sEMG信号实时检测及假肢手指控制的初步研究

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由于意外伤害和疾病导致的上肢截肢患者日益增多,并且严重地影响着患者的正常生活,因此研究出一种可代替人手运动功能的假肢手是亟待解决的问题。随着生理信号研究的发展以及相应检测技术的进步,表面肌电信号(sEMG)由于无创性以及信号处理方法灵活,已广泛应用于临床医学、计算机控制、人工智能等方面,尤其是在假肢控制方面的应用,国内外学者已经进行了大量的研究,并取得了阶段性的成果,成为假肢控制的理想信号源。肌电假肢能辅助截肢患者日常生活、工作,并可减少患者的心理压力,具有直观、自然的特点,在临床康复中具有重要的意义。sEMG信号用于假肢控制的前提是有效地拾取并分析人体表面的肌电信号,本文首先介绍了基于LabVIEW的多通道sEMG信号实时检测系统,该系统包括前置调理电路和软件编程两部分。其中前置调理电路由前级放大、带通滤波、50Hz陷波以及主放大部分组成,软件编程部分主要是完成对信号的采集以及分析、处理,它采用图形化的编程语言LabVIEW设计,包括信号的实时采集显示和时域、频域的特征分析显示。结合前臂表面肌电电极阵列以及手部运动机能实验系统,实验利用该系统采集并分析了受试者在力量增大时前臂肌肉的sEMG信号及其均方根、功率谱峰值。结果表明,课题设计的多通道sEMG信号实时检测分析系统能实现4通道sEMG信号的实时采集显示及其时频域特征分析,并且其均方根和功率谱峰值会随着力量水平的增加而增大,说明了sEMG信号可用于假肢手指输出力量的控制。为了进一步研究sEMG信号在假肢控制中的应用,本课题设计了一个三指假肢手,并且选用步进电机作为驱动方式,通过数字信号处理器DSP TMS320F2812完成对不同力量水平下sEMG信号的实时检测分析,并转换为相应的控制信号输出,驱动步进电机,从而控制假肢手输出力量。课题首先设计了基于DSP的sEMG信号实时检测分析系统,由sEMG信号前端采集电路以及DSP软件采集、分析部分组成,通过检测分析受试者手指在不同力量水平下的sEMG信号,获得sEMG信号与手指力量间的关系,然后利用数字信号处理器DSPTMS320F2812将手指在不同力量水平下拾取的sEMG信号,转换为相应的脉冲信号PWM,输出驱动步进电机,控制假肢手指输出力量的大小。此外,本课题还通过采集手指在不同运动姿态下的sEMG信号,控制假肢手屈伸运动。实验结果表明,手指在不同运动状态下收缩产生的sEMG信号能实现对假肢手指运动的控制。本课题主要是对sEMG信号实时检测分析系统以及假肢控制进行了初步研究,设计的多通道sEMG信号实时检测分析系统能实现对sEMG信号的实时检测以及时域、频域的分析处理,并且拾取的sEMG信号可用于假肢控制的研究,从而为后续进一步研究基于模式识别的多通道sEMG信号在假肢手指运动姿态控制中的应用奠定了基础。
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