基于表面機(jī)電信號(hào)的交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙新宇 胡睿

【摘?要】由于人體的手勢(shì)動(dòng)作能夠傳達(dá)出豐富的信息，所以手勢(shì)識(shí)別已經(jīng)成為了人機(jī)交互研究的重點(diǎn)方面。由于人機(jī)交互技術(shù)的不斷發(fā)展，使得生物電信號(hào)的交互系統(tǒng)帶來(lái)了更加科學(xué)、有效的交互方式?；诖?，以表面機(jī)電信號(hào)為基礎(chǔ)，進(jìn)行人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)表面機(jī)電信號(hào)的采集進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)表面機(jī)電信號(hào)進(jìn)行分析，敘述了ZigBee無(wú)線傳輸方案，最后說(shuō)明了人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，從而保證交互系統(tǒng)具有更好的實(shí)時(shí)處理及控制功能。

【關(guān)鍵詞】表面機(jī)電信號(hào);交互系統(tǒng);設(shè)計(jì)

表面機(jī)電信號(hào)（sEMG）是在皮膚表面記載下來(lái)的一種神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，可以在一定程度上反映出不同肌肉的動(dòng)作情況，所以把表面機(jī)電信號(hào)應(yīng)用在人體狀態(tài)研究當(dāng)中有著重要的價(jià)值。隨著人們對(duì)肌電測(cè)試技術(shù)的深入研究，使得表面機(jī)電信號(hào)在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、臨床診斷、機(jī)器控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種生物電信號(hào)，表面機(jī)電信號(hào)可以真實(shí)的反映出人體的運(yùn)動(dòng)意圖，因此可以應(yīng)用于交互系統(tǒng)的輸入信號(hào)。本文主要基于ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)表面機(jī)電信號(hào)的交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 表面機(jī)電信號(hào)的采集

1.1 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

表面機(jī)電信號(hào)主要由兩個(gè)電極進(jìn)行檢測(cè)，其輸入信號(hào)進(jìn)行相減操作，從而減去相同的共模部分，而對(duì)差模部分進(jìn)行放大操作。肌電信號(hào)會(huì)在人體組織當(dāng)中進(jìn)行傳輸，但是由于距離的增加而逐漸的變?nèi)?，所以可以把電極放在表面機(jī)電信號(hào)較強(qiáng)的位置，從而避免相互產(chǎn)生肌電干擾等問(wèn)題。如果使用較小的電極雖然能夠增加選擇性，但是會(huì)產(chǎn)生電極和皮膚之間的接觸阻抗。本文中信號(hào)采集電路使用STM32L15xRx單片機(jī)。在對(duì)肌電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：

首先，高增益。表面機(jī)電信號(hào)的幅度一般在毫安到微安的數(shù)量級(jí)之間，作為一種微弱的信號(hào)，表面機(jī)電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大到1V左右再進(jìn)行應(yīng)用，因此一般把放大增益設(shè)置為80分貝左右。

其次，較高的共模抑制比。在對(duì)表面機(jī)電信號(hào)采集的過(guò)程中，容易受到50Hz的電源或者其他高頻噪聲的干擾，可以將這些干擾看作為共模信號(hào)，也就是在放大器的輸入端呈現(xiàn)出相關(guān)幅度及相位的信號(hào)，所以可以選擇高共模抑制比放大電路，從而防止其他信號(hào)的干擾。

最后，高輸入阻抗。肌肉組織和電極之間的接觸阻抗能夠在一定的范圍當(dāng)中變化，如果天氣較為干燥，那么接觸電阻可以達(dá)到幾萬(wàn)歐姆，對(duì)于這種情況而言，雖然使用共模比較好的放大器，但是如果輸入阻抗較小也會(huì)給共模干擾信號(hào)帶來(lái)嚴(yán)重的誤差，所以需要提高放大器的輸入阻抗。

1.2 手勢(shì)動(dòng)作的設(shè)計(jì)

手是人體較為靈活的部分，一些復(fù)雜的動(dòng)作一般都是由手進(jìn)行，手勢(shì)當(dāng)中也包含了各種運(yùn)動(dòng)信息，也是現(xiàn)階段人機(jī)交互當(dāng)面的研究重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪械氖謩?shì)動(dòng)作進(jìn)行觀察與分析，本文選擇四種不一樣的手勢(shì)動(dòng)作，即：上翻、下翻、握拳以及張手等。假設(shè)電極的位置間隔為3厘米，采樣頻率為20Hz，對(duì)4名平均年齡為25周歲的實(shí)驗(yàn)者采集表面機(jī)電信號(hào)，并且根據(jù)肌肉纖維的方向形成雙極導(dǎo)聯(lián)對(duì)表面機(jī)電信號(hào)進(jìn)行記錄。

2 表面機(jī)電信號(hào)的分析

表面機(jī)電信號(hào)的處理過(guò)程如圖1所示。對(duì)輸入的表面機(jī)電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、加窗積分、二值化處理等一系列過(guò)程，最后輸出二值化邏輯序列。

表面機(jī)電信號(hào)頻率處理范圍大致在50Hz-100Hz之間，因此在這一范圍內(nèi)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，防止噪聲的干擾。再根據(jù)公式（1）對(duì)其進(jìn)行積分處理。

其中，N為積分的長(zhǎng)度，x為步進(jìn)長(zhǎng)度內(nèi)EMG數(shù)據(jù)。再把積分結(jié)果和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，并且進(jìn)行二值化處理，輸出相應(yīng)的二值化邏輯序列。

3 ZigBee無(wú)線傳輸方案

ZigBee無(wú)線傳輸使用T1公司的CC2530系列的產(chǎn)品。CC2530系列的產(chǎn)品不僅具有高性能、低功耗的微控制器內(nèi)核，其I/O口可以進(jìn)行二次利用，而且自身具備ADC以及高加密標(biāo)準(zhǔn)的處理器，是一種作為ZigBee模塊控制的最佳選擇。

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，使用CC2530核心板以及功能底板等兩個(gè)部分，從而方便上位機(jī)和下位機(jī)的無(wú)線傳輸。由CC2530核心板能夠引出全部的I/O口，能夠直接應(yīng)用在功能底板上，可以應(yīng)用2.4G全向天線。對(duì)于功能底板，自身具備轉(zhuǎn)換串口等功能，可以進(jìn)行供電，并且能夠與T1標(biāo)準(zhǔn)仿真工具進(jìn)行兼容，同時(shí)引出全部的I/O口，支持CC2530核心板。

在協(xié)議棧中需要配置好表面機(jī)電信號(hào)采集模塊，由終端節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器上，然后再經(jīng)由串口發(fā)送到PC的上位機(jī)。在發(fā)送端需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)任務(wù)：登記事件以及設(shè)置發(fā)送內(nèi)容;在接收端也要完成兩個(gè)任務(wù)：讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絇C機(jī)。

4 人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互主要是人和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交流與互動(dòng)的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)可觀察的信息的雙向交流。通過(guò)表面機(jī)電信號(hào)對(duì)手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，將其應(yīng)用在人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，并且使用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)完成信號(hào)的傳輸和人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用交互操作平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)交互控制功能。

人機(jī)交互界面主要包括兩種模式為自動(dòng)以及手動(dòng)。對(duì)于自動(dòng)模式而言，程序會(huì)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行不間斷的讀取，同時(shí)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令，并且能夠及時(shí)的顯示出執(zhí)行結(jié)果。而對(duì)于手動(dòng)模式，首先要選取程度將要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)段，填寫(xiě)好時(shí)間段，以便能夠顯示出對(duì)應(yīng)時(shí)間段中的二值信號(hào)。然后再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令，最后顯示出執(zhí)行的結(jié)果。除此之外，該軟件還具有儲(chǔ)存執(zhí)行記錄等作用。

按照四種手勢(shì)動(dòng)作，利用人機(jī)交互界面對(duì)來(lái)自東、西、南、北等四個(gè)方向的小車(chē)進(jìn)行控制。其中，手勢(shì)動(dòng)作、二值邏輯表示和控制指令的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：上翻-100-南;下翻-110-北;握拳-111-東;張手-011-西。根據(jù)這一關(guān)系把手勢(shì)動(dòng)作、數(shù)據(jù)結(jié)果以及控制指令進(jìn)行聯(lián)系，從而將處理后的結(jié)果顯示在交互界面當(dāng)中，可以使得實(shí)驗(yàn)者通過(guò)不一樣的手勢(shì)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)狀態(tài)的控制。

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)基于表面機(jī)電信號(hào)的交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使我們了解到了，現(xiàn)階段，表面機(jī)電信號(hào)在人機(jī)交互領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)肌電信號(hào)的特點(diǎn)，能夠得到不同肌群位置的肌電信號(hào)，并且通過(guò)特征值得到與手勢(shì)動(dòng)作相關(guān)的二值序列，極大的減少的信號(hào)分析模塊的運(yùn)算量，提高了識(shí)別效率。此外，利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)建立了無(wú)線傳輸肌電控制系統(tǒng)，利用手勢(shì)動(dòng)作能夠控制視覺(jué)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)備的操作。本文設(shè)計(jì)的交互系統(tǒng)能夠讓實(shí)驗(yàn)者感受到自然、直觀的交互控制，并且具有更好的實(shí)時(shí)處理及控制功能。

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課題項(xiàng)目：

2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，題目：基于表面機(jī)電信號(hào)的交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)（編號(hào)：201510439095），指導(dǎo)老師：胡睿

（作者單位：山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院））