Преобразователь движения головы человека в электрический сигнал Советский патент 1984 года по МПК A61B5/10 

Изобретение относится к медицине а именно к измерительным приборам для/проверки движения головы челове ка, предназначенным для проведения психологических,, нейрофизиологических, эргономических экспериментов.. Известен преобразователь движения головы человека в электрический сигнал, содерАсащий шлем, фазочувствительные вьшрямители, фильтры и три сумматора Л . Однако линейность выходных сигна лов преобразователя уменьшается с ростом величины углэ поворота грловы вследствие размагничивающего действ продольной составляющей магнитодвижущей силы обмоток синхронизации сельсинов, а из-за вязкого трения в гидравлических демпферах маятников искажается динамическая точность.пр образования, резких поворотов головы Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь движения головы человека в электрический сигнал, соде жащий шлем, закрепленный, неподвижно подшлемник, закрепленный на голове человека, две катушки возбуждения, расположенные на подшлемнике, генератор, подключенный к катушкам возбуждения, три индикаторных катушки, подключенных к трем идентичным кана лам преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик, преоб-разователь код-напряжение, сумматор а также источник опорного напряжения, первый выход которого соединен с вторым входом преобразователя код напряжение Недостатками известного преобраз вателя ЯВЛЯЮТСЯ невысокая точность из-за зависимости амплитуды выходного напряжения преобразователя от неравномерности воздушного зазора в индуктивной системе (между катушками возбуждения и индикаторными катушками), при движении головы, увеличение нелинейности преобразования с ростом угла.поворота головы и сложность его конструкции. Цель изобретения - повышение точ ности измерения. Поставленная цель достигается тем, -ITO в преобразователе движения головы человека в электрический сигнал, содержащем шлем, закрепленный неподвижно, три индикаторные катушки, размещенные на нем, подшлемник, закрепленный на голове человека,, две катушки возбулсдения,. установленные на нем, генератор, подключенный к катушкам возбуждения,, три идентичных канала преобразования, .подключенных к своим индикаторным катушкам,, каждый из которых содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик, преобразователь код-напряжение, сумматор, а также исто11ник опорного напряжения, первьй выход которого соединен с вторым входом преобразова- . теля код-напряжение, в каждьй канал введены последовательно соединенные с выходом индикаторной катушки усилитель-ограничител }, фазовый детектор, выход которого соединен с вторым входом сумматора, два компараторЗ;, также подключенные к второму входу сумматора, блок фазовращателей, соединенный с выходом генератооа, коммутатор, первый вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, остальные входы - к выходам блока фазовращателей, выход - к второму входу фазового детектора, а второй и третий выходы источника опорного напряжения - к вторым входам компараторов, вькоды которых соединены с первым и вторым входами реверсивного счетчика. Кроме того, ивдикаторная катушка содержит две секции, причем катушки первой и второй секций, соответственно через резистор и конденсатор подключены к выходу усилителя-ограничителя, а другие их выводы - к общей шине. На фиг. 1 изображена схема расположения индикаторных катушек на , шлеме каналов измерения; на фиг.2 система координат движения головы человека, .а также схема расположе- ния катушек возбуждения на подшлемнике; на фиг, 3 - блок-схема одного канала преобразования (схемы остальHbtx двух каналов аналогичны) ; на фиг, 4 - динамические характеристики преобразователя и отдельных его узлов. Преобразователь состоит из трех идентичных каналов для преобразования трех углов поворота головы чело-, века tf, J tpz , Ч электрический сигнал, где Ср у 2 Рз УГЛЫ отклоН нения головы от нейтрального полоения при. ее повороте вокруг оси , Y, Z соответственно (причем наравление поворота считается полоительным), если поворот совершается i ротив направления движения часовой 5 стрелки,при наблюдении с конца вектора, обозначающего соответствующую ось вращения.

Преобразователь движения головы человека в электрический сигнал со- 10 ержит шлем 1, закрепленный неподвижно, три индикаторные катущки 2 ,. (а,б,в), размещенные на не, подшлемник 3, .закрепленный на голове человека, две катушки 4 возбуждения (катуш- is ки 4а каналов измерения Cf, и qtкатушки 4 S канала измерения , расположенные на нем, генератор 5, подключенный к катушкам 4 возбуждения, три канала преобразования, подклю- 20 ченные к своим индикаторным катушкам 2, каждый из которых содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик 6, преобразователь 7 код-напряжение, сумматор 8, а также 25 источник 9 опорного напряжения, первый вькод которого соединен с вторым входом преобразователя 7 код-напряжение.

В каждьй канал преобразования вве-зо дены последовательно соединенные с выходом индикаторной катушки 2 усилитель-ограничитель 10, фазовый детектор 11, выход которого соединен с вторым входом сумматора, два компа - с ратора 12, также подключенные к второму входу последнего, блок 13 фазо- . вращателей, сбединенный с выходом генератора 5, коммутатор 14, первый вход которого подключен к выходу Q реверсивного счетчика 6, остальные входы - к выходам блока 13 фазовращателей, выход - к второму входу фазового детектора 11, а второй и третий выходы источника 9 опорного напряже- д, ния - к вторым входам компараторов, выходы которых соединены с первым и вторым входами реверсивного счетчика .

Индикаторная катушка 2 устройст- .50 ва содержит две секции 15, причем катушки первой и второй секции соответственно через резистор и конденсатор подключены к выходу усилителяограничителя 10, а другие их концы 55 соединены с общей шиной.

Индикаторные катушки 2а и 26 индуктивно связаны с катушкой возбуждения 4а, а индикаторная катушка 28 с 46.

: Преобразователь движения головы человека работает следукяцим образом.

В исходном состоянии (момент времени t(j) голова человека находится внейтральном положении (Cf 0), реверсивный счетчик 6 по цепи Уст О устанавливается в исходное состояние. При движении головы с выхода индикаторной катушки 2 через усилитель-ограничитель 10 на вход фазового детектора 11 поступает прямоугольное переменное напряжение Ug постоянной амплитуды с фазой, прямо пропорционально зависящей от угла поворота головы. На другой вход фазового детектора 11.с блока 13 фазовращателей через коммутатор 14 поступает напряжение U- фаза которого при повороте головы меняется скачкообразно в зависимости от кода Цо поступающего с реверсивного счетчика 6 нА коммутатор 14. Этот же код поступает на вход преобразователя 7 коднапряжение, где преобразуется в аналоговое напряжение Ua, и подается на вход сумматора 8, где суммируется с кусочно-аналоговым сигналом с выхода фазового детектора Uj-. Выход сумматора 8 является выходом преобразователя. .Пусть голова человека, начиная с точки Ср О (фиг. 4), движется в положительном направлении, на вход фазового детектора 11 подается напряжение Uj с начальной фазой Ф -jp . В какой-то момент времени выходное напряжение фазового детектора Up достигает верхней границы зоны регистрации U (фиг. 4г) и компаратор 12 вырабатывает короткий импульс и д соответствующий аналоговому куску поворота головы (фиг. 4а, 4б).. Импульс с выхода компаратора 12 поступает на вход прямого счета реверсивного счетчика 6, при этом увеличивается код на выходе реверсивного счетчика V на едй:ницу, что вызывает переключение коммутатора, и на вход фазового детектора 11 подключается следующее опорное напряг жение Ue с начальной фазой Р -1) при этом на выходе фазового детектора напряжение скачком уменьшается до нуля и далее меняется согласно углу поворота головы..Одновременно на выходе преобразователя 7 код-напряжение формируется первая ступень аналоJ 1 гового сигнала Uo, При дальнейшем увеличении угла поворота головы работа преобразователя происходит ана логично описанному вьше. Пусть теперь в какой-то момент времени tg (фиг. 4а) голова человека меняет н правление движения и угол q начинае уменьшаться , при этом на выходе пр образователя 7 код-напряжение сформировано семь ступеней аналогового сигнала Ug (Аиг. 4п). а ко BTODOMV Bxonv Фазового аетектора 11 попключено напряжение U с фазной /Рц 211 Начиная с момента времени tg выходное напряжение фаз ового детектора начинает уменьшаться и в момент вре мени достигает нижней границы зоны ре1:истрации Uj (фиг. 4г), при этом компаратор 12 вырабатывает короткий импульс и j который поступает на вход обратного счета реверсивного счетчика 6. На выходе реверсивного счетчика код, уменьша- ясь на единицу, переключает коммутатор - к фазовому детектору подклю чается фазовращающая цепь с фазой , 27 - одновременно преобразователь 7 код-напряжение на одну сту пень уменьшает свой выходной сигнал а сигнал фазового детектора U скач ком увеличивается до нуля и далее изменяется согласйо углу поворота головы. При дальнейшем движении головы работа преобразователя аналоФиг.1 4. « гична. Полный аналоговый сигнал получают ,j суммируя на сумматоре 8 выходные сигналы с фазового детектора 11 Uij и с преобразователя 7 код-напряжение Ug (фиг. 4г, 4д, 4е). Экспериментальное исследование предлагаемого и известного преобразователей движений- головы человека в электрический сигнал показало, что применение элементов, соединенных по предлагаемой схеме, позволяет формировать выходной сигнал преобразователя, используя участок прямолинейной зависимости выходного сигнала фазового детектора от угла пово- , рота гoлoвыj в отличие от известной схемы, где используется приблизительно прямолинейнь еучастки синусоидальной зависимости сигнала фазочувствительного выпрямителя, за счет чего повьшается точность предлагаемого преобразователя. Кроме того, применение двухсекционной индикаторной катушки с R и С элементами (в отличие от трехсекционной в известном. устройстве), позволяет упростить индуктивную систему преобразователя ., Благодаря применению усилителя-вграничителя амплитуда выходного сигнала стабилизирована на уровне.ограничения и не зависит от величины воздушного зазора в индуктивной системе при изменении его в пределах 5-50 мм. 2а ,

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ГОЛОВЫ ЧЕЛОВЕКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий шлем, закрепленньй неподвижно, три индикаторные катушки, размещенные на нем, подшлемник, закрепленньй на голове человека, две катушки возбуждения, установленные на нем, генератор, подключенный к катушкам возбуждения, три идентичных канала преобразования, подключенные к своим индикаторным катушкам, каждый из которых содержит последовательно соединенные реверсивный счетчик, преобразователь код-напряжение, сумматор, а также источник опорного напряжения, первьй выход которого соединен с вторым входом преобразователя coд-нaпpяжeниe, отличающийся тем, что-, с целью повьш1ения точности измерений, в каждый канал введены последовательно соединенные с выходом индикаторной катушки усилитель-ограничитель, фазовьй детектор, выход которо1го соединен с вторым входоМосумматора, два компаратора, также подключенные к второму входу сумматора, блок фазовращателей, соединенный с вьтходом генератора, коммутатор, лервый вход которого подключен к выходу реверсивного счетчика, остальные входы к выходам блрка фазовращателей, выход - к второму входу фазового детектора, а второй и третий выходы источника опорного напряжения - к вторым входам компараторов, выходы которых соединены с первым и вторым. . входами реверсивного счетчика. 2. Преобразователь по п.1, от Сличающийся тем, что, индикаторная катушка содержит две секции, причем катушки первой и второй секций соответственночерез резистор и конденсатор подключены к выходу усилителя-ограничителя, а другие их выводы - к общей шине.

7k.iJJiLLLJ.

n

t I { I Ml I fit

i.SlNS№fS№N S

Vn

1 I 1 f

::

V.

8