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【摘 要】由于人体的手势动作能够传达出丰富的信息，所以手势识别已经成为了人机交互研究的重点方面。由于人机交互技术的不断发展，使得生物电信号的交互系统带来了更加科学、有效的交互方式。基于此，以表面机电信号为基础，进行人机交互系统的设计。本文主要对表面机电信号的采集进行说明，然后对表面机电信号进行分析，叙述了ZigBee无线传输方案，最后说明了人机交互系统的设计工作，从而保证交互系统具有更好的实时处理及控制功能。
【关键词】表面机电信号;交互系统;设计
表面机电信号（sEMG）是在皮肤表面记载下来的一种神经肌肉系统活动时的生物电信号，可以在一定程度上反映出不同肌肉的动作情况，所以把表面机电信号应用在人体状态研究当中有着重要的价值。随着人们对肌电测试技术的深入研究，使得表面机电信号在运动医学、临床诊断、机器控制等领域得到了广泛的应用。作为一种生物电信号，表面机电信号可以真实的反映出人体的运动意图，因此可以应用于交互系统的输入信号。本文主要基于ZigBee无线传输技术对表面机电信号的交互系统设计进行研究。
1 表面机电信号的采集
1.1 信号采集电路的设计
表面机电信号主要由两个电极进行检测，其输入信号进行相减操作，从而减去相同的共模部分，而对差模部分进行放大操作。肌电信号会在人体组织当中进行传输，但是由于距离的增加而逐渐的变弱，所以可以把电极放在表面机电信号较强的位置，从而避免相互产生肌电干扰等问题。如果使用较小的电极虽然能够增加选择性，但是会产生电极和皮肤之间的接触阻抗。本文中信号采集电路使用STM32L15xRx单片机。在对肌电信号放大电路设计的过程中，需要重点关注以下问题：
首先，高增益。表面机电信号的幅度一般在毫安到微安的数量级之间，作为一种微弱的信号，表面机电信号必须经过放大到1V左右再进行应用，因此一般把放大增益设置为80分贝左右。
其次，较高的共模抑制比。在对表面机电信号采集的过程中，容易受到50Hz的电源或者其他高频噪声的干扰，可以将这些干扰看作为共模信号，也就是在放大器的输入端呈现出相关幅度及相位的信号，所以可以选择高共模抑制比放大电路，从而防止其他信号的干扰。
最后，高输入阻抗。肌肉组织和电极之间的接触阻抗能够在一定的范围当中变化，如果天气较为干燥，那么接触电阻可以达到几万欧姆，对于这种情况而言，虽然使用共模比较好的放大器，但是如果输入阻抗较小也会给共模干扰信号带来严重的误差，所以需要提高放大器的输入阻抗。
1.2 手势动作的设计
手是人体较为灵活的部分，一些复杂的动作一般都是由手进行，手势当中也包含了各种运动信息，也是现阶段人机交互当面的研究重点。通过对人们日常生活中的手势动作进行观察与分析，本文选择四种不一样的手势动作，即：上翻、下翻、握拳以及张手等。假设电极的位置间隔为3厘米，采样频率为20Hz，对4名平均年龄为25周岁的实验者采集表面机电信号，并且根据肌肉纤维的方向形成双极导联对表面机电信号进行记录。
2 表面机电信号的分析
表面机电信号的处理过程如图1所示。对输入的表面機电信号进行带通滤波、加窗积分、二值化处理等一系列过程，最后输出二值化逻辑序列。
表面机电信号频率处理范围大致在50Hz-100Hz之间，因此在这一范围内对输入的信号进行带通滤波，防止噪声的干扰。再根据公式（1）对其进行积分处理。
其中，N为积分的长度，x为步进长度内EMG数据。再把积分结果和设定的阈值进行比较，并且进行二值化处理，输出相应的二值化逻辑序列。
3 ZigBee无线传输方案
ZigBee无线传输使用T1公司的CC2530系列的产品。CC2530系列的产品不仅具有高性能、低功耗的微控制器内核，其I/O口可以进行二次利用，而且自身具备ADC以及高加密标准的处理器，是一种作为ZigBee模块控制的最佳选择。
在设计的过程中，使用CC2530核心板以及功能底板等两个部分，从而方便上位机和下位机的无线传输。由CC2530核心板能够引出全部的I/O口，能够直接应用在功能底板上，可以应用2.4G全向天线。对于功能底板，自身具备转换串口等功能，可以进行供电，并且能够与T1标准仿真工具进行兼容，同时引出全部的I/O口，支持CC2530核心板。
在协议栈中需要配置好表面机电信号采集模块，由终端节点把数据传输到协调器上，然后再经由串口发送到PC的上位机。在发送端需要实现两个任务：登记事件以及设置发送内容;在接收端也要完成两个任务：读取数据以及将数据通过串口传输到PC机。
4 人机交互系统的设计
人机交互主要是人和计算机之间进行交流与互动的过程，从而实现可观察的信息的双向交流。通过表面机电信号对手势进行识别，将其应用在人机交互系统的设计当中，并且使用ZigBee无线传输技术完成信号的传输和人机交互系统的设计，利用交互操作平台能够实现交互控制功能。
人机交互界面主要包括两种模式为自动以及手动。对于自动模式而言，程序会对传输的数据信息进行不间断的读取，同时执行对应的命令，并且能够及时的显示出执行结果。而对于手动模式，首先要选取程度将要访问的数据段，填写好时间段，以便能够显示出对应时间段中的二值信号。然后再执行对应的命令，最后显示出执行的结果。除此之外，该软件还具有储存执行记录等作用。
按照四种手势动作，利用人机交互界面对来自东、西、南、北等四个方向的小车进行控制。其中，手势动作、二值逻辑表示和控制指令的对应关系为：上翻-100-南;下翻-110-北;握拳-111-东;张手-011-西。根据这一关系把手势动作、数据结果以及控制指令进行联系，从而将处理后的结果显示在交互界面当中，可以使得实验者通过不一样的手势动作实现对小车状态的控制。
5 总结
本文通过对基于表面机电信号的交互系统设计，使我们了解到了，现阶段，表面机电信号在人机交互领域得到了广泛的应用。根据肌电信号的特点，能够得到不同肌群位置的肌电信号，并且通过特征值得到与手势动作相关的二值序列，极大的减少的信号分析模块的运算量，提高了识别效率。此外，利用ZigBee无线传输技术建立了无线传输肌电控制系统，利用手势动作能够控制视觉范围内对应设备的操作。本文设计的交互系统能够让实验者感受到自然、直观的交互控制，并且具有更好的实时处理及控制功能。
参考文献：
[1]易润泽，李会军，宋爱国.基于多传感器的机器人遥操作人机交互系统[J].测控技术，2018，37（9）：56-59.
[2]涂有强.基于模糊分类器的手势动作SEMG模式识别研究及交互系统设计[D].安徽：中国科学技术大学，2008.
[3]陶守通.基于模糊神经网络的肌电假手系统设计与识别[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2016.
[4]李保宗.基于SEMG的上肢康复训练系统设计[D].河北：河北大学，2017.
[5]陆国冉.基于sEMG的卒中上肢肌肉疲劳监测系统设计[D].河南：郑州大学，2018.
[6]陶红兵.基于单片机的膝关节助力机器人控制系统设计[D].安徽：中国科学技术大学，2012.
课题项目：
2015年国家级大学生创新创业项目，题目：基于表面机电信号的交互系统设计（编号：201510439095），指导老师：胡睿
（作者单位：山东第一医科大学（山东省医学科学院））
【关键词】表面机电信号;交互系统;设计
表面机电信号（sEMG）是在皮肤表面记载下来的一种神经肌肉系统活动时的生物电信号，可以在一定程度上反映出不同肌肉的动作情况，所以把表面机电信号应用在人体状态研究当中有着重要的价值。随着人们对肌电测试技术的深入研究，使得表面机电信号在运动医学、临床诊断、机器控制等领域得到了广泛的应用。作为一种生物电信号，表面机电信号可以真实的反映出人体的运动意图，因此可以应用于交互系统的输入信号。本文主要基于ZigBee无线传输技术对表面机电信号的交互系统设计进行研究。
1 表面机电信号的采集
1.1 信号采集电路的设计
表面机电信号主要由两个电极进行检测，其输入信号进行相减操作，从而减去相同的共模部分，而对差模部分进行放大操作。肌电信号会在人体组织当中进行传输，但是由于距离的增加而逐渐的变弱，所以可以把电极放在表面机电信号较强的位置，从而避免相互产生肌电干扰等问题。如果使用较小的电极虽然能够增加选择性，但是会产生电极和皮肤之间的接触阻抗。本文中信号采集电路使用STM32L15xRx单片机。在对肌电信号放大电路设计的过程中，需要重点关注以下问题：
首先，高增益。表面机电信号的幅度一般在毫安到微安的数量级之间，作为一种微弱的信号，表面机电信号必须经过放大到1V左右再进行应用，因此一般把放大增益设置为80分贝左右。
其次，较高的共模抑制比。在对表面机电信号采集的过程中，容易受到50Hz的电源或者其他高频噪声的干扰，可以将这些干扰看作为共模信号，也就是在放大器的输入端呈现出相关幅度及相位的信号，所以可以选择高共模抑制比放大电路，从而防止其他信号的干扰。
最后，高输入阻抗。肌肉组织和电极之间的接触阻抗能够在一定的范围当中变化，如果天气较为干燥，那么接触电阻可以达到几万欧姆，对于这种情况而言，虽然使用共模比较好的放大器，但是如果输入阻抗较小也会给共模干扰信号带来严重的误差，所以需要提高放大器的输入阻抗。
1.2 手势动作的设计
手是人体较为灵活的部分，一些复杂的动作一般都是由手进行，手势当中也包含了各种运动信息，也是现阶段人机交互当面的研究重点。通过对人们日常生活中的手势动作进行观察与分析，本文选择四种不一样的手势动作，即：上翻、下翻、握拳以及张手等。假设电极的位置间隔为3厘米，采样频率为20Hz，对4名平均年龄为25周岁的实验者采集表面机电信号，并且根据肌肉纤维的方向形成双极导联对表面机电信号进行记录。
2 表面机电信号的分析
表面机电信号的处理过程如图1所示。对输入的表面機电信号进行带通滤波、加窗积分、二值化处理等一系列过程，最后输出二值化逻辑序列。
表面机电信号频率处理范围大致在50Hz-100Hz之间，因此在这一范围内对输入的信号进行带通滤波，防止噪声的干扰。再根据公式（1）对其进行积分处理。
其中，N为积分的长度，x为步进长度内EMG数据。再把积分结果和设定的阈值进行比较，并且进行二值化处理，输出相应的二值化逻辑序列。
3 ZigBee无线传输方案
ZigBee无线传输使用T1公司的CC2530系列的产品。CC2530系列的产品不仅具有高性能、低功耗的微控制器内核，其I/O口可以进行二次利用，而且自身具备ADC以及高加密标准的处理器，是一种作为ZigBee模块控制的最佳选择。
在设计的过程中，使用CC2530核心板以及功能底板等两个部分，从而方便上位机和下位机的无线传输。由CC2530核心板能够引出全部的I/O口，能够直接应用在功能底板上，可以应用2.4G全向天线。对于功能底板，自身具备转换串口等功能，可以进行供电，并且能够与T1标准仿真工具进行兼容，同时引出全部的I/O口，支持CC2530核心板。
在协议栈中需要配置好表面机电信号采集模块，由终端节点把数据传输到协调器上，然后再经由串口发送到PC的上位机。在发送端需要实现两个任务：登记事件以及设置发送内容;在接收端也要完成两个任务：读取数据以及将数据通过串口传输到PC机。
4 人机交互系统的设计
人机交互主要是人和计算机之间进行交流与互动的过程，从而实现可观察的信息的双向交流。通过表面机电信号对手势进行识别，将其应用在人机交互系统的设计当中，并且使用ZigBee无线传输技术完成信号的传输和人机交互系统的设计，利用交互操作平台能够实现交互控制功能。
人机交互界面主要包括两种模式为自动以及手动。对于自动模式而言，程序会对传输的数据信息进行不间断的读取，同时执行对应的命令，并且能够及时的显示出执行结果。而对于手动模式，首先要选取程度将要访问的数据段，填写好时间段，以便能够显示出对应时间段中的二值信号。然后再执行对应的命令，最后显示出执行的结果。除此之外，该软件还具有储存执行记录等作用。
按照四种手势动作，利用人机交互界面对来自东、西、南、北等四个方向的小车进行控制。其中，手势动作、二值逻辑表示和控制指令的对应关系为：上翻-100-南;下翻-110-北;握拳-111-东;张手-011-西。根据这一关系把手势动作、数据结果以及控制指令进行联系，从而将处理后的结果显示在交互界面当中，可以使得实验者通过不一样的手势动作实现对小车状态的控制。
5 总结
本文通过对基于表面机电信号的交互系统设计，使我们了解到了，现阶段，表面机电信号在人机交互领域得到了广泛的应用。根据肌电信号的特点，能够得到不同肌群位置的肌电信号，并且通过特征值得到与手势动作相关的二值序列，极大的减少的信号分析模块的运算量，提高了识别效率。此外，利用ZigBee无线传输技术建立了无线传输肌电控制系统，利用手势动作能够控制视觉范围内对应设备的操作。本文设计的交互系统能够让实验者感受到自然、直观的交互控制，并且具有更好的实时处理及控制功能。
参考文献：
[1]易润泽，李会军，宋爱国.基于多传感器的机器人遥操作人机交互系统[J].测控技术，2018，37（9）：56-59.
[2]涂有强.基于模糊分类器的手势动作SEMG模式识别研究及交互系统设计[D].安徽：中国科学技术大学，2008.
[3]陶守通.基于模糊神经网络的肌电假手系统设计与识别[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2016.
[4]李保宗.基于SEMG的上肢康复训练系统设计[D].河北：河北大学，2017.
[5]陆国冉.基于sEMG的卒中上肢肌肉疲劳监测系统设计[D].河南：郑州大学，2018.
[6]陶红兵.基于单片机的膝关节助力机器人控制系统设计[D].安徽：中国科学技术大学，2012.
课题项目：
2015年国家级大学生创新创业项目，题目：基于表面机电信号的交互系统设计（编号：201510439095），指导老师：胡睿
（作者单位：山东第一医科大学（山东省医学科学院））