Entwicklung myoelektrischer Sensorsysteme

Entwicklung myoelektrischer Sensorsysteme

 

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Messung von Muskelsignalen. Diese werden über einen Sensor erfasst und von einer Filterbaugruppe gefiltert und können  verstärkt bzw. mit einem Offset belegt werden.

Der Sensor erfasst das Muskelsignal über 2 Elektroden, welche auf der Haut aufliegen. Eine Grundfilterung des Muskelsignals erfolgt durch einen Hochpass (f=15Hz),  welcher direkt an die jeweilige Elektrode angeschlossen ist. Sensorintern wird das Signal mittels eines Instrumentenverstärkers um den Faktor 5000, variierbar durch einen Widerstand, verstärkt. Des Weiteren erfolgt der Abgleich einer möglichen Offsetspannung durch Rückkopplung des Ausgangssignals  auf den Verstärker, wobei das Rückkopplungssignal tiefpassgefiltert (f=1,5Hz) wird.  Das Ausgangs- und das Rückkopplungssignal werden auf die Steckverbindung des Sensors nach außen geführt, so dass diese Signale extern gemessen und weiterverarbeitet werden können. Die Versorgungsspannung ist +-9V und Masse.

Über eine geschirmte, sechspolige Verbindungsleitung kann das Muskelsignal wie auch das Rückkopplungssignal auf die Filterplatine übertragen werden. Die Versorgungsspannung wird ebenfalls auf dieser Leitung bereitgestellt. Der Schirm ist auf der Filterplatine auf Masse gelegt.

Die Filterplatine benötigt wie auch der Sensor  eine Versorgungsspannung von +-9V und Masse. Diese Spannung wird durch zwei 9V-Blockbatterien bereitgestellt, welche über eine separate Leitung an die Filterplatine angeschlossen werden.
ACHTUNG: Zur Messung des Muskelsignals mit dem Sensor ist immer ein Massepad einzusetzen, welches mit einem speziell dafür vorgesehenem Massepin auf der Filterplatine verbunden wird.

Das gemessene Muskelsignal wird auf der Filterplatine in zwei Stufen gefiltert. Eine Tiefpassfilterung (f=420Hz) und ein Hochpass (f=10Hz) stellen diese zwei Stufen dar. Diese Filterwerte entsprechen mit dem Sensor durchgeführten Messreihen. Die wesentlichen Signalinhalte des Muskelsignals bleiben erhalten, das Grundrauschen im restlichen Frequenzband wird herausgefiltert.

ACHTUNG: Die ermittelten Frequenzwerte ergeben sich auch aus dem Aufbau des Sensors. Andere Sensoren können abweichendes Frequenzverhalten aufweisen.
In den Hochpass ist ein Verstärker integriert. Dieser kann das Muskelsignal stufenlos um den Faktor 1-6 verstärken. Die Wahl der Verstärkung erfolgt über ein Potentiometer. Durch die folgende Baugruppe Offset kann das Signal stufenlos um 0-4 Volt angehoben werden, was durch eine Addiererbaugruppe realisiert ist.  Durch diese Maßnahme kann das Muskelsignal ausschließlich in den positiven Spannungsbereich geschoben werden, was eine mögliche  Weiterverarbeitung durch einen Mikrocontroller (Eingangsspannung 0-5 Volt) ermöglicht. Über einen BNC-Stecker wird das Signal nach außen geführt.

Das Rückkopplungssignal des Sensors wird über einen Brückengleichrichter mit Ausgangsseitiger LED und vorgeschaltetem Operationsverstärker realisiert. Übersteigt das Rückkopplungssignal einen Spannungswert von circa 3,5 Volt, was auf einen zu hohen Offset bedingt durch schlechten Hautkontakt des Sensors hindeutet,  leuchtet die LED auf. Dies ermöglicht dem Anwender eine Rückmeldung über einen fehlerhaften Messvorgang. Durch Verbesserung der Sensorpositionierung auf dem Muskel bzw. den Einsatz von speziellen Kontaktsprays kann die angezeigte Störung beseitigt werden.

Stefan Nilles (Dezember 2009)