前臂表面肌电信号调理采集电路课程设计报告解读

《电子技术》课程设计报告课题名称：前臂表面肌电信号调理采集电路

班级电气1122 学号1121205234

学生姓名邵慧洁

专业电气工程及其自动化

系别电子信息工程系

指导老师电子技术课程设计指导小组

淮阴工学院

电子与电气工程学院

2014年5月

目录

摘要 (1)

第 1 章设计目的和要求 (2)

1.1设计目的 (2)

1.2设计要求 (2)

第 2 章多感知肌电假手系统 (3)

2.1 单元电路设计 (3)

2.1.1 电路的组成分析 (3)

2.1.2 单元电路设计与调试 (3)

2.2总体设计 (4)

2.3单元电路元器件介绍 (6)

2.3.1元器件列表 (7)

2.3.2单元电路元器件功能说明及使用方法 (6)

第 3 章电路研制结果 (10)

3.1调试 (10)

3.2电路测试及测试结果 (10)

3.2.1测试方法 (10)

3.2.2测试结果 (10)

3.2.3性能分析 (10)

第 4 章总结与展望 (12)

4.1 本文工作总结 (12)

4.2心得体会 (13)

4.3 研究展望 (13)

参考文献 (14)

摘要

具有多种感觉的智能仿生假手研究,目的是为了提高肢残人士的生活自理度,缩小其与健康人肢体之间功能上的差异,保障肢体残疾患者心理健康,促进社会文明及医疗福利事业的发展。同时,智能仿生假手研究集多传感器技术、信息融合技术、生物医学工程、电子信息等多学科领域的交叉,促进了当今的各项尖端技术相互渗透。人类的上肢系统功能复杂,感觉反馈极其丰富,而目前商用的电动假手基本上采用肌电信号控制,并不具备对所抓物体的信息感知反馈。为了使假手尽可能地模仿人手的功能,提高假手的仿生性和智能性,有必要在肌电电动假手系统上增添多传感器感知系统。佩戴肌电假手的残疾人以残肢表面肌电信号作为假手控制信号,实现近似自然的手部动作操控。涉及表面肌电信号的采集处理、手部动作识别、假手运动控制等技术。多传感器感知与肌电电动假手的有机结合将使假手具有良好的仿生性,并使假手操作的智能化程度得到有效的提升。

关键词:仿生假手,表面肌电信号

第 1 章设计目的和要求

1.1设计目的：

a）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。

b）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。

c）进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。

d）培养学生的创新能力。

1.2设计要求：

表面肌电信号是一种微伏击的微弱信号。频率范围为5-500Hz。采集过程包括：拾取、放大、调理、模数转换等环节。

图1 框图

提示：

1.陷波针对50Hz

2.滤波采用高通与低通结合

3.ADC须满足精度与速度要求

第 2 章多感知肌电假手系统

2.1 单元电路设计

2.1.1 电路的组成分析

设计的肌电假手为二自由度电动假手,完成假手伸腕、屈腕、展权、握拳等动作,其系统结构如图 2.1 所示。通过尺侧腕伸肌、尺侧腕屈肌两路肌电采集头募集残臂的表面肌电信号,经过信号调理电路(包括 50HZ 模拟陷波,10HZ 高通滤波、500HZ 低通滤波以及绝对值电路)后送给单片机的 A/D,单片机根据采样数据进行多运动模式识别,并通过电机驱动电路实现对肌电假手电机的选择及转速的控制,最终实现假手的动作控制。

图 2.1 肌电假手系统结构框图

2.1.2 单元电路设计与调试

工频陷波器:由于实验设备的供电电源、外界电磁干扰等环境及自身因素的影响,软硬度传感器的压电信号量测中存在较大工频干扰,给后期的软硬度信息识别带来较大困难。为较准确测量出待测物体软硬度信息,需要用50Hz工频陷波器滤去干扰,其硬件电路图如图2.2所示。

图2.2工频陷波器

低通滤波器：实验测试表明PVDF传感器的压电信号频率远低于100Hz,而压电信号不可避免受到环境中各种噪声的干扰,为了滤除其中的中、高频噪声,信号经低通滤波器进行滤波处理,其截止频率为100Hz,硬件电路如图2.3所示。

图2.3低通滤波器

2.2总体设计

考虑到表面肌电信号是一种μV 级微弱信号,为了提高信号的信噪比,电极拾取的信号须经过初级放大。初级放大电路和拾电电极共同封装成表面肌电信号传感头,并通过低噪声信号线外部引线接到后续处理电路中。由于表面肌电信号传感器空间十分有限,所以初级放大电路要求尽量简单。初级放大电路采用差分式设计,电路图如图 2.4 所示,其中,节点 MIDGND 为+2.5V;R2,R4,C2 组成一个简易的低通滤波器;C3,R5,R6,C4 则是一个高通滤波器。高倍放大前的低通滤波可滤除部分噪声,高通滤波则可滤除直流信号,以防在高倍放大时使运放达到饱和状态。

图 2.4 表面肌电信号初级放大电路

从残臂表面采集的表面肌电信号微弱(一般 0~6mv),易受到残臂肌肉自身、信号采集系统、肢体所处的外界环境等诸多因素的干扰。设计信号调理电路对采集的表面肌电信号进行工频去噪、高通滤波及低通滤波等处理,以获得较干净的表面肌电信号,为后期的肢体运动模式识别做好准备。不同人或相同人不同时间下的肌肉表面采集的信号会有幅值的不稳定性,为后期的动作识别带来一定的系统误差,因此为尽量消除幅值的差异性,绝对值电路设为增益可调的放大电路,将采集的表面肌电信号调整到特定的阈值区间内进行运动模式识别。表面肌电信号是假手进行伸腕、屈腕、展权、握拳等动作的运动控制源信号,该信号的有效处理是必要的,其硬件电路图见图 2.5。

图 2.5 肌电假手动作控制源信号调理电路