042] 第二運算放大器U4B和第Ξ運算放大器U4C均為LM324。
[0043] 第二運算放大器U4B的正極輸入端連接第五電阻R5的一端和第Ξ電容C09的一端， 第Ξ電容C09的另一端接地，第五電阻R5的另一端連接第四電阻R4的一端和第二電容C08的 一端，第四電阻R4的另一端連接第一運算放大器U4A的輸出端，第二運算放大器U4B的負極 輸入端連接第二電容C08的另一端和第二運算放大器U4B的輸出端，第二運算放大器U4B的 輸出端連接第五電容C10的一端，第五電容C10的另一端連接第六電阻R6的一端和第六電容 C11的一端，第六電容C11的另一端連接第Ξ運算放大器U4C的正極輸入端和第屯電阻R7的 一端，第屯電阻R7的另一端接地，第Ξ運算放大器U4C的負極輸入端連接第六電阻R6的另一 端和第Ξ運算放大器U4C的輸出端，第Ξ運算放大器U4C的輸出端還連接第屯電容C12的一 端，第屯電容C12的另一端連接第八電阻R8的一端，第八電阻R8的另一端接地，第屯電容C12 的另一端還連接第四運算放大器U4D的正極輸入端。
[0044] 后級放大器，用于對濾波后的電信號進行二級放大。
[0045] 本實施方式中，后級放大器包括第四運算放大器U4D、第九電阻R9和第十電阻R10， 第四運算放大器U4D的型號為LM324。
[0046] 第四運算放大器U4D的正極輸入端連接第屯電容C12的另一端，第四運算放大器 U4D的負極輸入端連接第九電阻R9的一端和第十電阻R10的一端，第九電阻R9的另一端接 地，第十電阻R10的另一端連接第四運算放大器U4D的輸出端，第四運算放大器U4D的輸出端 連接單片機的輸入端。
[0047] 人體肌肉上方表皮處的電信號經過多次放大后，總體放大倍數可達到1800倍。
[0048] 單片機，用于對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據，對電信號數 據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電信號的平均頻帶能量值得到輸出信 號的占空比，根據該占空比下的PWM波形控制直流電機的轉速。
[0049] 本實施方式中，單片機的型號為STC89C52。
[0050] 本實施方式中，對電信號數據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值的計算 公式如式(1)所示： 陶]
…
[0052] 其中，ei為對應在第i個采集點時電信號的平均頻帶能量，η為平均頻帶能量的窗 口長度，Vj為時間窗內第j個采集點時電信號電壓值。
[0053] 根據電信號的平均頻帶能量值得到輸出信號的占空比的具體過程為:建立頻帶能 量與PWM波形占空比的線性模型，根據電信號的平均頻帶能量值和PWM波形占空比的線性關 系確定輸出信號的占空比。
[0054] 頻帶能量與PWM波形占空比的線性模型如式(2)所示：
[0055] αι = λΧθ? (2)
[0056] 其中，αι為對應在第i個采集點時信號的輸出占空比，ei為對應在第i個采集點時電 信號的平均頻帶能量，λ為線性模型的系數。本實施方式中，線性模型的系數λ為4。
[0057] 采用基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)進行直流電機速度控制的方法， 如圖4所示，包括W下步驟：
[0058] S1:在人體肌肉運動時，通過所述屯、電電極采集人體肌肉上方表皮處的電信號。
[0059] S2:通過所述前置放大器降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共 模信號、對電信號進行一級放大。
[0060] S3:通過所述帶通濾波器對一級放大后的電信號進行濾波。
[0061] S4:通過所述后級放大器對濾波后的電信號進行二級放大。
[0062] S5:通過所述單片機對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據。
[0063] S6:通過所述對電信號數據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電 信號的平均頻帶能量值得到輸出信號的占空比，根據該占空比下的nm波形控制直流電機 的轉速。
[0064] 本實施方式中，無任何動作時右臂化二頭肌處測量到的肌肉電信號如圖5所示，右 臂用力抬起時化二頭肌測得的肌肉電信號如圖6所示，可見二者區(qū)別較為明顯，放大信號明 顯。
【主權項】
1. 一種基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)，其特征在于，包括心電電極、前置 放大器、帶通濾波器、后級放大器和單片機； 所述心電電極設置于人體肌肉上方表皮處，所述心電電極的輸出端連接所述前置放大 器輸入端，所述前置放大器的輸出端連接所述帶通濾波器的輸入端，所述帶通濾波器的輸 出端連接所述后級放大器的輸入端，所述后級放大器的輸出端連接所述單片機，所述單片 機的輸出端連接直流電機的驅動電路； 所述心電電極，用于采集人體肌肉上方表皮處的電信號； 所述前置放大器，用于降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共模信號、 對電信號進行一級放大； 所述帶通濾波器，用于對一級放大后的電信號進行濾波； 所述后級放大器，用于對濾波后的電信號進行二級放大； 所述單片機，用于對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據，對電信號數 據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電信號的平均頻帶能量值得到輸出信 號的占空比，根據該占空比下的PWM波形控制直流電機的轉速。2. 根據權利要求1所述的基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述根據電信號的平均頻帶能量值得到輸出信號的占空比的具體過程為：建立頻帶能量與 PWM波形占空比的線性模型，根據電信號的平均頻帶能量值和PWM波形占空比的線性關系確 定輸出信號的占空比； 所述頻帶能量與PWM波形占空比的線性模型如下所示： Cti = AXei; 其中，Cti為對應在第i個采集點時信號的輸出占空比，ei為對應在第i個采集點時電信號 的平均頻帶能量，λ為線性模型的系數。3. 采用權利要求1所述的基于表面肌電信號的直流電機速度控制系統(tǒng)進行直流電機速 度控制的方法，其特征在于，包括： 在人體肌肉運動時，通過所述心電電極采集人體肌肉上方表皮處的電信號； 通過所述前置放大器降低人體肌肉上方表皮處的電信號的溫漂和噪聲、去共模信號、 對電信號進行一級放大； 通過所述帶通濾波器對一級放大后的電信號進行濾波； 通過所述后級放大器對濾波后的電信號進行二級放大； 通過所述單片機對二級放大后的電信號進行模數轉換，得到電信號數據； 通過所述對電信號數據進行加窗運算確定電信號的平均頻帶能量值，根據電信號的平 均頻帶能量值得到輸出信號的占空比，根據該占空比下的PWM波形控制直流電機的轉速。
【文檔編號】A61B5/0488GK105877745SQ201610191556
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】劉沖, 李震昊, 桑陽, 巴清龍
【申請人】東北大學