一种表面肌电、A型超声和惯性测量单元联合采集装置的制作方法

一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置
技术领域
1.本发明涉及人机接口技术领域，尤其涉及一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置。


背景技术：

2.人机接口(human machine interface)技术指的是机械或电子设备与人的意识之间交流的界面。它在人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备的接口，人机接口通过一系列相应的传感技术获取人体的生理信号，常用的信号如肌电信号、脑电信号、肌音信号、近红外信号等。对这些信号经过特定的分类算法获知人类的运动“意图”，分析人体的生理情况，从而控制假肢、外骨骼等外部设备。
3.表面肌电信号(surface electromyogram,semg)是指从肌肉表面通过电极记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。大脑皮层的运动意图信号，通过脊髓的运动神经元传导到轴突末梢连接的肌纤维。之后肌纤维产生电位变化，引起肌肉收缩并在人体软组织及皮肤表面产生电流场，在该电流场中检测到的电位差就称作肌电信号。表面肌电信号反映了肌肉组织的生理活动和状态，且便于测量，具有较高的信噪比，这种无创的检测方法通常用作人机接口控制假肢、外骨骼或其他外部设备。
4.但表面肌电信号本身存在很多问题，易受干扰影响，反映的事肌肉表层的信息，空间分辨率低，此外表面肌电信号容易受到外界电磁场环境影响，因出汗而导致的皮肤电阻抗特性变化也会对其产生干扰，使用的稳定性问题难以完全解决。
5.a型超声信号(a scan ultrasonography)是一种一维的声波信号，可以反映该维度上回波的位置和幅值强度，a型超声采集设备通过高压激励波使探头中的压电陶瓷振动，产生一维的超声信号并传导进入肌肉，遇到肌肉骨骼界面时反射超声回波，通过采集回波信号获得肌肉的形态学信息，可以用于构建人机接口。
6.此外，表面肌电信号和a型超声信号只能测到肌肉形态和电信号，并不能获得运动肢体的运动参数，惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)核心部件包括加速度计、陀螺仪、磁力计三者，用于测量物体空间加速度以及角速度等运动数据，在人机接口中通常用来捕捉肢体的运动速度和姿态。
7.目前已有结合表面肌电信号和imu的人机接口设备，结合表面肌电信号和a型超声的人机接口设备，也有结合表面肌电信号、a型超声和imu传感器的穿戴式模块设计，但是没有具体的表面肌电信号、a型超声和imu信号的同步采集设备，用于同时采集、传输表面肌电信号、a型超声和imu传感器三种信息。
8.目前市面上不存在肌电/超声/imu三模态同步采集设备，主要是因为存在以下技术难点：(1)三种模态信号的高精度同步是技术难点；(2)不同模态信号之间的干扰抑制是另一个技术难点。
9.此外，针对本发明的应用场景，方案需要做到小型化、便携，如果没有集成采集设备，就需要使用多个设备进行同时采集，无法满足便携场景需求。
10.因此，本领域的技术人员致力于开发一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，以实现三种模态信号的同步采集，以便能够在人体上进行多源信息的采集，提高人机接口的鲁棒性。


技术实现要素：

11.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题包括
12.(1)如何实现三模态信息采集，从人体上采集到同一时间段的三种信号，并将这三种信号通过无线的方式传输到上位机上进行数据处理。
13.(2)如何使采集到的三种信号同步；
14.(3)如何在同一位置进行信号采集。
15.为实现上述目的，本发明提供了一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块；
16.所述肌电采集模块将采集到的肌电信号传送给所述主控模块；
17.所述主控模块向所述超声采集模块发送激励超声信号，所述超声采集模块将回波信号回传发送给所述主控模块；
18.所述惯性测量单元采集模块将采集到的imu信号发送给所述主控模块；
19.所述主控模块将数据发送给所述数据传输模块。
20.进一步地，所述主控模块包括主控制器及其周边电路；所述主控制器通过通用i/o引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。
21.进一步地，所述电源管理模块提供+1.8v、
±
2.5v、
±
3.3v、
±
5v、
±
50v等9种不同的供电电压。
22.进一步地，所述数据传输模块包括以太网有线通信接口和wifi无线通信接口。
23.进一步地，所述主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和imu数据，并把所述超声回波数据、所述肌电数据和所述imu数据通过所述以太网有线通信接口或所述wifi无线通信接口传送给上位机软件。
24.进一步地，所述超声采集模块包括波束形成器电路、逻辑控制电路、高压激励与回波接收电路。
25.进一步地，所述超声采集模块还包括超声回波处理模块；所述超声回波处理模块包括可变增益放大电路、差分驱动电路、采样时钟设置电路、模数转换电路、先入先出缓存电路。
26.进一步地，所述肌电信号采集模块包括肌电采集芯片，肌电信号滤波电路以及肌电电极接口。
27.进一步地，所述肌电信号滤波电路的下限截止频率为10～20hz，上限截止频率为450～500hz。
28.进一步地，所述imu采集模块被配置为利用imu采集芯片，采集100hz的三轴加速度、角加速度和角度信号。
29.与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果包括：
30.(1)本发明在技术上实现了a型超声、肌电、imu信号在单台设备的同步采集，更好
地补充目前人体运动分析中多模态信号的采集使用。
31.(2)为人体运动分析及运动意图判断提供了更好更方便的手段，例如中风后患者的运动情况分析，截肢患者的假肢、外骨骼等控制。
32.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
33.图1是本发明的一个较佳实施例的组成示意图；
34.图2是工作时序图。
具体实施方式
35.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
36.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
37.如图1所示，一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块、imu采集模块。
38.主控部分由主控制器stm32f767及其周边电路组成。主控制器通过通用i/o引脚或者片上的外设功能引脚与各个功能芯片实现数据传输与通信，负责设备的整体运作时序，依次控制各个功能芯片的协调运作，最终完成表面肌电、a型超声和惯性测量单元(imu)三种信号的采集、处理和传输。
39.电源管理模块提供+1.8v、
±
2.5v、
±
3.3v、
±
5v、
±
50v等9种不同的供电电压，选用12v可充电聚合物锂离子电池作为人机接口系统的电源，为隔离高压和低压之间的影响，两者之间存在电感-电容滤波电路。
40.数据传输模块包括以太网有线通信电路和wifi无线通信电路。主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和imu数据，最终把三种数据包通过有线/无线的方式传送给上位机软件。
41.超声采集模块包括波束形成器电路、逻辑控制电路、高压激励与回波接收电路。该模块先产生多对低压方波控制信号pi和ni并被逻辑控制电路选通其中一个通道，以控制高压激励与回波接收电路产生高压激励信号，激励后切换到回波接收状态并把超声回波信号传入超声回波处理模块。超声回波处理模块包括可变增益放大电路、差分驱动电路、采样时钟设置电路、模数转换电路、先入先出缓存电路。超声回波信号先通过rc滤波电路后依次进入上述的各个电路种进行放大、差分、采样处理，采样后的回波数据被缓存到先入先出缓存电路中。
42.肌电信号采集模块利用ads1299芯片，通过差分放大的方式对干电极采集的表面肌电信号进行放大，并对表面肌电信号进行带通滤波处理，提高了表面肌电信号检测精度。根据表面肌电信号的特征，设置其下限截止频率为10～20hz，上限截止频率为450～500hz。
43.imu采集模块利用imu采集芯片，采集100hz的三轴加速度、角加速度和角度信号。
44.综上，该装置包含a型超声采集模块、肌电信号采集模块、imu信号采集模块、wifi传输模块、电源模块，将三种信号的采集集成在一个硬件设备上，能够从人体上采集到同一时间段的三种信号，并将这三种信号通过无线的方式传输到上位机上进行数据处理。目前市场上没有装置能同时采集这三种信号。
45.对于多源信号的采集，本装置将a型超声信号采集作为主程序，肌电信号和imu信号的采集由各自芯片采集后，通过相应的中断触发传送到主芯片上，主芯片再将同一时间段内的数据进行自动打包处理，最后主芯片通过高速wifi模块esp8266有序发送信号，保证信号的采集和发送不会造成阻塞。
46.该装置的工作时序如下：
47.利用主芯片设置多个定时器，在相同间隔时间内进行数据采集，因为三种传感器的采样频率都是不相同的，需要在主芯片内进行将降采样，a型超声的采样频率是20hz，肌电模块的采样频率为1000hz，通过spi传输到主芯片，主芯片进行降采样到960hz。imu采集电路是100hz，利用串口中断的方式，将数据回传到主芯片中，主芯片降采样其中的信号得到80hz的imu信号。
48.为了避免各个通道互相干扰，各个通道的超声换能器依次单独工作。超声每个通道的工作时间是12.5ms，其中激励、回波和采集时间占用3.4ms，同时通过定时器在12.5ms内采集12次肌电数据和1次imu数据。实现三种模态信息的同步采集。
49.该装置中，a型超声电路、肌电信号采集电路、imu信号采集电路皆由主控芯片控制，所采集到的信号被主控信号进行同步处理，实现了在硬件系统中的信号同步，避免了后期手动对齐。为保证数据同步，设置多个定时器在主芯片内进行采样，保证不同频率下的三种信号能够有序采集，得到同一时间段内的三种数据。
50.综上，通过上述这种工作方式，实现了对三种信号的同步采集，能够在同一时间段内进行数据采集，避免手动对齐。
51.本发明还提供一种采集臂带。该采集臂带将a型超声探头、肌电电极和imu芯片集成在一起，可同时对同一位置的肌肉进行信号采集。每个模块包含一个5mhz的a型超声探头、2个干电极和1个imu芯片。
52.采集臂带能被佩戴在人体手臂上，作用是把超声换能器、肌电传感器、imu传感器固定放在待检测的手臂肌肉上，并采集对应肌肉的超声回波信号，把超声回波信号反馈给超声信号采集集成电路；采集一对干电极信号，进行差分处理；采集当前肢体的速度位姿信息。采集臂带可以调节长度松紧使得设备能够适应不同人不同粗细的手臂。
53.本发明所提技术方案将三种传感器集成在一个穿戴式模块中，能够对同一块肌肉进行超声、肌电、imu的数据采集，只用佩戴一个传感器模块即可。穿戴式模块通过紧凑化的结构设计，将多个传感器配置在一起，且可以多个组成臂带使用或者单独使用。
54.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块；所述肌电采集模块将采集到的肌电信号传送给所述主控模块；所述主控模块向所述超声采集模块发送激励超声信号，所述超声采集模块将回波信号回传发送给所述主控模块；所述惯性测量单元采集模块将采集到的imu信号发送给所述主控模块；所述主控模块将数据发送给所述数据传输模块。2.如权利要求1所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述主控模块包括主控制器及其周边电路；所述主控制器通过通用i/o引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。3.如权利要求2所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述电源管理模块提供+1.8v、
±
2.5v、
±
3.3v、
±
5v、
±
50v等9种不同的供电电压。4.如权利要求3所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述数据传输模块包括以太网有线通信接口和wifi无线通信接口。5.如权利要求4所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和imu数据，并把所述超声回波数据、所述肌电数据和所述imu数据通过所述以太网有线通信接口或所述wifi无线通信接口传送给上位机软件。6.如权利要求5所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述超声采集模块包括波束形成器电路、逻辑控制电路、高压激励与回波接收电路。7.如权利要求6所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述超声采集模块还包括超声回波处理模块；所述超声回波处理模块包括可变增益放大电路、差分驱动电路、采样时钟设置电路、模数转换电路、先入先出缓存电路。8.如权利要求7所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述肌电信号采集模块包括肌电采集芯片，肌电信号滤波电路以及肌电电极接口。9.如权利要求8所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述肌电信号滤波电路的下限截止频率为10～20hz，上限截止频率为450～500hz。10.如权利要求9所述的表面肌电、a型超声和惯性测量单元联合采集装置，其特征在于，所述imu采集模块被配置为利用imu采集芯片，采集100hz的三轴加速度、角加速度和角度信号。

技术总结
本发明公开了一种表面肌电、A型超声和惯性测量单元联合采集装置，涉及人机接口技术领域，包括主控模块、电源管理模块、数据传输模块、肌电采集模块、超声采集模块和惯性测量单元采集模块。主控模块包括主控制器及其周边电路，主控制器通过通用I/O引脚或者片上的外设功能引脚与外部通信。主控制器从先入先出缓存电路中读取超声回波数据，从中断引脚读取肌电数据和IMU数据，并把三种数据包通过数据传输模块传送给上位机软件。该装置实现了A型超声、肌电、IMU信号在单台设备的同步采集。IMU信号在单台设备的同步采集。IMU信号在单台设备的同步采集。


技术研发人员：刘洪海 常辉 盛译萱 刘一凡 卞家兴
受保护的技术使用者：交浦科技（深圳）有限公司
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/20