一種用于采集人體運動信號的傳感器電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，包括微控制器、運動捕捉電路、肌電信號電路、肌動信號模塊和藍牙模塊。本實用新型通過使用基于MEMS技術(shù)的加速度計、陀螺儀及磁力計，以獲取人體在運動過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進行處理得到人體運動姿態(tài)參數(shù)，使用三個表面肌電電極對肌肉電信進行采集，通過電路設(shè)計將信號進行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動收縮時的橫向振動力學(xué)信息。
【專利說明】
一種用于采集人體運動信號的傳感器電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種傳感器電路，尤其涉及一種用于采集人體運動信號的傳感器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的大環(huán)境下，對人體行為或狀態(tài)進行數(shù)字化，特別是人體運動學(xué)和力學(xué)方面的研究，提出了新的技術(shù)要求。要能更好地理解及分析人體運動狀態(tài)，對其建立正確的數(shù)學(xué)模型，掌握運動參數(shù)和力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，互為轉(zhuǎn)換、補償及驗證，則首先需要有設(shè)備可以量化人體的關(guān)節(jié)運動以及肌肉腱力狀態(tài)。
[0003]當前針對運動學(xué)或力學(xué)分析的儀器，如基于攝像頭技術(shù)的運動捕捉系統(tǒng)，或基于電極采集的肌電傳感器，其本身都只能單一地檢測到姿態(tài)信息或肌肉電信息。我國科研工作者在醫(yī)療領(lǐng)域開展了一些關(guān)于肌電和肌動信號結(jié)合以實現(xiàn)多自由度假肢控制的研究，這些研究建立了一些基礎(chǔ)的肌肉信號檢測模型，以實現(xiàn)人體力學(xué)方面參數(shù)的評估，但由于缺乏運動捕捉功能，不能與運動學(xué)研究進行統(tǒng)一，并且研究成果沒有進一步形成產(chǎn)業(yè)。國外已有將運動捕捉及肌肉信號分析等技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中，但產(chǎn)品多為功能單一的運動分析或力學(xué)分析系統(tǒng)，缺少兩者相融合的功能，需要同時購買兩種以上設(shè)備才能提供人體運動學(xué)和力學(xué)所需的檢測數(shù)據(jù)以支持建立數(shù)學(xué)模型。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種用于采集人體運動信號的傳感器電路。
[0005]本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0006]本實用新型包括微控制器、運動捕捉電路、肌電信號電路、肌動信號模塊和藍牙模塊，所述運動捕捉電路、所述肌電信號電路和所述肌動信號模塊的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述微控制器的信號輸出端與所述藍牙模塊的信號輸入端連接。
[0007]本實用新型優(yōu)選的，所述運動捕捉電路包括慣性測量單元和磁性傳感器，所述慣性測量單元的SDA端和所述磁性傳感器的SDA/SD0端連接后與所述微控制器的PB3端連接，所述慣性測量單元的SCL端和所述磁性傳感器的SCL/SPC端連接后與所述微控制器的PBlO端連接，所述慣性測量單元的INTl端與所述微控制器的PAl端連接，所述慣性測量單元的INT2端與所述微控制器的PAO端連接。
[0008]本實用新型優(yōu)選的，所述肌電信號電路包括第一放大器、第二放大器和濾波器，所述第一放大器的VIN-端串聯(lián)第三十電容器后與第一探頭連接，所述第一放大器的VIN+端串聯(lián)第三十五電容器后與第二探頭連接，所述第一放大器的VOUT端分別與所述第一放大器的REF端、所述第二放大器的IND+端和所述第二放大器的OUTC端連接，所述第二放大器的INB-端分別與所述第二放大器的INA-端、所述第二放大器的OUTA端、所述第二放大器的OUTB端和第三探頭連接，所述第二放大器的INB+端分別與所述第二放大器的INC+端、所述第二放大器的INC-端、所述第二放大器的OUTD端、所述微處理器的PB12端和所述濾波器的IN端連接，所述濾波器的CLK端與所述微處理器的PC14端連接，所述濾波器的SHDN端與所述微處理器的PCl 3端連接，所述濾波器的OUT端與所述微處理器的PCl 5端連接。
[0009]本實用新型優(yōu)選的，所述肌動信號模塊包括第一數(shù)字麥克風和第二數(shù)字麥克風，所述第一數(shù)字麥克風的LCK端分別與所述第二數(shù)字麥克風的LCK端和所述微處理器的PB13端連接，所述第一數(shù)字麥克風的DOUT端分別與所述第二數(shù)字麥克風的DOUT端和所述微處理器的PBl 5連接。
[0010]本實用新型優(yōu)選的，所述藍牙模塊包括藍牙芯片，所述藍牙芯片的RESET端與所述微處理器的PA8端連接，所述藍牙芯片的TXD端與所述微處理器的PAlO端連接，所述藍牙芯片的RXD端與所述微處理器的PA9端連接，所述藍牙芯片的RTS端與所述微處理器的PAll端連接，所述藍牙芯片的CTS端與所述微處理器的PA12端連接，所述藍牙芯片的LPO端與所述微處理器的PA14端連接。
[0011]本實用新型優(yōu)選的，所述微處理器上連接有復(fù)位電路，其之間通過接插件連接，所述微控制器的PA13端分別與所述接插件的第三端和第四雙相二極管的第一端連接，所述第四雙相二極管的第二端分別與所述接插件的第五端、第五雙相二極管的第一端和第三雙相二極管的第一端連接后接地，所述接插件的第一端分別與直流電源和所述第三雙相二極管的第二端連接，所述微控制器的PA14端分別與所述第五雙相二極管的第二端和所述接插件的第三端連接。
[0012]本實用新型優(yōu)選的，所述復(fù)位電路包括第一復(fù)位芯片、第二復(fù)位芯片和復(fù)位開關(guān)，所述第一復(fù)位芯片的IN端分別與第一復(fù)位芯片的GND端、所述第二復(fù)位芯片的VCC端、復(fù)位開關(guān)的第一端和所述接插件的第一端連接，所述復(fù)位開關(guān)的第二端與所述第二復(fù)位芯片的IN端連接，所述第一復(fù)位芯片的EN端串聯(lián)第二二極管后與所述第二復(fù)位芯片的OUT端連接，所述第一復(fù)位芯片的OUT端與直流電源連接。
[0013]本實用新型的有益效果在于:
[0014]本實用新型通過使用基于MEMS技術(shù)的加速度計、陀螺儀及磁力計，以獲取人體在運動過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進行處理得到人體運動姿態(tài)參數(shù)，使用三個表面肌電電極對肌肉電信進行采集，通過電路設(shè)計將信號進行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動收縮時的橫向振動力學(xué)信息。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型所述肌動信號模塊的電路圖；
[0016]圖2是本實用新型所述肌電信號電路的電路圖；
[0017]圖3是本實用新型所述運動捕捉電路的電路圖；
[0018]圖4是本實用新型所述微控制器的電路圖；
[0019]圖5是本實用新型所述藍牙模塊的電路圖；
[0020]圖6是本實用新型所述濾波電路的電路圖；
[0021]圖7是本實用新型所述復(fù)位電路的電路圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明:
[0023]本實用新型包括微控制器、運動捕捉電路、肌電信號電路、肌動信號模塊和藍牙模塊，運動捕捉電路、肌電信號電路和肌動信號模塊的信號輸出端均與微控制器的信號輸入端連接，微控制器的信號輸出端與藍牙模塊的信號輸入端連接。
[0024]如圖3和圖4所示，運動捕捉電路包括慣性測量單元U14和磁性傳感器U13，慣性測量單元U14的SDA端和磁性傳感器U13的SDA/SD0端連接后與微控制器U18的PB3端連接，慣性測量單元U14的SCL端和磁性傳感器U13的SCL/SPC端連接后與微控制器U18的I3BlO端連接，慣性測量單元U14的INTl端與微控制器U18的PAl端連接，慣性測量單元U14的INT2端與微控制器U18的PAO端連接。
[0025]如圖2、圖4和圖6所示，肌電信號電路包括第一放大器U8、第二放大器U12和濾波器U20，第一放大器U8的VIN-端串聯(lián)第三十電容器C30后與第一探頭E4連接，第一放大器U8的VIN+端串聯(lián)第三十五電容器C35后與第二探頭E5連接，第一放大器U8的VOUT端分別與第一放大器U8的REF端、第二放大器U12的IND+端和第二放大器U12的OUTC端連接，第二放大器U12的INB-端分別與第二放大器U12的INA-端、第二放大器U12的OUTA端、第二放大器U12的OUTB端和第三探頭E6連接，第二放大器U12的INB+端分別與第二放大器U12的INC+端、第二放大器U12的INC-端、第二放大器U12的OUTD端、微處理器U18的TO12端和濾波器U20的IN端連接，濾波器U20的CLK端與微處理器U18的PC14端連接，濾波器U20的SHDN端與微處理器U18的PC13端連接，濾波器U20的OUT端與微處理器U18的PC15端連接。
[0026]如圖1和圖4所示，肌動信號模塊包括第一數(shù)字麥克風Ull和第二數(shù)字麥克風U15，第一數(shù)字麥克風Ull的LCK端分別與第二數(shù)字麥克風U15的LCK端和微處理器U18的PB13端連接，第一數(shù)字麥克風Ul I的DOUT端分別與第二數(shù)字麥克風U15的DOUT端和微處理器U18的PB 15連接。
[0027]如圖4和圖5所示，藍牙模塊包括藍牙芯片U21，藍牙芯片U21的RESET端與微處理器U18的PA8端連接，藍牙芯片U21的TXD端與微處理器U18的PAlO端連接，藍牙芯片U21的RXD端與微處理器U18的PA9端連接，藍牙芯片U21的RTS端與微處理器U18的PAll端連接，藍牙芯片U21的CTS端與微處理器U18的PA12端連接，藍牙芯片U21的LPO端與微處理器U18的PA14端連接。
[0028]如圖4和圖7所示，微處理器U18上連接有復(fù)位電路，其之間通過接插件CNl連接，微控制器U18的PA13端分別與接插件CNl的第三端和第四雙相二極管D4的第一端連接，第四雙相二極管D4的第二端分別與接插件CNl的第五端、第五雙相二極管D5的第一端和第三雙相二極管D5的第一端連接后接地GND，接插件CNl的第一端分別與直流電源和第三雙相二極管D3的第二端連接，微控制器U18的PA14端分別與第五雙相二極管D5的第二端和接插件CNl的第三端連接。
[0029]如圖7所示，復(fù)位電路包括第一復(fù)位芯片U9、第二復(fù)位芯片UlO和復(fù)位開關(guān)SWl，第一復(fù)位芯片U9的IN端分別與第一復(fù)位芯片U9的GND端、第二復(fù)位芯片UlO的VCC端、復(fù)位開關(guān)SWl的第一端和接插件CNl的第一端連接，復(fù)位開關(guān)SWl的第二端與第二復(fù)位芯片UlO的IN端連接，第一復(fù)位芯片U9的EN端串聯(lián)第二二極管D2后與第二復(fù)位芯片UlO的OUT端連接，第一復(fù)位芯片U9的OUT端與直流電源連接。
[0030]本實用新型的工作原理如下:
[0031]如圖1-圖7所示，本實用新型的工作原理如下:
[0032]本實用新型主要包括了運動捕捉電路、肌電信號電路、肌動信號模塊、微控制器以及藍牙模塊五大硬件部分，運動捕捉電路中慣性測量單元U14主要集成了加速度計和陀螺儀，磁性傳感器U13集成了磁力計，通過適當?shù)乃惴ò褦?shù)據(jù)融合，以獲得運動學(xué)參數(shù);肌電信號電路主要通過對人體肌肉微弱的生物電信號進行放大和濾波，以獲取在運動過程中肌肉被激勵的狀態(tài);肌動信號模塊主要通過使用數(shù)字麥克風貼在肌肉皮膚表面，以獲得運動過程中肌肉橫向振動的力學(xué)參數(shù);微控制器主要對各模塊傳輸來的數(shù)據(jù)進行標定、校正、融合，然后通過藍牙模塊把處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位主控機進行實時顯示、分析及保存。
[0033]在上述過程中，慣性測量單元U14和磁性傳感器U13分別采集到加速度，角速度和地磁方向，通過Iic接口傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18;數(shù)字麥克風UlI和U15采集到的肌動信號傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18，第一放大器放大器U8和第二放大器U12采集到的肌電信號通過濾波器U20濾波后傳輸?shù)轿⒖刂破鱑18，微控制器U18把采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，最后把處理后的數(shù)據(jù)通過藍牙模塊U21傳輸給上位機。
[0034]通過選用基于MEMS技術(shù)的三軸加速度計，三軸陀螺儀及三軸磁力計并使用32位Cortex-A4高速微控制器對數(shù)據(jù)進行算法融合以實現(xiàn)人體運動捕捉及分析功能，選用基于MEMS技術(shù)的信號放大電路以及濾波電路進行表面肌電信號采集，實現(xiàn)噪音抑制和信號放大倍數(shù)可調(diào)的功能，選用基于MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風采集肌動信號，比傳統(tǒng)單一的加速度計方式具有更高的分辨率和靈敏度，傳感器比傳統(tǒng)設(shè)備體積要小重量要輕，可方便穿戴于人體肢體上在室內(nèi)或室外進行檢測使用。
[0035]綜上所述，本實用新型通過使用基于MEMS技術(shù)的加速度計、陀螺儀及磁力計，以獲取人體在運動過程中的加速度、角速度等物理量，通過數(shù)據(jù)融合算法把這些信息進行處理得到人體運動姿態(tài)參數(shù)，使用三個表面肌電電極對肌肉電信進行采集，通過電路設(shè)計將信號進行放大、多級增益可調(diào)及硬件濾波，改善信噪比，通過使用MEMS技術(shù)的數(shù)字麥克風貼在人體皮膚表面，以采集肌肉在主動收縮時的橫向振動力學(xué)信息。
[0036]本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本實用新型的實質(zhì)和精神，可以有多種變形方案實現(xiàn)本實用新型，以上所述僅為本實用新型較佳可行的實施例而已，并非因此局限本實用新型的權(quán)利范圍，凡運用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含于本實用新型的權(quán)利范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:包括微控制器、運動捕捉電路、肌電信號電路、肌動信號模塊和藍牙模塊，所述運動捕捉電路、所述肌電信號電路和所述肌動信號模塊的信號輸出端均與所述微控制器的信號輸入端連接，所述微控制器的信號輸出端與所述藍牙模塊的信號輸入端連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述運動捕捉電路包括慣性測量單元和磁性傳感器，所述慣性測量單元的SDA端和所述磁性傳感器的SDA/SDO端連接后與所述微控制器的PB3端連接，所述慣性測量單元的SCL端和所述磁性傳感器的SCL/SPC端連接后與所述微控制器的I3BlO端連接，所述慣性測量單元的INTl端與所述微控制器的PAl端連接，所述慣性測量單元的INT2端與所述微控制器的PAO端連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述肌電信號電路包括第一放大器、第二放大器和濾波器，所述第一放大器的VIN-端串聯(lián)第三十電容器后與第一探頭連接，所述第一放大器的VIN+端串聯(lián)第三十五電容器后與第二探頭連接，所述第一放大器的VOUT端分別與所述第一放大器的REF端、所述第二放大器的IND+端和所述第二放大器的OUTC端連接，所述第二放大器的INB-端分別與所述第二放大器的INA-端、所述第二放大器的OUTA端、所述第二放大器的OUTB端和第三探頭連接，所述第二放大器的INB+端分別與所述第二放大器的INC+端、所述第二放大器的INC-端、所述第二放大器的OUTD端、所述微處理器的PB12端和所述濾波器的IN端連接，所述濾波器的CLK端與所述微處理器的PC14端連接，所述濾波器的SHDN端與所述微處理器的PC13端連接，所述濾波器的OUT端與所述微處理器的PC15端連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述肌動信號模塊包括第一數(shù)字麥克風和第二數(shù)字麥克風，所述第一數(shù)字麥克風的LCK端分別與所述第二數(shù)字麥克風的LCK端和所述微處理器的PB13端連接，所述第一數(shù)字麥克風的DOUT端分別與所述第二數(shù)字麥克風的DOUT端和所述微處理器的PB15連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述藍牙模塊包括藍牙芯片，所述藍牙芯片的RESET端與所述微處理器的PA8端連接，所述藍牙芯片的TXD端與所述微處理器的PAlO端連接，所述藍牙芯片的RXD端與所述微處理器的PA9端連接，所述藍牙芯片的RTS端與所述微處理器的PAll端連接，所述藍牙芯片的CTS端與所述微處理器的PA12端連接，所述藍牙芯片的LPO端與所述微處理器的PA14端連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述微處理器上連接有復(fù)位電路，其之間通過接插件連接，所述微控制器的PA13端分別與所述接插件的第三端和第四雙相二極管的第一端連接，所述第四雙相二極管的第二端分別與所述接插件的第五端、第五雙相二極管的第一端和第三雙相二極管的第一端連接后接地，所述接插件的第一端分別與直流電源和所述第三雙相二極管的第二端連接，所述微控制器的PA14端分別與所述第五雙相二極管的第二端和所述接插件的第三端連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于采集人體運動信號的傳感器電路，其特征在于:所述復(fù)位電路包括第一復(fù)位芯片、第二復(fù)位芯片和復(fù)位開關(guān)，所述第一復(fù)位芯片的IN端分別與第一復(fù)位芯片的GND端、所述第二復(fù)位芯片的VCC端、復(fù)位開關(guān)的第一端和所述接插件的第一端連接，所述復(fù)位開關(guān)的第二端與所述第二復(fù)位芯片的IN端連接，所述第一復(fù)位芯片的EN端串聯(lián)第二二極管后與所述第二復(fù)位芯片的OUT端連接，所述第一復(fù)位芯片的OUT端與直流電源連接。
【文檔編號】A61B5/11GK205568954SQ201520873823
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年11月2日
【發(fā)明人】林焯華
【申請人】廣州阿路比電子科技有限公司