CN102961132A - 一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，该装置具体包括：无线接收终端和与所述无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，所述有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将所述表面肌电信号进行量化和传输；所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。
Description
技术领域
本发明涉及生理信号拾取技术领域，更具体的说，是涉及一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法。
背景技术
生理信号交互装置是采集肌电信号、脑信号或神经电信号等生理信号，通过识别这类信号的特征信息，判断人类大脑的意图，其中，肌电信号作为伴随肌肉运动产生的一种生理电信号，目前被广泛应用于临床肌体疾病诊断、运动医学以及康复工程等领域。与传统的植入式肌电信号相比，表面肌电信号是将导电电极贴服在皮肤表面所获取，其特征信息可以直接反映人体动作意图，具有感知动作的直接性，因此可以与机械手臂组合构成肌电假肢。另外，表面肌电信号的无创特性也被作为人机接口界面，应用于交互式游戏娱乐、手语自动翻译、电器控制、作战指挥等各个方面。
表面肌电信号是由肌纤维上形成的单纤维动作电位脉冲在时间和空间上叠加形成的运动电位，其信号的特点是由多个音频范围内的高频脉冲叠加形成。表面肌电采集部分根据通讯的特点分为有线表面肌电和无线表面肌电。由于有线表面肌电对电缆的依赖，很大程度上影响表面肌电的可穿戴和便携应用，为了解决其可穿戴和便携应用，无线表面肌电得到了一定程度的发展。目前，多种无线表面肌电采用的是拓扑结构，每个传感器都集成表面肌电放大，模数转换以及无线发射的功能，将采集的全部肌电数据通过自定义协议发送到指定的接收器，这种全原始数据表面肌电采集系统主要是用于神经肌肉损伤和康复研究，其致命的缺点是全原始数据传输的数据量很大，限制了采集通道扩展，同时也限制了无线传输距离，以及系统的抗电磁干扰能力。
因此，提供一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，有效地减少无线传输数据量，以扩展采集通道和扩大无线传输距离，提高系统的抗电磁干扰能力，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，以克服现有技术中由于全原始数据传输数据量很大，限制采集通道扩展，同时也限制无线传输距离，以及系统的抗电磁干扰能力的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无线表面肌电信号拾取装置，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该装置包括：无线接收终端和与所述无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，
所述有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将所述表面肌电信号进行量化和传输；
所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。
其中，所述有源无线表面传感器具体由非极化高纯度银丝、高通仪用放大器、带通放大器、内置模数转换器低功耗单片机、第一无线射频收发模块、电池模块和电池管理模块构成，
所述非极化高纯度银丝通过贴紧皮肤获取表面肌电信号，经过所述高通仪用放大器和所述带通放大器构成的高增益放大器进行所述表面肌电信号的高阻抗匹配、弱信号放大以及运动伪轨迹干扰消除处理，得到幅值相对高的模拟信号，所述内置模数转换器低功耗单片机将所述模拟信号转换成数字信号并缓存，并对所述数字信号进行压缩处理，控制所述第一无线射频收发模块将压缩后的所述数字信号发送至所述无线接收终端。
其中，所述无线接收终端包括：第二无线射频收发模块，所述无线接收终端通过所述第二无线射频收发模块接收所述有源无线表面传感器发送的所述数字信号。
优选的，所述非极化高纯度银丝为圆柱形，按照平行三极杆技术布置。
优选的，所述非极化高纯度银丝的三根极杆之间的间距为5cm-15cm，其中任何一个极杆都可用作接地电极，其他两个极杆与所述高通仪用放大器正反相输入端相连。
在上述公开的一种无线表面肌电信号拾取装置的基础上，本发明还公开了一种无线表面肌电信号拾取方法，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该方法包括：
A1、有源无线表面传感器通过贴紧皮肤的非极化高纯度银丝获取表面肌电信号；
A2、所述有源无线表面传感器的高通仪用放大器和带通放大器构成高增益放大器进行所述表面肌电信号的高阻抗匹配、弱信号放大以及运动伪轨迹干扰消除处理，得到幅值相对高的模拟信号；
A3、所述有源无线表面传感器的内置模数转换器低功耗单片机将所述模拟信号转换成数字信号并缓存，并对所述数字信号进行压缩处理，控制所述第一无线射频收发模块将压缩后的所述数字信号发送至所述无线接收终端；
A4、所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。
本发明还公开了一种前端压缩方法，其特征在于，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该方法包括：
S1、将信号量化后的数值进行微分处理；
S2、对所述微分处理后得到的数据取绝对值，并对所述绝对值进行累加求和；
S3、将所述累加求和得到的累加求和值进行固定窗口的平均或移位处理；
S4、将所述平均或移位处理的数值结构进行缓存。
优选的，所述步骤S1中的所述微分处理具体方法为：
将当前量化数值减去上一个量化数值，同时保存当前量化数值，为下次微分处理做准备。
优选的，所述步骤S3具体为：
对量化次数或微分处理或累计次数进行计数；
当计数达到固定窗口数据量时，将所述累加求和值除以固定窗口数据大小进行处理；
当固定窗口数据量满足2的n次幂时，平均采用移位处理。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，该装置具体包括：无线接收终端和与所述无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，所述有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将所述表面肌电信号进行量化和传输；所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种无线表面肌电信号拾取装置的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种无线表面肌电信号拾取装置中有源无线表面传感器的结构示意图；
图3为非极化高纯度银丝极杆的几何结构图；
图4为本发明实施例公开的一种无线表面肌电信号拾取方法的流程图；
图5为本发明实施例公开的一种前端压缩方法的流程图；
图6为本发明实施例公开的一种前端压缩方法的特征效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，该装置具体包括：无线接收终端和与无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将表面肌电信号进行量化和传输；无线接收终端接收有源无线表面传感器拾取的表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。该前端压缩方法，不仅实现了数据压缩，同时完成了表面肌电信号特征提取任务，将特征提取的任务分给多个有源无线传感器，减少了动作识别处理器的运算量。
请参阅附图1，为本发明公开的一种无线表面肌电信号拾取装置的结构示意图。本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该装置包括：无线接收终端101和与所述无线接收终端101无线通信连接的多个有源无线表面传感器102，其中，所述有源无线表面传感器102对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将所述表面肌电信号进行量化和传输；所述无线接收终端101接收所述有源无线表面传感器102拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。
本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置，该装置具体包括：无线接收终端和与无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将表面肌电信号进行量化和传输；无线接收终端接收有源无线表面传感器拾取的表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。
请参阅附图2，为本发明实施例公开的一种无线表面肌电信号拾取装置中有源无线表面传感器的结构示意图。具体所述有源无线表面传感器的结构包括：非极化高纯度银丝、高通仪用放大器、带通放大器、内置模数转换器低功耗单片机、无线射频收发模块、锂电池以及电源管理模块构成，各个模块的连接关系请参阅附图2。
每个有源传感器的工作流程是非极化高纯度银丝通过紧贴皮肤获取表面肌电信号，然后经过由高通仪用放大器和带通放大器构成的高增益放大器进行皮肤高阻抗匹配、弱信号放大、以及运动伪轨迹干扰消除等处理后得到幅度相对较高的模拟信号，再由内置模数转换器低功耗单片机完成模拟信号转换成数字信号并缓存，单片机对转换后的数字信号进行压缩处理，最后单片机控制无线射频收发模块发送压缩后的数字信号。单片机的压缩是表面肌电信号特征提取的过程。
多个有源无线传感器构成表面肌电信号拾取阵列，每个有源无线传感器需要进行的任务是拾取、放大、量化、以及压缩。然后通过自定义协议无线网络或者蓝牙发送给无线接收终端，无线终端利用带有表面肌电信号特征信息的压缩数据控制家电控制器、PC、或者机械手，构成带表面肌电信号控制的假肢或者体感控制器。
有源无线传感器整体供电是由锂电池提供，然后经过电源管理模块进行稳压和欠压管理。稳压的目的是为放大器构成的模拟电路、单片机为核心的数字电路、以及2.4G无线芯片构成的射频电路提供低噪声的电源，包括正负稳压电源，其中，高通仪用放大器采用正负双极性电源供电，带通放大器和单片机以及无线射频收发部分由单极性正电源供电。另外，各个功能模块的核心芯片供电管脚附近都放置一个去耦电容，避免其供电串扰。
高通仪用放大器采用三运放集成的仪用放大器，其高通的实施方案是采用电阻和电容串联的方式接入三运放仪用放大器的增益控制端。带通放大器是采用单运放单电源供电的巴特沃斯带通滤波器电路。两个放大器串联构成一个具有二阶高通和一阶低通的带通滤波器，高通截止频率设置为10Hz，低通截止频率设置为500Hz。放大器体现的高通滤波特性可有效地抑制运动伪轨迹引起的噪声干扰，为后继数据压缩的特征值信号提供高信噪比的模拟信号。
有源无线传感器的单片机采用低功耗内置AD类型，优先考虑MSP430系列和STM320系列。单片机通过SPI总线或者自定义总线与无线射频芯片通讯，无线射频芯片的天线采用PCB蛇形布局。无线射频收发模块可与其他功能模块在同一电路板上，也可单独成板，通过柔性排线与单片机通讯。
有源无线传感器的拾取电极采用圆柱形非极化高纯度银丝，按照平行三极杆技术布置。如附图3所示，极杆1、2、3平行布置，它们之间的间距在5cm-15cm，优先选择10cm。三根极杆中的任何一个极杆都可用作接地电极，另外两个电极直接与附图2的仪用放大器正反相输入端相连。
本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置，该装置具体包括：无线接收终端和与无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将表面肌电信号进行量化和传输；无线接收终端接收有源无线表面传感器拾取的表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。
在上述本发明公开的实施例的基础上，请参阅附图4，为本发明实施例公开的一种无线表面肌电信号拾取方法的流程图。本发明实施例还公开了一种无线表面肌电信号拾取方法，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该方法具体步骤包括：
步骤A1、有源无线表面传感器通过贴紧皮肤的非极化高纯度银丝获取表面肌电信号。
步骤A2、有源无线表面传感器的高通仪用放大器和带通放大器构成高增益放大器进行表面肌电信号的高阻抗匹配、弱信号放大以及运动伪轨迹干扰消除处理，得到幅值相对高的模拟信号。
步骤A3、有源无线表面传感器的内置模数转换器低功耗单片机将模拟信号转换成数字信号并缓存，并对数字信号进行压缩处理，控制所述第一无线射频收发模块将压缩后的数字信号发送至无线接收终端。
步骤A4、无线接收终端接收有源无线表面传感器拾取的表面肌电信号，并发送至终端设备。
本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取方法，该方法克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。
对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
在上述公开的一种无线表面肌电信号拾取装置及方法的基础上，请参阅附图5，为本发明实施例公开的一种前端压缩方法的流程图。本发明还公开了一种前端压缩方法，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，在有源无线传感器启动采集后，AD转换模拟信号得到量化的数值，单片机进行数据压缩，该方法具体步骤包括：
步骤S1、将信号量化后的数值进行微分处理。
将当前量化数值减去上一个量化数值，同时保存当前量化数值，为下次微分处理做准备。
步骤S2、对所述微分处理后得到的数据取绝对值，并对所述绝对值进行累加求和。
步骤S3、将所述累加求和得到的累加求和值进行固定窗口的平均或移位处理。
对量化次数或微分处理或累计次数进行计数；
当计数达到固定窗口数据量时，将所述累加求和值除以固定窗口数据大小进行处理；
当固定窗口数据量满足2的n次幂时，平均采用移位处理。
步骤S4、将所述平均或移位处理的数值结构进行缓存。
这种表面肌电信号数据前端压缩方法的压缩比为固定窗口大小，优先考虑的窗口大小是128。无线前端压缩表面肌电信号拾取装置的每个有源无线传感器按照该方法进行数据压缩后，再进行压缩数据分时传输。这种方法不仅实现了数据压缩，同时完成了表面肌电信号特征提取任务，其提取的特征效果如附图6所示，压缩比为128，黑色的线是压缩以后的信号，灰色的是原始信号。
本发明实施例公开的一种前端压缩方法，不仅实现了数据压缩，同时完成了表面肌电信号特征提取任务，将特征提取的任务分给多个有源无线传感器，减少了动作识别处理器的运算量。
综上所述：本发明公开了一种无线表面肌电信号拾取装置、方法及前端压缩方法，该装置具体包括：无线接收终端和与无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将表面肌电信号进行量化和传输；无线接收终端接收有源无线表面传感器拾取的表面肌电信号，并发送至终端设备。该装置克服了传统无线表面肌电采集装置的数据量大的问题，通过有源无线传感器前端进行微分绝对值移动平均算法压缩，有效地压缩了无线传输数据量，为有源传感器采集的通道数扩展提供支持，同时为丢包重传提供了时间支持，提高了抗无线周边物体干扰和电磁干扰的能力。该前端压缩方法，不仅实现了数据压缩，同时完成了表面肌电信号特征提取任务，将特征提取的任务分给多个有源无线传感器，减少了动作识别处理器的运算量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种无线表面肌电信号拾取装置，其特征在于，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该装置包括：无线接收终端和与所述无线接收终端无线通信连接的多个有源无线表面传感器，其中，
所述有源无线表面传感器对表面肌电信号进行高保真的拾取，并将所述表面肌电信号进行量化和传输；
所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有源无线表面传感器具体由非极化高纯度银丝、高通仪用放大器、带通放大器、内置模数转换器低功耗单片机、第一无线射频收发模块、电池模块和电池管理模块构成，
所述非极化高纯度银丝通过贴紧皮肤获取表面肌电信号，经过所述高通仪用放大器和所述带通放大器构成的高增益放大器进行所述表面肌电信号的高阻抗匹配、弱信号放大以及运动伪轨迹干扰消除处理，得到幅值相对高的模拟信号，所述内置模数转换器低功耗单片机将所述模拟信号转换成数字信号并缓存，并对所述数字信号进行压缩处理，控制所述第一无线射频收发模块将压缩后的所述数字信号发送至所述无线接收终端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述无线接收终端包括：第二无线射频收发模块，所述无线接收终端通过所述第二无线射频收发模块接收所述有源无线表面传感器发送的所述数字信号。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非极化高纯度银丝为圆柱形，按照平行三极杆技术布置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述非极化高纯度银丝的三根极杆之间的间距为5cm-15cm，其中任何一个极杆都可用作接地电极，其他两个极杆与所述高通仪用放大器正反相输入端相连。
6.一种无线表面肌电信号拾取方法，其特征在于，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该方法包括：
A1、有源无线表面传感器通过贴紧皮肤的非极化高纯度银丝获取表面肌电信号；
A2、所述有源无线表面传感器的高通仪用放大器和带通放大器构成高增益放大器进行所述表面肌电信号的高阻抗匹配、弱信号放大以及运动伪轨迹干扰消除处理，得到幅值相对高的模拟信号；
A3、所述有源无线表面传感器的内置模数转换器低功耗单片机将所述模拟信号转换成数字信号并缓存，并对所述数字信号进行压缩处理，控制所述第一无线射频收发模块将压缩后的所述数字信号发送至所述无线接收终端；
A4、所述无线接收终端接收所述有源无线表面传感器拾取的所述表面肌电信号，并发送至终端设备。
7.一种前端压缩方法，其特征在于，用于动作识别的前端压缩无线表面肌电信号拾取，该方法包括：
S1、将信号量化后的数值进行微分处理；
S2、对所述微分处理后得到的数据取绝对值，并对所述绝对值进行累加求和；
S3、将所述累加求和得到的累加求和值进行固定窗口的平均或移位处理；
S4、将所述平均或移位处理的数值结构进行缓存。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述微分处理具体方法为：
将当前量化数值减去上一个量化数值，同时保存当前量化数值，为下次微分处理做准备。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
对量化次数或微分处理或累计次数进行计数；
当计数达到固定窗口数据量时，将所述累加求和值除以固定窗口数据大小进行处理；
当固定窗口数据量满足2的n次幂时，平均采用移位处理。
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