基于MSP430的肌電假手系統設計*

李天博，陳 玲，陳坤華，呂繼東

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212001)

0 引言

手是人類最重要的器官之一，人類的一切活動都離不開它，一旦喪失，將會給人的日常生活帶來極大的不便。肌電假手即是使用者根據自身殘臂保留肌肉伸縮的強弱來控制的假手［1］。在這一方面，德國、英國等國家均研制出了比較先進的智能假手，占據著智能假手的高端市場。我國一些科研單位與生產廠家在智能假手的研究、生產上也開展了一些工作，并有部分產品進入市場，但仍然存在著一些缺陷和不足。主要表現在如下幾個方面:1)響應、處理速度慢，不能與時根據使用者的意愿做出相應動作;2)由于肌電信號非常微弱，只有零點幾毫伏至幾毫伏之間，極易受到人體噪聲與環境噪聲的干擾，尤其是50 Hz工頻信號的干擾，令殘疾人在使用假手時極不靈活;3)力的掌握不準確，容易弄壞甚至破壞物體。比如:在拿一些易碎物體時，由于不能及時控制電機轉速，手指繼續用力導致物體損壞。因此，本文設計了一種以MSP430為核心的帶觸滑覺傳感器功能的的肌電假手。

1 系統方案設計

本文在對肌電信號研究的基礎上，設計出一種表面肌電信號采集調理系統與假手控制系統，系統的總體框圖如圖1所示，具體包括信號調理電路、MSP430主控制芯片、電機驅動電路、觸滑覺傳感器和假手裝置。其工作流程為:肌電電極采集到人體表面肌電信號后進入信號調理電路，之后由MSP430單片機自帶的A/D轉換模塊將模擬信號轉換為單片機能夠處理的數字信號，單片機根據采集到的信號進行特征提取與模式識別，通過軟件編程驅動電機電路。單片機的輸出口控制電機驅動芯片來實現直流電機的正反轉，分別代表閉合、張開兩種動作。同時，當假手與物體接觸時，安裝在手指部位的傳感器將信息反饋給單片機，單片機讀取傳感器反饋的信號并進行識別和決策，形成一個閉環控制系統。

圖1 系統總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 肌電信號采集調理系統設計

高質量的肌電信號采集是決定假手性能的關鍵所在［2］。由于肌電信號采集于人體表面，信號的阻抗較大，且噪聲干擾很大，因此，采集調理電路必須具備以下幾點:1)高增益:由于采集到的肌電信號十分微弱，只有0.1～5 mV之間，高的放大倍數可以提高系統的采集精度［3］。2)高共模抑制比，用來抑制工頻干擾。3)良好的濾波性能:由于采集到的肌電信號在10～1000 Hz之間，而其有用頻率集中在50～350 Hz之間，尤其是50Hz的工頻信號對表面肌電信號的采集有很大的影響，它的頻率恰好在表面肌電信號能量集中的頻段，且幅度比表面肌電信號大1～3個量級，因此，必須除去。4)好的抗干擾性，抵抗外界信號對假手的干擾。
肌電信號采集調理電路如圖2所示。采用儀表放大器AD623作為前置放大電路;帶通濾波器和陷波器采用四運算放大器LM324，其中帶通濾波器由截止頻率20Hz的高通濾波器和截止頻率550 Hz的低通濾波器組成，采用雙T型帶阻濾波器來濾除50 Hz工頻信號。前置放大電路的增益設置為99 V/V，高通濾波器增益為2.5 V/V，低通濾波器增益為2 V/V，因此，采集調理系統的總增益為495V/V。

圖2 肌電信號采集調理電路Fig 2 EMG signal acquiring and conditioning circuit

3 假手控制系統設計

3.1 單片機電路

系統以超低功耗的MSP430F149單片機為核心，它是德州公司新開發的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，內置2個16位定時器，一個14路輸入的12位A/D轉換器，采樣速率高達200 ksps，1.8～3.6 V 低電壓工作，同時具有非常強的處理能力，最高可達2 MIPS［4］，非常適合一些對處理速度要求比較高的嵌入式系統。數據的采集、特征提取、模式識別都在單片機內執行。

3.2 電機驅動電路

由于步進電機的精度和性能遠遠低于直流電機，因此，本設計中選用德國Faulhaber公司生產的直流無刷微型電機2224U012SR，其額定電壓為12V、輸出功率為4.05W、空載電流為14mA、空載轉速為7800r/min、額定轉矩為0.5kgf·cm。

電機驅動芯片選用美國國家半導體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅動的H橋組件LMD18200，采用單極性驅動方式。它有11個引腳，內部集成了4個DMOS管，組成一個標準的H型驅動橋。LMD18200的工作電壓高達55 V，完全能夠驅動12 V電機。

單片機的內部定時器A(P1.2/TA1口)產生PWM波，P1.6口產生方向信號，P1.7口產生剎車信號。為保證系統的穩定可靠性，將單片機與電機驅動電路之間通過光耦隔離［5］，其中方向信號采用低速光耦TLP521—1隔離，PWM波采用高速光耦6N137隔離。

LMD18200驅動電機原理如圖3所示，其中4引腳與單片機的P1.7口相連;TLP521—1的2腳接單片機 P1.6口;6N137的3腳接單片機P1.2/TA1口，控制電機轉速。

圖3 加光耦隔離的LMD18200驅動電機原理圖Fig 3 Driving motor principle diagram of LMD18200 with optocoupler isolated

3.3 觸滑覺傳感器

傳感器是假手與外界環境直接作用的媒介，它可以讓假手模擬真手的部分功能，如觸覺、滑動覺、熱覺、力覺等［6］。目前市面上的假肢手一般都不具備這些功能。本文設計具有觸覺與滑覺功能的智能肌電假手，可更好地協助殘障者完成更為精準的動作。目前新型的觸滑覺傳感器都是基于壓電原理和光電原理的，其敏感材料大多采用有機壓電材料PVDF，通過對觸覺和滑覺的不同響應，提取出觸覺和滑覺信號。觸滑覺傳感器結構圖如圖4所示。

圖4 觸滑覺傳感器結構圖Fig 4 Structure diagram of tactile and slip sensor

PVDF壓電薄膜受到一定方向的外力產生變形，在膜兩側的電極上聚集等量異號的正負電荷，測出相應的電荷值，即可實現對壓力的測量。由于滑動產生的交變電壓量為不超過100Hz的低頻信號，對信號最為嚴重的噪聲干擾就是50Hz的工頻干擾，故采用雙T帶阻濾波器去除50Hz工頻干擾，再經過電壓跟隨器、低通濾波器去除信號中的高頻成分，得到有用的觸滑覺信號后輸入單片機進行A/D轉換、分析以實現對假手的反饋控制。

觸滑覺傳感器安裝在假手大拇指內，當假手接觸到物體時，安裝在大拇指內的傳感器將觸覺和滑覺信號經處理后反饋給單片機，單片機根據得到的信號進行識別并調整電機轉速，從而控制假手調整握力，避免破壞物體。

4 軟件設計

4.1 A/D 轉換采集

MSP430F149單片機集成了14路12位的A/D轉換，其中有8路為外部信號的轉換，為P6.0～P6.7口，本系統采用其中的3路A/D，分別用于伸肌信號和屈肌信號的采集，以及傳感器信號采集。單片機內部有2.5，1.5V兩種基準電壓，設計選用2.5 V。采樣頻率設置為2048 Hz。肌電信號經單片機處理后的特征值與標準閾值進行比較判斷，結合觸滑覺傳感器反饋的信號，控制假手的張開、閉合以及力度。

4.2 PWM波形的產生

直流電機的速度是通過PWM波來控制的，而PWM波由單片機的定時器端口來產生，采用輸出模式中的“復位/置位”模式產生PWM信號。PWM信號是一種周期固定，占空比變化的數字信號。設一個電壓變化周期為T，一個周期內高電平時間為t，則占空比為:τ=。由此可知平均電壓Ua=Umaxτ。

改變占空比，即可改變電機兩端電壓的平均值，由此實現對電機轉速的調控(占空比越大，速度越高［7］)。其中定時器A的CCR0來控制周期，CCR1來控制占空比，采用閾值控制法。

單片機的調試在IAR公司提供的Embedded Workbench集成開發環境中進行，數據的訓練在Matlab7.0中完成，特征提取法選用應用廣泛的均方根值RMS法，運用支持向量機(SVM)算法進行訓練和分類，單片機根據EMG信號的處理結果控制假手做出不同的動作。

假手控制系統流程圖如圖5所示。

圖5 肌電假手控制總流程圖Fig 5 Overall flow chart of myoelectric control prosthetic hand

采集到的肌電信號經A/D轉換、特征值計算后進行比較，若屈肌占優勢則電機正轉，假手開始閉合，當接觸到物體時，觸滑覺傳感器產生觸覺信號，電機減速，防止破壞物體，同時檢測滑覺信號，若滑覺信號達到閾值則電機停轉，成功抓取物體;相反，若伸肌占優勢，則電機反轉。

5 實驗結果與分析

5.1 實驗方法

實驗前，首先要對測試部位的皮膚進行酒精擦洗并晾干，以便提取出完整的肌電信號，同時遠離強大的靜電場和電磁場。肌電電極選用人體可以長期佩戴的干電極。將電極固定在正常人的前臂上，信號分別從前臂后肌群的伸肌群和前肌群的屈肌群上采集。將肌電信號采集調理系統的輸出端另引出導線連接到示波器上，同時將整個系統的輸出端與假手裝置相連并接通電源。測試者分別做展拳和握拳的動作。

5.2 實驗結果與分析

圖6(a)和(b)分別為測試者展拳時采集到的伸肌肌電信號與假手做出的張開動作，(c)和(d)為測試者握拳時采集到的屈肌肌電信號和假手抓取物體的動作。由圖中可以看出:肌電信號采集調理系統可以準確地捕獲到人體表面的肌電信號，并能夠清晰地反映出肌電信號的大小。肌電信號經過信號調理電路處理后波形比較清晰，伸肌信號與屈肌信號特征明顯，經MSP430F149單片機處理后可靈活控制假手的張開、閉合與力度。

圖6 肌電信號與對應的假手動作Fig 6 EMG signal and the corresponding action of prosthetic hand

6 結論

本文設計的肌電控制假手，在對肌電信號采集調理的基礎上，采用MSP430單片機作為主控制芯片，體積小，功耗低，操作方便，通過實驗證明可以滿足使用者簡單抓取物體的需要。同時在大拇指內安裝觸滑覺傳感器，使假手操作更加靈活。實驗證明此系統簡單可靠，使用方便。

［1］蔡春風.人體表面肌電信號處理及其在人機智能系統中的應用研究［D］.杭州:浙江大學，2006:1－86.

［2］朱 昊，辛長宇，吉小軍，等.表面肌電信號前端處理電路與采集系統設計［J］.測控技術，2008，27(3):37－39.

［3］Castellini C，Smagt P.Surface EMG in advanced hand prosthetics［J］.Biological Cybernetics，2009，100:35－47.

［4］秦 龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［5］曾國強，葛良權.機器人比賽中直流電機驅動電路的設計［J］.機器人技術，2008，24(5－2):236－238.

［6］Antfolk C，Balkenius C.Design and technical construction of a tactile display for sensory feedback in a hand prosthesis system［J/OL］Biomedical Engineering，2010，9:1－50.［2011—11—11］.http:∥www.biomedical－engineering－online.com/content/9/1/50.

［7］黃偉鋒，吳麗宏.基于單片機的直流電機調速系統設計與仿真［J］.機電工程技術，2010，39(12):74－76.