基于肌音信號(hào)的仿生手信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于肌音信號(hào)的仿生手信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝假肢是截肢者代償缺失的運(yùn)動(dòng)功能，回來(lái)社會(huì)的有效手段。假肢討論的重點(diǎn)之一是假肢的仿生控制，尤其是如何采納用法者自身的信號(hào)靈便有效地控制上肢假肢。目前用于假肢控制的仿生控制信號(hào)主要有人體自身的肌電信號(hào)(electromyogram，emg)、腦電信號(hào)(electr-oencephalogram，eeg)和聲音信號(hào)(mechanomyography，mmg)等。其中，表面肌電信號(hào)因?yàn)闇髸r(shí)光短和抗干擾能力強(qiáng)，仍然是假肢的主要仿生控制信號(hào)源。但是肌電信號(hào)仍然存在著一些不足之處，由于emg通常十分微弱(僅v級(jí))，表面電極檢測(cè)出的肌電信息是一組肌群的募集信息，不能徹

2、低反映人腦對(duì)某一動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)命令，而人體感觸到的外電場(chǎng)干擾(如手機(jī)信號(hào)等)又相對(duì)非常強(qiáng)大(達(dá)v級(jí))，這些因素都影響到肌電信息控制假手的精確性。與肌電信號(hào)相比，肌音信號(hào)在肌肉收縮疲勞時(shí)仍有更高的精確率。因?yàn)榧∫粜盘?hào)的傳揚(yáng)特性，不需要固定在某些特定的位置上，甚至可以不挺直接觸皮膚，而且肌音信號(hào)還可以在運(yùn)動(dòng)肌肉的末梢采集到，盡管信號(hào)的幅度已經(jīng)衰減了。肌音信號(hào)受體表阻抗的影響小，受外電場(chǎng)的干擾小。最后，采集肌肉聲音信號(hào)的傳感器比肌電傳感器廉價(jià)無(wú)數(shù)，信號(hào)只需要容易的數(shù)字處理硬件(如：)就可以處理。肌肉收縮時(shí)發(fā)出的聲音可以通過(guò)一個(gè)容易的試驗(yàn)驗(yàn)證，把拇指輕輕地按住一個(gè)耳孔，然后，一邊提起肘部一邊握起拳頭，你會(huì)

3、聽(tīng)到一種隆隆的聲音，就像遠(yuǎn)處傳來(lái)的雷聲。科學(xué)家開(kāi)頭討論肌肉聲音是從1810年開(kāi)頭的，英國(guó)物理學(xué)家whwollaston把肌肉發(fā)出的聲音和車(chē)輪在卵石街道上發(fā)出的隆隆聲響作比較，得到其頻率約為2030 hz的結(jié)論。對(duì)于肌音信號(hào)的討論是從1980年真正開(kāi)頭的，英國(guó)的生物物理學(xué)家oster發(fā)覺(jué)肌音信號(hào)強(qiáng)度與肌肉緊急程度成正比。barry(1986)提出肌音信號(hào)可以用于假肢控制，并作出了嘗試。bertrand diemont等通過(guò)利用fft和mese對(duì)肌音信號(hào)舉行分析，證明了功率譜辦法對(duì)分析肌音信號(hào)的有效性。travis w利用小波分析對(duì)非穩(wěn)定肌音信號(hào)舉行分析，驗(yàn)證了肌肉舉行不同動(dòng)作時(shí)肌音信號(hào)存在差異性

4、。jorge silva(2005)等通過(guò)利用肌音信號(hào)模擬肌電信號(hào)對(duì)假肢舉行控制，張合假手正確率分離達(dá)到了88和71，基本達(dá)到了控制假肢的目的。本文主要從傳感器的挑選與測(cè)試，肌音信號(hào)采集的設(shè)計(jì)以及信號(hào)的初步處理來(lái)介紹實(shí)現(xiàn)肌音信號(hào)采集的辦法，從而驗(yàn)證通過(guò)肌音信號(hào)控制仿生手的可行性，并且為進(jìn)一步仿生手控制系統(tǒng)的討論奠定了基礎(chǔ)。1 人體肌音信號(hào)的特點(diǎn)人體肌音信號(hào)屬于生物信號(hào)，主要特點(diǎn)有：(1)信號(hào)弱。挺直從人體中檢測(cè)到的肌音信號(hào)其幅值普通比較小。因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的。(2)頻率低。其頻率主要集中在2030 hz，普通認(rèn)為集中在o50 hz屬于低頻信號(hào)。因此在信號(hào)的獵取、放大

5、、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。(3)干擾特殊強(qiáng)。干擾既來(lái)自生物體內(nèi)，如呼吸干擾等；也來(lái)自生物體外，如工頻干擾、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)串?dāng)_等。(4)隨機(jī)性強(qiáng)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，普通不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述。它的邏輯主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中展現(xiàn)出來(lái)，必需借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來(lái)檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和估量它的特征；它往往是非平穩(wěn)的，即信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征(如均值、方差等)隨時(shí)光的變幻而轉(zhuǎn)變。因此在信號(hào)處理時(shí)往往舉行相應(yīng)的抱負(fù)化和簡(jiǎn)化。2 采集電路的設(shè)計(jì)要求針對(duì)肌音信號(hào)的上述特點(diǎn)，對(duì)信號(hào)采集電路的分析如下：(1)找到能夠較好地采集肌音信號(hào)的傳感器，考慮從心音傳感器、腿動(dòng)信號(hào)傳感器等醫(yī)學(xué)聲

6、音傳感器入手。(2)信號(hào)放大是必備環(huán)節(jié)，而且應(yīng)將信號(hào)提升至ad輸入口的幅度要求，即起碼為“v”的量級(jí)。(3)考慮通過(guò)濾波電路來(lái)過(guò)濾噪音信號(hào)。(4)信號(hào)頻率不高，通頻帶通常是滿足要求的，但應(yīng)考慮輸入阻抗、線性、低噪聲等因素。3 信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31 傳感器的挑選傳感器是囫圇硬件系統(tǒng)中最為核心的器件。感觸肌肉聲音信號(hào)終于可以理解為感觸肌肉的微震驚信號(hào)，即將肌肉的震驚信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。傳感器的挑選遵循以下幾點(diǎn)原則：足夠的敏捷度和辨別力。肌肉震驚為微震驚信號(hào)，若辨別力不夠，則無(wú)法捕獲到這個(gè)實(shí)用信號(hào)；若敏捷度不夠，則得到的信號(hào)會(huì)十分極小，不利于后續(xù)的信號(hào)處理。合適的頻率響應(yīng)特性。普通聲音方面的

7、傳感器能夠響應(yīng)的最小頻率也許在200 hz左右，而肌音信號(hào)的主要頻段為050 hz，因此普通的傳感器無(wú)法達(dá)到要求；適當(dāng)?shù)膬r(jià)格以及盡量容易的外圍電路。32 傳感器挑選與測(cè)試過(guò)程(1)心音傳感器的試驗(yàn)對(duì)購(gòu)買(mǎi)的hky0681k5心音傳感器舉行試驗(yàn)，通過(guò)腕帶將傳感器固定在試驗(yàn)者的手前臂，1所示。讓試驗(yàn)者手部不停地做抓和握兩個(gè)動(dòng)作，將采集到的肌音信號(hào)導(dǎo)入數(shù)字舉行分析。對(duì)該傳感器的測(cè)試結(jié)果如下：辨別率足夠，而且足夠敏捷，輸出信號(hào)幅值相對(duì)較高，但是頻率響應(yīng)范圍太寬，而且傳感器雙面都敏感，噪音很大，對(duì)實(shí)用信號(hào)的影響十分顯然。(2)北京頤松公司的mb-4a壓電式傳感器具有敏捷度高、敏感面大、用法便利、抗過(guò)載能力強(qiáng)、抗干擾性好等特點(diǎn)。該傳感器已經(jīng)集成了放大器和輸出阻抗變換器，因此簡(jiǎn)化了外圍電路。因?yàn)閭鞲衅骷傻姆糯笃鞣糯蟊稊?shù)并不符合采集模塊的采集要求，因此在傳感器外圍還得做一級(jí)放大。對(duì)該傳感器的測(cè)試結(jié)果如下：辨別率、敏捷度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，得到的信號(hào)波形也較好，可以采納。(3)加速度傳感器北京頤松公司的td-3型壓電式腿動(dòng)信號(hào)微加速度信號(hào)傳感器。td-3型傳感器為壓電式傳感器，響應(yīng)頻率范圍為o51 000 hz，敏捷度為150