基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法，该系统包括心电电极、前置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机；所述心电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述心电电极的输出端连接所述前置放大器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述单片机的输出端连接直流电机的驱动电路。该系统不仅能够采集和放大人体肌肉在收缩时的电压信号，还能够通过实时输出信号的频带能量来控制直流电机的速度，以达到将肌肉收缩力的大小转化为装置运动速度快慢的目的。本系统具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。
【专利说明】
基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于人体电生理信号检测与利用技术领域，具体设及基于表面肌电信号的 直流电机速度控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 表面肌肉电信号是神经系统电活动在皮肤表面处时间和空间上综合叠加的结果。 它是一种无创伤检测的生物电信号，在对认识和了解人体神经系统信息传递、基础医学研 究、临床诊断、运动医学和康复工程中均有广泛的应用。但目前所使用的表面肌电信号采集 装置普遍价格昂贵，且大多使用起来不方便，运为肌电控制系统的开发W及使用带来诸多 不便。此外，目前主要的控制方法为基于阔值决策的控制方法，在运种控制方法中，表面肌 肉电信号相当于一种开关，当肌电信号的某些特征值超过一定阔值时则判断有动作执行， 否则判断为没有，进而通过判断的结果来控制设备电机的启停，在运种控制方法下很难使 用表面肌电信号来实现对设备的运动速度进行控制。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提出基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及 方法。
[0004] 本发明的技术方案是：
[0005] -种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，包括屯、电电极、前置放大器、带 通滤波器、后级放大器和单片机；
[0006] 所述屯、电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述屯、电电极的输出端连接所述前置 放大器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器 的输出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述 单片机的输出端连接直流电机的驱动电路；
[0007] 所述屯、电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号；
[0008] 所述前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的溫漂和噪声、去共模 信号、对电信号进行一级放大；
[0009] 所述带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波；
[0010] 所述后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大；
[0011] 所述单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信 号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输 出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
[0012] 所述根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为:建立频 带能量与PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线 性关系确定输出信号的占空比；
[0013]所述频带能量与PWM波形占空比的线性模型如下所示：
[0014] αι = λ X ei ；
[001引其中，α功对应在第i个采集点时信号的输出占空比，e功对应在第i个采集点时电 信号的平均频带能量，λ为线性模型的系数。
[0016] 采用基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统进行直流电机速度控制的方法， 包括：
[0017] 在人体肌肉运动时，通过所述屯、电电极采集人体肌肉上方表皮处的电信号；
[0018] 通过所述前置放大器降低人体肌肉上方表皮处的电信号的溫漂和噪声、去共模信 号、对电信号进行一级放大；
[0019] 通过所述带通滤波器对一级放大后的电信号进行滤波；
[0020] 通过所述后级放大器对滤波后的电信号进行二级放大；
[0021] 通过所述单片机对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据；
[0022] 通过所述对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号 的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的nm波形控制直流电机的转 速。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 本发明提出一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统及方法，该系统不仅 能够采集和放大人体肌肉在收缩时的电压信号，还能够通过实时输出信号的频带能量来控 制直流电机的速度，W达到将肌肉收缩力的大小转化为装置运动速度快慢的目的，本系统 具有成本低、结构比较简单、使用方便的优势。该系统使用较少的电子器件，可使用电池供 电，且能够输出与肌电信号的能量特征相对应的PWM波形来控制直流电机的转速，通过运种 方式来根据人体使用力的大小来控制外部设备的运动速度。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明【具体实施方式】中基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统的结构 示意图；
[0026] 图2为本发明【具体实施方式】中前置放大器的电路图；
[0027] 图3为本发明【具体实施方式】中带通滤波器和后级放大器的电路图；
[0028] 图4为本发明【具体实施方式】中基于表面肌电信号的直流电机速度控制方法的流程 图；
[0029] 图5为本发明【具体实施方式】中无任何动作时右臂化二头肌处测量到的肌肉电信号 波形图；
[0030] 图6为本发明【具体实施方式】中右臂用力抬起时化二头肌测得的肌肉电信号波形 图。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本发明【具体实施方式】加 W详细的说明。
[0032] -种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，如图1所示，包括屯、电电极、前 置放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机。
[0033] 屯、电电极设置于人体右臂化二头肌上方表皮处，屯、电电极的输出端连接前置放大 器输入端，前置放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接后级 放大器的输入端，后级放大器的输出端连接单片机，单片机的输出端连接直流电机的驱动 电路。
[0034] 屯、电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号。
[0035] 本实施方式中，采集人体肌肉上方表皮处的电信号的屯、电电极可使用一次性屯、电 电极。
[0036] 前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的溫漂和噪声、去共模信号、 对电信号进行一级放大。
[0037] 本实施方式中，前置放大器如图2所示，包括仪表放大器U1和第一运算放大器U4A， 还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第Ξ电阻R3、可变电阻RW1和第一电容C1。
[0038] 仪表放大器U1的型号为AD620，第一运算放大器U4A的型号为LM324。
[0039] 仪表放大器U1的VIN+引脚和VIN-引脚连接屯吨电极，仪表放大器U1的两个RG引脚 分别连接可变电阻RW1的两端，仪表放大器U1的V0UT引脚连接第一电容U1的一端，第一电容 U1的另一端连接第一运算放大器U4A的正极输入端，第一运算放大器U4A的正极输入端还连 接第Ξ电阻R3的一端，第Ξ电阻R3的另一端接地，第一运算放大器U4A的负极输入端连接第 一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端接地，第二电阻R2的另一端连 接第一运算放大器U4A的输出端，第一运算放大器U4A的输出端连接带通滤波器的输入端。
[0040] 带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波。滤波范围设置为lOOHz-化化。 [0041 ]本实施方式中，如图3所示，带通滤波器由二阶低通滤波器和二阶高通滤波器组合 成带通滤器，包括第二运算放大器U4B、第Ξ运算放大器U4C、第四电阻R4、第五电阻R5、第六 电阻R6、第屯电阻R7、第八电阻R8、第二电容C08、第Ξ电容C09、第五电容CIO、第六电容C11 和第屯电容C12。
[0042] 第二运算放大器U4B和第Ξ运算放大器U4C均为LM324。
[0043] 第二运算放大器U4B的正极输入端连接第五电阻R5的一端和第Ξ电容C09的一端， 第Ξ电容C09的另一端接地，第五电阻R5的另一端连接第四电阻R4的一端和第二电容C08的 一端，第四电阻R4的另一端连接第一运算放大器U4A的输出端，第二运算放大器U4B的负极 输入端连接第二电容C08的另一端和第二运算放大器U4B的输出端，第二运算放大器U4B的 输出端连接第五电容C10的一端，第五电容C10的另一端连接第六电阻R6的一端和第六电容 C11的一端，第六电容C11的另一端连接第Ξ运算放大器U4C的正极输入端和第屯电阻R7的 一端，第屯电阻R7的另一端接地，第Ξ运算放大器U4C的负极输入端连接第六电阻R6的另一 端和第Ξ运算放大器U4C的输出端，第Ξ运算放大器U4C的输出端还连接第屯电容C12的一 端，第屯电容C12的另一端连接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端接地，第屯电容C12 的另一端还连接第四运算放大器U4D的正极输入端。
[0044] 后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大。
[0045] 本实施方式中，后级放大器包括第四运算放大器U4D、第九电阻R9和第十电阻R10， 第四运算放大器U4D的型号为LM324。
[0046] 第四运算放大器U4D的正极输入端连接第屯电容C12的另一端，第四运算放大器 U4D的负极输入端连接第九电阻R9的一端和第十电阻R10的一端，第九电阻R9的另一端接 地，第十电阻R10的另一端连接第四运算放大器U4D的输出端，第四运算放大器U4D的输出端 连接单片机的输入端。
[0047] 人体肌肉上方表皮处的电信号经过多次放大后，总体放大倍数可达到1800倍。
[0048] 单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信号数 据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信 号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
[0049] 本实施方式中，单片机的型号为STC89C52。
[0050] 本实施方式中，对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值的计算 公式如式(1)所示： 陶]
…
[0052] 其中，ei为对应在第i个采集点时电信号的平均频带能量，η为平均频带能量的窗 口长度，Vj为时间窗内第j个采集点时电信号电压值。
[0053] 根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为:建立频带能 量与PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线性关 系确定输出信号的占空比。
[0054] 频带能量与PWM波形占空比的线性模型如式(2)所示：
[0055] αι = λΧθ? (2)
[0056] 其中，αι为对应在第i个采集点时信号的输出占空比，ei为对应在第i个采集点时电 信号的平均频带能量，λ为线性模型的系数。本实施方式中，线性模型的系数λ为4。
[0057] 采用基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统进行直流电机速度控制的方法， 如图4所示，包括W下步骤：
[0058] S1:在人体肌肉运动时，通过所述屯、电电极采集人体肌肉上方表皮处的电信号。
[0059] S2:通过所述前置放大器降低人体肌肉上方表皮处的电信号的溫漂和噪声、去共 模信号、对电信号进行一级放大。
[0060] S3:通过所述带通滤波器对一级放大后的电信号进行滤波。
[0061] S4:通过所述后级放大器对滤波后的电信号进行二级放大。
[0062] S5:通过所述单片机对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据。
[0063] S6:通过所述对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电 信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的nm波形控制直流电机 的转速。
[0064] 本实施方式中，无任何动作时右臂化二头肌处测量到的肌肉电信号如图5所示，右 臂用力抬起时化二头肌测得的肌肉电信号如图6所示，可见二者区别较为明显，放大信号明 显。
【主权项】
1. 一种基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，其特征在于，包括心电电极、前置 放大器、带通滤波器、后级放大器和单片机； 所述心电电极设置于人体肌肉上方表皮处，所述心电电极的输出端连接所述前置放大 器输入端，所述前置放大器的输出端连接所述带通滤波器的输入端，所述带通滤波器的输 出端连接所述后级放大器的输入端，所述后级放大器的输出端连接所述单片机，所述单片 机的输出端连接直流电机的驱动电路； 所述心电电极，用于采集人体肌肉上方表皮处的电信号； 所述前置放大器，用于降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、 对电信号进行一级放大； 所述带通滤波器，用于对一级放大后的电信号进行滤波； 所述后级放大器，用于对滤波后的电信号进行二级放大； 所述单片机，用于对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据，对电信号数 据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平均频带能量值得到输出信 号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。2. 根据权利要求1所述的基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统，其特征在于，所 述根据电信号的平均频带能量值得到输出信号的占空比的具体过程为：建立频带能量与 PWM波形占空比的线性模型，根据电信号的平均频带能量值和PWM波形占空比的线性关系确 定输出信号的占空比； 所述频带能量与PWM波形占空比的线性模型如下所示： Cti = AXei; 其中，Cti为对应在第i个采集点时信号的输出占空比，ei为对应在第i个采集点时电信号 的平均频带能量，λ为线性模型的系数。3. 采用权利要求1所述的基于表面肌电信号的直流电机速度控制系统进行直流电机速 度控制的方法，其特征在于，包括： 在人体肌肉运动时，通过所述心电电极采集人体肌肉上方表皮处的电信号； 通过所述前置放大器降低人体肌肉上方表皮处的电信号的温漂和噪声、去共模信号、 对电信号进行一级放大； 通过所述带通滤波器对一级放大后的电信号进行滤波； 通过所述后级放大器对滤波后的电信号进行二级放大； 通过所述单片机对二级放大后的电信号进行模数转换，得到电信号数据； 通过所述对电信号数据进行加窗运算确定电信号的平均频带能量值，根据电信号的平 均频带能量值得到输出信号的占空比，根据该占空比下的PWM波形控制直流电机的转速。
【文档编号】A61B5/0488GK105877745SQ201610191556
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】刘冲, 李震昊, 桑阳, 巴清龙
【申请人】东北大学