張皓銘 鄭州大學(xué)

國家出臺(tái)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》中明確提出“要推動(dòng)殘疾人康復(fù)體育和健身體育廣泛開展”。殘疾人是人類社會(huì)的重要組成部分，也是社會(huì)發(fā)展不能忽視的一個(gè)重要群體。生命在于運(yùn)動(dòng)，這對(duì)殘疾人來說尤其重要，運(yùn)動(dòng)也是身體康復(fù)的重要基礎(chǔ)。中國歷來重視殘疾人體育運(yùn)動(dòng)，在古代有很多名醫(yī)運(yùn)用吐納、五禽戲、八段錦等各種體育活動(dòng)治療殘疾人疾病的例。在當(dāng)今社會(huì)，政府也十分重視殘疾人群體。

發(fā)展殘疾人體育運(yùn)動(dòng)是政府和社會(huì)對(duì)弱勢(shì)群體關(guān)愛的具體體現(xiàn)，也能從人文角度促進(jìn)健康成長(zhǎng)，通過運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)其身體盡快康復(fù)，最大限度地矯正和補(bǔ)償他們的身心缺陷，恢復(fù)、保持和提高他們生活、學(xué)習(xí)和工作的能力，使其成為自食其力的社會(huì)大家庭中平等的一員。經(jīng)常參加體育運(yùn)動(dòng)可以有效地改進(jìn)殘疾人身體各器官、各系統(tǒng)的功能，提高整個(gè)機(jī)體的免疫能力，“用進(jìn)廢退”說明合理的體育鍛煉，不僅可以避免殘疾人身體其他部位肌肉的萎縮和神經(jīng)壞死，而且還能使機(jī)體獲得改善與發(fā)展。

對(duì)于這一“idea”我們成功申請(qǐng)了鄭州大學(xué)的國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，我們根據(jù)上肢肢體殘疾人的殘缺特點(diǎn)，開始了EMG仿生機(jī)械假肢設(shè)計(jì)與研發(fā)。

一、功能概述

該肌電助殘仿生手能夠幫助手掌缺失殘疾人完成一些生活中需要用到雙手的簡(jiǎn)單的動(dòng)作。在手掌缺失患者的小臂上佩戴兩個(gè)傳感器，傳感器采集數(shù)據(jù)對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行結(jié)算估計(jì)，從而控制仿生手運(yùn)動(dòng)。目前國內(nèi)僅僅單自由度的機(jī)械手較為普及，但單自由度很難幫助患者完成一些較為復(fù)雜的動(dòng)作，而多自由度的肌電仿生手則造價(jià)及其高昂，一般家庭很難負(fù)擔(dān)得起。我們則另辟蹊徑，運(yùn)用獨(dú)特的技術(shù)路線（多路獨(dú)立采集處理，自適應(yīng)算法，軟硬件濾波降噪），用極低的成本實(shí)現(xiàn)了四個(gè)自由度的肌電助殘手，且在低成本內(nèi)將性能和可靠性盡可能地提高了。

基于肌電技術(shù)，使機(jī)械手能夠按照使用者的意識(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)肌電技術(shù)常運(yùn)用與截肢患者術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練，該機(jī)械手具有幫助患者術(shù)后康復(fù)的作用。由于使用了多路獨(dú)立采集處理，低價(jià)處理器，電路集成技術(shù)，該產(chǎn)品具有成本低廉，性價(jià)比高，性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用了自適應(yīng)算法，令使用者不需要經(jīng)常找技術(shù)人員進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，帶上肌電傳感器即可使用。作品運(yùn)用多種信號(hào)處理降噪濾波方法（硬件降噪，算法濾除工頻干擾，數(shù)字低通濾波，Willison濾波算法），克服了低成本所帶來的不可避免的干擾問題，實(shí)現(xiàn)了較高準(zhǔn)確度的識(shí)別。

二、EMG仿生手設(shè)計(jì)思路

（一）EMG仿生手的信號(hào)源

本設(shè)計(jì)選擇了肌電信號(hào)作為EMG仿生手的控制信號(hào)源，皮膚表面肌電信號(hào)是伴隨在肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，可以在人體表面檢測(cè)肌肉活動(dòng)。對(duì)康復(fù)醫(yī)學(xué)和體育科學(xué)有巨大的應(yīng)用背景，應(yīng)用肌電技術(shù)能夠快速反映出人體想要表達(dá)的控制意愿。輸出信號(hào)的大小取決于選定肌肉的活動(dòng)量，輸出信號(hào)的波形可顯著指示被觀察位置皮下肌肉的運(yùn)動(dòng)情況，方便做肌電信號(hào)的分析與研究。

（二）EMG仿生手肌電信號(hào)的采集

肌電假肢是由截肢者的大腦神經(jīng)支配殘肢肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生肌電信號(hào)，通過將肌電信號(hào)放大后用來控制微型電機(jī)，帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)假肢動(dòng)作。由于肌電假肢的運(yùn)動(dòng)接受大腦指揮，它除了具有電動(dòng)假肢的長(zhǎng)處外，還具有直感性強(qiáng)、控制靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

人體手臂在肌肉屈伸時(shí)，檢測(cè)電極會(huì)檢測(cè)到手臂表面的肌電信號(hào)的變化，針對(duì)殘疾人身體缺陷的不便以及人體正常肢體手部的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在這里通過兩個(gè)EMG傳感器采集皮膚表面的生物靜電信號(hào)，針對(duì)解決多傳感器相互影響的嚴(yán)重噪聲問題。提出了解決多單片機(jī)系統(tǒng)的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)生物靜電信號(hào)的采集。兩個(gè)傳感器分別置于小臂的拇長(zhǎng)屈肌和尺側(cè)腕屈肌，依次接在兩個(gè)系統(tǒng)上。

（三）EMG仿生手信號(hào)的處理

肌電信號(hào)有效頻譜范圍在20Hz到500Hz之間，而截取20Hz到150Hz之間的信號(hào)就足夠用以運(yùn)動(dòng)解算。由奈奎斯特采樣定理，系統(tǒng)只需要采用大于300Hz的采樣頻率即可還原原始信號(hào)，采樣頻率越高還原度越高。故采用1000Hz 采樣頻率既可兼顧運(yùn)算速度又可兼顧信號(hào)準(zhǔn)確性。故采用巴特沃斯二階高通濾波器截掉低于20Hz的無用信號(hào)，用巴特沃斯二階低通濾波器截掉高于150Hz的信號(hào)，同時(shí)再使用四階巴特沃斯濾除50Hz工頻干擾即可得到極易處理的數(shù)據(jù)集。

低通濾波器采用二階巴特沃斯低通濾波器，由于出于計(jì)算性能的考慮，截止頻率為150Hz，濾波器參數(shù)為：

numerator：{0.3913，0.7827，0.3913}，{0.1311，0.2622，0.1311}

Denominator：{1.0000，0.3695，0.1958}，{1.0000，-0.7478，0.2722}

高通濾波器采用二階巴特沃斯高通濾波器，截止頻率為20Hz，濾波器參數(shù)為：

Numerator：{0.8371，-1.6742，0.8371}，{0.9150，-1.8299，0.9150}

Denominator：{1.0000，-1.6475，0.7009}，{1.0000，-1.8227，0.8372}

陷波濾波器采用四階巴特沃斯陷波濾波器，使用兩個(gè)二階巴特沃斯濾波級(jí)聯(lián)產(chǎn)生，截止頻率50Hz，主要目的是濾除工頻干擾。濾波器參數(shù)為：

Numerator：{0.9522，-1.5407，0.9522，0.8158，-0.8045，0.0855}，{0.5869，-1.1146，0.5869，1.0499，-2.0000，1.0499}

Denominator：{1.0000，-1.5395，0.9056，1.0000-1.1187，0.3129}，{1.0000，-1.8844，0.9893，1.0000，-1.8991，0.9892}

隨后對(duì)信號(hào)運(yùn)用Willison算法進(jìn)行處理：

對(duì)信號(hào)的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，經(jīng)過前面對(duì)信號(hào)的預(yù)處理及濾波，得到的數(shù)據(jù)極易分析，從中提取出特征點(diǎn)。

（四）EMG仿生手自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)以及控制

該EMG仿生手的自適應(yīng)參數(shù)通過代碼執(zhí)行初始化函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)開啟穩(wěn)定后，將給予使用者一個(gè)可視信號(hào)，引導(dǎo)使用者做出相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)信號(hào)持續(xù)采集儲(chǔ)存，并綜合處理計(jì)算出合適的閾值。

得到的閾值具有時(shí)效性，適應(yīng)當(dāng)前使用者的肌肉狀態(tài)，皮膚狀況，以及傳感器位置等，省去的煩瑣高深的人工參數(shù)調(diào)節(jié)步驟，具有極大的便捷性，實(shí)現(xiàn)即穿即用，將整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂诤小?，解決了以往離不開專業(yè)人士進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)的問題。

三、EMG仿生手使用條件與局限

首先，該EMG仿生手的使用者手掌缺失患者，故要求使用者前臂殘肢的肌肉及神經(jīng)健康。由于截肢后患者殘肢肌肉可能存在收縮不穩(wěn)定等問題，故需要進(jìn)行一定的練習(xí)才能夠掌握。

其次是EMG仿生手設(shè)計(jì)外部條件的制約。肌電技術(shù)目前發(fā)展水平有待提高，很多肌電技術(shù)相關(guān)的EMG仿生手停留在研究階段或者理論階段，所以，肌電技術(shù)發(fā)展是該EMG仿生手制約的外部分條件。

最后，傳感器問題。由于設(shè)計(jì)中沒有開發(fā)設(shè)計(jì)傳感器，該EMG仿生手設(shè)計(jì)中使用的傳感器需要購買，所以存在因?yàn)橘徺I傳感器成本控制的局限。