Преобразователь движения головы человека в электрический сигнал Советский патент 1980 года по МПК A61B5/10 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ГОЛОВЫ ЧЕЛОВЕКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ Изобретение относится к области-медицины, а именно к измерительным приборам для проверки движения головы человека, предназначенным для проведения психологических, нейрофизиологических, эргономических. экспериментов. Известен преобразователь движения головы человека в электрический сигнал, содержащий шлем, фазочувствительные выпрямители, фильтры пульсаций, три сумматора 1. Однако линейность его выходных сигналов уменьшается с ростом величины угла поворота головы вследствие размагничиваюшего действия продольной составляющей магнитодвижущей силы обмоток синхронизации сельсинов, а из-за вязкого трения в гидравлических демпферах маятников искажается динамическая точность преобразования резких поворотов головы. Цель изобретения-обеспечение линейности выходных сигналов независимо от величины угла поворота головы и повышение динамической точности преобразования. ; Эта цель достигается тем, что преобразователь имеет подшлемник для закрепления его на голове человека, две катушки возбуждения, расположенные на подшлемнике, три индикаторные катущки, расположенные на шлеме и выполненные в виде трех секций, генератор, соединенный с катушками возбуждения, и три идентичных канала преобразователя, каждый из которых имеет три фазочувствительных выпрямителя, три фильтра пульсаций, три ключа и три индикатора нуля, образующих три параллельные цепочки с последовательным соединением в каждой из них указанных элементов, логическую схему ИЛИ, реверсивный счетчик и преобразователь, код-напряжение, соединенные последовательно, а также многофазный триггер, парафазный усилитель, триггер со счетным входом, компаратор знака и источник опорного напряжения, причем . выходы индикаторов нулясоединены с логической схемой ИЛИ и соответственно со входами многофазного триггера, выходы которого также соответственно соединены другими входами ключей, чьи выходы объединены и подключены ко входу парафазного усилителя, второй вход которого через триггер со счетным входом соединен с выходом логической схемы ИЛИ, а выход, через компаратор знака, соединен с реверсивным счетчиком и непосредственно - с одним из входов сумматора, другой вход которого подключен к выходу преобразователя код-напряжение, соединенного с источником опорного напряжения, а каждая секция индикаторных катушек подключена соответственно ко входу фазочувствителы ого выпрямителя, другие входы которых объединены и соединены с генератором. На фиг. 1 изображена система координат движения головы человека, где Ф, Ф, Фэуглы отклонения головы от нейтрального положения при ее повороте вокруг осей х, у, z соответственно, причем направление rfOBoрота считается положительным, если поворот совершается против направлени я движения часовой стрелки при наблюдении с конца вектора, обозначающего соотвеччггвуюодую ось враш,ения, а также схема расположения катушей возбуждения на подшлемнике- катушки 1а каналов измерения Фч и Фг, катушки 16 канала измерения Фз; на фиг. 2 - схема расположения индикаторных катушек 2а, 26, 2в на шлеме каналов измерения Фь cDjz и Фз соответственно; на фиг. 3 блок схема одного канала преобразователя, схемы остальных каналов,- аналогичны, на фиг. 4 - статистические, а на фиг. 5 - динамические характеристики преобразователя и его отдельных элементов. 1 Преобразователь состоит из трех идентичных каналов для преобразования трех углов поворота головы человека Oj, ф, и фз в электрический сигнал. г.,--. Канал преобразователя содержит катушку 1 возбуждения (для каналов преобразования Ф| и Фг она общая, для канала преобразования Фз-отдельная), индикаторную катушку 2, генератор 3, три фазочувствительных выпрямителя 4, 5, 6, три фильтра 7, 8, 9 пульсаций, три ключа 10, 11, 12, три индикатора 13, 14,15 нуля, многофазный триггер 16, схему 17 ИЛИ, парафазный усилитель 18, триггер 19 со счетным входом, реверсивный счетчик 20, компаратор 21 знака, преобразователь 22 код-напряжение, источник 23 опорного напряжения и сумматор 24. Катушка 1 возбуждения представляет собой кольцеобразную катушку индуктивности небольших размеров, размещенную на под.шлемнике под соответствующей индикаторной катушкой 2, которая размещена на внутренней поверхности шлема и образована из ряда элементарных прямоугольных катушек, ..имеющих малую ширину ибольшую длину и соединенных последовательно в три секции (I, II, III на фиг. 3), причем каждая секция сдвинута друг относительно друга на 2/3 щирины элементарной катушки. Форма сигналов U г, U8,U 9, наведенных катушкой 1 возбуждения в секциях индикаторной катушки 2, выпрямленных фазочувствительньщи выпрямителями 4, 5, 6 и прошедших фильтры 7, 8, 9 пульсаций в зави симости от угла ф поворота головы вокруг соответствующей оси системы координат, показана на фиг. 4а. Сигналы и 7, и 8, и g имеют чередующиеся между собой положительные и отрицательные наклоны. Для того, чтобы получить кусочно-линейную характеристику, показанную на фиг. 46, необходимо на вход парафазного усилителя 18 подключить выход того фильтра, напряжение в котором проходит через нуль, и при каждом новом переходе через нуль знак коэффициента усиления менять на противоположный. Подключение необходимого выхода одного из фильтров 7, 8,9 ко входу парафазного усилителя 18 осуществляют ключи 10, И, 12, управляемые частью схемы, состоящей из индикаторов 13, 14, 15 нуля и многофазного триггера 16. Индикаторы 13, 14, 15 нуля выда- . ют кратковременные импульсы пр.и переходе сигнала, поступающего на их входы, через нуль. Многофазный триггер 16 выдает высокий потенциал только с того выхода, на соответствующий вход которого поступает импульс от индикатора нуля. Ключ, на управляющий вход которого поступает высокий потенциал от многофазного триггера 16, переключается так, что сигнал со своего входа подает на вход парафазного усилителя 18, а остальные два ключа, на управляющие входы которых поступили низкие потенциалы, свои входные сигналы подключают ко входам индикаторного ,нуля. Таким образом, со входом парафазного усилителя 18 соединяется выход того фильтра 7, 8 или 9,амплитуда сигнала которого переходит через нулевой уровень. Схема 17 ИЛИ выдает на выходе короткие импульсы при поступле- НИИ на ее, вход импульса с любого индикатора нуля (фиг.4в),т.е. при переходе через нуль сигнала на выходе любого из фильтров 7,8,9. Каждый импульс с выхода схемы ИЛИ поступает на счетный вход триггера 19 и меняет его.состояние - при повороте головы в положительном направлении так, как показано на фиг. 4г, при повороте в отрицательном направлении так, как показано на фиг. 4е, что служит сигналом для изменения знака коэффициента усиления парафазного усилителя 18 на противоположный, при повороте головы в положительном направлении так, как показано на фиг. 4д, при повороте в отрицательном направлении так, как пока- . зано на фиг. 4ж. Совокупность сигналов, выдаваемых схемой 17 ИЛИ и парафазным усилителем 18, несет полную информацию о величине и знаке угла поворота головы человека, причем дискретный сигн.ал U (фиг. 4 в) является сигналом грубого отсчета, а кусочно-линейный сигнал Uig (фиг. 46)-сигналом точного отсчету. Полный аналоговый выходной сигнал, пропорциональный углу поворота головы человека вокруг соответствующей оси координат, формируется остальной частью схемы - реверсивным счетчиком 20, компаратором 21 знака, преобразователем 22 код-напряжение, источником 23 опорного напряжения и сумматором 24., Работа преобразователя движения головы в электрически сигнал поясняется эпюрами, приведенными на фиг. 5. За исходное (момент времени t о) принято следующее состояние схемы преобразователя: голова человека находится в нейтральном положении, следовательно угол поворота вокруг рассматриваемой оси Ф О (фиг. 5а), на первом выходе многофазного триггера 16 имеется высокий уровень, на ВТО .ром и третьем выходах - низкий (фиг. 5е, Ж, з), ключом 10 выход фильтра 7 соединен со входом парафазного усилителя 18 и отключен от входа индикатора 13 нуля, выходы фильтров 8 и 9 соединены через ключи 11 и 12 со входами индикаторов 14 и 15 нуля соответственно. На выходе триггера 19 имеется высокий уровень (фиг. 5 и), что обеспечивает положительный коэффициент усиления парафазного усилителя 18 (фиг. 5к) на выходе компаратора знака - высокий потенциал (фиг. 5м), чем реверсивный счетчик 20 подготовлен для сложения импульсов. На выходах преобразователя 22 код-напряжение и сумматора 24 имеются нулевые уровни (фиг. 5н и фиг. 5о). В момент времени t угол поворота головы Фв положительном направлении достигает величины, равной шагу квантования (фиг. 4а, 5а). Шаги квантования количественно равны углу поворота головы, при котором катушка 1 возбуждения проходит путь равный 1/3 ширины элементарной индикаторной катушки, когда амплитуда сигнала в третьей секции индикаторной катушки 2 переходит через нуль. На выходе индикатора 15 нуля формируется короткий импульс (фиг. 5г), который запоминается многофазным триггером 16 и на его третьем выходе появляется высокий уровень (фиг. 5з), переключающий ключ 12 так, что выход фильтра 9 соединяется со входом парафазного усилителя 18, а вход индикатора нуля 15 отключается. На первом выходе многофазного триггера 16 устанавливается (фиг. 5е), а на втором сохраняется (фиг. 5ж) низкий уровень, под действием которого ключи 10 и 11 подключают выходы выпрямителей 7 и 8 ко входам индикаторов 13 и 14 соответственно. Импульс индикатора 15 нуля проходит-также через схему 17 ИЛИ (фиг. 5 д), с выхода которой поступает на вход реверсивного счетчика 20 и запоминается им и на счетный вход триггера 19, на выходе которого устанавливается низкий уровень (фиг. 5 и), что меняет знак коэффициента усиления парафазного усилителя 18 на отрицательный (фиг. 5 к). Преобразователь 22 код-напряжение, одновременно с запоминанием реверсивным счетчиком 20 первого импульса формирует на выходе первую ступень напряжения, равную Uo и пропорциональную шагу квантования (фиг. 5 н). Напряжение и24 на выходе сумматора 24 (фиг. 5о), который является выходом всего преобразователя, равно сумме выходных напряжений парафазного усилителя Uis (фиг. 5л) и преобразователя 22 код-напряжение U22 (фиг. 5 н) и по величине пропорционально углу поворота головы человека в данный момент времени (см. фиг. 5 а и 5 о). В момент времени 12 амплитуда сигнала во второй секции индикаторной катушки 2 переходит через нуль, поэтому на выходе индикатора 14 нуля формируется короткий импульс (фиг. 5 в), который поступает на второй вход многофазного триггера 16 и схемы 17 ИЛИ. Триггер 16 переключается, на его втором выходе устанавливается высокий уровень (фиг. 5ж), а на первом и третьем - низкий (фиг. 5е и 5з), вследствие чего ключ 11 отключает выход фильтра 8 от входа индикатора нуля 14 и подключает ко входу парафазного усилителя 18, ключ 10 свое состояние не меняет, а ключ 12 отключает выход фильтра 9 от входа парафазного усилителя 18 и подключает ко входу индикатора 15 нуля. Второй импульс с выхода схемы 17 ИЛИ (фиг. 5 д) поступает на счётный вход триггера 19, меняет его состояние на противоположное (фиг. 5 и), отчего знак коэффициента усиления парафазного усилителя 18 меняется на положительный (фиг. 5 к), на вход реверсивного счетчика 20, где суммируется с первым импульсом, а сигнал суммы поступает на вход преобразователя 22 коднапряжение, который формирует вторую ступень напряжения, равную 2 UQ (фиг. 5 н).. Напряжение на выходе сумматора 24 достигает величины, пропорциональной новому углу поворота головы (фиг. 5 о). В момент времени t з, Ч 4, ts происходят аналогичные переключения. В моменты времени t g, t никаких переключений не происходит, но с момента времени 17 голова начинает поворачиваться в отрицательном направлении и угол ее поворота Ф уменьшается (фиг. 5 а). В момент времени t g сигнал на выходе парафазного усилителя 18 меняет знак с положительного на отрицательный (фиг. 5 л), компаратор 21 знака переключается и на вход реверсивного счетчика 20 подает низкий потенциал (фиг. 5. м), чем счетчик подготавливается, для вычитания. Несмотря на то, что амплитуда сигнала второй секции индикаторной катушки 2 в этот момент времени проходит через нуль, индикатор 14 нуля импульс управления не выдает, так как его вход ключом 11 отключен от выхода второго фильтра 8 и поэтому в данный момент времени больше никаких переключений не происходит. В момент времени tg, tio ника-ких переключений не происходит. В моменты времени tn...t.|5 происходит переключения аналогичные переключениям в моментах времени ti...ts за исключением того, что реверсивный счетчик 20, начиная с цомета времени t.f осуществляет вычитакие импульсов, поступающих на его вход, из суммы импульсов, поступавших в моменты времени t|..i5, а преобразователь 22 код-напряЖение формирует убывающие ступеньки напряжения (фиг. 5 н), и напряжение на выходе сумматора 24 уменьшается пропорционально уменьшению угла поворота головы человека (фиг. 5 о и 5 а). Предлагаемый преобразователь обеспечивает линейность выходных сигналов независимо от величины угла поворота головы и повышает динамическую точность преобразования. Формула изобретения Преобразователь движения головы человека в электрический сигнал, содержащий шлем, фазочувствительные выпрямители, фильтры пульсаций и три сумматора, отличающийся тем, что, с целью обеспечения линейности выходных сигналов независимо от величины угла поворота головы и повышения динамической точности преобразования, он имеет подшлемник для закрепления его на голове человека, две катушки возбуждения, расположенные на подшлемнике, три индикаторные катушки, расположенные на шлеме и выполненные в виде трех секций, генератор, соединенный с катушками возбуждения, и три идентичных канала преобразования, каждый из которых имеет три фазочувствительных выпрямителя, три фильтра пульсаций, три ключа и три индикатора нуля, образуюших три параллельные цепочки с последовательным соединением в каждой из них указанных элементов, логическую схему ИЛИ, реверсивный счетчик и преобразователь код-напряжение соединенные последовательно, а также многофазный триггер, парафазный усилитель, триггер со счетным входом, компаратор знака и источник опорного напряжения, причем выходы индикаторов нуля соединены с логической схемой ИЛИ и соответственно со входами многофазного триггера, выходы которого также соответственно соединены с другими входами ключей, чьи выходы объединены и подключены ко входу парафазного усилителя, второй вход которого через триггер со счетным входом соединен с выходом логической схемы ИЛИ, а выход, через компаратор знака, соединен с реверсивным счетчиком и непосредственно - с одним из входов сумматора, другой вход которого подключен к выходу преобразователя код-напряжение, соединенного с источником опорного напряжения, а каждая секция индикаторных катушек подключена соответственно к входу фазочувствительного выпрямителя, другие входы которых объединены и соединены с генератором. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Beschle R.G, Cirillo L, Wapner S. Apparatus note: a system for detecting and recording movements of the Read, «Perceptual and motor skills. 1972, т. 35 с 725- 726.

/a

Фиг./

Фиг. 2

to

ev

::S

ЭI I I I I LiJJ

и,

f;j

ignU

Uig

signki

у

а

У

у е

ж