CN101856285A - 具有动态增益的肌电假手控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有动态增益的肌电假手控制系统，表面电极从皮肤表面引入肌电信号，肌电信号经前置放大电路放大后的信号进入信号预处理电路，完成肌电信号的低通滤波、高通滤波和50Hz限波，再经动态增益电路进一步放大，放大后的信号由A/D转换电路转换进入微控制器系统，由MSP430微控制器系统对肌电信号幅度进行判断，根据判断结果对动态增益电路的放大倍数进行调节，使放大后的肌电信号幅度处在0.4V-3.0V范围内，然后，根据采集到的肌电信号幅度平均值的不同，由控制系统输出对应的假手驱动电路控制信号，实现假手的控制。本发明解决了现有肌电假手放大倍数的调整用手动调节电位来实现的技术问题，给使用者带来了极大方便。

Description

具有动态增益的肌电假手控制系统

技术领域

本发明涉及一种假手控制系统，尤其是一种采用肌电信号的肌电假手控制系统。

背景技术

肌电信号(Electromyogram，EMG)是在神经控制下肌纤维运动产生的电生理信号。表面肌电信号(Surface  El ectromyogram，SEMG)是指在皮肤表面募集到的皮肤浅层肌肉运动的肌电信号总和。其主要特点有：一是信号幅度小。通常在几十微伏。二是信号频率位于低频范围(10Hz-500Hz)。虽然肌电信号的幅度很小，但是它包含的丰富的信息，这些信息包括人手发出的动作模式、动作速度大小等。通过本领域专家多年的研究表明，肌电信号是当前最理想的假手控制信息源。

由于不同的假手使用者，发出的肌电信号强度不一样；即使对同一个假手使用者而言，由于皮肤环境(如皮肤干燥程度、导电性等)的改变，经电极引入的肌电信号强度也会不一样。因此，肌电信号采集电路的放大倍数，需要根据肌电信号强度进行调整。

目前，现有的肌电假手放大倍数的改变，需要用螺丝刀手动调节电位器来实现，这给假肢穿戴者使用假肢带来了极大的不便。

发明内容

本发明是要解决肌电假手放大电路增益需要手动调节的技术问题，而提供一种具有动态增益的肌电假手控制系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有动态增益的肌电假手控制系统，包括表面电极、前置放大电路、信号预处理电路、动态增益电路、A/D转换电路、MSP430微控制器系统和假手驱动电路；其特点是：表面电极从皮肤表面引入未经任何处理的肌电信号，肌电信号经前置放大电路实现初级放大，放大后的信号进入信号预处理电路，由信号预处理电路完成肌电信号的低通滤波、高通滤波和50Hz限波，滤波处理后的肌电信号，经动态增益电路进一步放大，放大后的信号由A/D转换电路转换进入MSP430微控制器系统，然后由MSP430微控制器系统对肌电信号幅度进行判断，根据判断结果对动态增益电路的放大倍数进行调节，使放大后的肌电信号幅度处在0.4V-3.0V范围内，然后，根据采集到的肌电信号幅度平均值的不同，由控制系统输出对应的假手驱动电路控制信号，实现假手的控制。

MSP430微控制器系统对肌电信号幅度进行判断包括肌电信号判断和干扰识别：①肌电信号与干扰的判别：对采集到的肌电信号做分组处理，每组有n个肌电值，然后求每一组肌电信号绝对值的平均值，设在第i个时刻采集到第j组的信号为x_n×j+i，该组信号的平均值记为

则信号平均值的计算如公式(1)所示：

${\stackrel{\‾}{x}}_j=\frac{1}{n}\underset{x_t=x_{n\×j+i}}{\overset{n\×(j+1)}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_{n\×j+i}\right|$ (i＝1，2，3Λ，n；j＝0，1，2，Λ)        (1)

将相邻的两组肌电信号的平均值做比较，比较所得的差值用于区分肌电信号和干扰；

②肌电信号是否过小的判断：将肌电信号与干扰的判别中判别出来的有用肌电信号的均值的最小值与肌电信号发生阈值为m作比较。若

则表明肌电采集电路的放大倍数不需要调整，反之，则逐级增大肌电采集电路放大倍数。

③肌电信号是否过大的判断：将肌电信号与干扰的判别中判别出来的有用肌电信号的均值的最大值与M相比较，若则说明信号饱和，此时，将肌电采集电路的放大倍数逐级减小，直到信号满足不再饱和为，。反之，则不需要调整肌电信号采集电路放大倍数。

动态增益电路由LM358放大器和X9315数字电位器构成，X9315数字电位器上设有电阻VH固定端，电阻VL固定端，电阻VW可调端；芯片的片选端，计数方式控制端、电阻调节量控制端，芯片的

片选端，计数方式控制端、电阻调节量控制端分别连接到MSP430微处理器的P1.2、P1.1、P1.0连接端，由MSP430微处理器对采集到的肌电信号的平均值进行判断，然后对X9315数字电位器做相应调整，实现放大倍数的改变。

本发明的有益效果是：本发明的具有动态增益的肌电假手控制系统通过对采入微处理器的肌电信号幅度平均值进行判断，然后对肌电放大电路的放大倍数作出相应的调整，从而使放大后的肌电信号幅度处在一个合理的范围内。通过实验验证表明，该系统通过微控制器对采集到的信号幅度平均值的判断，能够很好的实现对放大肌电放大电路增益的实时调节。解决了现有肌电假手放大倍数的调整用手动调节电位来实现的技术问题，给使用者带来了极大方便。

附图说明

图1是具有动态增益的肌电假手控制系统框图；

图2是动态增益电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的具有动态增益的肌电假手控制系统，由表面电极、前置放大电路、信号预处理电路、动态增益电路、A/D转换电路、MSP430微控制器系统和假手驱动电路组成。

本实施方式的前置放大电路主放大器采用仪用放大器AD620；动态增益电路由LM358放大器和X9315数字电位器构成；MSP430微控制器系统选用MSP430F149芯片。

电路具体构成。表面电极与前置放大电路相连接，前置放大电路连接到后一级信号预处理电路，信号预处理电路后紧接动态增益电路，动态增益电路连接到A/D转换电路，A/D转换电路连接到MSP430微控制器系统，MSP430微控制器系统的假手驱动控制信号输出口与假手驱动电路相连接。

工作原理：结合图1、图2对该系统的工作原理进行说明。由表面电极从皮肤表面引入未经任何处理的肌电信号，信号经前置放大电路实现初级放大，放大后的信号进入信号预处理电路，由信号预处理电路完成肌电信号的低通滤波、高通滤波和50Hz限波，滤波处理后的肌电信号，经动态增益电路进一步放大，放大后的信号由A/D(5)转换进入MSP430微控制器系统，然后由微控制器系统对肌电信号幅度平均值进行判断，根据判断结果对动态增益电路的放大倍数进行调节，使放大后的肌电信号幅度处在一个0.4V-3.0V范围内，然后，根据采集到的肌电信号幅度平均值的不同，由控制系统输出对应的假手驱动电路控制信号，实现假手的控制。

图2中的动态增益电路由LM358放大器和X9315数字电位器构成。X9315数字电位器的VH和VL是电阻的两个固定端，VW是电阻的可调端。

分别是芯片的片选端，计数方式控制端、电阻调节量控制端，这三个端分别连接到MSP430微处理器的P1.2、P1.1、P1.0。由MSP430微处理器对采集到的肌电信号的平均值进行判断，然后对X9315数字电位器做相应调整。从而，实现放大倍数的改变。

对一个具体的假手使用者而言，其肌电采集电路的放大倍数，并不需要每次采集肌电信号都进行调整。因此，该系统对肌电采集电路放大倍数的调整，通过操作外部的按钮，使系统进入放大倍数可调的状态。放大倍数调整完成后，只要系统便于使用，就不需要对肌电采集电路的放大倍数进行调整。

肌电信号采集电路的增益自动调整，关键在于肌电信号和干扰识别、肌电信号幅度大小的判断以及根据判断结果确定调整后的动态增益电路的放大倍数。具体的实现方法如下：

①肌电信号与干扰的判别。对采集到的肌电信号做分组处理，每组有n个肌电值，然后求每一组肌电信号绝对值的平均值。设在第i个时刻采集到第j组的信号为x_n×j+i，该组信号的平均值记为

则信号平均值的计算如公式(1)所示：

${\stackrel{\‾}{x}}_j=\frac{1}{n}\underset{x_t=x_{n\×j+i}}{\overset{n\×(j+1)}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_{n\×j+i}\right|$ (i＝1，2，3Λ，n；j＝0，1，2，Λ)        (1)

由于假手动作时的肌电信号的平均值，一定会大于假手没有动作时肌电信号(干扰)的平均值，且两者的差值至少为N(N＞0)。因此，可以将相邻的两组肌电信号的平均值做比较，比较所得的差值用于区分肌电信号和干扰。具体的识别有两步：一是肌电信号发生的判断。若

则说明从第j+1组开始采集到的信号是有用的肌电信号。二是肌电信号持续的判断。若

(N′是一个略小于N的值)。三是肌电信号停止的判断。若

则说明从第j+1组开始采集到的信号是干扰。这三步必须按顺序执行，且每一步都不能少，才能完成对肌电信号与干扰的正确判断。

②肌电信号是否过小的判断。将①中判别出来的有用肌电信号的均值的最小值

与肌电信号发生阈值为m(m大于0)作比较。若

是一个略大于m的值)，则表明肌电采集电路的放大倍数不需要调整，反之，则逐级增大肌电采集电路放大倍数。

③肌电信号是否过大的判断，即判断肌电信号是否饱和。将①中判别出来的有用肌电信号的均值的最大值与M相比较，M是一个略小于A/D转换量程的数。若则说明信号饱和，此时，需要将肌电采集电路的放大倍数逐级减小，直到信号满足不再饱和为止。反之，则不需要调整肌电信号采集电路放大倍数。

Claims (3)

1.一种具有动态增益的肌电假手控制系统，包括表面电极、前置放大电路、信号预处理电路、动态增益电路、A/D转换电路、MSP430微控制器系统和假手驱动电路；其特征在于：所述表面电极从皮肤表面引入未经任何处理的肌电信号，肌电信号经前置放大电路实现初级放大，放大后的信号进入信号预处理电路，由信号预处理电路完成肌电信号的低通滤波、高通滤波和50Hz限波，滤波处理后的肌电信号，经动态增益电路进一步放大，放大后的信号由A/D转换电路转换进入MSP430微控制器系统，由MSP430微控制器系统对肌电信号幅度进行判断，根据判断结果对动态增益电路的放大倍数进行调节，使放大后的肌电信号幅度处在0.4V-3.0V范围内，然后，根据采集到的肌电信号幅度平均值的不同，由控制系统输出对应的假手驱动电路控制信号，实现假手的控制。

2.根据权利要求1所述的具有动态增益的肌电假手控制系统，其特征在于：所述MSP430微控制器系统对肌电信号幅度进行判断包括：

(1)肌电信号与干扰的判别：对采集到的肌电信号做分组处理，每组有n个肌电值，然后求每一组肌电信号绝对值的平均值，设在第i个时刻采集到第j组的信号为x_n×j+i，该组信号的平均值记为

则信号平均值的计算如公式(1)所示：

${\stackrel{\‾}{x}}_j=\frac{1}{n}\underset{x_t=x_{n\×j+i}}{\overset{n\×(j+1)}{\mathrm{\Σ}}}\left|x_{n\×j+i}\right|$ (i＝1，2，3Λ，n；j＝0，1，2，Λ)        (1)

将相邻的两组肌电信号的平均值做比较，比较所得的差值用于区分肌电信号和干扰；

(2)肌电信号是否过小的判断：将肌电信号与干扰的判别中判别出来的有用肌电信号的均值的最小值

与肌电信号发生阈值为m作比较。若

则表明肌电采集电路的放大倍数不需要调整，反之，则逐级增大肌电采集电路放大倍数；

(3)肌电信号是否过大的判断：将肌电信号与干扰的判别中判别出来的有用肌电信号的均值的最大值

与M相比较，若

则说明信号饱和，此时，将肌电采集电路的放大倍数逐级减小，直到信号满足不再饱和为，反之，则不需要调整肌电信号采集电路放大倍数。

3.根据权利要求1所述的具有动态增益的肌电假手控制系统，其特征在于：所述动态增益电路由LM358放大器和X9315数字电位器构成，X9315数字电位器上设有电阻VH固定端，电阻VL固定端，电阻VW可调端；芯片的

片选端，计数方式控制端、电阻调节量控制端，芯片的

片选端，计数方式控制端、电阻调节量控制端分别连接到MSP430微处理器的P1.2、P1.1、P1.0连接端，由MSP430微处理器对采集到的肌电信号的平均值进行判断，然后对X9315数字电位器做相应调整，实现放大倍数的改变。

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