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

0 引言
    安裝假肢是截肢者代償缺失的運(yùn)動(dòng)功能，回歸社會(huì)的有效手段。假肢研究的重點(diǎn)之一是假肢的仿生控制，尤其是如何采用使用者自身的信號(hào)靈活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)由于滯后時(shí)間短和抗干擾能力強(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，因?yàn)镋MG通常非常微弱(僅μV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，不能完全反映人腦對(duì)某一動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)指令，而人體感受到的外電場(chǎng)干擾(如手機(jī)信號(hào)等)又相對(duì)十分強(qiáng)大(達(dá)V級(jí))，這些因素都影響到肌電信息控制假手的準(zhǔn)確性。
    與肌電信號(hào)相比，肌音信號(hào)在肌肉收縮疲勞時(shí)仍有更高的準(zhǔn)確率。由于肌音信號(hào)的傳播特性，傳感器不需要固定在某些特定的位置上，甚至可以不直接接觸皮膚，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便宜很多，信號(hào)只需要簡(jiǎn)單的數(shù)字處理硬件(如：DSP)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)簡(jiǎn)單的實(shí)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)聽(tīng)到一種隆隆的聲音，就像遠(yuǎn)處傳來(lái)的雷聲?？茖W(xué)家開(kāi)始研究肌肉聲音是從1810年開(kāi)始的，英國(guó)物理學(xué)家W．H．Wollaston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20～30 Hz的結(jié)論。對(duì)于肌音信號(hào)的研究是從1980年真正開(kāi)始的，英國(guó)的生物物理學(xué)家Oster發(fā)現(xiàn)肌音信號(hào)強(qiáng)度與肌肉緊張程度成正比。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)進(jìn)行分析，證實(shí)了功率譜方法對(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)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了肌肉進(jìn)行不同動(dòng)作時(shí)肌音信號(hào)存在差異性。Jorge Silva(2005)等通過(guò)利用肌音信號(hào)模擬肌電信號(hào)對(duì)假肢進(jìn)行控制，張合假手正確率分別達(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選擇與測(cè)試，肌音信號(hào)采集電路的設(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)采集的方法，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)的研究奠定了基礎(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。直接從人體中檢測(cè)到的肌音信號(hào)其幅值一般比較小。因此，在處理各種生理信號(hào)之前要配置各種高性能的放大器。
    (2)頻率低。其頻率主要集中在20～30 Hz，一般認(rèn)為集中在O～50 Hz屬于低頻信號(hào)。因此在信號(hào)的獲取、放大、處理時(shí)要充分考慮對(duì)信號(hào)的頻率響應(yīng)特性。
    (3)干擾特別強(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)，一般不能用確定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述。它的規(guī)律主要從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果中呈現(xiàn)出來(lái)，必須借助統(tǒng)計(jì)處理技術(shù)來(lái)檢測(cè)、辨識(shí)隨機(jī)信號(hào)和估計(jì)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)間的變化而改變。因此在信號(hào)處理時(shí)往往進(jìn)行相應(yīng)的理想化和簡(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A／D輸入口的幅度要求，即至少為“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)
3．1 傳感器的選擇
    傳感器是整個(gè)硬件系統(tǒng)中最為核心的器件。感受肌肉聲音信號(hào)最終可以理解為感受肌肉的微震動(dòng)信號(hào)，即將肌肉的震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。傳感器的選擇遵循以下幾點(diǎn)原則：足夠的靈敏度和分辨力。肌肉震動(dòng)為微震動(dòng)信號(hào)，若分辨力不夠，則無(wú)法捕捉到這個(gè)有用信號(hào)；若靈敏度不夠，則得到的信號(hào)會(huì)非常微小，不利于后續(xù)的信號(hào)處理。合適的頻率響應(yīng)特性。一般聲音方面的傳感器能夠響應(yīng)的最小頻率大概在200 Hz左右，而肌音信號(hào)的主要頻段為0～50 Hz，因此一般的傳感器無(wú)法達(dá)到要求；適當(dāng)?shù)膬r(jià)格以及盡量簡(jiǎn)單的外圍電路。
3．2 傳感器選擇與測(cè)試過(guò)程
    (1)心音傳感器的實(shí)驗(yàn)
    對(duì)購(gòu)買(mǎi)的HKY0681K5心音傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)腕帶將傳感器固定在實(shí)驗(yàn)者的手前臂，如圖1所示。讓實(shí)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)字示波器進(jìn)行分析。對(duì)該傳感器的測(cè)試結(jié)果如下：分辨率足夠，而且足夠靈敏，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)有用信號(hào)的影響非常明顯。

    (2)壓力傳感器
    北京頤松公司的MB-4A壓電式傳感器具有靈敏度高、敏感面大、使用方便、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。由于傳感器集成的放大器放大倍數(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：分辨率、靈敏度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，得到的信號(hào)波形也較好，可以采用。
    (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O．5～1 000 Hz，靈敏度為150 mV／g，重量小于20 g，該傳感器本用于睡眠過(guò)程中檢測(cè)腿動(dòng)信號(hào)波形。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)該傳感器的測(cè)試結(jié)果如下：分辨率、靈敏度等指標(biāo)均符合要求，而且得到的信號(hào)波形經(jīng)分析質(zhì)量?jī)?yōu)于MB-4A，因此，最終的采集傳感器定為T(mén)D-3。[!--empirenews.page--]
3．3 放大電路設(shè)計(jì)分析
    由于人體肌音信號(hào)的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強(qiáng)，采集信號(hào)時(shí)電極與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大，這就對(duì)放大電路提出了較高的要求，即要求放大電路應(yīng)滿足：高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度??；合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍。為此，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前置放大。AD620的核心是三運(yùn)放大電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該放大器有較高的共模抑制比(CMRR)，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小，且具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大的理想選擇。AD620只用一個(gè)外部電阻就能設(shè)置放大倍數(shù)為1～1 000，而且它是低價(jià)格、低功耗、高精度的儀表放大器。AD620能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)，故可用于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為各種微弱信號(hào)的前置調(diào)理器。圖3為AD620的腳位圖。

3．4 低通濾波電路
    濾波是指讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)而將其中不需要的成分抑制或者衰減掉的一種過(guò)程。根據(jù)肌音信號(hào)低頻的特性，該系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，3 dB頻率是100 Hz，在200 Hz的衰減大于25 dB。

    (1)低通無(wú)源濾波器
    最簡(jiǎn)單的低通濾波器是由電阻和電容組成的無(wú)源RC濾波器，如圖4所示。頻率越低，容抗就越大，輸出電壓就越大，因此電路具有“低通”特性。電路的傳遞函數(shù)為：
   
式中：為截止頻率。
    幅頻特性為：
   
    RC低通無(wú)源濾波器的主要缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力差。若在輸出端并接一個(gè)負(fù)載電阻，除了使濾波電路的電壓放大倍數(shù)降低外，還會(huì)影響截止頻率的值?；谝陨显?，最終未采用無(wú)源濾波電路，而使用了有源濾波器。
    (2)低通有源濾波器
    二階有源濾波器通過(guò)使用1個(gè)運(yùn)放、1～3個(gè)電阻和1～2個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。有源濾波器可以在兩級(jí)間實(shí)現(xiàn)隔離，主要是利用運(yùn)放高阻抗輸入和低阻抗輸出的特性。
    濾波器方案如下：
    方案一：2階濾波器，電路參數(shù)：R1=R2=22 kΩ，C1=2C2=0.033μF，，，如圖5所示。

    方案二：巴特沃茲濾波器，截止頻率為100 Hz，如圖6所示。圖7為理論幅頻特性曲線。

    濾波器測(cè)試結(jié)果：
    測(cè)試濾波器的方法：用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號(hào)，通過(guò)濾波器，然后觀察不同頻率下濾波器對(duì)信號(hào)幅值的衰減情況，第一種方案的結(jié)果不盡人意，衰減并不明顯。第二種方案衰減較為明顯，如圖8依次為30 Hz(有效信號(hào)部分)，100 Hz(信號(hào)截止頻率)，200 Hz(頻率較高的干擾信號(hào))。30 Hz時(shí)，信號(hào)幅值沒(méi)有衰減；100 Hz時(shí)，信號(hào)幅值衰減明顯；到200 Hz時(shí)，信號(hào)幅值已基本全部衰減?；谝陨系膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，最終濾波電路采用了第二種方案。

[!--empirenews.page--]3．5 A／D轉(zhuǎn)換器
    A／D選擇：PMD-1608FS型號(hào)的采集卡即可滿足要求，它集成度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單。PMD系列是USB接口的多功能數(shù)據(jù)采集控制器，采用單芯片技術(shù)，集成度高，價(jià)格便宜，穩(wěn)定性高，是目前性價(jià)比最高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。
3．6 電源
    應(yīng)用電路中普遍的干擾源為電源，電源線上的噪聲可以通過(guò)有源器件的電源引腳傳到芯片內(nèi)。硬件系統(tǒng)中經(jīng)試驗(yàn)得知，AD620必須工作在雙極性電源的情況下。故需要的電壓為：5 V，為傳感器供電和濾波電路運(yùn)算放大器供電；+9 V，-9 V，分別給AD620芯片和運(yùn)算放大芯片供電。電路中使用的芯片：
    (1)LM2940，穩(wěn)+5 V電壓，TO-220封裝。特點(diǎn)是在整個(gè)溫度范圍內(nèi)失穩(wěn)電壓約為0．5 V，屬于低失穩(wěn)穩(wěn)壓芯片。此外，還具有靜態(tài)電流降低電路，當(dāng)輸入與輸出的電壓差大于3 V時(shí)，可以自動(dòng)降低靜態(tài)電流。
    (2)7809，穩(wěn)+9 V電壓，TO-220封裝。特點(diǎn)是有內(nèi)部過(guò)流、熱過(guò)載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，電路使用安全可靠，最低失穩(wěn)電壓是2 V。
    (3)7909，穩(wěn)-9 V電壓，TO-220封裝。特性與7809芯片一樣。
3．7 實(shí)際電路原理圖
    實(shí)際電路原理圖如圖9所示。

4 電路性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    從圖10中可以明顯地看到，經(jīng)硬件濾波以后，信號(hào)幅值被放大，原始信號(hào)的高頻噪音部分被濾除，信號(hào)特征更為明顯。

5 肌音信號(hào)軟件處理初步介紹
    采集軟件是基于原采集卡軟件的VB程序。因?yàn)樵杉ㄜ浖杉l率和數(shù)據(jù)量都有限制，現(xiàn)用的VB程序在功能上對(duì)原軟件進(jìn)行了補(bǔ)充，滿足了本系統(tǒng)的采集要求，因此予以采用。程序的界面如圖11所示。該程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)以txt格式保存于指定目錄下。最終將用Matlab軟件調(diào)用txt文件中的數(shù)據(jù)，利用Mat-lab軟件強(qiáng)大的分析功能完成信號(hào)數(shù)據(jù)的分析。

6 結(jié)語(yǔ)
    利用肌音信號(hào)作為信號(hào)源，通過(guò)對(duì)傳感器、放大電路、濾波電路、電源模塊、A／D轉(zhuǎn)換等幾個(gè)方面的詳細(xì)介紹，得到了采集理想肌音信號(hào)的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。采集到的信號(hào)平穩(wěn)清晰，噪音基本濾除，通過(guò)對(duì)采集軟件的處理，最終可以利用Matlab軟件進(jìn)行信號(hào)特征的分析，通過(guò)對(duì)信號(hào)時(shí)域若干個(gè)特征的分類識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)手部張緊一握緊等動(dòng)作的辨別，最終可以利用辨別結(jié)果產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)仿生手進(jìn)行控制。