本发明涉及基于肌电信号的穿戴设备的技术领域，尤其涉及一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统。
背景技术：
随着科学技术的日益发展，便携式肌肉电信号采集设备和姿态感知设备在康复医学中广泛使用。患者佩戴设备进行动作训练，计算机通过采集到的信息判断患者的动作意图用于人机交互，以提高康复训练的效果。目前的肌电信号采集装置大都为无线环式或有线阵列式。无线环式存在采集频率低、无法针对不同位置的肌肉进行信号采集的问题，有线阵列式存在采集模式单一、有线束缚无法执行大幅度动作的问题，且现有传感器姿态数据信息较少，康复训练时无法探测动作细微的变换。并且，由于不同的应用场合所需要的采集通道数不同，当采集需求通道数变大时，目前的采集装置并不能满足需求，采集频率较低，信号质量较差，不利于后续处理与识别。
技术实现要素：
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种拥有多种模式状态的分散式表面肌电信号无线采集系统，在保证数据高保真采集的前提下，根据具体情况合理的设置采集单元的位置及采集单元的数目，自由地增减采集通道的数目，构成多种模态，并摆脱线缆的束缚，从而增加采集的灵活性，提高采集的质量。并且增加以多通道姿态数据动态还原整个手臂姿态的细微变换，对康复训练或其他应用方面有良好的扩展作用。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，包括：控制单元和无线采集单元。所述采集系统将无线采集单元模块化，通过控制单元连接单个或多个无线采集单元，所述无线采集单元用于采集被测位置的肌电信号、姿态数据，将采集到的数据通过无线传输方式发送给控制单元；由此，不仅能够通过增加模块数来扩展采集的通道数，简化采集设备与采集过程，还通过无线组网方式，自由地针对特定位置的肌肉进行高质量的信号采集，更真实的还原被测物体姿态的变化。
进一步地，所述控制单元包括第一壳体、主控制器、第一无线数据收发模块，所述主控制器和第一无线数据收发模块置于第一壳体内部，所述主控制器与第一无线数据收发模块电气相连；
所述主控制器用于控制单个或多个无线采集单元的连接识别，对第一无线数据收发模块接收到的数据进行处理，并将控制指令通过第一无线数据收发模块进行发送，用于控制所述无线采集单元中肌电信号和姿态信息的采集模式，并控制所述无线采集单元对肌电与姿态数据进行采集和传输；
所述第一无线数据收发模块用于对无线采集单元发送的信号进行接收并发送给主控制器，并将主控制器下达的控制命令发送给无线采集单元。
进一步地，所述主控制器选用dsp，一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，用于控制第一无线数据收发模块接收数据，并通过其强大的运算能力进行快速滤波。
所述第一无线数据收发模块选用双频wifi模块，基于rtos操作系统，可与其无线连接的子模块进行数据遍历与分发，根据其带宽限制，可连接子模块数量控制在20以内，便能获取正常且较优数据，并且可以根据用户自定义情况进行2.4g或5g频率的调整。
进一步地，所述无线采集单元包括第二壳体以及置于第二壳体内部的采集控制器、第二无线数据收发模块、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和电源模块；
所述采集控制器分别与第二无线数据收发模块、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和电源模块电气相连；
所述采集控制器用于收集并处理肌电信号采集模块和姿态信息采集模块采集到的数据，并通过第二无线数据收发模块发送给控制单元进行处理与传输；同时用于控制采集通道的模式、调整采集频率和数据传输速率；
所述肌电信号采集模块用于采集相应位置处的肌电信号；所述姿态信息采集模块用于采集相应位置处被测物体的姿态信息；所述第二无线数据收发模块用于接收控制单元发送的控制指令，将接收到的控制指令发送至采集控制器，并将采集控制器发送的数据传输至控制单元；所述电源模块用于为无线采集单元供电。
进一步地，所述采集控制器使用低功耗arm-mcu，使用其自带adc与uart外设进行数据采集和传输。
进一步地，所述肌电信号采集模块包括前级放大电路、工频陷波电路、巴特沃斯滤波电路、可调节倍数放大电路，对采集到的信号进行预处理；所述肌电信号采集模块还包括吸附式采集面板；
所述吸附式采集面板置于第二壳体底部外侧，用于黏贴在人体表面，探测肌电信号；
所述前级放大电路与吸附式采集面板电气相连，用于放大肌电信号；
所述工频陷波电路与前级放大电路电气相连，用于放大后信号的陷波处理；
所述巴特沃斯滤波电路与工频陷波电路电气相连，用于滤除干扰频率；
所述可调倍数放大电路分别与巴特沃斯滤波电路和采集控制器电气相连，并置于第二壳体外侧，用于调整放大及滤波后的肌电信号，并传输给采集控制器。
优选的，本发明中肌电信号采集模块选用100倍前级放大电路、50hz工频陷波电路、20～1000hz巴特沃斯滤波电路，可调节倍数放大电路的放大倍数范围为1～150倍。
进一步地，所述姿态信息采集模块包括mens传感器，用于姿态数据的采集；
所述电源模块包括3.7v电源、稳压电路和充电电路；所述3.7v电源分别与稳压电路和充电电路电气相连，所述稳压电路分别与采集控制器、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和第二无线数据收发模块电气相连。
进一步地，所述吸附式采集面板上设置电极吸附装置，所述电极吸附装置用于人体表面肌电信号的传导以及采集位置的固定；
所述电极吸附装置共有三路高传导性电极贴，电极贴与吸附式采集面板连接处有柔性装置，用于在不同形状的皮肤上紧密的贴合。
进一步地，所述采集系统还包括type-c接口和usb接口；type-c接口与电源模块电气相连，用于电源模块的充电；usb接口与控制单元电气相连，用于控制单元连接至外部设备。
进一步地，所述无线采集单元和控制单元分别包括至少一个控制按键和一个led，无线采集单元中的控制按键和led分别与采集控制器电气相连，控制单元中的控制按键和led分别与主控制器电气相连，用于状态显示和模块控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
本发明提高了采集频率，能够获得较好的信号质量，且细节丰富，有利于后续数据的处理与识别；本发明的采集方式由现有的有线升级为无线，摆脱了有线的束缚，进而增加采集多样动作的可能性；本发明的采集设备由固定通道数升级为通道数可自由增减，减少了数据采集的冗余程度，提高了采集的针对性，增加了采集策略的灵活性，便于康复训练与科学研究。本发明体积小、重量轻，可较牢固的吸附在人体表面，从而增加信息采集的可靠性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的肌电信号无线采集系统的人体佩戴示意图；
图2为根据本发明实施例的肌电信号无线采集系统的组网示意图；
图3为根据本发明实施例的肌电信号无线采集系统的结构树桩图；
图4为根据本发明实施例的肌电信号无线采集系统的控制单元结构示意图；
图5为根据本发明实施例的肌电信号无线采集系统的无线采集单元结构示意图；
其中，10-控制单元，11-主控制器，12-第一无线数据收发模块，13-usb接口，14-第一控制按键，15-第一壳体，20-无线采集单元，21-肌电信号采集模块，22-姿态信息采集模块，23-第二无线数据收发模块，24-采集控制器，25-电源模块，26-吸附式采集面板，27-放大倍数调节器，28-type-c接口，29-电极吸附装置，30-第二壳体，31-led，32-第二控制按键。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，如图1和图2所示，包括：控制单元10和无线采集单元20。所述采集系统将无线采集单元20模块化，通过控制单元10连接单个或多个无线采集单元20，所述无线采集单元20用于采集被测位置的肌电信号、姿态数据，将采集到的数据通过无线传输方式发送给控制单元10；由此，不仅能够通过增加模块数来扩展采集的通道数，简化采集设备与采集过程，还通过无线组网方式，自由地针对特定位置的肌肉进行高质量的信号采集，更真实的还原被测物体姿态的变化。
所述控制单元10包括第一壳体15、主控制器11、第一无线数据收发模块12、usb接口13和第一控制按键14，如图4所示，所述主控制器11和第一无线数据收发模块12置于第一壳体15内部，所述主控制器11分别与第一无线数据收发模块12、usb接口13电气相连，第一控制按键14与主控制器11电气相连，用于模块控制，usb接口13用于控制单元10连接至外部设备。
所述主控制器11用于控制单个或多个无线采集单元20的连接识别，对第一无线数据收发模块12接收到的数据进行处理，并将控制指令通过第一无线数据收发模块12进行发送，用于控制所述无线采集单元20中肌电信号和姿态信息的采集模式，并控制所述无线采集单元20对肌电与姿态数据进行采集和传输。所述主控制器11选用dsp，一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法，用于控制第一无线数据收发模块12接收数据，并通过其强大的运算能力进行快速滤波。
所述第一无线数据收发模块12用于对无线采集单元20发送的信号进行接收并发送给主控制器11，并将主控制器11下达的控制命令发送给无线采集单元20。所述第一无线数据收发模块12选用双频wifi模块，基于rtos操作系统，可与其无线连接的子模块进行数据遍历与分发，根据其带宽限制，可连接子模块数量控制在20以内，便能获取正常且较优数据，并且可以根据用户自定义情况进行2.4g或5g频率的调整。
图5为无线采集单元结构示意图，其中图5(a)为俯视图，图5(b)为主视图，图5(c)为仰视图，图5(d)为左视图，图5(e)为半剖面图。
所述无线采集单元20包括第二壳体30以及置于第二壳体30内部的采集控制器24、第二无线数据收发模块23、肌电信号采集模块21、姿态信息采集模块22和电源模块25，具体如图5(e)所示。如图5(a)所示，所述无线采集单元20还包括led31和第二控制按键32；led31和第二控制按键32分别与采集控制器24电气相连，用于状态显示和模块控制。
所述采集控制器24分别与第二无线数据收发模块23、肌电信号采集模块21、姿态信息采集模块22和电源模块25电气相连。
所述采集控制器24用于收集并处理肌电信号采集模块21和姿态信息采集模块22采集到的数据，并通过第二无线数据收发模块23发送给控制单元10进行处理与传输；同时用于控制采集通道的模式、调整采集频率和数据传输速率。
所述肌电信号采集模块21用于采集相应位置处的肌电信号；所述姿态信息采集模块22用于采集相应位置处被测物体的姿态信息；所述第二无线数据收发模块23用于接收控制单元10发送的控制指令，将接收到的控制指令发送至采集控制器24，并将采集控制器24发送的数据传输至控制单元10；所述电源模块25用于为无线采集单元20供电。
所述采集控制器24使用低功耗arm-mcu，使用其自带adc与uart外设进行数据采集和传输。
本实施例中，所述肌电信号采集模块21包括100倍前级放大电路、50hz工频陷波电路、20～1000hz巴特沃斯滤波电路、可调节倍数放大电路，用于对采集到的信号进行预处理；其中，可调节倍数放大电路的放大倍数范围为1～150倍。如图5(b)所示，本实施例中可调节倍数放大电路即为放大倍数调节器27，置于第二壳体30外侧。
所述肌电信号采集模块21还包括吸附式采集面板26，所述吸附式采集面板26置于第二壳体30底部外侧，如图5(c)所示，所述吸附式采集面板26上设置电极吸附装置29，黏贴在人体表面，用于人体表面肌电信号的传导以及采集位置的固定，探测肌电信号。所述电极吸附装置29共有三路高传导性电极贴，电极贴与吸附式采集面板26连接处有柔性装置，用于在不同形状的皮肤上紧密的贴合。
所述100倍前级放大电路与吸附式采集面板26电气相连，用于放大肌电信号；所述50hz工频陷波电路与100倍前级放大电路电气相连，用于放大后信号的陷波处理；所述20～1000hz巴特沃斯滤波电路与50hz工频陷波电路电气相连，用于滤除20～1000hz以外的干扰频率；所述可调倍数放大电路分别与20～1000hz巴特沃斯滤波电路和采集控制器24电气相连，并置于第二壳体30外侧，用于调整放大及滤波后的肌电信号，并传输给采集控制器24。
所述姿态信息采集模块22包括mens传感器，用于姿态数据的采集。
所述电源模块25包括3.7v电源、稳压电路和充电电路；所述3.7v电源分别与稳压电路和充电电路电气相连，所述稳压电路分别与采集控制器24、肌电信号采集模块21、姿态信息采集模块22和第二无线数据收发模块23电气相连。如图5(d)所示，所述采集系统还包括type-c接口28，type-c接口28与电源模块25的充电电路电气相连，用于电源模块25的充电。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
1.一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述采集系统包括控制单元和无线采集单元；所述控制单元连接单个或多个无线采集单元，所述无线采集单元将采集到的数据通过无线传输方式发送给控制单元；
所述无线采集单元用于采集被测位置的肌电信号、姿态数据，通过无线组网方式对特定位置的肌肉进行信号采集，还原被测物体姿态的变化。
2.根据权利要求1所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述控制单元包括第一壳体、主控制器、第一无线数据收发模块，所述主控制器和第一无线数据收发模块置于第一壳体内部，所述主控制器与第一无线数据收发模块电气相连；
所述主控制器用于控制单个或多个无线采集单元的连接识别，对第一无线数据收发模块接收到的数据进行处理，并将控制指令通过第一无线数据收发模块进行发送，用于控制所述无线采集单元中肌电信号和姿态信息的采集模式，并控制所述无线采集单元对肌电与姿态数据进行采集和传输；
所述第一无线数据收发模块用于对无线采集单元发送的信号进行接收并发送给主控制器，并将主控制器下达的控制命令发送给无线采集单元。
3.根据权利要求2所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述主控制器选用dsp，所述第一无线数据收发模块选用双频wifi模块，基于rtos操作系统。
4.根据权利要求1所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述无线采集单元包括第二壳体以及置于第二壳体内部的采集控制器、第二无线数据收发模块、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和电源模块；
所述采集控制器分别与第二无线数据收发模块、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和电源模块电气相连；
所述采集控制器用于收集并处理肌电信号采集模块和姿态信息采集模块采集到的数据，并通过第二无线数据收发模块发送给控制单元进行处理与传输；同时用于控制采集通道的模式、调整采集频率和数据传输速率；
所述肌电信号采集模块用于采集相应位置处的肌电信号；所述姿态信息采集模块用于采集相应位置处被测物体的姿态信息；所述第二无线数据收发模块用于接收控制单元发送的控制指令，将接收到的控制指令发送至采集控制器，并将采集控制器发送的数据传输至控制单元；所述电源模块用于为无线采集单元供电。
5.根据权利要求4所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述采集控制器使用arm-mcu，使用其自带adc与uart外设进行数据采集和传输。
6.根据权利要求4所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述肌电信号采集模块包括前级放大电路、工频陷波电路、巴特沃斯滤波电路、可调节倍数放大电路和吸附式采集面板；
所述吸附式采集面板置于第二壳体底部外侧，用于黏贴在人体表面，探测肌电信号；
所述前级放大电路与吸附式采集面板电气相连，用于放大肌电信号；
所述工频陷波电路与前级放大电路电气相连，用于放大后信号的陷波处理；
所述巴特沃斯滤波电路与工频陷波电路电气相连，用于滤除干扰频率；
所述可调倍数放大电路分别与巴特沃斯滤波电路和采集控制器电气相连，并置于第二壳体外侧，用于调整放大及滤波后的肌电信号，并传输给采集控制器。
7.根据权利要求4-6任一所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述姿态信息采集模块包括mens传感器，用于姿态数据的采集；
所述电源模块包括3.7v电源、稳压电路和充电电路；所述3.7v电源分别与稳压电路和充电电路电气相连，所述稳压电路分别与采集控制器、肌电信号采集模块、姿态信息采集模块和第二无线数据收发模块电气相连。
8.根据权利要求6所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述吸附式采集面板上设置电极吸附装置，所述电极吸附装置用于人体表面肌电信号的传导以及采集位置的固定；
所述电极吸附装置共有三路电极贴，电极贴与吸附式采集面板连接处有柔性装置，用于在不同形状的皮肤上紧密的贴合。
9.根据权利要求4-6任一所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述采集系统还包括type-c接口和usb接口；type-c接口与电源模块电气相连，用于电源模块的充电；usb接口与控制单元电气相连，用于控制单元连接至外部设备。
10.根据权利要求1所述的一种通道数可变的分布式表面肌电信号无线采集系统，其特征在于：所述无线采集单元和控制单元分别包括至少一个控制按键和一个led，无线采集单元中的控制按键和led分别与采集控制器电气相连，控制单元中的控制按键和led分别与主控制器电气相连，用于状态显示和模块控制。
技术总结