一种同步检测触觉刺激力和肌电信号的触觉检测装置的制作方法

本发明涉及力触觉激励、生物电采集与识别的仪器技术领域，尤其是一种同步检测触觉刺激力和肌电信号的触觉检测装置。

背景技术：

触觉作为一种不同于视觉和听觉的感觉，更多的受主观感情因素影响，因而存在一定的个体差异，近几年随着虚拟现实、运动与健康科学等领域的兴起，触觉激励相关方面的研究重新进入人们的视野。皮肤作为哺乳动物重要的感觉器官，是一种具有触点非常密集非常灵敏的感受器，皮肤通过接触或触摸可以获得相应的感受信息。随着神经医学、康复工程的发展，人们对皮肤触觉分析相关的研究越来越重视。目前，市场上对该类检测传感器需求比较大，相关的新传感器比较多，其中相关生物信号放大模块是表面肌电信号的重要部件之一，而无痛和便携性成为评判相关性能的重要指标。

常见相关物刺激信号测量方法通过一触发信号输入刺激装置而产生相应刺激信号，该刺激一般为力刺激或电刺激等等。该刺激信号依据其形态，通过不同的方式刺激待测生物体，生物体在接收刺激信号后会产生相应的生理信号，该生理信号被感测装置所量得，并直接存入相应的信号处理装置内，整个过程刺激装置和感测装置都是同步的。相关的处理数据具有同步性，通过该同步信号，即可得知该生物体数据资料，据此作出相关分析及评估。近年来市面上关于相关的装置比较多，其缺陷在于：第一，电子器件暴露在强磁场环境下，极大影响数据的可靠性；第二，采用低频脉冲信号，导致偏心马达频率响应不高，装置体积较大，不容易固定，便携性太差；第三，价格昂贵，制约了相关产品普及化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低成本、能够对生物体表面肌电信号进行放大，同时使触觉刺激力频率可调的同步检测触觉刺激力和肌电信号的触觉检测装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种同步检测触觉刺激力和肌电信号的触觉检测装置，包括可调力触觉激励装置和肌电信号采集放大装置，所述可调力触觉激励装置包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构；所述肌电信号采集放大装置包括前级放大电路，其输入端接收人体表面的肌电信号，其输出端依次通过四阶低通滤波电路、50Hz工频陷波电路、后级放大电路和电平抬升电路与低功耗微控制器的输入端相连，低功耗微控制器通过无线蓝牙模块与STM32微控制器无线通讯。

所述交流电机机构包括交流电机和电机驱动器，所述偏心轮机构由偏心轮、轴套和延长轴组成，所述偏心轮通过紧固螺栓与轴套相连，轴套通过紧固螺栓与延长轴相连，延长轴通过紧固螺栓与交流电机的电机输出轴轴连。

所述弹性钢尺机构包括弹性钢尺、X轴方向微调装置、Y轴方向微调装置和上支撑板，所述弹性钢尺和上支撑板均为水平布置，所述上支撑板位于弹性钢尺的上方，所述上支撑板通过铁质支撑柱固定在钢制底板上，上支撑板向下通过紧固螺钉固定安装X轴方向微调装置，X轴方向微调装置向下通过紧固螺钉固定安装Y轴方向微调装置，Y轴方向微调装置通过紧固螺钉固定在弹性钢尺上，所述弹性钢尺向下固定探针机构。

所述探针机构包括压力传感器和探针，压力传感器通过紧固螺丝固定在弹性钢尺的末端上，压力传感器的测力方向与弹性钢尺的振动方向一致，探针粘贴在压力传感器上，所述压力传感器的输出端与STM32微控制器的输入端相连，STM32微控制器的输出端与PC上位机的输入端相连。

所述交流电机的外表面包裹防电磁材料,所述交流电机固设在大泡沫板上。

所述前级放大电路包括放大器U1A，其正相输入端通过电阻R1接表面肌电信号IN+信号，其反相输入端与电阻R3的一端相连，其输出端与分别与电容C5的一端、电阻R6的一端相连，电容C5的另一端接放大器U2的3脚，电阻R2跨接在放大器U1A的反相输入端和输出端上，电阻R6的另一端接放大器U1C的正相输入端，放大器U1C的反相输入端与其输出端相连，且该输出端接地，电阻R7的一端接放大器U1C的正相输入端，电阻R4跨接在放大器U1B的反相输入端和输出端上，放大器U1B的正相输入端通过电阻R5接表面肌电信号IN-信号，放大器U1B的输出端分别接电阻R7的另一端、电容C6的一端，电容C6的另一端接放大器U2的2脚，放大器U2的1脚通过电阻R10接放大器U2的8脚，放大器U2的输出端作为前级放大电路的输出端；所述放大器U1A和放大器U1B均采用OPA4277UA芯片，所述放大器U2采用INA118芯片。

所述四阶低通滤波电路包括运放U3A，其正相输入端依次通过电阻R19、电阻R22接前级放大电路的输出端，运放U3A的正相输入端与电阻R19的一端相连，电阻R19的另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端分别与运放U3A的反相输入端、运放U3A的输出端相连，运放U3A的输出端与电阻R20的一端相连，电阻R20的另一端分别与电阻R21、电容C14的一端相连，电阻R21的另一端接运放U3B的正相输入端，电容C14的另一端分别接运放U3B的反相输入端、运放U3B的输出端，运放U3B的输出端作为四阶低通滤波电路的输出端；所述运放U3A和运放U3B均采用OPA4277UA芯片。

所述后级放大电路包括运放U3C，其正相输入端与50Hz工频陷波电路的输出端相连，其反相输入端一方面通过电阻R11接地，另一方面通过电阻R12与运放U3C输出端相连，运放U3C的输出端通过电阻R13接运放U3D的正相输入端，运放U3D的反相输入端分别与电阻R16、电阻R17的一端相连，电阻R16的另一端接地，电阻R17的另一端与运放U3D的输出端相连，运放U3D的输出端通过电阻R18与电平抬升电路的输入端相连；所述运放U3C和运放U3D均采用OPA4277UA芯片。

由上述技术方案可知，本装置集成度高，工作安全；由于采用屏蔽装置，信号稳定，环境造成的噪声干扰小；无创刺激方式对生物体创伤小，刺激力大小频率可调，可以灵活调制交款频率范围的触觉刺激；涉及电路功能结构简单，与现有技术相比，采用的固定方式，采集信号稳定，信号滤波功能强，电路抵抗工频干扰能力强；系统设计成本造价低，可扩展性强，有竞争优势，同时由于其结构简单，作为研究推广较容易，可以极大的促进相关运动康复等研究。

附图说明

图1为本发明中可调力触觉激励装置的结构示意图；

图2为交流电机启动前的静息状态到交流电机启动后的压力最大状态的偏心轮和弹性钢尺的位置状态示意图；

图3为本发明中探针机构的结构示意图；

图4为肌电信号采集放大装置的电路框图；

图5、图6、图7分别为图4中前级放大电路、四阶低通滤波电路和后级放大电路的电路原理图。

具体实施方式

如图1、4所示，一种同步检测触觉刺激力和肌电信号的触觉检测装置，包括可调力触觉激励装置和肌电信号采集放大装置，所述可调力触觉激励装置包括用于发送脉冲并带动偏心轮转动的交流电机机构、用于产生弹性形变的弹性钢尺机构、用于产生力数据的偏心轮机构和用于产生竖直方向上位移以改变刺激生物体表皮的探针机构，所述交流电机机构与偏心轮机构固连，所述偏心轮机构的偏心轮10紧贴在弹性钢尺机构的弹性钢尺9上，弹性钢尺机构的下端面固设探针机构；所述肌电信号采集放大装置包括前级放大电路15，其输入端接收人体表面的肌电信号，其输出端依次通过四阶低通滤波电路16、50Hz工频陷波电路、后级放大电路17和电平抬升电路与低功耗微控制器的输入端相连，低功耗微控制器通过无线蓝牙模块与STM32微控制器无线通讯，所述低功耗微控制器采用MSP430F149芯片。

由于SEMG信号幅值很小，在5mv左右，极易受到噪声干扰，需要前级放大电路15前级放大后才能滤波，放大倍数为11.64；四阶低通滤波电路16用于过滤掉噪声信号源，获得有用信号源，在10到160hz左右；SEMG信号经过前级放大滤波后，幅值在50mv左右，信号太弱，不能进行采集，经过后级放大电路17放大后电压在0.5v左右；电平抬升电路可以将后级抬升的电压调整到AD采集的范围内。KOHZUMOTOR为交流电机型号。肌电信号EMG是众多肌纤维中运动单元动作电位MUAP在时间和空间上的叠加。表面肌电信号SEMG是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。肌电信号由接触人体皮肤的肌电电极贴片通过导联信号线传输而来的，该电极贴片为医用生理电采集贴片，粘贴于人体体表。

如图1所示，所述交流电机机构包括交流电机13和电机驱动器，所述偏心轮机构由偏心轮10、轴套4和延长轴5组成，所述偏心轮10通过紧固螺栓与轴套4相连，轴套4通过紧固螺栓与延长轴5相连，延长轴5通过紧固螺栓与交流电机13的电机输出轴轴连。所述交流电机13的外表面包裹防电磁材料6，所述防电磁材料6采用银纤维纱布，所述交流电机13固设在大泡沫板14上以达到减震效果。

所述偏心轮10的外轮直径D＝2R＝32mm，内轮直径d＝25mm，偏心距h＝3mm，弹性钢尺9的长度L＝L1+L2＝1450mm，L1由X轴方向微调装置3调节，L2为偏心轮10与弹性钢尺9相切点到弹性钢尺9最右端的距离长度，最大刺激深度

如图1、2所示，所述弹性钢尺机构包括弹性钢尺9、X轴方向微调装置3、Y轴方向微调装置8和上支撑板1，所述弹性钢尺9和上支撑板1均为水平布置，所述上支撑板1位于弹性钢尺9的上方，所述上支撑板1通过铁质支撑柱2固定在钢制底板7上，上支撑板1向下通过紧固螺钉固定安装X轴方向微调装置3，X轴方向微调装置3向下通过紧固螺钉固定安装Y轴方向微调装置8，Y轴方向微调装置8通过紧固螺钉固定在弹性钢尺9上，所述弹性钢尺9向下固定探针机构。上支撑板1和偏心轮10之间没有接触，偏心轮10和弹性钢尺9接触相切。所述钢制底板7在实验中会产生较大振动，影响实验效果，在实际操作中应将钢制底板7固定在较大的实验平台上同时在钢制底板7上粘贴上相关的吸振材料。通过正交放置的X轴方向微调装置3和Y轴方向微调装置8可以精确地改变偏心轮10与弹性钢尺9的接触位置，以改变探针11竖直方向的刺激深度，模拟不同的触觉感受。

如图1、3所示，所述探针机构包括压力传感器12和探针11，压力传感器12通过紧固螺丝固定在弹性钢尺9的末端上，压力传感器12的测力方向与弹性钢尺9的振动方向一致，探针11粘贴在压力传感器12上，所述压力传感器12的输出端与STM32微控制器的输入端相连，STM32微控制器的输出端与PC上位机的输入端相连。压力传感器12接受来自探针11传来的压力反馈，并通过有线方式将数据传送给STM32微控制器，微控制器将数据进行简单的去噪处理数模转换，并通过无线方式传送给PC上位机。探针11竖直方向移动触压皮肤，根据牛顿第三定律，压力传感器12接收反馈来的力信号并将力信号转化成电信号，发送给STM32微控制器，STM32微控制器实时记录压力信号，压力传感器就是一个将压力转换成电压信号的装置。

如图1、2所示，在交流电机13通电后，通过调节交流电机的电机驱动器产生一定稳定脉冲，交流电机13据此稳定转动，通过轴套4与延长轴5固定的偏心轮10产生偏心转动，压迫与偏心轮10紧贴的弹性钢尺9，弹性钢尺9随之产生弹性形变，固定在弹性钢尺9下的探针11产生竖直方向上位移改变刺激相关生物体表皮，压力传感器12实时记录由探针11刺激过来的反馈压力信号并通过有线方式传送给STM32微控制器。整个弹性钢尺9在水平方向可通过X轴方向微调装置3、Y轴方向微调装置8进行微调，从而在皮肤不同位置(精度0.1mm)实现触觉刺激。

如图5所示，所述前级放大电路15包括放大器U1A，其正相输入端通过电阻R1接表面肌电信号IN+信号，其反相输入端与电阻R3的一端相连，其输出端与分别与电容C5的一端、电阻R6的一端相连，电容C5的另一端接放大器U2的3脚，电阻R2跨接在放大器U1A的反相输入端和输出端上，电阻R6的另一端接放大器U1C的正相输入端，放大器U1C的反相输入端与其输出端相连，且该输出端接地，电阻R7的一端接放大器U1C的正相输入端，电阻R4跨接在放大器U1B的反相输入端和输出端上，放大器U1B的正相输入端通过电阻R5接表面肌电信号IN-信号，放大器U1B的输出端分别接电阻R7的另一端、电容C6的一端，电容C6的另一端接放大器U2的2脚，放大器U2的1脚通过电阻R10接放大器U2的8脚，放大器U2的输出端作为前级放大电路15的输出端；所述放大器U1A和放大器U1B均采用OPA4277UA芯片，所述放大器U2采用AD620芯片。IN+信号、IN-信号为混杂多种干扰信号的表面肌电信号，本质为微电压信号，在5mv左右。

如图6所示，所述四阶低通滤波电路16包括运放U3A，其正相输入端依次通过电阻R19、电阻R22接前级放大电路15的输出端，运放U3A的正相输入端与电阻R19的一端相连，电阻R19的另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端分别与运放U3A的反相输入端、运放U3A的输出端相连，运放U3A的输出端与电阻R20的一端相连，电阻R20的另一端分别与电阻R21、电容C14的一端相连，电阻R21的另一端接运放U3B的正相输入端，电容C14的另一端分别接运放U3B的反相输入端、运放U3B的输出端，运放U3B的输出端作为四阶低通滤波电路16的输出端；所述运放U3A和运放U3B均采用OPA4277UA芯片。

如图7所示，所述后级放大电路17包括运放U3C，其正相输入端与50Hz工频陷波电路的输出端相连，其反相输入端一方面通过电阻R11接地，另一方面通过电阻R12与运放U3C输出端相连，运放U3C的输出端通过电阻R13接运放U3D的正相输入端，运放U3D的反相输入端分别与电阻R16、电阻R17的一端相连，电阻R16的另一端接地，电阻R17的另一端与运放U3D的输出端相连，运放U3D的输出端通过电阻R18与电平抬升电路的输入端相连；所述运放U3C和运放U3D均采用OPA4277UA芯片。

可调力触觉激励装置将刺激力信号发送给STM32微控制器，STM32微控制器的串口通过无线蓝牙模块与上位机双向通讯。

所述前级放大电路15采用1个能实现高输入阻抗和高共模抑制比的AD620运算放大器；所述50Hz工频陷波电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器和一个可调电阻实现消除49.5～50.5工频干扰的陷波功能；所述后级放大电路由一个带有4路放大功能的LM324N放大器构成。

结合图5、图6和图7，所述前级放大电路15采用高共模抑制比、低输入偏执电流的运放U2即运放INA118，增益取R₃₀＝4.7kΩ,则算出前级放大倍数G1＝11.64,经前级放大电路15放大后的数据幅值比较小而且微弱不能直接采集，加入的后级放大电路17采用TI公司生产的低漂移低功耗放大器OPA4277，其中后级放大增益所述四阶低通滤波器16采用的是高通滤波器和四阶巴特沃斯低通滤波电路，由一个OPA4277运算放大器作为高通滤波电路，该四阶低通滤波电路16可将肌电信号限制在10～160hz的范围内使得到的信号包含更多的原始信号的频率分量。

本装置在交流电机13通电后，通过调节交流电机驱动器产生稳定的低频脉冲驱动交流电机13转动，偏心轮10随之同步转动按压弹性钢尺9，固定在弹性钢尺9下的探针11振动方向上下移动刺激生物体皮肤，压力传感器12实时记录反馈过来的压力信息并通过串口发送给STM32微控制器，通过调节X轴方向的微调装置3和Y轴方向微调装置8可以改变探针11的最大刺激深度以获得不同触觉效果。与此同时，生物体肌电信号通过左端IN1经差分电路再通过前级放大电路15、四阶低通滤波电路16、50Hz工频陷波电路、后级放大电路17及电平抬升电路处理，处理得到的肌电信号通过无线蓝牙发射端传输给STM32微控制器，在此过程中，蓝牙接收端在接收发送端的肌电信号并确认准确无误后将肌电传感器的4路肌电信号同此刻压力传感器压力传来的压力信号合并成5路信号通过串口发送给上位机软件，上位机软件设置好采样频率后实时显示并存储相关数据，整个过程同步。所述肌电传感器包括整个电路模块，即放大模块，滤波模块等，还包括蓝牙的发送端。

综上所述，本发明利用交流电机13转动偏心轮10，偏心轮10施力压迫具有弹性的悬臂梁钢尺，在弹性钢尺9末端安装压力传感器12，在压力传感器12面板沿测力方向固定刺激探针11，通过调节交流电机13的转动频率控制偏心轮10按压弹性钢尺9的频率，通过调节偏心轮10与弹性钢尺9的作用点控制弹性钢尺9末端振动幅度，从而使探针11产生力频率、力振动幅度、力大小可测和可控的振动力，探针11沿振动方向上下移动，刺激人体或动物的皮肤，从而实现一种触觉刺激力可测和力频率可调的触觉刺激装置。