多通道肌电采集手环的制作方法

1.本发明涉及一种可穿戴设备，具体涉及一种多通道肌电采集手环。


背景技术：

2.肌肉是人体运动系统重要组成部分，人体的各种运动都或多或少与肌肉的活动有关。semg信号(表面肌电信号，surface electromyography)是肌肉收缩时伴随的出现在皮肤表面的电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。
3.现有技术的肌肉电信号采集手环通常将采集模块和处理部分结构独立分开，手环为可更换的亲肤材质制成，通道数量少，每个通道模块偏大，硬壳结构，佩戴不便，易松脱，贴合性差。也有如中国专利cn201410001577.4公开了一种穿戴式移动手环，这种手环包括：用于采集表面肌电信号的多个采集模块和用于对采集模块提供的表面肌电信号进行处理的处理模块，其中，多个采集模块和处理模块连接成环形。根据该穿戴式移动手环，多个采集模块作为手环的多个环节之一，与处理模块连接呈环形，实现了在前臂上的穿戴和对前臂的多通道semg信号的检测，并利用内置的运动传感模块检测前臂运动信号。显然这种手环基于硬壳结构，存在通道数量少，每个通道模块偏大，硬壳结构，佩戴不便，易松脱，贴合性差的问题。
4.因此，亟待一种能够显著增加通道数量的同时，兼顾佩戴舒适度和贴合度，无需硬壳结构的多通道肌电采集手环。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了多通道肌电采集手环。
6.为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：多通道肌电采集手环包括柔性肌电采集处理电路和设于该柔性肌电采集处理电路上的多通道电极阵列；
7.柔性肌电采集处理电路采用柔性封装工艺与硅胶材料一体成型，且该柔性肌电采集处理电路包括多通道铜基电极印刷阵列、信号放大滤波模块、模数转换模块、微处理模块、无线通信模块及电池；
8.多通道铜基电极印刷阵列中的铜基电极与多通道电极阵列的信号电极一一对应；
9.信号放大滤波模块用于对多通道电极阵列采集的肌电信号进行低通滤波和增益调节；
10.模数转换模块用于对低通滤波和增益调节后的肌电信号进行模数转换后发送至微处理模块；
11.微处理模块用于处理模数转换后的肌电信号，并控制驱动各模块；
12.无线通信模块用于实现微处理模块的无线通信功能；
13.电池用于提供电能；
14.多通道电极阵列的信号电极阵列设置。
15.工作原理及有益效果：1、与现有技术相比，本技术采用柔性肌电采集处理电路，且该柔性肌电采集处理电路采用柔性封装工艺与硅胶材料一体成型，因此比现有技术多个采集模块拼接而成的结构整体性更好，不需要连接结构，不需要硬壳结构，因此借助硅胶和本身柔性电路的特点，可显著提高贴合性，佩戴舒适不易脱落；
16.2、与现有技术相比，本技术在柔性肌电采集处理电路上设置了多通道电极阵列，因此比现有技术多个采集模块依次连接的方式可以设置更多的通道电极，可显著提升通道数量，减少单个通道模块的体积，也就更加方便柔性肌电采集处理电路与人体手腕处贴合，进一步提升贴合性和舒适度，也提高了采集信号的采集精确度；
17.3、与现有技术相比，本技术将各模块集成于整个柔性肌电采集处理电路上，而不是单独设置一个壳体来安装处理模块，因此可进一步提升贴合性和舒适度，也提高了采集信号的采集精确度。但是本技术仍旧可以安装显示屏来显示人体特征数据，因此当安装有显示屏时，可将各模块置于显示屏处。
18.进一步地，多通道电极阵列的信号电极排列方式为单排6～16个信号电极，单列2～4个信号电极。此设置，可显著提升通道数量，并减少通道模块体积。
19.进一步地，信号电极为导电硅胶、铜电极及导电织物的其中一种或组合。导电硅胶采用碳黑压注胶料成型工艺制作，具有良好的导电性能和柔软性；铜电极有很好的导电性和加工性能，使用损耗小，电性能稳定；导电织物轻薄柔软，适用于织物表面。优选铜镀金电极。
20.进一步地，信号电极为四边形或圆形或类圆形。适用于规则阵列的设计和使用。
21.进一步地，柔性封装工艺采用硅胶与柔性肌电采集处理电路进行一体化压合或胶合或采用织物材料与柔性肌电采集处理电路进行胶合组装。此设置，可显著提升柔性肌电采集处理电路的一体性，使其作为手环本体可直接穿戴于手腕上，配合常见的卡口或磁吸配合的方式可方便佩戴。
22.进一步地，柔性肌电采集处理电路采用聚酰亚胺作为基材，印制信号采集处理电路，并在其上进行芯片焊接贴片，以实现电气连通。其中，聚酰亚胺具有良好的介电性能，具有优良的机械性能。无毒且可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消毒。是综合性能最佳的有机高分子材料之一。因此非常适合用制造本技术的柔性肌电采集处理电路。
23.进一步地，柔性肌电采集处理电路还包括惯量检测模块，该惯量检测模块至少集成有加速度计、陀螺仪传感器、检测加速度及角速度信息。此设置，能够获取人体的手势数据，如手臂和手指动作等。
24.进一步地，柔性肌电采集处理电路还包括生命特征检测模块，该生命特征检测模块用于获取用户的生命特征。此设置，能够获取人体的心率、血氧等生命特征数据。
25.进一步地，柔性肌电采集处理电路还包括电源分配模块和充放电管理模块，电源分配模块用于将电池的功率分配给柔性肌电采集处理电路中各个需要供电的设备和器件的子系统，充放电管理模块用于实现电池的充放电管理。
26.进一步地，微处理模块上运行有嵌入式操作系统，该嵌入式操作系统包括模数转换驱动模块、惯量数据采集模块、无线传输控制模块、电池电量监控模块、板级管理模块及上位机通信管理模块；
27.模数转换驱动模块用于驱动模数转换模块；
28.惯量数据采集模块用于驱动惯量检测模块。
29.无线传输控制模块用于驱动无线通信模块；
30.电池电量监控模块用于驱动电源分配模块和充放电管理模块；
31.板级管理模块用于实现电路板卡各项功能管理及工作模式切换管理；
32.上位机通信模块用于定义数据包的格式，同上位机进行通信管理，收发数据。
附图说明
33.图1是本发明的柔性肌电采集处理电路的示意图；
34.图2是本发明的信号处理过程图；
35.图3是本发明多通道电极阵列的三种实例的示意图；
36.图4是本发明多通道电极阵列的另一种实例的示意图；
37.图5是本发明嵌入式操作系统的示意图；
38.图6是本发明的外形图一；
39.图7是本发明的外形图二。
40.图中，1、手环本体；2、信号电极；3、显示屏。
具体实施方式
41.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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
43.如图1-7所示，本多通道肌电采集手环包括柔性肌电采集处理电路和设于该柔性肌电采集处理电路上的多通道电极阵列。
44.其中，柔性肌电采集处理电路采用柔性封装工艺与硅胶材料一体成型形成手环本体1，柔性封装工艺采用硅胶与柔性肌电采集处理电路进行一体化压合或胶合或采用织物材料与柔性肌电采集处理电路进行胶合组装(胶合组装整机)。佩戴方式：通过磁吸或者卡扣实现佩戴。其余显示屏3、按键等部分不再赘述。
45.优选地，柔性肌电采集处理电路使用聚酰亚胺作为基材，印制信号采集处理电路，并在其上进行芯片焊接贴片(铜基电极和各模块等)，实现电气连通，用于信号采集及处理。聚酰亚胺具有良好的介电性能，具有优良的机械性能。无毒且可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消毒。是综合性能最佳的有机高分子材料之一。因此非常适合用制造本技术的柔性肌电采集处理电路。
46.具体地，该柔性肌电采集处理电路包括多通道铜基电极印刷阵列、信号放大滤波模块、模数转换模块、微处理模块、生命特征检测模块、惯量检测模块、无线通信模块、电池、
电源管理模块及充放电管理模块。
47.其中，多通道电极阵列的信号电极2阵列设置，且多通道铜基电极印刷阵列中的铜基电极与多通道电极阵列的信号电极2一一对应，都是阵列的方式，如每排6-16个电极，每列2-4个电极，可参见图3所示的几种方式，同时信号电极2为多边形或圆形或类圆形，若为圆形直径为1～10mm，若为矩形，长宽都在1～10mm范围内。
48.在图3中，共有三种实例(三排为一组)，每种实例中的上下两排电极：差分信号输入；中间排电极：参考或者共地输入使用。每列代表：不同通道的信号电极。
49.优选地，每个通道可以使用3个或者2个电极(中间电极可以间隔使用)，如图4所示。
50.优选地，信号电极为导电硅胶、铜电极及导电织物的其中一种或组合。
51.其中，信号放大滤波模块用于对多通道电极阵列采集的肌电信号进行低通滤波和增益调节，如搭建模拟前端对阵列采集的肌肉电信号进行低通滤波及增益调节，滤波范围0.1-200hz，增益调节范围：2、4、6、8、12、24、48、64、96、128、512。
52.其中，模数转换模块用于对低通滤波和增益调节后的肌电信号进行模数转换后发送至微处理模块，如对前级-信号放大滤波处理后的信号进行模数转换，完成模拟信号到数字量的转换，再通过串行总线发送到后端微处理模块。
53.其中，微处理模块用于处理模数转换后的肌电信号，并控制驱动各模块，如负责板级管理，外围模块的驱动，信号的采集处理等功能，而且该微处理模块上还运行有嵌入式操作系统，该嵌入式操作系统运行于微处理模块之上，包括模数转换驱动模块、惯量数据采集模块、蓝牙传输控制模块、电池电量监控模块、板级管理模块、上位机通信管理等功能模块。
54.其中，无线通信模块用于实现微处理模块的无线通信功能，在本实施例中选用低功耗的蓝牙模块，如将处理后的信号通过蓝牙2.4ghz收发器及天线进行传输发送出去。
55.其中，电池用于提供电能，如选用锂电池提供各部件的电能。
56.其中，生命特征检测模块(在本实施例中为光电血氧模块)用于获取用户的生命特征，如分为脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块(芯片)两部分，一部分为模拟信号采集电路，通过red和ir灯发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过pd管将光信号转化为电信号，最终通过18bit adc转换器转化为数字信号。第二部分为数字处理电路，将adc转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于缓冲区内；单片机通过iic接口读写芯片内部寄存器，读取出相应的数据。当然可以是其他传感器。
57.其中，惯量检测模块至少集成有加速度计、陀螺仪传感器、检测加速度及角速度信息，如可以检测人体的姿态，是否处于坐或站立或行走状态，可以判断用户的活动状态，均为现有技术，这里不再进行赘述。
58.其中，电源分配模块用于将电池的功率分配给柔性肌电采集处理电路中各个需要供电的设备和器件的子系统，如通过低压差线性稳压器，指将电源的功率分配给系统中各个需要供电的设备和器件的子系统，充放电管理模块用于实现电池的充放电管理，如输入电压为5v，均为现有技术这里不再进行赘述。
59.如图2所示，设备充电完成后，电池对整个电路(包括电极柔性电路和显示功能电路板)提供电源，通过板卡上电按钮进行板卡上电，电源分配模块对板级各个模块进行电压分配和输出，完成各个模块的上电。佩戴完成后，肌肉电信号通过多通道电极阵列传输至板
卡，经信号放大滤波模块，完成信号的放大滤波调理，之后，各通道信号进入模数转换器，完成模拟信号的采集(采样频率设置在200hz-1000hz)及数字量的转换，并输出到微处理模块。同时，惯量检测模块(信号采集频率在1-100hz之间)采集xyz三个方向的加速度信号及角速度信号，通过串行协议发送给微处理模块；同时，光电血氧检测模块将采集的血氧和心率信号传输至微处理模块。微处理模块完成数字信号的读取、打包及发送，经蓝牙通信模块及蓝牙天线同上位机或app通信。
60.优选地，如图5所示，嵌入式操作系统的各模块介绍如下：
61.1.嵌入式操作系统：实现与硬件相关的底层驱动软件、设备驱动接口、通信协议；
62.2.模数转换驱动模块：对模数转换模块进行驱动，通过串行总线进行数据交互传输；
63.3.惯量数据采集模块：对惯量检测模块进行驱动，通过串行总线进行体动信号的数据交互；
64.4.板级管理模块：实现电路板卡(指整个电路)的各项功能管理及工作模式切换管理；
65.5.电池电量监控模块：通过对电量电压信号进行采样计算，实现电量的量化管理；
66.6.蓝牙传输控制模块：基于蓝牙协议，对板卡各个模块的数据进行发送管理；
67.7.上位机通信管理模块：定义数据包的格式，同上位机进行通信管理，收发数据。
68.本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。
69.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
70.尽管本文较多地使用了专业术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
71.本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上做任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。