Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 4 А 61 Р 2/5 ХИЯ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ТЕЛЬСТ К АВТОРСКОМУ Ю Ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Центральный ордена ТрудовогоКрасного Знамени научно-исследовательский институт протезирования ипротезостроения(56) 1 вдйогг А %соево Р. Пповггщпепго рег 1 а ггче 1 акопее 1 а пп. -вига д а 1 сцп рагашеггх Йех роСепо.1 а 1 тпюе 1 еггдсг. - 2 Е 1 еГГгогесп 1 са, 1967,54, 9 2, с.98-101.(54) ДЕТЕКТОР СИГНАЛА В СИСТЕМАХ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗАМИ(57) 1. Детектор сигнала в системахбиоэлектрического управления протезами, содержащий последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающийфильтр, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повьппения помехоустойчивости по отношению к периодическими флуктуационным помехам, он содерЯО 12470 жит последовательно подключенные полосовой частотный фильтр, усилитель, дополнительный выпрямитель и дополнительный сглаживающий фильтр, выход сглаживающего фильтра соединен с вхо дом полосового частотного фильтра.2. Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протеза ми, содержащий последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающий фильтр, отличающийся тем, что, с целью повьппения помехоустойчивости по отношению к периодическим и импульсным помехам, он содержит последовательно соединенные полосовой частотный фильтр, усилитель, дополнительный выпрямитель,вто рой сглаживающий фильтр, элемент выделения наименьшего сигнала и третий сглаживающий фильтр, причем вход полосового частотного фильтра соединен с выходом сглаживающего фильтра, вход которого через третий сглаживающий фильтр подключен к второму входу элемента выделения наименьшего сигнала.Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезам с биоэлектрическим управлением, в которых используются в качестве управляю щего сигнала биопотенциалы мьппц инвалида.Целью изобретения является повышение помехоустойчивости по отношению к периодическим и флуктуационным а также к периодическим и импульсным помехам.На Фиг, 1 приведена функциональная схема устройства по первому варианту; на фиг, 2 - то же, о второму варианту; на фиг3 - функциональная схема разновидности устройства по второму варианту; на фиг.4 принципиальная .электрическая схема. разновидности устройства по второму варианту.Детектор сигнала в системах биоэлектрического управления протезами по первому варианту (фиг,1) содержит последовательно соединенные выпрямитель 1, сглаживающий фильтр 2, поло- совой частотный фильтр 3, усилитель 4, дополнительный выпрямитель 5, дополнительный сглаживающий фильтр 6,Детектор по второму варианту (фиг.2) содержит выпрямитель 1, сглаживающий фильтр 2, полосовой частотный фильтр 3, усилитель 4, дополнительный выпрямитель 5, второй сглаживающий фильтр 6, третий сглаживающий фильтр 7, элемент 8 выделения наименьшего сигнала.Детектор сигнала по первому варианту работает следующим образом.Электромиографический сигнал выпрямляется в выпрямителе 1, выпрямленный сигнал усредняется или сглаживается в сглаживающем фильтре 2. Таким образом, вьщеляется огибающая электромиографического сигнала. Полосовой частотный фильтр 3 исключает постоянную составляющую сигнала, т,е. вьщеляет флуктуации огибающей. Полосовой частотный Фильтр 3 вьщеля-, ет также полосу частот флуктуаций огибающей, обеспечивающих лучшее функционирование системы; устраняются низкочастотные составляющие, вызывающие заметную неравномерность перемещения исполнительного механизма, в пределах частотного спектра сигнала на выходе полосового частбтного Фильтра 3, обеспечивается превьппение флуктуаций огибающей сигна 50 55 периментальные данные, величина флуктуаций огибающей сигнала определяется уровнем электромиографического сигнала и увеличивается с его увеличением, т.е, несет ту же информациюо степени сокращения мышцы.Эффект достигается тем, что электромиографический сигнал имеет больший уровень флуктуаций, чем у расла по сравнению с Флуктуациями огибающей помехи. Усилитель 4 усиливает сигнал до величины, при которой может происходить выпрямление сигнала применяемыми в настоящее времяприборами. Дополнительный выпрямитель 5 и дополнительный сглаживающий фильтр 6 выпрямпяют и сглаживают сигнал, формируя однополярныйсигнал и устраняя флуктуации выходного сигнала, повышая,тем самымплавность движения исполнительногомеханизма,Детектор сигнала по второму варианту работает следующим образом.В выпрямителе 1, сглаживающемфильтре 2, полосовом частотном фильтре 3, усилителе 4 в дополнительномвыпрямителе 5, во втором сглаживаю 20щем Фильтре 6 осуществляется вьщеление Флуктуаций огибающей .сигнала,третий сглаживающий фильтр 7 одновременно Формирует огибающую электромиографического сигнала. Коэффициентусилителя 4 отрегулирован таким образом, чтобы при отсутствии помехуровни сигнала с выхода второго итретьего сглаживающих Фильтров 6 и307 были наиболее близкими. При наличии помехи с малым уровнем флуктуаций огибающей по сравнению с егосредним значением сигнал и помехапроходят элемент выделения наименьшего сигнала 8 только с выхода второго сглаживающего Фильтра 6, таккак на выходе третьего сглаживающегоФильтра 7 сигнал имеет большее значение, При наличии помехи с большимуровнем Флуктуаций огибающей (напри 40 мер, импульсной) по сравнению сосредним значением помехи сигнал и помеха проходят элемент вьщеления наименьшего сигнала 8 только с выходатретьего, сглаживающего фильтра 7.В предлагаемом детекторе осуществляется выделение Флуктуаций огибающей электромиографического сигнала.Как показывает теория образованияэлектромиографического сигнала и экспространенных видов периодических и Флуктуационных помех, Так как Флуктуации электромиографического сигнала на выходе предлагаемого детектора являются управляющим сигналом, не сущим необходимую информацию, то тем самым повышается отношение сигнал - помеха, т,е. повышается помехоустойчивость системы управления.Для упрощения схемы детектора по второму варианту первый и третий сглаживающие фильтры могут быть объединены (фиг.З), По сравнению со схемой на фиг,2 исключен третий сглаживающий фильтр. Выход сглаживающе го Фильтра 2 подключен ко входу полосового частотного фильтра 3 и к одному из входов элемента 8 выделения наименьшего сигнала.На Фиг. 4 представлена принципи 20 альная электрическая схема детектора, реализующая разновидность устройства по второму варианту,Каскад на транзисторе Т 1 реализует выпрямитель 1 и сглаживающийфильтр 2, каскад на транзисторе Т 2выполняет функцию полосового частотного Фильтра 3, каскад на транзисторе ТЗ реализует усилитель 4, допол- ЗОнительный выпрямитель 5 и второйсглаживающий фильтр 6, каскад натранзисторе Т 4 - элемент выделениянаименьшего сигнала 8,Особенностью разновидности устройства по второму варианту по сравнению с его основной схемой являетсято, что параметры первого сглаживающего фильтра выбираются исходя изтребований не детектора флуктуаций 40огибающей, а детектора текущего среднего. В связи с этим осуществляетсябольшее подавление Флуктуаций огибающей, чем это необходимо для детектора флуктуаций огибающей. Это приво-дит к необходимости повысить коэффициент усиления усилителя 4. В приведенной схеме в качестве первого сглаживающего фильтра использована однозвенная КС-цепь с постоянной времени0,085 с,Выбор полосы пропускания частотного фильтра в данной схеме определяется частотной хара. теристикой усилителя биопотенциалов, который предполагалось использовать с данным детектором, и характеристиками периодическихпомех. В усилителе биопотенциаловподавляется основная частота сетевыхнаводок 50 Гц и поэтому возникает необходимость подавления высших гармоник, образуемых, в частности, и вусилителе биопотенциалов. Верхняяграничная частота частотной характе-,ристики усилителя биопотенциалов400-600 Гц, Эти данные определяют частотную характеристику усилителя 470-600 Гц, В качестве второго сглаживающего фильтра 6 использовался однозвенный КС-фильтр с постоянной времени 0,1 с,Приведенная схема обеспечивает подавление шумового сигнала с нормальным распределением амплитуды сигналаболее, чем в 2 раза большее, чем вдетекторе среднего значения сигнала,синусоидальных помех частотой100 Гц - более, чем в 2 раза,200 Гц - в 20 раз, действие синусоидального сигнала частотой 350 Гц неудалось обнаружитьВысшие гармоники ограниченного по амплитуде синусоидального сигнала частотой 50 Гцснижались более, чем в 20 раз. Кроме того, приведенная схема обеспечивает то, что сигнал на выходе имеет меньшие Флуктуации, чем сигнална выходе детектора флуктуаций огибающей и детектора среднего значенияЭто объясняется тем, что сигналы на выходе обоих вариантов детекторов перед элементом, выделяющимнаименьшее значение сигнала, невполне коррелированы и схема "срезает" выбросы флуктуаций, если онине повторяются в другом детекторе.Использование детектора сигналапо первому варианту оправдано прималом уровне импульсных помех. Приимпульсных помехах большой величины целесообразно применение второговарианта детектора сигнала, в котором в зависимости от вида помехфункционирует детектор среднего уров.ня сигнала или детектор флуктуацийогибающей сигнала.1247008 70 Составитель М.Пластинин Техред И.Гайдош Редактор Р.Волощук Корректор Е.Сирохман Заказ 4042/6 Тираж 660 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5