面部肌电检测电极及检测装置

1.本实用新型涉及智能人机交互设备领域，具体地说是一种面部肌电检测电极及检测装置。


背景技术：

2.表面肌电信号作为一种常见的人体生理信号被广泛应用于人机交互系统中，以完成助力机器人、康复机器人等系统的交互控制。由于操作者自身的原因或是操作系统复杂性的需要，如康复治疗中的面瘫患者、高位截瘫患者等，常常会出现无法使用双手的情况，这就需要通过面部肌电完成康复效能评估及指令的交互。
3.目前应用于肌电检测的电极大致可以分为三类，包括金属线干电极，氯化银电极以及弹簧针电极，它们被广泛应用于人体四肢部位的肌电信号检测中。然而对于面部肌电信号的检测，金属线干电极和弹簧针电极由于固定方式受限，在使用中无法紧密贴合在面部皮肤表面，而很难得到应用。而对于氯化银电极，这类电极一般为粘贴式湿电极，其电极面积一般比较大，难以实现针对面部复杂小肌肉的精细检测，另外该电极在长时间佩戴过程中，极易受发音、咀嚼等面部动作的影响，而出现电极接触不良、甚至脱落的情况，这会造成所采集肌电数据的丢失，从而影响面部肌电指令的交互效果。因此，需要一种针对面部肌电信号检测的电极和装置，以满足面部肌电信息采集及指令识别的需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种面部肌电检测电极及检测装置，采用基于柔性可延展面部肌电电极的设计，使得系统可紧密贴合在皮肤表面，根随皮肤变形完成肌电信号的稳定采集。
5.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：
6.一种面部肌电检测电极，包括多个肌电电极点、多条连接线以及连接头，其中，每个肌电电极点和连接头之间由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一根绝缘连接线相连。
7.所述肌电电极点为多个，肌电电极点为圆形导电金属盘体。
8.所述肌电电极点为圆形导电银盘体。
9.所述连接线为波浪形。
10.所述连接头为多芯fpc公头连接器。
11.所述连接线集成在柔性fpc板上。
12.所述肌电电极点通过导电胶与柔性fpc板上的金属焊盘相连接。
13.一种面部肌电检测装置，包括顺序连接的面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元以及上位机，还包括分别与信号调理单元、主控单元、无线通信单元连接的电源管理单元，其中：面部肌电检测电极，包括多个肌电电极点、多条连接线以及连接头，每个肌电电极点和连接头之间由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一
根绝缘连接线相连，连接头连接调理单元。
14.所述信号调理单元包括顺序连接的隔直网络电路、前置放大电路、带通滤波电路、信号放大电路、工频陷波电路，其中，每个电路均与电源管理单元连接，隔直网络电路与面部肌电检测电极中的连接头相连，工频陷波电路与主控单元相连。
15.所述信号调理单元设于封闭金属壳体内。
16.本实用新型具有以下有益效果及优点：
17.本实用新型提供了一种面部肌电检测电极及检测装置，该装置便携、舒适，可有效适应面部肌电信号的采集需求；所提出的面部肌电电极具有柔性可延展功能，能够稳定的贴合皮肤表面跟随皮肤变形，实现面部肌电信号的稳定检测。
附图说明
18.图1是本实用新型的面部肌电检测装置原理框图；
19.图2是本实用新型的面部肌电检测电极结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
21.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
23.一种面部肌电检测电极及检测装置，包括以下部分：
24.面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元、上位机单元以及电源管理单元；所述面部肌电检测电极、信号调理单元、主控单元、无线通信单元、上位机单元依次连接，所述电源管理单元为信号调理单元、主控单元、无线通信单元供电。
25.可采集肌电信号的通道数为20通道。
26.面部肌电检测电极，由肌电电极点、波浪形连接线及连接头构成，可附着于人体面部皮肤表面，感受人体的面部肌电信号。
27.信号调理单元，包括：隔直网络电路、前置放大电路、带通滤波电路、信号放大电路、工频陷波电路等几个部分。
28.无线通信单元，采用wifi通信的方式完成采集数据的无线传输。
29.上位机单元，通过上位机软件可完成肌电数据的解析、处理、解码及面部肌电指令的识别等功能。
30.电源管理单元，所述的供电方式为锂电池供电，且包含充电功能和过电保护功能。
31.面部肌电检测电极，可紧密贴合皮肤表面，跟随皮肤变形进行拉伸，实现采集信号的稳定获取。
32.如图1所示是本实用新型的面部肌电检测装置原理框图；
33.一种面部肌电检测电极及检测装置，由面部肌电检测电极1、信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4、上位机单元5以及电源管理单元6等六个部分组成；所述的面部肌电检测电极1、信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4、上位机单元5依次连接，所述电源管理单元6为信号调理单元2、主控单元3、无线通信单元4供电。其中，面部肌电检测电极1作为检测装置的感受器，用于感受人体面部的表面肌电信号；信号调理单元2用于对感受到的微弱表面肌电信号进行信号调理，从而获得有效、高质量的肌电信号；主控单元3通过高精度a/d转换器对调理后的模拟肌电信号进行采集，采集通道数为20；采集后的肌电数据通过无线通信单元4传输至上位机单元5中；上位机单元5，上位机单元5可通过wifi方式接收无线通信单元4发送的肌电数据，并依据通信协议对该数据进行解析；解析后的数据首先通过iir数字陷波器滤除信号中残存的工频干扰，再通过巴特沃斯带通滤波器对信号中的噪声进行滤除；滤波后的数据通过归一化处理结合最大面积方法，完成类别标签的校正；然后采用滑动窗口法对校正后数据进行特征提取，所提取的特征包括，肌电平均绝对值、波长、过零点数、斜率变化次数等；最后依据提取后的特征，使用机器学习或深度学习的方法，完成动作指令的识别。电源管理单元6负责对肌电检测装置进行供电，其供电方式为锂电池供电，供电电压为3.7v，且包含充电功能和过电保护功能，装置的充电接口为micro usb接口，可通过连接充电宝等方式完成充电操作。当充电器对锂电池过充电时，为防止因温度上升所导致锂电池爆炸的情况，添加了过电保护功能，通过电压比较器监测电池的充电电压，当充电电压达到额定最大电压时，启动mos管关断充电回路，即激活过充电保护功能，中止充电。
34.所述的信号调理单元2由隔直网络电路2
‑
1、前置放大电路2
‑
2、带通滤波电路2
‑
3、信号放大电路2
‑
4、工频陷波电路2
‑
5等五个部分构成。其中隔直网络2
‑
1采用高通网络设计，用于消除由极化电压所带来的影响；前置放大电路2
‑
2由低噪声、低漂移、高共模抑制比仪用运算放大器构成，用于提高系统的输入阻抗，减小检测装置引入的噪声；带通滤波电路2
‑
3由一个二阶有源巴特沃斯型高通滤波器和一个二阶有源巴特沃斯型低通滤波器组成，截止频率分别为10hz和500hz，用于滤除肌电信号有效频段外的高、低频噪声；信号放大电路2
‑
4用于表面肌电信号的分级放大，由于肌电信号属于微弱的生理信号，因此需要将信号进行多级放大，避免信号输出端出现饱和的现象；工频陷波电路2
‑
5由双t型陷波电路构成，电路的截止频率为50hz，用于减小外接环境引入的工频干扰。整个信号调理单元2在装置集成安装过程中应通过金属外壳对电路板进行包裹，以达到电磁屏蔽的目的。
35.如图2所示是本实用新型本实用新型的面部肌电检测电极结构示意图；
36.所述的面部肌电检测电极，由肌电电极点1
‑
1、波浪形连接线1
‑
2及连接头1
‑
3构成，面部肌电检测电极可搭配柔性硅胶衬底或肌内效贴布，粘贴于人体面部肌肉表面，用于感受人体的面部肌电信号。其中，肌电电极点1
‑
1为由10个直径为1cm的圆形导电金属盘构成，所选材料为金属银，电极厚度为0.4mm，通过导电胶与柔性fpc板的金属焊盘相连接，fpc板的金属焊盘采用沉金工艺进行表面处理，肌电电极点1
‑
1被直接贴合于皮肤表面，检测面部肌电信号；柔性fpc板中的金属导电线为波浪形连接线1
‑
2，用于连接肌电电极点1
‑
1和连接头1
‑
3，任意肌电电极点和连接头之间都由一根导电连接线相连，任意两个肌电电极点之间由一根绝缘连接线相连。由于连接线采用波浪形设计，使得连接线构型形成一个平面弹
簧结构，在电极跟随皮肤变形而产生拉伸的过程中可产生对应的形变，从而实现稳定的肌电信号采集；连接头1
‑
3由一个间距1mm的10芯fpc公头连接器构成，用于连接面部肌电检测电极1与信号调理单元2。
37.本实用新型的肌电电极点1
‑
1的粘贴位置应与人体面部肌肉群分布的位置一一对应，包括，笑肌、降口角肌、降下唇肌、颧大肌、颧小肌、提上唇肌。在面部动作指令识别时，上述肌肉群会直接影响整个人体的面部动作，因此采用这种电极
‑
肌肉对应的设计方式会使得面部肌电检测更为准确。在本实用新型中共计包含两个相同上述面部肌电检测电极，分别放置于左右脸两侧，结合面部肌电检测装置，可有效实现人体面部肌电信号的检测和面部肌电动作指令的识别。