基于CAN总线的肌电检测系统开发与应用

王金平

摘 要： 简要阐述了肌电检测系统的构成与应用，是典型的跨学科研究，采用医工结合的方法，应用在医疗康复机器人系统中，明显地具有实践效果的放大性。

关键词： sEMG；CAN总线；肌电检测；康复机器人

跨学科研究是近来科学方法讨论的热点之一，基于CAN总线的肌电检测系统提出一种全新的方案与研究方法，利用医工结合的方法，发挥交叉学科优势，建立新型系统平台。系统由三大部分组成：肌电检测模块、CAN总线通信模块和上位机软件。

一、肌电检测模块

随着社会的发展，对医疗保健产品的需求变大，同时对产品的要求也會更高，肌电信号是神经肌肉系统在进行随意性和非随意性活动时的生物电变化经电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，肌电近年来的研究在不断加深，广泛用于体育科学研究、康复医学临床和基础研究等领域，肌电信号检测是一个实用系统，不仅是基础研究的需要，而且对于了解人体神经系统信息及康复工程都有着深远的意义。表面肌电信号（surface electromyography，sEMG）是肌电检测的一种，是肌肉收缩时伴随的电信号，相对于针电极EMG，SEMG在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。我们研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，也包括检测技术与装置及利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等。模块有三片Ag/AgCl电极，中间电极为参考地端，两侧两个构成差分输入端。引入的参考地端电极有效降低了噪声干扰，提高了共模抑制能力。信号调理电路主要包括高通滤波、高倍放大、低通滤波几个部分。

二、CAN总线通信模块运用

基于自主优先级仲裁和错误重发机制的CAN总线应用十分广泛，控制器局部网（CAN—Controller Area Network）是一种现场总线，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，可以实现全分布式多机系统，提高数据在网络中传输的可靠性。在各种现场总线中，其结构简单、应用灵活方便，CAN总线在汽车工业、自动控制、航空航天、机械工业、医疗器械等领域中得到了极大的应用和发展。肌电检测系统以CAN总线进行肌电信号的通信，多路肌电信号实时上传，实现了在设计成本、传输速率、传输稳定性、传输安全性、易于组网以及总线协议完善设计方面的优势。实际开发中网络两端都需要加终端电阻120Ω；使用屏蔽双绞线，屏蔽层单点接大地；收发器CAN接口输出的差分电平会随着供电电压的变化而变化，供电电压应在规定范围内。

三、上位机软件

基于CAN总线的肌电检测系统的上位机软件就是智能康复机器人软件系统，肌电检测信号通过CAN总线通信上传给上位机软件系统，优化踝关节智能康复机器人功能。

四、总结

中国人口老龄化问题日益突出、人工成本急剧上升以及整体经济结构面临转型，未来无论短期或是长期，助老和医用的服务型机器人将领先发展，机器人未来的崛起及其巨大的市场规模已经被各大机构认可，目前现有的肌电检测设备专用性强（如心电图机），并且价格昂贵；或者无医疗许可，设备接口也不匹配。本课题研究的肌电检测系统创新的应用于踝关节康复机器人，组成患者健侧运动信息检测部分。利用肌电检测系统采集健侧信号结合康复机器人反馈信息带动患侧进行治疗，提高康复训练的效果，发挥了跨学科应用的优势。