楊嘉豪

（浙江工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，杭州310023）

0 引言

表面肌電信號(hào)（surface Electromyography，sEMG）是肌肉收縮時(shí)伴隨的電信號(hào)，是在體表無(wú)創(chuàng)檢測(cè)肌肉活動(dòng)的重要方法，具有安全、方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，表面肌電信號(hào)被廣泛的應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療、臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，如神經(jīng)系統(tǒng)的診斷和評(píng)價(jià)、測(cè)量神經(jīng)傳導(dǎo)速度、動(dòng)作識(shí)別、人機(jī)交互等[1]。

傳統(tǒng)的表面肌電信號(hào)采集方式采用電極片與皮膚直接接觸的方式測(cè)量表面肌電信號(hào)，并以有線的傳輸方式將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，這種測(cè)量方式佩戴不便、使用過(guò)程復(fù)雜、長(zhǎng)久佩戴會(huì)造成過(guò)敏反應(yīng)，無(wú)法直接用于輔助運(yùn)動(dòng)。而MYO 臂環(huán)可以測(cè)量表面八路肌電信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙信號(hào)傳輸方式將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，擺脫線束干擾，再運(yùn)用上位機(jī)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，并反饋給用戶，以達(dá)到輔助運(yùn)動(dòng)的效果，該采集設(shè)備佩戴方便、識(shí)別率高、應(yīng)用性強(qiáng)、有較好的推廣性，能夠有效滿足輔助運(yùn)動(dòng)的需求。

網(wǎng)球是體育項(xiàng)目中非常復(fù)雜的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，它不僅需要大肌肉群的運(yùn)動(dòng)，還需要小肌肉群的參與。在學(xué)習(xí)網(wǎng)球的過(guò)程中初學(xué)者很容易出現(xiàn)各種錯(cuò)誤動(dòng)作，這些錯(cuò)誤動(dòng)作若不及時(shí)糾正，不但會(huì)影響初學(xué)者對(duì)技術(shù)的掌握，影響學(xué)習(xí)效果，甚至?xí)谐鯇W(xué)者因使用錯(cuò)誤動(dòng)作而導(dǎo)致受傷情況的發(fā)生。而網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)初學(xué)起步比較困難，對(duì)動(dòng)作技巧性要求較高，尤其需要教練親自一對(duì)一教學(xué)，效率極低。目前網(wǎng)球類輔助運(yùn)動(dòng)設(shè)備中很少運(yùn)用動(dòng)作捕捉技術(shù)[2]，大部分以可穿戴傳感器[3]為主，但是這些技術(shù)都是通過(guò)模擬出整個(gè)人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[4]來(lái)分析，僅僅能判斷出大肌肉群的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，而缺少通過(guò)小肌肉群對(duì)手部動(dòng)作判斷。因此本文選用的MYO 臂環(huán)也是為了驗(yàn)證通過(guò)小肌肉群對(duì)動(dòng)作糾正的可行性。

1 MYO肌電信號(hào)傳感器

MYO 腕帶如圖1 所示，能夠采集八路表面肌電信號(hào)，通過(guò)低功耗藍(lán)牙傳送給上位機(jī)，其基本原理是：通過(guò)臂環(huán)上的傳感器捕捉到用戶手臂肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的生物電變化，再將經(jīng)過(guò)芯片初步處理通過(guò)藍(lán)牙傳輸至上位機(jī)。

MYO 臂環(huán)不僅佩戴方便，而且可以佩戴在任意一條胳膊的小臂上，還有松緊扣使其可以適用在不同人的手臂上，用戶使用時(shí)只需將臂環(huán)套在手臂上，調(diào)節(jié)好松緊度，并且把充電口和藍(lán)色logo 都對(duì)準(zhǔn)手背即可。

MYO 傳感器有八個(gè)通道，每個(gè)通道等間距排列[5]，用來(lái)探測(cè)人體肌肉活動(dòng)伴隨產(chǎn)生的生物電信號(hào)。因此在采集信號(hào)的過(guò)程中，難以避免會(huì)遇到MYO 臂環(huán)相鄰?fù)ǖ篱g的混迭、耦合等影響，導(dǎo)致收集到的sEMG 信號(hào)產(chǎn)生偏差，會(huì)對(duì)信號(hào)特征的提取產(chǎn)生影響。因此需要后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及上位機(jī)的算法協(xié)助判斷。

圖1 MYO腕帶

MYO 官方的軟件可以根據(jù)不同的用戶，通過(guò)向?qū)崆颁浿茙讉€(gè)動(dòng)作，定制生成其專屬的配置文件，使差異化盡可能的減小，因此能夠準(zhǔn)確、有效、快速地識(shí)別出不同的手勢(shì)，并能及時(shí)對(duì)手勢(shì)動(dòng)作進(jìn)行判定，較為常見(jiàn)的手勢(shì)有以下幾種[5]：手腕內(nèi)翻（Wrist Flexion，WF）、手腕外翻（Wrist Valgus，WV）、握拳（Hand Close，HC）、手指伸張（Fingers Stretching，F(xiàn)S）、雙擊（Double Click，DC）。加上與MYO 臂環(huán)上的IMU 聯(lián)合，可以代替鼠標(biāo)對(duì)電腦進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互。

為了避免每次佩戴位置不同而影響判斷結(jié)果，MYO 官方程序中開(kāi)始有一個(gè)校準(zhǔn)識(shí)別過(guò)程。當(dāng)佩戴好臂環(huán)時(shí)，做出手腕外翻手勢(shì)，若佩戴位置正確，則臂環(huán)會(huì)有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的震動(dòng)反饋，反之則為間歇性的短時(shí)間震動(dòng)反饋。因此MYO 臂環(huán)不僅可以方便采集數(shù)據(jù)，還可以避免一些采集過(guò)程中的誤差。

2 手勢(shì)動(dòng)作的判定方法

2.1 sEMG信號(hào)預(yù)處理

為盡量減小信號(hào)噪聲的干擾，獲得較完整的數(shù)據(jù)，MYO 的采樣頻率200Hz，上位機(jī)實(shí)時(shí)通過(guò)藍(lán)牙接收到MYO 的肌電信號(hào)，確認(rèn)每段數(shù)據(jù)完整后把每個(gè)通道的sEMG 信號(hào)幅值保存到本地文件。

2.2 動(dòng)作起點(diǎn)及穩(wěn)定性判斷

判斷動(dòng)作起止點(diǎn)是為了分割出有效數(shù)據(jù)分析，提高系統(tǒng)工作效率。不同的測(cè)試者在無(wú)動(dòng)作放松狀態(tài)的肌電信號(hào)會(huì)有細(xì)微差別，反映出的信號(hào)幅值也不會(huì)相同，利用上位機(jī)軟件對(duì)MYO 采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用時(shí)域特征中的絕對(duì)平均值（MAV）作為動(dòng)作的起止點(diǎn)判斷標(biāo)準(zhǔn)[6]，其定義如公式（1）。

其中，N 為信號(hào)采樣點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，將腕帶檢測(cè)到的八路肌電信號(hào)的所有采樣點(diǎn)計(jì)算MAV 值，通MAV 變化來(lái)確定一個(gè)動(dòng)作起止點(diǎn)的判斷條件[7]。此處以握拍姿勢(shì)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在肌肉放松的時(shí)候開(kāi)始握拍，然后松開(kāi)并保持放松。計(jì)算MAV 之后，把各通道sEMG 幅值和MAV 數(shù)據(jù)放在同一個(gè)時(shí)間線上對(duì)比。

圖2 握拍sEMG信號(hào)與MAV特征對(duì)比

如圖2 所示，MAV 值在握拍時(shí)刻的幅值很大，放松時(shí)刻的MAV 值非常小，波動(dòng)也很小，因此通過(guò)MAV值可以有效來(lái)分割提取數(shù)據(jù)，區(qū)別出有動(dòng)作狀態(tài)和靜止放松，繼續(xù)進(jìn)行下一步判斷。

由于握拍是靜態(tài)動(dòng)作手勢(shì)，因此需要在肌電信號(hào)穩(wěn)定時(shí)再做記錄。判斷動(dòng)作穩(wěn)定我們利用絕對(duì)值方差來(lái)判斷。其公式（2）如下：

其中n 代表采集到的數(shù)據(jù)量，N 代表通道數(shù)，VARavg代表每個(gè)通道的絕對(duì)值方差的平均值，肌電信號(hào)來(lái)自最近3s 讀取到的值，因此這個(gè)值越小代表動(dòng)作幅度越小，動(dòng)作趨于靜態(tài)。閾值的確定來(lái)自每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)握拍動(dòng)作處于靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)，各次VARavg值中的最大值作為個(gè)人的判斷閾值。當(dāng)最近3s 的VARavg值不大于閾值且不是無(wú)動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，則認(rèn)為動(dòng)作穩(wěn)定，記錄當(dāng)前數(shù)據(jù)。

2.3 特征提取

sEMG 是一種非常復(fù)雜的信號(hào)，信號(hào)本身較為微弱，穩(wěn)定性差，隨機(jī)性高?？傮w上，sEMG 特征可分為三大類，即時(shí)域特征（Time Domain，TD）、頻域特征（Frequency Domain，F(xiàn)D）和時(shí)頻域（Time Frequency Domain，TFD）[8]。

最早應(yīng)用于sMEG 信號(hào)提取的是時(shí)域特征，由于其計(jì)算簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于肌電信號(hào)模式識(shí)別，適合用于對(duì)肌電的實(shí)時(shí)控制。常用的肌電信號(hào)時(shí)域特征有多種，因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)初期為靜態(tài)動(dòng)作研究，因此主要利用方差（Variance），由于原始肌電信號(hào)的均值為0，因此其方差公式（3）如下：

其中，N 為采集數(shù)量。本文以一個(gè)單位時(shí)間段的方差作為比較。

2.4 基于DTW算法的相似度比較

提取到有效數(shù)據(jù)片段以后，可以得到一個(gè)動(dòng)作單位時(shí)間內(nèi)，八路通道的方差值，下一步需要做的時(shí)利用這些數(shù)據(jù)比較兩個(gè)動(dòng)作的相似度，從而可以判斷動(dòng)作的準(zhǔn)確程度。

動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（Dynamic Time Warping，DTW）算法，是一種衡量?jī)蓚€(gè)序列的相似度的方法，應(yīng)用也比較廣，主要是在模板匹配中。令要計(jì)算相似度的兩個(gè)時(shí)間序列為X 和Y，長(zhǎng)度分別為|X|和|Y|，如圖3 所示，在二維直角坐標(biāo)系中，橫軸X 表示測(cè)試樣本，縱軸Y 表示參考樣本，圖中的整數(shù)坐標(biāo)點(diǎn)即表示參考樣本和測(cè)試樣本的交匯點(diǎn)。DTW 算法就是尋找一條通過(guò)坐標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)的最短路徑，由于每個(gè)通道的先后順序不可能發(fā)生變化，因此路徑的選擇一定是從左下角開(kāi)始到右上角結(jié)束。歸整路徑D 必須從D1=（1，1）開(kāi)始，到Dk=（|X|，|Y|）結(jié)尾，以保證X 和Y 中的每個(gè)坐標(biāo)都在D 中出現(xiàn)。

另外，D（i，j）的i 和j 必須是單調(diào)增加的，所謂單調(diào)增加是指：

最后要得到的歸整路徑是距離最短的一個(gè)歸整路徑。把8 個(gè)通道的VAR 值按照通道順序組成一個(gè)序列，由于各通道順序不變，因此兩個(gè)序列的距離判斷可以采用DTW 算法。設(shè)序列X={x1，x2，…，xi}，Y={y1，y2，…，yi}，i=1，2，…，8。計(jì)算以上兩個(gè)序列的距離公式（4）如下：

最后求得的歸整路徑為D（|X|，|Y|）。

圖3 DTW歸整路徑

當(dāng)計(jì)算出來(lái)的DTW 距離D 越小時(shí)，證明兩個(gè)序列的距離越近，所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作相似度越高。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)模板

制作模板是為了在對(duì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別時(shí)提高動(dòng)作的識(shí)別率，消除了一些偏差、位置、不同個(gè)體差異等因素的影響[9]。模板制作的過(guò)程就是將各種差異考慮在內(nèi)，如皮膚的活動(dòng)組織結(jié)構(gòu)等。模板制作的數(shù)據(jù)來(lái)自于訓(xùn)練階段的訓(xùn)練樣本，制作模板首先是對(duì)信號(hào)序列進(jìn)行活動(dòng)段探測(cè)后，對(duì)每個(gè)通道記錄5 次總共15 秒內(nèi)的數(shù)據(jù)，并制作個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)模板。模板由8 個(gè)通道的方差按順序排列組成，首先對(duì)于每個(gè)動(dòng)作，選取訓(xùn)練樣本相似度算法比較，兩兩計(jì)算DTW 距離，得到距離總和最接近的幾個(gè)樣本，然后把這些相近的樣本各通道所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值取平均，得到正確動(dòng)作的最終模板。最終模板用于測(cè)試動(dòng)作的識(shí)別中。

3 網(wǎng)球握拍姿勢(shì)判定的應(yīng)用

凡作為一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)所直接適用的器材應(yīng)該與人體的生理結(jié)構(gòu)與動(dòng)作相符、相協(xié)調(diào)，這樣，便能充分地借助于器材，發(fā)揮出人體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效果和作用。從人體生理結(jié)構(gòu)分析，人的手腕是一個(gè)及其靈活的具有空間三維坐標(biāo)的一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，它可以使手掌在各個(gè)方位和角度上靈活地變化，以適應(yīng)生活、活動(dòng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的需要。而東方式的正手握拍方法是使手掌重合于拍面的握拍方法，（如圖4 左）把球拍底部從下往上看，是一個(gè)八邊形，食指根部關(guān)節(jié)貼合右邊（左手持拍者為左邊）為東方式正手握拍，它正體現(xiàn)了拍面是手掌的擴(kuò)大，使擊球時(shí)有用手掌擊球一般的感覺(jué)。因此，東方式正手握拍依舊是最適合新手入門的握拍方法[10]。

圖4 東方式（左）與西方式（右）

正手握拍

還有種目前職業(yè)選手比較流行的西方式正握拍（如圖4 右），食指根部關(guān)節(jié)在下方（左手持拍者同），擊球時(shí)可以制造更強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，但不易上手。

初學(xué)者在學(xué)習(xí)的時(shí)候并不如專業(yè)運(yùn)動(dòng)員一般熟練切換握拍姿勢(shì)，也不知使用哪塊肌肉發(fā)力，因此往往會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用錯(cuò)誤的動(dòng)作而導(dǎo)致肌肉的損傷[11]。MYO臂環(huán)可檢測(cè)使用者手部的肌肉使用狀態(tài)，對(duì)肌肉信號(hào)進(jìn)行分析來(lái)識(shí)別使用者的動(dòng)作是否正確，并及時(shí)提醒使用者，糾正其動(dòng)作如圖5。

在用戶佩戴臂環(huán)的時(shí)候，實(shí)時(shí)檢測(cè)并輸出肌電信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到最近3s 的數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，上位機(jī)通過(guò)前一節(jié)所介紹的方法，把數(shù)據(jù)分割并提取特征，最后和標(biāo)準(zhǔn)模板距離計(jì)算，低于閾值則為正確動(dòng)作，反之為錯(cuò)誤動(dòng)作。為了提高個(gè)人的識(shí)別準(zhǔn)確率，閾值的范圍大小通過(guò)每個(gè)人制作模板時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出。設(shè)T 為判斷閾值，tm為標(biāo)準(zhǔn)模板與已記錄的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作數(shù)據(jù)之間DTW距離最大的數(shù)值。T 的取值如公式（5）。

系數(shù)b 的取值在1%～10%之間，根據(jù)個(gè)人差異調(diào)整，首次默認(rèn)為5%。

圖5 判定流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為10 個(gè)網(wǎng)球初學(xué)者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，球拍為一塊300g 的2 號(hào)柄標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度網(wǎng)球拍。確認(rèn)正確佩戴MYO 臂環(huán)并通過(guò)官方程序確認(rèn)后，以網(wǎng)球基本的擊球準(zhǔn)備動(dòng)作開(kāi)始（如圖6），使用東方式正手握拍水平持拍，教練輔助做基本準(zhǔn)備動(dòng)作后，記錄5 組，每組3s 的肌電信號(hào)。并制作該動(dòng)作的個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)模板。同樣方法記錄西方式正手握拍數(shù)據(jù)，并制作模板和計(jì)算閾值。每個(gè)人共記錄10 組數(shù)據(jù)，制作兩個(gè)模板。

接下來(lái)自由訓(xùn)練時(shí)間，所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象同時(shí)聽(tīng)教練口令做動(dòng)作，教練隨機(jī)指示東方式正手握拍或者西方式正手握拍擊球準(zhǔn)備動(dòng)作各5 組，共10 組。反向驗(yàn)證算法的可行性及準(zhǔn)確性。

圖6 擊球前準(zhǔn)備動(dòng)作

4.2 實(shí)驗(yàn)算法檢測(cè)結(jié)果

10 個(gè)測(cè)試對(duì)象得到標(biāo)準(zhǔn)模板后，緊接著進(jìn)行聽(tīng)教練口令自由訓(xùn)練，共6 組，每組10 人，程序判斷出三種結(jié)果，分別為東方式正手，西方式正手和錯(cuò)誤動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)綜合判斷成功率為95%，符合預(yù)計(jì)結(jié)果。具體結(jié)果如表1 所示。

表1 握拍測(cè)試結(jié)果

對(duì)東方式動(dòng)作的判斷準(zhǔn)確率為96.7%，高于西方式。主要原因在于在做西方式正手的準(zhǔn)備動(dòng)作時(shí)，有個(gè)別測(cè)試者由于不習(xí)慣握拍，會(huì)主動(dòng)發(fā)力，正確的準(zhǔn)備動(dòng)作應(yīng)該是放松的狀態(tài)，而緊緊的拿著球拍，直接導(dǎo)致肌電信號(hào)幅值增加，因此表面看到的動(dòng)作是正確，而實(shí)際上是錯(cuò)誤的。這個(gè)也是MYO 臂環(huán)所帶來(lái)的一個(gè)好處，可以判斷用戶持拍手的放松程度。

另外，測(cè)試者手尺寸大小也是影響判斷準(zhǔn)確率的主要因素。由于本測(cè)試實(shí)驗(yàn)使用統(tǒng)一尺寸的球拍，個(gè)別測(cè)試者手的大小影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)研究將進(jìn)一步針對(duì)優(yōu)化個(gè)體化差異的研究，以及更多技術(shù)動(dòng)作研究。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)整理和實(shí)地的實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)上位機(jī)結(jié)合MYO 對(duì)使用者肌電信號(hào)實(shí)時(shí)獲取，分析處理后，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中，對(duì)網(wǎng)球握拍動(dòng)作的提醒與糾正。研究結(jié)果認(rèn)為MYO 作為輔助運(yùn)動(dòng)的肌電設(shè)備，有實(shí)際的可行性。后續(xù)工作仍有很大的提升空間，例如簡(jiǎn)化模板制作流程，以及在算法方面的優(yōu)化，可以提升系統(tǒng)檢測(cè)效率，防止由于肌肉疲勞所帶來(lái)的不必要的誤差。

除了這些基本動(dòng)作的糾正，其他涉及到小肌肉群的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程，關(guān)系到肌肉群的組合運(yùn)動(dòng)，還需根據(jù)實(shí)際動(dòng)作的分析，以及對(duì)各種錯(cuò)誤動(dòng)作的分析防止誤判，并且運(yùn)用更復(fù)雜的算法[12]來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的提醒錯(cuò)誤要點(diǎn)。