梁茜雅 ， 張慶國 ， 楊興洋 ， 裴延卓 ， 萬紅強

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

0 引言

當(dāng)人運動時，脊髓神經(jīng)傳輸?shù)氖且环N控制信號，這種信號通過神經(jīng)肌肉接頭傳送給肌肉纖維，肌肉纖維通過兩個過程，分別是去極化和復(fù)極化，在神經(jīng)肌肉接頭處產(chǎn)生動作電位，并且沿著肌肉纖維向兩端傳輸，同時在外圍組織產(chǎn)生電場，通過組織濾波，可以使用兩種電極檢測到動作電位，分別是針電極和表面電極，肌肉動作電位構(gòu)成的曲線就是肌電信號。通過表面電極所獲取的信號就稱為表面肌電信號（surface electromyography, sEMG），表面肌電信號與神經(jīng)肌肉運動有密切聯(lián)系[1]。

表面肌電信號是指通過電子儀器設(shè)備檢測到人體肌肉的靜止或者收縮時的電信號，在生物醫(yī)學(xué)、生物機械等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用價值，通過肌電圖，人們可以做出各種肌病的診斷[2-4]，通過人體表面肌電信號的特征分析可以控制假肢的動作[5]。同時，相關(guān)學(xué)者對類人手臂機械臂進行了運動控制研究[6]，建立肌電信號特征與機械臂控制參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，形成了完整的控制系統(tǒng)[7]。因此，表面肌電信號作為一種可靠的控制信號源被廣泛地應(yīng)用在康復(fù)醫(yī)學(xué)中，包括疾病診斷[8]、康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)測[9]、義肢控制等[10]。本文所設(shè)計的系統(tǒng)采用sEMG傳感器和IMU傳感器對機體產(chǎn)生的信號和肢體運動信息進行相應(yīng)的收集和信號處理，以實現(xiàn)機械手臂的控制。

1 信息采集裝置

表面肌電信號是一種伴隨著肌肉收縮產(chǎn)生的電生理信號，其中蘊含著豐富的運動學(xué)信息。由于這樣的特性，表面肌電信號在智能人機交互領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，然而在其實際測量時，對信號采集設(shè)備的性能要求很高。本文采用差分電極采集人體表面的肌電原始信號，電極兩側(cè)對稱分布，中間電極接地，兩側(cè)的電壓值作差，可以得到相應(yīng)肌肉的電位差。由于表面肌電信號本身幅值很小，且伴隨著許多噪聲，在采集后需要進行相關(guān)的預(yù)處理，以達到濾波和放大的作用。

1.1 sEMG信號采集與預(yù)處理

研究表明，表面肌電信號的頻帶范圍主要集中在500 Hz以下，由此及采樣定理，所需設(shè)備的采樣頻率必須大于等于1 000 Hz，由于設(shè)備通信傳輸負擔(dān)會隨著采樣頻率的增加而加重，因此本文選定的采樣頻率為1 000 Hz。

考慮到一般人皮膚表面的肌電信號本身的幅值很小，有實驗表明其幅值在3 mV以下，故在實際采樣前，必須對其進行放大處理，供后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter, ADC）采樣。此外，為了濾除噪聲，電路中還需要添加相應(yīng)的濾波器。具體的電路圖如圖1所示，共有六級電路。

圖1 sEMG 預(yù)處理模擬電路

1）采集電極輸入端。采用差分電極形式，作為電路的輸入端共有三個接口，分別為接地端和兩個人體皮膚相接觸電極，采集對應(yīng)位置的生物電流電勢差。

2）差分放大器。采用典型的差分放大芯片

AD8236，有較高的信噪比，工作時穩(wěn)定性很高，且在同類產(chǎn)品中功耗較低?？紤]到在這一級放大電路中，應(yīng)把肌電信號作差并適當(dāng)放大，供后續(xù)環(huán)節(jié)。增益系數(shù)和參考電阻有以下關(guān)系：

3）高通濾波。用以排除低頻噪聲，主要是手臂運動尾跡和接觸中的噪聲，采用RC電路的形式，截止頻率為20 Hz，其傳遞函數(shù)為：

4）放大器。由于第一級放大器的增益倍數(shù)僅由一個電阻決定，實際使用時，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和調(diào)試的便捷性，將其放大倍數(shù)設(shè)為定值，另外增加一級放大模塊。其增益函數(shù)為：

5）低通濾波。用以排除高頻信號干擾，也采用RC 電路的形式，截止頻率為340 Hz，其傳遞函數(shù)為：

則信號處理模擬電路傳遞函數(shù)為：6）抬升電壓。由于肌電信號是一種在零位附近來回振蕩的信號，對于只能采集正向電壓的模塊來說，在采集前必須將信號抬升至相應(yīng)的基線，故本文使用了AD8603 作為電壓抬升器，由運放的“虛短”和“虛斷”原理可知：

1.2 IMU信號采集

為了能夠進行機器人遙控操作，需要采集人體手臂的運動信息，因此在采集設(shè)備中加入了 IMU 模塊。本文選擇了性能較高、成本較低的MPU-6050芯片，該芯片融合了三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計。

1.3 通信及主控模塊

主控在采集設(shè)備中發(fā)揮著至關(guān)重要的角色，整個設(shè)備是圍繞主控來設(shè)計的，它需要能夠使用AD采樣sEMG數(shù)據(jù)、MPU-6050模塊進行通信的同時，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和其他一些外設(shè)控制。基于該要求，本文選擇了 Nordic 公司的nRF52832芯片來作為設(shè)備的主控。

2 機械臂操作平臺

為完成機械臂操作平臺的搭建，本文選用了Jibot1-32六軸開源機械臂，自主組裝搭建，如圖2所示。

圖2 機械臂操作平臺

為滿足機械臂操作要求，有以下設(shè)計需求：1）至少六自由度，以完成空間六自由度的運動。2）有一定載荷能力，至少負荷3 kg載荷。3）位置環(huán)、速度環(huán)和力矩環(huán)的響應(yīng)穩(wěn)定。

機械臂控制方案。通過穿戴傳感器裝置將信號采集，并輸入數(shù)據(jù)處理單位，通過數(shù)據(jù)處理單位對波形的對比確定手勢并輸出。將輸出的電頻信號通過輸出裝置傳送到機械臂，工作流程圖如圖3所示。

圖3 機械臂工作流程圖

測試方案如下：1）測試傳感器控制下的機械臂的移動，計算識別率。2）測試抓起、放下動作，計算識別率。3）嘗試簡單地將物體從一個位置拿到另一個位置放下，計算識別率。4）反復(fù)重復(fù)實驗過程，提高識別率。

3 實驗測試

為驗證該系統(tǒng)的有效性，本文專門設(shè)計了肌電信號采集與控制平臺。肌電采集器佩戴在被測試者左小臂的上端，保持電極與手臂皮膚接觸良好；機械臂為前文采用的多軸舵機控制機構(gòu)，可實現(xiàn)三維移動和抓取動作。

令測試者的手臂自然放在平臺上，同時舒展手指，保持整條手臂處于放松狀態(tài)。此時，令系統(tǒng)工作，可見機械臂處于初始化狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 測試人員手臂放松狀態(tài)

當(dāng)被測試者握緊拳頭，此時由于小臂肌肉收縮，相應(yīng)肌電信號產(chǎn)生變化，通過先前的學(xué)習(xí)，輸出相應(yīng)的控制指令至機械臂控制器，通過單片機解析完成相應(yīng)的動作，如圖5所示。從實驗測試效果來看，通過單片機訓(xùn)練的肌電信號可以有效提取對應(yīng)的特征，并建立與機械臂對應(yīng)的動作，并通過機械臂控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的動作。

圖5 測試人員握緊拳頭時手臂狀態(tài)

4 總結(jié)

本文針對基于表面肌電信號的機械臂運動控制進行了研究，提取了表面肌電信號特征并分析，得到了肌電信號與手臂動作的對應(yīng)關(guān)系；同時采用MATLAB仿真建模了Jibot1 機械臂，通過運動學(xué)求解控制各個關(guān)節(jié)角度參數(shù)。構(gòu)建了基于機械臂的實驗系統(tǒng)，最終實現(xiàn)機械臂的運動控制。實驗結(jié)果表明，本文建立的基于表面肌電信號機械臂系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)運動控制，為義肢的研究提供了一定的參考。