阅读说明：本技术 一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备 (Lower limb gait information extraction equipment based on electromyographic signals and angle signals ) 是由 程光 陈天麟 戴佺民 马勇杰 孙佰鑫 刘伟锋 许晓容 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备,包括试验台基座、霍尔角度传感器、法兰联轴器、9V电池、单片机、上位机和人体固定绑带,上位机为计算机串口调试助手,能够快速读取串口数据,该下肢步态信息提取设备还包括肌肉电信号传感器,肌肉电信号为人体将执行动作信号传递给肌肉后,肌肉会产生动作电位,动作电位沿着肌肉纤维方法运动,在皮肤表面形成的微弱的电流；肌电信号提取肌肉为股直肌与股二头肌。下肢步态信息获取系统通过测量人体股直肌肌电信号,股二头肌肌电信号,髋关节角度信号,膝关节角度信号四种信号来获取人体步态信息,通过肌电信号与物理信号结合的方法,提高人体步态识别的准确性,抗干扰性和时效性。(The invention relates to a lower limb gait information extraction device based on electromyographic signals and angle signals, which comprises a test bed base, a Hall angle sensor, a flange coupler, a 9V battery, a single chip microcomputer, an upper computer and a human body fixing bandage, wherein the upper computer is a computer serial port debugging assistant and can quickly read serial port data; the muscle extracted by the electromyographic signal is rectus femoris and biceps femoris. The lower limb gait information acquisition system acquires human gait information by measuring four signals of a human body rectus femoris electromyographic signal, a human body biceps femoris electromyographic signal, a hip joint angle signal and a human body knee joint angle signal, and improves the accuracy, the anti-interference performance and the timeliness of human gait recognition by a method of combining the electromyographic signal and a physical signal.)

一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备

技术领域

本发明涉及步态检测和健康监控技术领域，具体而言，涉及一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备。

背景技术

人体步态信息具有非常广泛的应用前景，能够为许多研究领域提供研究基础，是一种生物学和运动学结合的行为特征。随着制造业，计算机行业，康复医疗业的快速发展，步态作为人体最常用的行为特征，被应用到越来越多的领域中。

如康复医疗业，通过对人体步态的获取，能够帮助医生更好地观察患者的下肢状况，提供针对性的治疗方案，检查患者的康复治疗效果；在机器人领域，下肢步态对于外骨骼机器人以及下肢假肢都起到至关重要的作用。能够帮助控制系统清晰地辨别人体的运动意图，帮助系统进行有效分析并采取正确的控制策略；在电子游戏及VR领域，步态获取能够为游戏增加丰富的游戏体验，增大游戏开发的延展性。目前获取步态信息的途径有很多，主要信号源有人体肌电信号、关节角度信号、加速度信号、足底压力信号以及图像。肌电信号是一种生物信号，当人体需要执行动作时，大脑会以电脉冲的形式发号指令，通过神经元，脊髓传输给肌肉。在信号传递给肌肉后，肌肉会产生动作电位，动作电位沿着肌肉纤维方法运动，在皮肤表面形成微弱的电流，产生肌肉电信号。肌电信号能够快速地反映人体地运动趋势，但是具有抗干扰性差，易受外界影响的缺点。肌电信号多采用表面电极贴获取。物理信号采用各种传感器获取，抗干扰能力强，但是存在响应速度慢，反馈不及时的缺点。图像信号过于依赖外部设备，并且需要对采集到的图像进行图像处理，难以避免出现识别不精准的特点。

例如公开号为CN110731784A的中国发明专利，其公开了一种基于平台的步态测量系统，被测者在移动平台上不行，使用图像采集装置的输出端电连接的步态数据解析存储装置及固定于被测量者的左脚和右脚以对左脚和右脚进行标识定位的视觉标记。摄像头采集模块对被测者的左脚和右脚进行拍摄后，对采集到的图像进行步态分析。该方法在使用时，需要一定的平台基础，并且只是针对双脚的识别存在一定的局限性，在图像处理过程中易受到周围环境的干扰。

又例如公开号为CN108992071A的中国发明专利，其公开了一种下肢骨骼式步态分析系统，使用惯性测量仪、角度编码器和足底压力分布传感器多传感器模块结合的方法采集人体下肢运动数据，并进行人体步态分析。该发明使用的三种信号源都为物理信号，其缺点是在反映运动步态时具有难以控制的延时性。

再例如公开号为CN110327054A的中国发明专利，其公开了一种基于加速度和角速度传感器的步态分析方法及装置，该装置将加速度和角速度传感器放置于鞋子上，通过足底触地时间与离地时间，计算触地腾空比，进而采集人体脚部运动的状态。由于该装置只对足部信号进行采集，因此在使用上具有一定的局限性。

发明内容

为了解决现有技术中使用成本高的问题，本发明提供了一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备，通过将肌电信号传感器和霍尔角度传感器安装于由亚克力板组成的可活动装置上，并将装置穿戴于人体下肢侧面，从而获取下肢步态信号，提取人体下肢活动最为活跃的股直肌与股二头肌肌电信号以及髋关节，膝关节角度信号作为信号源。

本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备解决了现有技术中结构复杂、吸附效果差的问题。

一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备，包括试验台基座、霍尔角度传感器、法兰联轴器、4节9V电池、rduino Uno单片机、上位机和人体固定绑带，所述上位机为计算机串口调试助手，能够快速读取串口数据，该下肢步态信息提取设备还包括肌肉电信号传感器，肌肉电信号为人体将执行动作信号传递给肌肉后，肌肉会产生动作电位，动作电位沿着肌肉纤维方法运动，在皮肤表面形成的微弱的电流；肌电信号提取肌肉为股直肌与股二头肌。下肢步态信息获取系统通过测量人体股直肌肌电信号，股二头肌肌电信号，髋关节角度信号，膝关节角度信号四种信号来获取人体步态信息，通过肌电信号与物理信号结合的方法，提高人体步态识别的准确性，抗干扰性和时效性。

本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备具有可穿戴、便携、活动方便的特点，通过魔术贴及亚克力实验基座上的固定孔，将其固定于人体下肢侧面，绑带分别位于腰部、小腿处以及踝关节处。穿戴该试验台时，下肢髋关节，膝关节可随意活动不受阻碍。

在上述任一方案中优选的是，所述试验台基座为三块3mm无色透明亚克力板构成，三块亚克力板分别代表腰部部位、大腿部位和小腿部位，长度分别为110mm、450mm、350mm，宽度均为40mm。

在上述任一方案中优选的是，所述霍尔角度传感器为非接触式霍尔磁性角度传感器，能够360°无死角旋转，采用日本NSK轴承，分辨率达到4096位，工作电压为5V，输出0-5V电压，并且体积小，阻尼小，安装简单。

在上述任一方案中优选的是，所述肌肉电信号传感器为直接输出肌肉电脉冲信号的传感器。肌肉电信号传感器是一款体积小巧，传输速度快且能够直接输出肌肉电脉冲信号的传感器，该款肌肉电传感器通过可穿戴的设计。

在上述任一方案中优选的是，所述肌肉电信号传感器配备三个电极，分别为中间电极、末端电极和参考电极，采用9V供电。

在上述任一方案中优选的是，所述肌肉电信号传感器直接与微处理器连接，通过ADC放大纠正与平滑信号，输出EMG脉冲信号或者肌肉电原始信号。

在上述任一方案中优选的是，所述单片机为Arduino Uno单片机。

在上述任一方案中优选的是，所述法兰联轴器的内径为6mm，外径为10mm。

在上述任一方案中优选的是，所述霍尔角度传感器为KALAMOYI霍尔角度传感器。

在上述任一方案中优选的是，所述人体绑带为5cm宽的魔术贴。

附图说明

图1为按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的一优选实施例的结构示意图。

图2为按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的图1所示优选实施例中A处的放大图。

图3为按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的图1所示优选实施例中B处的放大图。

图4为按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的图1所示优选实施例配合的法兰联轴器的结构示意图。

图5为按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的图1所示优选实施例所构建的硬件接线示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的一优选实施例的结构示意图。

一种基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备，包括试验台基座、霍尔角度传感器、法兰联轴器、4节9V电池、rduino Uno单片机、上位机和人体固定绑带，所述上位机为计算机串口调试助手，能够快速读取串口数据，该下肢步态信息提取设备还包括肌肉电信号传感器，肌肉电信号为人体将执行动作信号传递给肌肉后，肌肉会产生动作电位，动作电位沿着肌肉纤维方法运动，在皮肤表面形成的微弱的电流；肌电信号提取肌肉为股直肌与股二头肌。下肢步态信息获取系统通过测量人体股直肌肌电信号，股二头肌肌电信号，髋关节角度信号，膝关节角度信号四种信号来获取人体步态信息，通过肌电信号与物理信号结合的方法，提高人体步态识别的准确性，抗干扰性和时效性。

本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备具有可穿戴、便携、活动方便的特点，通过魔术贴及亚克力实验基座上的固定孔，将其固定于人体下肢侧面，绑带分别位于腰部、小腿处以及踝关节处。穿戴该试验台时，下肢髋关节，膝关节可随意活动不受阻碍。

在本实施例中，所述试验台基座为三块3mm无色透明亚克力板构成，三块亚克力板分别代表腰部部位、大腿部位和小腿部位，长度分别为110mm、450mm、350mm，宽度均为40mm。通过法兰联轴器将亚克力板之间关节处与霍尔角度传感器连接，并使其能够跟随人体关节自由旋转。三块亚克力板分别代表腰部部位1、大腿部位2、小腿部位3。

工作过程中，先使用3mm螺丝将法兰联轴器固定在如图1所示的腰部部位1和大腿部位2关节部位的固定孔（见图2、图3所示）上；再使用5mm螺丝和螺母将霍尔角度传感器固定在如图1-3所示的亚克力板的大腿部位2、小腿部位3关节处的固定孔（见图2、图3所示）上，最后使用3mm螺丝将霍尔角度传感器轴承与如图4所示的法兰联轴器中孔固定，从而实现亚克力板的关节活动。

在本实施例中，所述霍尔角度传感器为非接触式霍尔磁性角度传感器，能够360°无死角旋转，采用日本NSK轴承，分辨率达到4096位，工作电压为5V，输出0-5V电压，并且体积小，阻尼小，安装简单。

在本实施例中，所述肌肉电信号传感器为直接输出肌肉电脉冲信号的传感器。肌肉电信号传感器是一款体积小巧，传输速度快且能够直接输出肌肉电脉冲信号的传感器，该款肌肉电传感器通过可穿戴的设计。

在本实施例中，所述肌肉电信号传感器配备三个电极，分别为中间电极、末端电极和参考电极，采用9V供电，将两个肌肉电信号的中间电极和末端电极分别贴于股直肌肌肉和股二头肌肌肉的中心位置，将参考电极贴于相对活动肌肉较少的位置。

在本实施例中，将Arduino Uno，肌肉电信号传感器，9V电池使用魔术贴固定于亚克力板2上，方便拆卸。

在本实施例中，所述肌肉电信号传感器直接与微处理器连接，通过ADC放大纠正与平滑信号，输出EMG脉冲信号或者肌肉电原始信号。

在本实施例中，所述单片机为Arduino Uno单片机。

在本实施例中，所述法兰联轴器的内径为6mm，外径为10mm。

在本实施例中，所述霍尔角度传感器为KALAMOYI霍尔角度传感器。

在本实施例中，所述人体绑带为5cm宽的魔术贴。工作时，下肢信号采集试验台佩戴方式，使用魔术贴绑带分别将试验台固定在人体腰部，小腿及踝关节位置。

最后参阅图5所示，按照本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备的图1所示优选实施例所构建的硬件接线示意图。

在本实施例中，每个肌电信号传感器由两块9V电池供电，Arduino Uno连接于上位机上由上位机供电。

采集过程为Arduino Uno连接上位机，打开9电池电源，Arduino Uno和传感器开始工作，打开上位机串口调试助手，上位机开始读取串口数据，人体开始进行运动。

人体佩戴该实验台后，将肌电传感器的表面电极贴贴至股直肌与股二头肌肌肉中心，活动各关节，调节绑带松紧至舒适程度。Arduino Uno连接上位机，打开9V电池电源，系统开始供电，数据开始传输，程序编写串口以字典的格式打印股直肌肌电信号，股二头肌肌电信号，髋关节角度信号，膝关节角度信号，打印前利用霍尔角度传感器特性将电压值转换为角度值。输出sEMG1、sEMG2、Angle1、Angle2为一组数据。

本领域技术人员不难理解，本发明的基于肌电信号和角度信号的下肢步态信息提取设备包括本说明书中各部分的任意组合。限于篇幅且为了使说明书简明，在此没有将这些组合一一详细介绍，但看过本说明书后，由本说明书构成的各部分的任意组合构成的本发明的范围已经不言自明。