李天博，陳 玲，陳坤華，呂繼東

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212001)

0 引言

手是人類最重要的器官之一，人類的一切活動(dòng)都離不開它，一旦喪失，將會(huì)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(jù)自身殘臂保留肌肉伸縮的強(qiáng)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(jìn)的智能假手，占據(jù)著智能假手的高端市場。我國一些科研單位與生產(chǎn)廠家在智能假手的研究、生產(chǎn)上也開展了一些工作，并有部分產(chǎn)品進(jìn)入市場，但仍然存在著一些缺陷和不足。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:1)響應(yīng)、處理速度慢，不能與時(shí)根據(jù)使用者的意愿做出相應(yīng)動(dòng)作;2)由于肌電信號非常微弱，只有零點(diǎn)幾毫伏至幾毫伏之間，極易受到人體噪聲與環(huán)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(shí)極不靈活;3)力的掌握不準(zhǔn)確，容易弄壞甚至破壞物體。比如:在拿一些易碎物體時(shí)，由于不能及時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，手指繼續(xù)用力導(dǎo)致物體損壞。因此，本文設(shè)計(jì)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(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文在對肌電信號研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種表面肌電信號采集調(diào)理系統(tǒng)與假手控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，具體包括信號調(diào)理電路、MSP430主控制芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)入信號調(diào)理電路，之后由MSP430單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，單片機(jī)根據(jù)采集到的信號進(jìn)行特征提取與模式識別，通過軟件編程驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路。單片機(jī)的輸出口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，分別代表閉合、張開兩種動(dòng)作。同時(shí)，當(dāng)假手與物體接觸時(shí)，安裝在手指部位的傳感器將信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)讀取傳感器反饋的信號并進(jìn)行識別和決策，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 肌電信號采集調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高質(zhì)量的肌電信號采集是決定假手性能的關(guān)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(diào)理電路必須具備以下幾點(diǎn):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(shù)可以提高系統(tǒng)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(gè)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(diào)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(yùn)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(shè)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(diào)理系統(tǒng)的總增益為495V/V。

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

3 假手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)電路

系統(tǒng)以超低功耗的MSP430F149單片機(jī)為核心，它是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，內(nèi)置2個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)14路輸入的12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率高達(dá)200 ksps，1.8～3.6 V 低電壓工作，同時(shí)具有非常強(qiáng)的處理能力，最高可達(dá)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(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集、特征提取、模式識別都在單片機(jī)內(nèi)執(zhí)行。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于步進(jìn)電機(jī)的精度和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直流電機(jī)，因此，本設(shè)計(jì)中選用德國Faulhaber公司生產(chǎn)的直流無刷微型電機(jī)2224U012SR，其額定電壓為12V、輸出功率為4.05W、空載電流為14mA、空載轉(zhuǎn)速為7800r/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.5kgf·cm。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件LMD18200，采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。它有11個(gè)引腳，內(nèi)部集成了4個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。LMD18200的工作電壓高達(dá)55 V，完全能夠驅(qū)動(dòng)12 V電機(jī)。

單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器A(P1.2/TA1口)產(chǎn)生PWM波，P1.6口產(chǎn)生方向信號，P1.7口產(chǎn)生剎車信號。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，將單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī)原理如圖3所示，其中4引腳與單片機(jī)的P1.7口相連;TLP521—1的2腳接單片機(jī) P1.6口;6N137的3腳接單片機(jī)P1.2/TA1口，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 加光耦隔離的LMD18200驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(huán)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(dòng)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(shè)計(jì)具有觸覺與滑覺功能的智能肌電假手，可更好地協(xié)助殘障者完成更為精準(zhǔn)的動(dòng)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(jī)壓電材料PVDF，通過對觸覺和滑覺的不同響應(yīng)，提取出觸覺和滑覺信號。觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 觸滑覺傳感器結(jié)構(gòu)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(chǎn)生變形，在膜兩側(cè)的電極上聚集等量異號的正負(fù)電荷，測出相應(yīng)的電荷值，即可實(shí)現(xiàn)對壓力的測量。由于滑動(dòng)產(chǎn)生的交變電壓量為不超過100Hz的低頻信號，對信號最為嚴(yán)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(jīng)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(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、分析以實(shí)現(xiàn)對假手的反饋控制。

觸滑覺傳感器安裝在假手大拇指內(nèi)，當(dāng)假手接觸到物體時(shí)，安裝在大拇指內(nèi)的傳感器將觸覺和滑覺信號經(jīng)處理后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)得到的信號進(jìn)行識別并調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制假手調(diào)整握力，避免破壞物體。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 A/D 轉(zhuǎn)換采集

MSP430F149單片機(jī)集成了14路12位的A/D轉(zhuǎn)換，其中有8路為外部信號的轉(zhuǎn)換，為P6.0～P6.7口，本系統(tǒng)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(jī)內(nèi)部有2.5，1.5V兩種基準(zhǔn)電壓，設(shè)計(jì)選用2.5 V。采樣頻率設(shè)置為2048 Hz。肌電信號經(jīng)單片機(jī)處理后的特征值與標(biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較判斷，結(jié)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(chǎn)生

直流電機(jī)的速度是通過PWM波來控制的，而PWM波由單片機(jī)的定時(shí)器端口來產(chǎn)生，采用輸出模式中的“復(fù)位/置位”模式產(chǎn)生PWM信號。PWM信號是一種周期固定，占空比變化的數(shù)字信號。設(shè)一個(gè)電壓變化周期為T，一個(gè)周期內(nèi)高電平時(shí)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(jī)兩端電壓的平均值，由此實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控(占空比越大，速度越高［7］)。其中定時(shí)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(jī)的調(diào)試在IAR公司提供的Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，數(shù)據(jù)的訓(xùn)練在Matlab7.0中完成，特征提取法選用應(yīng)用廣泛的均方根值RMS法，運(yùn)用支持向量機(jī)(SVM)算法進(jìn)行訓(xùn)練和分類，單片機(jī)根據(jù)EMG信號的處理結(jié)果控制假手做出不同的動(dòng)作。

假手控制系統(tǒng)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、特征值計(jì)算后進(jìn)行比較，若屈肌占優(yōu)勢則電機(jī)正轉(zhuǎn)，假手開始閉合，當(dāng)接觸到物體時(shí)，觸滑覺傳感器產(chǎn)生觸覺信號，電機(jī)減速，防止破壞物體，同時(shí)檢測滑覺信號，若滑覺信號達(dá)到閾值則電機(jī)停轉(zhuǎn)，成功抓取物體;相反，若伸肌占優(yōu)勢，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，首先要對測試部位的皮膚進(jìn)行酒精擦洗并晾干，以便提取出完整的肌電信號，同時(shí)遠(yuǎn)離強(qiáng)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(diào)理系統(tǒng)的輸出端另引出導(dǎo)線連接到示波器上，同時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)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(dòng)作。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6(a)和(b)分別為測試者展拳時(shí)采集到的伸肌肌電信號與假手做出的張開動(dòng)作，(c)和(d)為測試者握拳時(shí)采集到的屈肌肌電信號和假手抓取物體的動(dòng)作。由圖中可以看出:肌電信號采集調(diào)理系統(tǒng)可以準(zhǔn)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(jīng)過信號調(diào)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(jīng)MSP430F149單片機(jī)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(yīng)的假手動(dòng)作Fig 6 EMG signal and the corresponding action of prosthetic hand

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的肌電控制假手，在對肌電信號采集調(diào)理的基礎(chǔ)上，采用MSP430單片機(jī)作為主控制芯片，體積小，功耗低，操作方便，通過實(shí)驗(yàn)證明可以滿足使用者簡單抓取物體的需要。同時(shí)在大拇指內(nèi)安裝觸滑覺傳感器，使假手操作更加靈活。實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)簡單可靠，使用方便。

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