人體肌電信號采集識別系統(tǒng)設(shè)計

李大鵬　張百云　史捷

摘 要：表面肌電信號（Surface Electromyography， SEMG）是一種復(fù)雜的伴隨肌肉活動的電生理信號。設(shè)計采集系統(tǒng)對上臂肌肉的表面肌電信號進(jìn)行多路采集，進(jìn)行信號處理及計算分析，研究上臂運(yùn)動動作與表面肌電信號特征之間的聯(lián)系。設(shè)計了肌電信號動作識別系統(tǒng)，在PC機(jī)上對信號進(jìn)行顯示、處理、運(yùn)算，在下位機(jī)顯示識別結(jié)果，控制電機(jī)做相應(yīng)動作。實驗驗證可以識別上臂屈伸動作，并做出相應(yīng)的電機(jī)控制動作。

關(guān)鍵詞：表面肌電信號 數(shù)據(jù)采集 識別系統(tǒng)

中圖分類號：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0068-02

表面肌電信號可以通過表面電極收集到，以避免創(chuàng)傷和感染。表面肌電信號是一種隨機(jī)信號，頻帶為10～1000 Hz，而能量主要集中在50～350 Hz，由于被測對象是有生命的系統(tǒng)，在測量方式上受到限制，因此對測量儀器提出了許多苛刻的要求。

研究簡單易用的表面肌電信號采集識別系統(tǒng)，對康復(fù)醫(yī)療、運(yùn)動檢測、情感識別等應(yīng)用具有幫助意義。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電極

電極采用Ag-AgCl心電監(jiān)護(hù)電極，屏蔽導(dǎo)聯(lián)線，是一種不可極化電極，可以將人體內(nèi)的離子電流轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線中電子電流。

1.2 前置放大器設(shè)計

生理前置放大電路的第一級基于INA128構(gòu)成，兩個電極連接到放大器的差動輸入端，參考電極接地，增益可調(diào)。

1.3 濾波器設(shè)計

為消除干擾和噪聲的不利影響，需要根據(jù)肌電信號的頻率成分選擇適當(dāng)?shù)念l帶。文章濾波電路采用RC有源濾波器，包括帶通濾波器和雙T帶阻濾波器。高通濾波器的截止頻率為20 Hz，是為了減少由于皮膚和電極之間移動偽差（motion artifact）產(chǎn)生的低頻干擾；低通濾波器（LPF）的截止頻率為650 Hz。

1.4 數(shù)據(jù)采集卡及LabView界面的設(shè)計

選用基于采集卡與Labview及PC機(jī)構(gòu)成的采集系統(tǒng)。在LabView中使用DAQ助手。設(shè)置通道1并采集模擬數(shù)據(jù)中的電壓值，采集用N采樣并采集10 000個數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)波形。

1.5 下位機(jī)設(shè)計

下位機(jī)基于51單片機(jī)設(shè)計，包括與PC機(jī)的串口通訊，電機(jī)控制及LCD顯示。程序設(shè)計要注意顯示模塊耗時較長，步進(jìn)電機(jī)模塊耗時較短，所以在主程序中不能把顯示模塊和步進(jìn)電機(jī)模塊放在同一個循環(huán)中。

2 肌電信號的信號處理

肌電信號的時域分析如下。

對原始數(shù)據(jù)采用Matlab對其進(jìn)行了顯示來比較屈伸原始信號幅值的差別。屈伸信號波形幅值比較如圖1所示。從中可以看出對于屈伸不同動作，肌電信號幅值不同，變化規(guī)律也有所不同。

標(biāo)準(zhǔn)差：標(biāo)準(zhǔn)差是方差的算術(shù)平方根。標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。

積分肌電值IEMG：積分肌電值就是對所有信號取絕對值后積分，然后求均值，可用于提取肌電信號的特征。

均方根RMS：均方根就是一組數(shù)據(jù)的平方和除以數(shù)據(jù)的個數(shù)再開方，可以濾除信號中的噪聲，使濾波后的信號更平滑、更明顯。

經(jīng)過比較研究者發(fā)現(xiàn)，屈伸信號的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、方差均差別不大，但積分肌電值、均方根有效值有顯著差別。故選用了積分肌電值作為閾值的獲取標(biāo)準(zhǔn)。

3 采集識別實驗

為了驗證表面肌電信號采集電路的性能，文章設(shè)計了一組人體上肢表面肌電信號的采集識別實驗。

通過閾值比較在下位機(jī)上實現(xiàn)了屈伸動作的識別，通過上位機(jī)GUI實現(xiàn)了肌電信號的采集、儲存，并對肌電信號進(jìn)行了時域和頻域的處理，通過比較幅相特性曲線、功率譜、倒譜等。得出屈伸動作下相應(yīng)圖像差別不是太大，不能直觀地看出明顯的區(qū)別。

通過對肌電信號時域分析，得到了相關(guān)肌電信號的特征參數(shù)，經(jīng)過比較得到在屈伸動作下積分肌電值的差別較大，適合作為閾值選取的標(biāo)準(zhǔn)。通過對不同人、屈伸時手臂的不同的地方進(jìn)行多組采集，經(jīng)過Matlab處理后，比較得到了合適的閾值。實驗中實現(xiàn)了屈伸動作識別并把識別結(jié)果顯示在LCD上、通過閾值比較來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、蜂鳴器的報警等功能。

4 結(jié)語

文章設(shè)計的系統(tǒng)利用采集設(shè)備對上臂肌肉做特定動作的表面肌電信號進(jìn)行多路采集，通過對微弱的肌電信號進(jìn)行處理及計算分析，研究上臂運(yùn)動動作與表面肌電信號特征之間的聯(lián)系。設(shè)計了肌電信號動作識別系統(tǒng)，在PC機(jī)上對信號進(jìn)行顯示、處理、運(yùn)算，用下位機(jī)顯示識別結(jié)果，控制電機(jī)作相應(yīng)動作。實驗驗證可以識別上臂屈伸動作，并做出相應(yīng)電機(jī)控制動作，該系統(tǒng)可以用在醫(yī)療診斷，康復(fù)醫(yī)學(xué)和假肢仿生控制中。

參考文獻(xiàn)

[1] 李大鵬.表面肌電信號用于假肢控制的研究[D].天津大學(xué)，2002.

[2] 李醒飛，李大鵬，張國雄，等.肌電信號控制仿生手的研究[J].中國機(jī)械工程，2005，17（5）：488-492.