CN116763326A - 一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于肌肉信号采集技术领域，公开了一种可穿戴式肌电和肌压融合探头，包括传感臂环和多组传感探头，多组传感探头套入传感臂环，所述传感臂环环形佩戴在受试者身体需要测试的部位，传感探头包括肌电传感器、肌压传感器，所述肌电传感器用于采集肌电信号，所述肌压传感器用于采集肌压信号。本发明的设备可以同步采集多通道的肌电肌压信号，也可以分开采集肌电或者肌压信号；并且本发明可根据不同人的臂围调节尺寸和传感探头数量，适应性强；且本发明的设备操作简单，使用方便，使用后能够方便的进行消毒杀菌，可以不必依赖于医护人员，在多个场景下使用。

Description

一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统

技术领域

本发明属于肌肉信号采集技术领域，尤其涉及一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统。

背景技术

在人机交互中，如何获得手势相关信息，并通过模式识别方法提取可用于外部设备操作的指令，具有广阔的应用前景。传统手势识别大多基于视觉或肌电信号实现，肌电信号是由大脑中枢神经系统通过外周神经系统和神经肌肉系统来控制身体部分运动时在肌肉处产生的电信号，是反映肌肉激活状态的最主要的生物信号，具备天然运动意图识别优势。然而，历经50余年的研究发展，基于肌电信号的手势识别研究进入了瓶颈期，其局限性日益凸显，主要包括以下三个方面：（1）肌电属于电信号，其容易受到电磁噪声、外部串扰的影响，此外精确的肌电信号采集也会受心电、皮肤状态、组织结构（肌肉脂肪层）等因素的干扰；（2）肌电电极长期使用或重新佩戴导致电极位置偏移，会引起肌电模式偏移，严重影响模式识别算法的输出精度，甚至导致系统崩溃；（3）由于表面肌电信号通道间串扰，单一肌电通路并不能精确反应单一肌肉运动，且表面肌电信号难以表征深层肌肉的真实活动情况。因此，寻找新颖的传感器以替代或补充传统方法，是当今的一个研究热点。

发明内容

本发明目的在于提供一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统的具体技术方案如下：

一种可穿戴式肌电和肌压融合探头，包括传感臂环和多组传感探头，多组传感探头套入传感臂环，所述传感臂环环形佩戴在受试者身体需要测试的部位，传感探头包括肌电传感器、肌压传感器，所述肌电传感器用于采集肌电信号，所述肌压传感器用于采集肌压信号。

进一步的，所述传感探头包括基座，所述基座上具有肌电传感器腔体和肌压传感器腔体，肌电传感器固定在肌电传感器腔体内，肌压传感器固定在肌压传感器腔体内。

进一步的，所述肌电传感器包括金属干电极和肌电信号数据线，所述肌电信号数据线和金属干电极连接，所述金属干电极安装在肌电传感器腔体里固定，所述肌电信号数据线从肌电传感器腔体内引出。

进一步的，所述肌电传感器腔体上具有圆柱体凹槽一、圆柱体凹槽二和信号槽，所述圆柱体凹槽一用于容纳金属干电极，所述圆柱体凹槽二用于卡紧固定金属干电极，所述信号槽用于穿过肌电信号数据线。

进一步的，所述金属干电极为纽扣状，由金属镀铜制成，接触皮肤的一面是一个略微凸起的圆形，反面则为“凸”型的卡扣，用于将肌电传感器腔体固定在肌电传感器腔体上的圆柱体凹槽二内，形成一个表面略高于腔体的传感器接触面。

进一步的，所述肌压传感器包括FSR薄膜应变片、两条肌压信号数据线和压力调节螺栓，两条肌压信号数据线与FSR薄膜应变片连接，所述压力调节螺栓固定在肌压传感器腔体背面，并与FSR薄膜应变片接触，通过螺栓调节FSR薄膜应变片的初始压力。

进一步的，所述肌压传感器为FSR400传感器，所述FSR400传感器的压力应变部分呈半圆形，所述FSR薄膜应变片的半圆形压力应变处放置凸出的3M硅胶压力垫，所述FSR400传感器主体为长方形，穿过肌压传感器腔体底部的安装孔的凹槽处，另一端为“凹”型的引脚，所述引脚随安装孔延伸露出至肌压传感器腔体外，所述引脚连接两条肌压信号数据线。

进一步的，所述基座一侧具有长条形的连接空腔，用于供传感臂环穿入，从而将多组探头组合起来。

进一步的，所述传感臂环为刚性魔术贴连接带，可环绕黏贴固定在受试者手臂等部位。

本发明还公开了一种可穿戴式肌电和肌压融合传感系统，包括可穿戴式肌电和肌压融合探头，所述系统还包括集成电路板和智能终端，所述可穿戴式肌电和肌压融合探头上的每组肌电传感器和肌压传感器分别通过一根肌电信号数据线和两条肌压信号数据线连接到集成电路板上，所述集成电路板包括信号处理模块、蓝牙传输模块和微处理器，所述信号处理模块包括肌电信号模块、肌压信号模块和数字信号处理器，所述肌电信号模块用于采集肌压传感器的信号，所述肌压信号模块用于采集肌电传感器的信号，所述数字信号处理器用于将肌电信号模块和肌压信号模块采集的信号进行数字滤波，所述微处理器采集数字信号处理器处理好的肌电信号和肌压信号并通过控制蓝牙传输模块上传导智能终端的人机交互界面中，进行数据显示和数据保存，所述人机交互界面用于记录各个探头的实时数据，提供实时的视觉交互和任务指标，使受试者根据视觉反馈和任务指标完成数据采集。

本发明的一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统具有以下优点：本发明的设备可以同步采集多通道的肌电肌压信号，也可以分开采集肌电或者肌压信号；并且本发明可根据不同人的臂围调节尺寸和传感探头数量，适应性强；且本发明的设备操作简单，使用方便，使用后能够方便的进行消毒杀菌，可以不必依赖于医护人员，在多个场景下使用。

附图说明

图1为本发明的一种可穿戴式肌电和肌压融合探头结构示意图；

图2为本发明的传感探头正面结构示意图；

图3为本发明的传感探头立体结构示意图；

图4为本发明的传感探头立体结构示意图；

图5为本发明的可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统结构框图；

图6为本发明的可穿戴式肌电和肌压融合探头穿戴结构示意图；

图7为本发明的人机交互界面参数设置示意图；

图8为本发明的人机交互界面数据采集示意图；

图9为本发明的人机交互界面各信号通道变化饼图；

图中标记说明：1、传感臂环；2、传感探头；21、肌电传感器；211、金属干电极； 22、肌压传感器；221、FSR薄膜应变片；222、压力调节螺栓；23、基座； 231、肌电传感器腔体；2311、圆柱体凹槽一；2312、圆柱体凹槽二；232、肌压传感器腔体；2321、半圆固定凸扣；2322、安装孔；233、连接空腔；3、3M硅胶压力垫。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种可穿戴式肌电和肌压融合探头及传感系统做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一种可穿戴式肌电和肌压融合探头，包括传感臂环1和多组传感探头2，多组传感探头2套入传感臂环1，传感臂环1环形佩戴在受试者身体需要测试的部位。

传感臂环1为刚性魔术贴连接带，可环绕黏贴固定在受试者手臂等部位。刚性魔术贴连接带足够的柔软能够很好地贴合受试者，并且可以适应不同受试者的手臂尺寸。其次刚性的魔术贴不会因为受力而产生形变，可以保证FSR薄膜应变片的压力值不会发生较大的变化。

传感探头2包括肌电传感器21、肌压传感器22和基座23，肌电传感器21和肌压传感器22固定在基座23上，肌电传感器21在肌压传感器22上端。

如图2-4所示，基座23上具有肌电传感器腔体231和肌压传感器腔体232，肌电传感器21固定在肌电传感器腔体231内，肌压传感器22固定在肌压传感器腔体232内。

肌电传感器21包括金属干电极211和肌电信号数据线，肌电信号数据线与金属干电极211连接，金属干电极211安装在肌电传感器腔体212里通过肌电传感器腔体212上的一个圆柱体凹槽二2312卡住固定。金属干电极211为纽扣状，由金属镀铜制成，接触皮肤的一面是一个略微凸起的圆形，反面则为“凸”型的卡扣，用于将肌电传感器腔体固定在肌电传感器腔体212上的圆柱体凹槽二2312内，形成一个表面略高于腔体的传感器接触面。肌电传感器腔体212是由一个直径13mm，深度2mm的圆柱体凹槽一2311和一个直径3.8mm，深度3mm的圆柱体凹槽二2312组合而成。在肌电传感器腔体下还有一条信号槽（图中未显示），直径3mm长9.5mm。圆柱体凹槽一2311用于容纳金属干电极211，圆柱体凹槽二2312用于卡紧固定金属干电极211，信号槽用于引出肌电信号数据线。

肌压传感器22包括FSR薄膜应变片221、两条肌压信号数据线和压力调节螺栓222，两条肌压信号数据线与FSR薄膜应变片221连接。肌压传感器腔体232与FSR薄膜应变片221外形大小相适配；肌压传感器腔体232底部三面镂空，FSR薄膜应变片221安装在肌压传感器腔体232内，通过肌压传感器腔体232边缘的半圆固定凸扣2321固定，压力调节螺栓222固定在肌压传感器腔体232背面，并与FSR薄膜应变片221接触，通过螺栓调节FSR薄膜应变片221的初始压力。肌压传感器22选用FSR400传感器，FSR400传感器具有面积小、灵敏度高、使用电路简单等特点，是研究肌压信号的常用选择。将FSR400传感器平稳置于玻璃胶之上，保持一分钟后轻轻的松开手，保证FSR400传感器可以平稳的粘附于平面纽扣上，传感器的平稳放置对于信号的采集具有一定的影响。FSR400传感器的压力应变部分呈半圆形，在FSR薄膜应变片221的半圆形压力应变处放置凸出的3M硅胶压力垫3。FSR400传感器主体为长方形，穿过肌压传感器腔体232底部的安装孔2322的凹槽处，另一端为“凹”型的引脚，引脚随安装孔2322延伸露出至肌压传感器腔体232外， “凹”型的引脚连接两条肌压信号数据线。

基座23一侧具有长条形的连接空腔233，用于供传感臂环1穿入，从而将多组探头组合起来。探头数量可根据需要设置。

如图5所示，本发明的一种可穿戴式肌电和肌压融合传感系统，包括可穿戴式肌电和肌压融合探头、集成电路板和智能终端，可穿戴式肌电和肌压融合探头上的每组肌电传感器21和肌压传感器22分别通过一根肌电信号数据线和两条肌压信号数据线连接到集成电路板上。集成电路板包括信号处理模块、蓝牙传输模块和微处理器。信号处理模块包括肌电信号模块、肌压信号模块和数字信号处理器。肌电信号模块用于采集肌压传感器22的信号，肌压信号模块用于采集肌电传感器21的信号，数字信号处理器用于将肌电信号模块和肌压信号模块采集的信号进行数字滤波，提高采集到的生物信号的信噪比。微处理器采集数字信号处理器处理好的肌电信号和肌压信号并通过控制蓝牙传输模块上传导智能终端的人机交互界面中，进行数据显示和数据保存。人机交互界面用于记录各个探头的实时数据，提供实时的视觉交互和任务指标，使受试者根据视觉反馈和任务指标完成数据采集。

使用时，首先受试者先按照图6所示，将设备按规范穿戴，然后在PC端打开人机交互软件，设置需要采集的数据通信的端口、通道数、采集模式、采集频率、最低有效电压等，如图7所示。然后根据实时显示的信号初始值调节压力调节螺栓222，将每个压力信号调整到初始压力值。然后，打开数据保存模式，受试者开始根据人机交互界面的左上角的手势范式做出对应手势。采集完毕后数据自动保存在PC端。图8为本发明的人机交互界面数据采集示意图；图9为本发明的人机交互界面各信号通道变化饼图。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴式肌电和肌压融合探头，包括传感臂环（1）和多组传感探头（2），多组传感探头（2）套入传感臂环（1），所述传感臂环（1）环形佩戴在受试者身体需要测试的部位，其特征在于，传感探头（2）包括肌电传感器（21）、肌压传感器（22），所述肌电传感器（21）用于采集肌电信号，所述肌压传感器（22）用于采集肌压信号。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述传感探头（2）包括基座（23），所述基座（23）上具有肌电传感器腔体（231）和肌压传感器腔体（232），肌电传感器（21）固定在肌电传感器腔体（231）内，肌压传感器（22）固定在肌压传感器腔体（232）内。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述肌电传感器（21）包括金属干电极（211）和肌电信号数据线，所述肌电信号数据线和金属干电极（211）连接，所述金属干电极（211）安装在肌电传感器腔体（212）里固定，所述肌电信号数据线从肌电传感器腔体（212）内引出。

4.根据权利要求3所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述肌电传感器腔体（212）上具有圆柱体凹槽一（2311）、圆柱体凹槽二（2312）和信号槽，所述圆柱体凹槽一（2311）用于容纳金属干电极（211），所述圆柱体凹槽二（2312）用于卡紧固定金属干电极（211），所述信号槽用于穿过肌电信号数据线。

5.根据权利要求4所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述金属干电极（211）为纽扣状，由金属镀铜制成，接触皮肤的一面是一个略微凸起的圆形，反面则为“凸”型的卡扣，用于将肌电传感器腔体固定在肌电传感器腔体（212）上的圆柱体凹槽二（2312）内，形成一个表面略高于腔体的传感器接触面。

6.根据权利要求2所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述肌压传感器（22）包括FSR薄膜应变片（221）、两条肌压信号数据线和压力调节螺栓（222），两条肌压信号数据线与FSR薄膜应变片（221）连接，所述压力调节螺栓（222）固定在肌压传感器腔体（232）背面，并与FSR薄膜应变片（221）接触，通过螺栓调节FSR薄膜应变片（221）的初始压力。

7.根据权利要求6所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述

肌压传感器（22）为FSR400传感器，所述FSR400传感器的压力应变部分呈半圆形，所述FSR薄膜应变片（221）的半圆形压力应变处放置凸出的3M硅胶压力垫（3），所述FSR400传感器主体为长方形，穿过肌压传感器腔体（232）底部的安装孔（2322）的凹槽处，另一端为“凹”型的引脚，所述引脚随安装孔（2322）延伸露出至肌压传感器腔体（232）外，所述引脚连接两条肌压信号数据线。

8.根据权利要求6所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述基座（23）一侧具有长条形的连接空腔（233），用于供传感臂环（1）穿入，从而将多组探头组合起来。

9.根据权利要求6所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述传感臂环（1）为刚性魔术贴连接带，可环绕黏贴固定在受试者手臂等部位。

10.一种可穿戴式肌电和肌压融合传感系统，包括如权利要求1-9任一项所述的可穿戴式肌电和肌压融合探头，其特征在于，所述系统还包括集成电路板和智能终端，所述可穿戴式肌电和肌压融合探头上的每组肌电传感器（21）和肌压传感器（22）分别通过一根肌电信号数据线和两条肌压信号数据线连接到集成电路板上，所述集成电路板包括信号处理模块、蓝牙传输模块和微处理器，所述信号处理模块包括肌电信号模块、肌压信号模块和数字信号处理器，所述肌电信号模块用于采集肌压传感器（22）的信号，所述肌压信号模块用于采集肌电传感器（21）的信号，所述数字信号处理器用于将肌电信号模块和肌压信号模块采集的信号进行数字滤波，所述微处理器采集数字信号处理器处理好的肌电信号和肌压信号并通过控制蓝牙传输模块上传导智能终端的人机交互界面中，进行数据显示和数据保存，所述人机交互界面用于记录各个探头的实时数据，提供实时的视觉交互和任务指标，使受试者根据视觉反馈和任务指标完成数据采集。