CN209360687U - 一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，包括电源模块、肌电信号感知模块、肌电信号A/D模块、惯性信息采集模块、数据传输模块(蓝牙2.0模块、UART模块)、视频采集模块、同步采集模块、下位机控制***、上位机控制***(Windows或Android***)。本实用新型通过对肌电信号、惯性信号以及视频影像的实时采集与保存，可以精确地分析人体肢体在不同的运动姿态、运动速度下所对应的肌肉所产生的肌电信号的关系，通过无线蓝牙模块可与多种上位机进行实时通信，满足不同平台(Windows/Android)、不同设备(PC/手机/平板)的采集需求。

Description

一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置

技术领域

本实用新型涉及信号同步采集技术领域，具体涉及一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置。

背景技术

表面肌电信号(surface electromyography，sEMG)是人体完成各种肢体动作过程中，肢体表层肌肉和神经传导过程中的电活动在皮肤表层的累积电效应，它常见于人体主动运动过程中与运动相关的骨骼肌表面，一般通过将电极片粘贴在肌肉表面进行记录。在获得了良好的肌电信号的前提下，表面肌电信号的能量变化以及频带范围等综合信息，能够很大程度上定量的反映出被测肌肉的生理和机理状态，借助于肌电信号处理方法，根据信号表象提取出深层次机理原理性的特征，能够有效的描述肌肉运动疲劳程度、肢体动作模式重构、肌肉运动功能评价以及肌电信号与神经中枢耦合关系，对肌电信号的研究，能够更深入的探寻神经科学的内在机理，加深对人体自身的认识。

惯性测量方法通过惯性传感器节点组合来实现动作的连续检测。随着传感器技术的不断发展，惯性传感器体积越来越小、便携性越来越好、惯性数据越来越丰富、功耗越来越低，因此，惯性传感器已经应用于各个专业领域。常用惯性传感器主要有加速度计、陀螺仪、地磁传感器等。

随着科学技术的不断进步，视频影像已经成为了现代社会中信息的重要载体。视频信息中普遍含有大量的人体动作信息。视频人体动作识别能够为人们提供各种各样的帮助。其核心是解放繁琐的人工识别视频的过程，让计算机可以通过对视频的分析，对其中的人体动作能有较为精准的识别，目前在很多领域都有不同程度的应用。目前已经有较为成熟的方法通过视频影像来提取人体的动作方位、姿态等运动信息，所以视频影像与肌电、惯性信号相比可以提供更丰富的人体运动及外部信息，将它们结合可更好进行人体动作识别研究。视频影像、肌电信号、惯性信号是不同种类的信息，可以使用不同硬件来采集，但是如果采集数据不能同步，数据的研究意义将大大减少。

专利201610825647.7，提供了一种肌电信号和惯性信息同步采集装置，包括多信息采集传感器、嵌入式微处理***、无线多平台应用接口、电源模块以及数据应用平台。多信息采集传感器通过信号同步输入接口将实时采集的肌电信息及惯性信息传递至嵌入式微处理***，肌电及惯性信息经微处理***进一步优化处理，并通过无线多平台接口以无线通讯的方式传输至数据应用平台。本实用新型装置具有通讯信号稳定、扩展功能强、轻便易携带、易操作等一系列优点，能够有效适应于运动中肌电信号和惯性信息实时同步采集，并同时满足PC机、手机等多种数据应用平台的无线数据接收处理需求，为人体在运动中肢体协同运作方式的临床研究提供了极大便利。

专利201680037446.9，提供一种设备物理交互虚拟化技术，允许单个(通用)可穿戴平台模拟用户与(多种)输入设备间的物理交互。本实用新型旨在提供独特的以人为中心的“超级UI(用户界面)”，作为人与多种设备的之间直观“高速/并行”输入/交互能力的集成点。本实用新型包括可被其他可穿戴设备用于手势相关输入/输出的目的方法和装置与其它移动/可穿戴设备(例如智能手表/智能手机)集成以提供自然/直观、上下文敏感的手势输入，单手操作和高速并行输入/交互(可为双方向具有触觉/压力图案和视觉/音频反馈)为了便于更通用使用和功能扩展，提议的可穿戴式设备(类手套式可穿戴)也可能是模块化设计，使平台(可插拔)易于清洁/维护或用新硬件扩展。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

本实用新型的目的在于提供一种适用于人体可便携穿戴式、具有无线传输接口的、双平台(Android/Windows)可实时应用的同步采集装置。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，包括电源模块、肌电信号感知模块、肌电信号A/D模块、惯性信息采集模块、数据传输模块、视频采集模块、同步采集模块、下位机控制***、上位机控制***；

所述电源模块与肌电信号感知模块、下位机控制***相连接，用于为其提供电源；

所述下位机控制***包括主控制器MCU、充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块，充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块为主控制器 MCU的***电路分别于主控制器MCU相连；所述主控制器MCU采用德州仪器MSP430F149，具有12位A/D转换器；

所述肌电信号感知模块采用肌电电极，经肌电信号连接线引入肌电信号A/D模块，经肌电信号A/D模块作A/D转换后与下位机控制***连接，获取肌电信号；

所述惯性信息采集模块包括MPU9250芯片，惯性信息采集模块与下位机控制***连接，实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理；

所述数据传输模块包括蓝牙2.0模块、UART模块，UART模块与下位机控制***连接，下位机控制***通过蓝牙2.0模块与上位机控制***进行无线数据通信；

所述视频采集模块、同步采集模块与上位机控制***相连，上位机控制***包括信息处理模块、存储模块和显示模块，上位机控制***进行视频信息、传感器信号的采集与显示，形成肌电信号、惯性信号与视频的同步数据，并存储在存储模块中。

根据本实用新型的一实施例，所述肌电信号感知模块包括肌电信号采集传感器，传感器采用Ag/AgCl表面电极，经肌电信号连接线接入下位机控制***中，再经滤波放大电路处理后，由蓝牙模块无线传输给上位机***；所述肌电电极由两片相互平行的电极构成，构成差分输入。

根据本实用新型的一实施例，所述滤波放大电路包括运算放大器U6、电阻R16、电阻R17、电阻R21、电容C30、3.3V电源、 2.5V电源；采样信号AIN3与电阻R16一端相连，电阻R16另一端与电阻R17一端、电阻R21一端相连，电阻R21另一端接地，电阻 R17另一端与运算放大器U6的1脚输出端相连；运算放大器U6的 8脚接3.3V电源、电容C30一端，电容C30另一端接地，运算放大器U6的4脚接地，运算放大器U6的3脚同相输入端接2.5V电源，运算放大器U6的2脚反相输入端与1脚输出端相连。

根据本实用新型的一实施例，所述惯性信息采集模块为2通道 MPU9250芯片控制的九自由度惯性信号采集模块，惯性信号采集模块由惯性传感器单元和数据传输总线模块组成，实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理；惯性传感器单元包括加速度计、陀螺仪以及地磁传感器，输出九轴惯性信息，经过姿态解算后得到加速度、角速度、角度参数。

根据本实用新型的一实施例，所述MPU9250芯片***电路包括 MPU9250芯片U7、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C3、电容 C6、电容C17、3.3V电源；MPU9250芯片U7的1脚、8脚、13脚与3.3V电源相连，MPU9250芯片U7的22脚与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与3.3V电源相连，3.3V电源还与电容C3一端、电容C6一端相连，电容C3另一端、电容C6另一端接地；MPU9250芯片U7的9脚与电阻R36一端相连，MPU9250芯片 U7的11脚与电阻R35一端相连，MPU9250芯片U7的10脚与电容 C17一端相连，MPU9250芯片U7的18脚、20脚、电阻R35另一端、电阻R36另一端、电容C17另一端接地。

根据本实用新型的一实施例，所述视频采集模块由一个高清摄像头连接到上位机控制***。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果：一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，通过对肌电信号、惯性信号以及视频影像的实时采集与保存，可以精确地分析人体肢体在不同的运动姿态、运动速度下所对应的肌肉所产生的肌电信号的关系，为深入研究不同人体肌电信号提供了重要数据；下位机通过无线蓝牙模块可与多种上位机进行实时通信，满足不同平台(Windows/Android)、不同设备(PC/手机/平板)的采集需求；将肌电信号、惯性信号的采集整合到一起，减小了采集设备的体积和重量，减轻了采集设备对人体动作的不利影响；将采集数据通过无线蓝牙传输，将采集与存储分离，大大提高了实验的便利性，并能实现长距离实验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型装置原理框图。

图2为滤波放大电路原理图。

图3为MPU9250芯片***电路图。

图4为同步方式时序图。

图5为上位机控制***人机界面图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1，一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，包括电源模块、肌电信号感知模块、肌电信号A/D模块、惯性信息采集模块、数据传输模块(蓝牙2.0模块、UART模块)、视频采集模块、同步采集模块、下位机控制***、上位机控制***(Windows或 Android***)。

电源模块与肌电信号感知模块、下位机控制***相连接，用于为其提供电源。

下位机控制***包括主控制器MCU、充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块，充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块为主控制器MCU的***电路分别于主控制器MCU相连。主控制器MCU采用德州仪器MSP430F149，具有12位A/D转换器。充电电池、电源稳压模块能在不外接电源的情况下为肌电信号感知模块、主控制器及传输模块供电，大大提升整个采集装置的便利性。

肌电信号感知模块为4通道肌电信号采集模块，每个通道采用肌电电极，经肌电信号连接线引入下位机控制***，获取肌电信号。肌电信号感知模块包括肌电信号采集传感器，传感器采用 Ag/AgCl表面电极，经肌电信号连接线引入肌电作信号A/D模块，经 A/D模块作A/D转换后传入下位机控制***。一个肌电电极由两片相互平行的电极构成，构成差分输入。另外，4个通道肌电信号还有一个共用参考地端，参考地端电极有效降低了噪声干扰，提高了共模抑制能力，采集的肌电电压信号经A/D模块，数字化后传给下位机控制***。

4通道肌电信号采集模块，在采集人体表面肌电时，将每个通道各两个Ag/AgCl表面电极顺着肌纤维方向分别安放于需要采集的肌肉上，参考地电极安放于距离采集电极较近的无肌肉区域(如手肘、膝部等)。采集到的表面肌电信号经连接线，接入下位机控制***中，再经下位机控制***的滤波放大电路处理后，由蓝牙模块无线传输给上位机***。

如图2所示，滤波放大电路包括运算放大器U6、电阻R16、电阻R17、电阻R21、电容C30、3.3V电源、2.5V电源；采样信号 AIN3与电阻R16一端相连，电阻R16另一端与电阻R17一端、电阻 R21一端相连，电阻R21另一端接地，电阻R17另一端与运算放大器U6的1脚输出端相连；运算放大器U6的8脚接3.3V电源、电容 C30一端，电容C30另一端接地，运算放大器U6的4脚接地，运算放大器U6的3脚同相输入端接2.5V电源，运算放大器U6的2脚反相输入端与1脚输出端相连。

惯性信息采集模块与下位机控制***连接，实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理。惯性信息模块为2通道 MPU9250芯片控制的九自由度惯性信号采集模块，每个通道由惯性传感器单元和数据传输总线模块组成，可实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理。惯性信息采集传感器主要由加速度计、陀螺仪以及地磁传感器组成，能够输出九轴的惯性信息，经过姿态解算后得到加速度、角速度、角度等参数。

2通道9自由度惯性信号采集模块由2个MPU9250芯片组成，可以获取传感芯片的加速度、角速度、以及磁力值。角速度可以知芯片的转动速度，加速度可以知道芯片运动的距离、速度情况，而磁力计可以知道物芯片的运动方向。另外MPU9250芯片内置姿态融合器，可以在不涉及算法的情况下，直接读取出描述物体状态的四元数，从而得出物体的三维角度--航向角、翻滚角、俯仰角。另可得到3轴加速度，积分后可得3轴速度，3轴位移。MPU9250芯片和下位机控制***安装在一起，并固定与人体肢体上，采集的惯性数据通过I2C接口发送给主控制器，再由主控制器处理后通过蓝牙发送至上位机控制***进行存储、显示和同步。

结合图3，MPU9250芯片***电路包括MPU9250芯片U7、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C3、电容C6、电容C17、 3.3V电源；MPU9250芯片U7的1脚、8脚、13脚与3.3V电源相连，MPU9250芯片U7的22脚与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与 3.3V电源相连，3.3V电源还与电容C3一端、电容C6一端相连，电容C3另一端、电容C6另一端接地；MPU9250芯片U7的9脚与电阻R36一端相连，MPU9250芯片U7的11脚与电阻R35一端相连， MPU9250芯片U7的10脚与电容C17一端相连，MPU9250芯片 U7的18脚、20脚、电阻R35另一端、电阻R36另一端、电容C17另一端接地。

数据传输模块与下位机控制***连接，且与上位机控制***进行无线数据通信。数据传输模块由蓝牙模块和UART(通用异步收发传输器)模块组成。其中UART模块是和下位机控制***的主控制器MCU集成在一起。主控制器MCU将采集的数据通过UART传输给蓝牙模块，再由蓝牙模块无线传输给上位机的蓝牙接收模块，由上位机接收、显示、处理数据。

视频采集模块由一个高清摄像头连接到上位机控制***，视频影像同肌电、惯性信息同步采集模块发出的同步信号来控制。视频采集模块用于在接收到触发信号时按照设置的采样频率对采集目标进行拍摄，并将拍摄的视频与肌电信号、惯性信号进行绝对时间对应。

同步采集模块由上位机控制***发出采集开始与停止信号控制，通过无线蓝牙通信与下位机控制***信号采集同步；每个信号采样率：肌电信号采样频率为1000Hz；惯性信号采样频率为25Hz；视频采样率为25FPS。同步方式时序图如图4所示。

上位机控制***包括信息处理模块、存储模块和显示模块，进行视频信息、传感器信号的采集与显示，形成肌电信号、惯性信号与视频的同步数据，并存储在存储模块中。

下位机控制***通过无线蓝牙模块可与多种上位机控制***进行实时通信，满足不同平台(Windows/Android)、不同设备(PC/手机 /平板)的采集需求。

与传统卡尔曼滤波器相比，本实用新型采用扩展卡尔曼滤波器对惯性信号进行滤波处理，并转换为俯仰角、旋转角和偏航角。

肌电信号采集传感器为干电极式接触传感器，相比粘贴式肌电传感器，干电极式接触传感器穿戴速度更快、更方便。

上位机控制***，负责视频影像的传输和存储，同步信息的触发，同下位机控制***通信，肌电、惯性信号的接收、显示和存储。上位机控制***人机界面图如图5所示。

综上所述，本实用新型实施例，肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，对存放的运输货物进行货物特征识别通过多传感器对信息数据的采集处理；触觉传感器、压力传感器、重量传感器对货物信息的检测，同时将信息反馈至控制器，控制器发出相应的指令，控制机械夹准确稳定的夹取货物，在码垛过程中实现机器人实识别、夹取、码垛全自动控制，提高了码垛机器人的工作效率和准确率，增强了码垛机器人自动化水平，减少人力物力的损耗；本实用新型码垛机器人操作的范围非常大，安全性能好，方便于检修和维护，具有较高的经济效益和社会效益。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于：包括电源模块、肌电信号感知模块、肌电信号A/D模块、惯性信息采集模块、数据传输模块、视频采集模块、同步采集模块、下位机控制***、上位机控制***；

所述电源模块与肌电信号感知模块、下位机控制***相连接，用于为其提供电源；

所述下位机控制***包括主控制器MCU、充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块，充电电池、电源稳压模块、滤波放大电路、UART和I2C串口通信模块为主控制器MCU的***电路分别于主控制器MCU相连；所述主控制器MCU采用德州仪器MSP430F149，具有12位A/D转换器；

所述肌电信号感知模块采用肌电电极，经肌电信号连接线引入肌电信号A/D模块，经肌电信号A/D模块作A/D转换后与下位机控制***连接，获取肌电信号；

所述惯性信息采集模块包括MPU9250芯片，惯性信息采集模块与下位机控制***连接，实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理；

所述数据传输模块包括蓝牙2.0模块、UART模块，UART模块与下位机控制***连接，下位机控制***通过蓝牙2.0模块与上位机控制***进行无线数据通信；

所述视频采集模块、同步采集模块与上位机控制***相连，上位机控制***包括信息处理模块、存储模块和显示模块，上位机控制***进行视频信息、传感器信号的采集与显示，形成肌电信号、惯性信号与视频的同步数据，并存储在存储模块中。

2.如权利要求1所述的一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于：所述肌电信号感知模块包括肌电信号采集传感器，传感器采用Ag/AgCl表面电极，经肌电信号连接线接入下位机控制***中，再经滤波放大电路处理后，由蓝牙模块无线传输给上位机***；所述肌电电极由两片相互平行的电极构成，构成差分输入。

3.如权利要求2所述的一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于：所述滤波放大电路包括运算放大器U6、电阻R16、电阻R17、电阻R21、电容C30、3.3V电源、2.5V电源；采样信号AIN3与电阻R16一端相连，电阻R16另一端与电阻R17一端、电阻R21一端相连，电阻R21另一端接地，电阻R17另一端与运算放大器U6的1脚输出端相连；运算放大器U6的8脚接3.3V电源、电容C30一端，电容C30另一端接地，运算放大器U6的4脚接地，运算放大器U6的3脚同相输入端接2.5V电源，运算放大器U6的2脚反相输入端与1脚输出端相连。

4.如权利要求1所述的一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于，所述惯性信息采集模块为2通道MPU9250芯片控制的九自由度惯性信号采集模块，惯性信号采集模块由惯性传感器单元和数据传输总线模块组成，实时采集九自由度运动惯性信息数据量并作滤波处理；惯性传感器单元包括加速度计、陀螺仪以及地磁传感器，输出九轴惯性信息，经过姿态解算后得到加速度、角速度、角度参数。

5.如权利要求4所述的一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于，所述MPU9250芯片***电路包括MPU9250芯片U7、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电容C3、电容C6、电容C17、3.3V电源；MPU9250芯片U7的1脚、8脚、13脚与3.3V电源相连，MPU9250芯片U7的22脚与电阻R34一端相连，电阻R34另一端与3.3V电源相连，3.3V电源还与电容C3一端、电容C6一端相连，电容C3另一端、电容C6另一端接地；MPU9250芯片U7的9脚与电阻R36一端相连，MPU9250芯片U7的11脚与电阻R35一端相连，MPU9250芯片U7的10脚与电容C17一端相连，MPU9250芯片U7的18脚、20脚、电阻R35另一端、电阻R36另一端、电容C17另一端接地。

6.如权利要求1所述的一种肌电惯性信号和视频信息同步采集装置，其特征在于，所述视频采集模块由一个高清摄像头连接到上位机控制***。