便携式表面肌电采集系统研发

摘要

肌电信号是伴随肌肉纤维收缩而产生的生理电信号。空间上相近的几块肌肉，其肌电信号通过人体组织、皮肤传输到体表，即成为表面肌电信号（sEMG）。表面肌电信号机理与应用是当前生机电一体化领域研究的热点问题，通过sEMG特征提取和模式识别，可以判别人体动作，进而应用于手写识别、假肢控制、游戏娱乐输入等。表面肌电信号具有幅值小、易受干扰的特点，且在研究和应用中，通常需要多通道、高精度、长时间、户外采集 sEMG。sEMG的这些特点和应用需求，决定了其采集方案要满足高精度、高抗干扰性、便携、低功耗、倍数稳定、多通道等要求。
　　本课题针对国内中高端表面肌电采集系统空缺的问题，结合sEMG采集仪的应用需求，开发了一套便携式表面肌电采集系统（Portable surface electromyography acquisition system，简称EMGAS）。性能、应用对比实验表明，其性能指标达到国际主流水准。本文讲述了EMGAS研发过程中的设计思路、实现方法、性能计算、实验验证。
　　EMGAS由表面肌电信号调理线（surface EMG signal conditioning wire，简称EMGCW）、肌电采集仪（EMG acquisition instrument，简称EMGAI）、管理软件（命名为EMGWIN）三部分组成，实现了sEMG的脱机采集、联机采集、实验管理、特征分析功能。
　　EMGCW用于将sEMG转化为便于处理的伏特级别信号。它通过Ag/AgCl参比电极片从体表拾取sEMG，针对sEMG幅值较小的特点，利用多级放大，实现了稳定的放大倍数；调理电路的增益频带上下限设定，综合考虑了sEMG的主要能量频带和噪声分布；对常见的噪声来源，设置了针对性的降噪方式；并且对调理电路进行小尺寸、轻质量、低功耗优化，进行全屏蔽封装。
　　EMGAI用于对EMGCW产生的信号进行模数转换、存储、上传。它采用以ARM9为核心的 S3C2440芯片作为运算核心，主频为500MHz，运算能力强；移植了嵌入式Linux系统，并建立了QT图形库环境，支持多种应用功能，可以方便的更新嵌入式应用程序；支持U盘，USB无线网卡，全触摸屏操作；可以通过USB连接到电脑；带有CAN接口，数字输入输出接口，可以和其他设备进行连接。采用锂电池供电，可以连续工作8小时以上。
　　EMGWIN具有实验管理、sEMG采集、sEMG数据分析三种功能。实验管理功能细分为受试者管理、实验方案管理、实验记录管理，使得sEMG采集实验系统化；实验方案管理功能中，可以图形化的记录电极片的粘贴位置，让实验精确化、规范化。采集数据过程中操作简洁，可以实时观察采集到的波形，便于对实验进行修正；实验数据统一管理、可以导出为多种不同的格式。
　　腕部动作识别实验显示EMGAS满足了其设计指标，具有较好的用户体验度。

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第1章 绪论

1.1研究背景

1.2本课题研究内容与意义

第2章 表面肌电信号前置调理电路设计

2.1概念设计

2.2典型调理电路分析与改进

2.3调理电路结构与实现

2.4调理电路性能参数

2.5本章小结

第3章 表面肌电采集仪开发

3.1概念设计

3.2机械结构

3.3硬件电路

3.4嵌入式软件

3.5本章小结

第4章 管理软件开发

4.1实验管理

4.2数据采集

4.3数据查看与分析

4.4本章小结

第5章 实验

5.1调理电路验证

5.2腕部动作识别实验

5.3本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文