無(wú)線多通道表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線多通道表面肌電信號(hào)(surface?electromyography，SEMG)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多通道的無(wú)線傳感器和信號(hào)接收部分。傳感器可獨(dú)立的穿戴于人體表面，以線形差分電極獲取表面肌電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、A/D 變換，并用無(wú)線的方式按本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議發(fā)送給接收部分。接收部分對(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并通過(guò) USB 接口傳輸給電腦進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和處理。每個(gè)傳感器體積為35mm×20mm×11mm，重量?jī)H 13g(含電池)，一次充電可工作 9 個(gè)小時(shí)，無(wú)線通信距離達(dá) 7.5m，采集到的信號(hào)噪聲低于-70dB(肌電信號(hào) 1mV 代表 0dB)。該設(shè)計(jì)大大提高了電極安放的便利性，采集設(shè)備的便攜性與人體的安全性，且避免了工頻干擾，能夠滿足基于表面肌電信號(hào)的手勢(shì)或姿勢(shì)識(shí)別等研究的要求。
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1 引言
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表面肌電(surface electromyography，SEMG)信號(hào)是肌肉電活動(dòng)在皮膚表面處時(shí)間和空間上的綜合[1]。不同的動(dòng)作中肌群收縮產(chǎn)生的表面肌電信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出不同特征，從而可以識(shí)別出人的姿勢(shì)和動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)交互等目的。近年來(lái)，SEMG 不僅被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)體育等領(lǐng)域，而且作為一種新穎的人機(jī)交互輸入方式備受關(guān)注[2]。文獻(xiàn)[3]實(shí)現(xiàn)了用手臂表面肌電信號(hào)控制機(jī)械手。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了利用人體三個(gè)部位的表面肌電信號(hào)駕駛電動(dòng)車(chē)。
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現(xiàn)有的表面肌電采集系統(tǒng)大多使用有線的方式，電極與采集設(shè)備和電腦等控制設(shè)備相連，由交流電源供電，例如文獻(xiàn)[5-6]就是采用了有線的 SEMG 電極。這種方案易引入電力線的工頻干擾[7]，此外有線的電極對(duì)人體造成束縛，不便于在運(yùn)動(dòng)中使用。為使得 SEMG 采集系統(tǒng)更加便攜、易用、電極可穿戴性好，能夠安置于全身，滿足人體姿勢(shì)動(dòng)作識(shí)別等應(yīng)用的需求，
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本文將傳感器設(shè)計(jì)成獨(dú)立的模塊，體積盡量小，重量盡量輕，使用電池供電，用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)。無(wú)線的方案避免了工頻干擾，并且將人與交流市電隔離，電氣安全性好。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了無(wú)線接收電路，針對(duì)多通道 SEMG 信號(hào)采集的需要，自定義了一套無(wú)線通信協(xié)議。此外開(kāi)發(fā)了 PC 機(jī)上的相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了多通道信號(hào)的存儲(chǔ)、波形顯示和處理。實(shí)驗(yàn)證明，本采集系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸和存儲(chǔ)多通道 SEMG 的能力，具有微型、便攜安全、信號(hào)信噪比高等的特點(diǎn)。