專利名稱：具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種假手控制系統(tǒng)，尤其是一種采用肌電信號的肌電假手控制系統(tǒng)。
背景技術：
肌電信號(Electromyogram，EMG)是在神經(jīng)控制下肌纖維運動產(chǎn)生的電生理信 號。表面肌電信號(Surface El ectromyogram, SEMG)是指在皮膚表面募集到的皮膚淺層 肌肉運動的肌電信號總和。其主要特點有一是信號幅度小。通常在幾十微伏。二是信號 頻率位于低頻范圍(10Hz-500Hz)。雖然肌電信號的幅度很小，但是它包含的豐富的信息，這 些信息包括人手發(fā)出的動作模式、動作速度大小等。通過本領域專家多年的研究表明，肌電 信號是當前最理想的假手控制信息源。由于不同的假手使用者，發(fā)出的肌電信號強度不一樣；即使對同一個假手使用者 而言，由于皮膚環(huán)境(如皮膚干燥程度、導電性等)的改變，經(jīng)電極引入的肌電信號強度也 會不一樣。因此，肌電信號采集電路的放大倍數(shù)，需要根據(jù)肌電信號強度進行調整。目前，現(xiàn)有的肌電假手放大倍數(shù)的改變，需要用螺絲刀手動調節(jié)電位器來實現(xiàn)，這 給假肢穿戴者使用假肢帶來了極大的不便。

發(fā)明內容
本發(fā)明是要解決肌電假手放大電路增益需要手動調節(jié)的技術問題，而提供一種具 有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)， 包括表面電極、前置放大電路、信號預處理電路、動態(tài)增益電路、A/D轉換電路、MSP430微 控制器系統(tǒng)和假手驅動電路；其特點是表面電極從皮膚表面引入未經(jīng)任何處理的肌電信 號，肌電信號經(jīng)前置放大電路實現(xiàn)初級放大，放大后的信號進入信號預處理電路，由信號預 處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波處理后的肌電信號，經(jīng)動 態(tài)增益電路進一步放大，放大后的信號由A/D轉換電路轉換進入MSP430微控制器系統(tǒng)，然 后由MSP430微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度進行判斷，根據(jù)判斷結果對動態(tài)增益電路的放 大倍數(shù)進行調節(jié)，使放大后的肌電信號幅度處在0. 4V-3. 0V范圍內，然后，根據(jù)采集到的肌 電信號幅度平均值的不同，由控制系統(tǒng)輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現(xiàn)假手的控 制。MSP430微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度進行判斷包括肌電信號判斷和干擾識別
①肌電信號與干擾的判別對采集到的肌電信號做分組處理，每組有n個肌電值，然后求每
一組肌電信號絕對值的平均值，設在第i個時刻采集到第j組的信號為Xn>Q.+i，該組信號的
平均值記為A，則信號平均值的計算如公式(1)所示 _ \ ^Xz+O. .力=_X(i = l，2，3A，n;j =0，1，2，A)(1)
xt=xnxj+i將相鄰的兩組肌電信號的平均值做比較，比較所得的差值用于區(qū)分肌電信號和干
3擾；②肌電信號是否過小的判斷將肌電信號與干擾的判別中判別出來的有用肌電信 號的均值的最小值，與肌電信號發(fā)生閾值為m作比較。若^皿則表明肌電 采集電路的放大倍數(shù)不需要調整，反之，則逐級增大肌電采集電路放大倍數(shù)。③肌電信號是否過大的判斷將肌電信號與干擾的判別中判別出來的有用肌電信 號的均值的最大值力xmax與M相比較，若力max-M>0，則說明信號飽和，此時，將肌電采集電 路的放大倍數(shù)逐級減小，直到信號滿足不再飽和為，。反之，則不需要調整肌電信號采集電 路放大倍數(shù)。動態(tài)增益電路由LM358放大器和X9315數(shù)字電位器構成，X9315數(shù)字電位器上設 有電阻VH固定端，電阻VL固定端，電阻VW可調端；芯片的&、U/D,麗片選端，計數(shù) 方式控制端、電阻調節(jié)量控制端，芯片的^\ U/D,—片選端，計數(shù)方式控制端、電阻 調節(jié)量控制端分別連接到MSP430微處理器的PI. 2、P1. 1、P1. 0連接端，由MSP430微處理器 對采集到的肌電信號的平均值進行判斷，然后對X9315數(shù)字電位器做相應調整，實現(xiàn)放大 倍數(shù)的改變。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)通過對采入 微處理器的肌電信號幅度平均值進行判斷，然后對肌電放大電路的放大倍數(shù)作出相應的調 整，從而使放大后的肌電信號幅度處在一個合理的范圍內。通過實驗驗證表明，該系統(tǒng)通過 微控制器對采集到的信號幅度平均值的判斷，能夠很好的實現(xiàn)對放大肌電放大電路增益的 實時調節(jié)。解決了現(xiàn)有肌電假手放大倍數(shù)的調整用手動調節(jié)電位來實現(xiàn)的技術問題，給使 用者帶來了極大方便。


圖1是具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)框圖；圖2是動態(tài)增益電路的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明的具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)，由表面電極、前置放大 電路、信號預處理電路、動態(tài)增益電路、A/D轉換電路、MSP430微控制器系統(tǒng)和假手驅動電 路組成。本實施方式的前置放大電路主放大器采用儀用放大器AD620;動態(tài)增益電路由 LM358放大器和X9315數(shù)字電位器構成；MSP430微控制器系統(tǒng)選用MSP430F149芯片。電路具體構成。表面電極與前置放大電路相連接，前置放大電路連接到后一級信 號預處理電路，信號預處理電路后緊接動態(tài)增益電路，動態(tài)增益電路連接到A/D轉換電路， A/D轉換電路連接到MSP430微控制器系統(tǒng)，MSP430微控制器系統(tǒng)的假手驅動控制信號輸出 口與假手驅動電路相連接。工作原理結合圖1、圖2對該系統(tǒng)的工作原理進行說明。由表面電極從皮膚表面 引入未經(jīng)任何處理的肌電信號，信號經(jīng)前置放大電路實現(xiàn)初級放大，放大后的信號進入信 號預處理電路，由信號預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波處理后的肌電信號，經(jīng)動態(tài)增益電路進一步放大，放大后的信號由A/D(5)轉換進入MSP430 微控制器系統(tǒng)，然后由微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度平均值進行判斷，根據(jù)判斷結果對動 態(tài)增益電路的放大倍數(shù)進行調節(jié)，使放大后的肌電信號幅度處在一個0. 4V-3. 0V范圍內， 然后，根據(jù)采集到的肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統(tǒng)輸出對應的假手驅動電路控 制信號，實現(xiàn)假手的控制。 圖2中的動態(tài)增益電路由LM358放大器和X9315數(shù)字電位器構成。X9315數(shù)字電位 器的VH和VL是電阻的兩個固定端，VW是電阻的可調端。d U/D,—分別是芯片的片 選端，計數(shù)方式控制端、電阻調節(jié)量控制端，這三個端分別連接到MSP430微處理器的P1. 2、 P1. 1、PL 0。由MSP430微處理器對采集到的肌電信號的平均值進行判斷，然后對X9315數(shù) 字電位器做相應調整。從而，實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變。對一個具體的假手使用者而言，其肌電采集電路的放大倍數(shù)，并不需要每次采集 肌電信號都進行調整。因此，該系統(tǒng)對肌電采集電路放大倍數(shù)的調整，通過操作外部的按 鈕，使系統(tǒng)進入放大倍數(shù)可調的狀態(tài)。放大倍數(shù)調整完成后，只要系統(tǒng)便于使用，就不需要 對肌電采集電路的放大倍數(shù)進行調整。肌電信號采集電路的增益自動調整，關鍵在于肌電信號和干擾識別、肌電信號幅 度大小的判斷以及根據(jù)判斷結果確定調整后的動態(tài)增益電路的放大倍數(shù)。具體的實現(xiàn)方法 如下①肌電信號與干擾的判別。對采集到的肌電信號做分組處理，每組有n個肌電值， 然后求每一組肌電信號絕對值的平均值。設在第i個時刻采集到第j組的信號為Xn>Q.+i，該 組信號的平均值記為力，則信號平均值的計算如公式(1)所示
_ 1 “秒)丨 | 由于假手動作時的肌電信號的平均值，一定會大于假手沒有動作時肌電信號(干 擾)的平均值，且兩者的差值至少為N(N>0)。因此，可以將相鄰的兩組肌電信號的平均值 做比較，比較所得的差值用于區(qū)分肌電信號和干擾。具體的識別有兩步一是肌電信號發(fā)生
的判斷。若肉，則說明從第j+1組開始采集到的信號是有用的肌電信號。二是 肌電信號持續(xù)的判斷。若(N'是一個略小于N的值)。三是肌電信號停止的
判斷。若力則說明從第j+1組開始采集到的信號是干擾。這三步必須按順序
執(zhí)行，且每一步都不能少，才能完成對肌電信號與干擾的正確判斷。②肌電信號是否過小的判斷。將①中判別出來的有用肌電信號的均值的最小值 ，與肌電信號發(fā)生閾值為m(m大于0)作比較。若力尤-m (足是一個略大于m
的值)，則表明肌電采集電路的放大倍數(shù)不需要調整，反之，則逐級增大肌電采集電路放大倍數(shù)。③肌電信號是否過大的判斷，即判斷肌電信號是否飽和。將①中判別出來的 有用肌電信號的均值的最大值Amax與M相比較，M是一個略小于A/D轉換量程的數(shù)。若
則說明信號飽和，此時，需要將肌電采集電路的放大倍數(shù)逐級減小，直到信號 滿足不再飽和為止。反之，則不需要調整肌電信號采集電路放大倍數(shù)。
權利要求
一種具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)，包括表面電極、前置放大電路、信號預處理電路、動態(tài)增益電路、A/D轉換電路、MSP430微控制器系統(tǒng)和假手驅動電路；其特征在于所述表面電極從皮膚表面引入未經(jīng)任何處理的肌電信號，肌電信號經(jīng)前置放大電路實現(xiàn)初級放大，放大后的信號進入信號預處理電路，由信號預處理電路完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，濾波處理后的肌電信號，經(jīng)動態(tài)增益電路進一步放大，放大后的信號由A/D轉換電路轉換進入MSP430微控制器系統(tǒng)，由MSP430微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度進行判斷，根據(jù)判斷結果對動態(tài)增益電路的放大倍數(shù)進行調節(jié)，使放大后的肌電信號幅度處在0.4V-3.0V范圍內，然后，根據(jù)采集到的肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統(tǒng)輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現(xiàn)假手的控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)，其特征在于所述 MSP430微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度進行判斷包括(1)肌電信號與干擾的判別對采集到的肌電信號做分組處理，每組有n個肌電值，然 后求每一組肌電信號絕對值的平均值，設在第i個時刻采集到第j組的信號為Xn>Q.+i，該組 信號的平均值記為力，則信號平均值的計算如公式(1)所示 將相鄰的兩組肌電信號的平均值做比較，比較所得的差值用于區(qū)分肌電信號和干擾；(2)肌電信號是否過小的判斷將肌電信號與干擾的判別中判別出來的有用肌電信號 的均值的最小值力nun，與肌電信號發(fā)生閾值為HI作比較。若^則表明肌電采 集電路的放大倍數(shù)不需要調整，反之，則逐級增大肌電采集電路放大倍數(shù)；(3)肌電信號是否過大的判斷將肌電信號與干擾的判別中判別出來的有用肌電信號 的均值的最大值tmax與M相比較，若^匪，則說明信號飽和，此時，將肌電采集電路 的放大倍數(shù)逐級減小，直到信號滿足不再飽和為，反之，則不需要調整肌電信號采集電路放 大倍數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)，其特征在于所述動態(tài) 增益電路由LM358放大器和X9315數(shù)字電位器構成，X9315數(shù)字電位器上設有電阻VH固定 端，電阻VL固定端，電阻VW可調端；芯片的^、U/D,—片選端，計數(shù)方式控制端、電 阻調節(jié)量控制端，芯片的^\ U/D,—片選端，計數(shù)方式控制端、電阻調節(jié)量控制端 分別連接到MSP430微處理器的PI. 2、P1. 1、P1. 0連接端，由MSP430微處理器對采集到的肌 電信號的平均值進行判斷，然后對X9315數(shù)字電位器做相應調整，實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有動態(tài)增益的肌電假手控制系統(tǒng)，表面電極從皮膚表面引入肌電信號，肌電信號經(jīng)前置放大電路放大后的信號進入信號預處理電路，完成肌電信號的低通濾波、高通濾波和50Hz限波，再經(jīng)動態(tài)增益電路進一步放大，放大后的信號由A/D轉換電路轉換進入微控制器系統(tǒng)，由MSP430微控制器系統(tǒng)對肌電信號幅度進行判斷，根據(jù)判斷結果對動態(tài)增益電路的放大倍數(shù)進行調節(jié)，使放大后的肌電信號幅度處在0.4V-3.0V范圍內，然后，根據(jù)采集到的肌電信號幅度平均值的不同，由控制系統(tǒng)輸出對應的假手驅動電路控制信號，實現(xiàn)假手的控制。本發(fā)明解決了現(xiàn)有肌電假手放大倍數(shù)的調整用手動調節(jié)電位來實現(xiàn)的技術問題，給使用者帶來了極大方便。
文檔編號A61F2/72GK101856285SQ20101020507
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權日2010年6月18日
發(fā)明者喻洪流, 李丕丁, 李盼盼, 胡加華 申請人:上海理工大學