基于上肢肢体残疾人群体育服务的EMG仿生手设计与开发研究

张皓铭 郑州大学

国家出台的《“健康中国2030”规划纲要》中明确提出“要推动残疾人康复体育和健身体育广泛开展”。残疾人是人类社会的重要组成部分，也是社会发展不能忽视的一个重要群体。生命在于运动，这对残疾人来说尤其重要，运动也是身体康复的重要基础。中国历来重视残疾人体育运动，在古代有很多名医运用吐纳、五禽戏、八段锦等各种体育活动治疗残疾人疾病的例。在当今社会，政府也十分重视残疾人群体。

发展残疾人体育运动是政府和社会对弱势群体关爱的具体体现，也能从人文角度促进健康成长，通过运动，促进其身体尽快康复，最大限度地矫正和补偿他们的身心缺陷，恢复、保持和提高他们生活、学习和工作的能力，使其成为自食其力的社会大家庭中平等的一员。经常参加体育运动可以有效地改进残疾人身体各器官、各系统的功能，提高整个机体的免疫能力，“用进废退”说明合理的体育锻炼，不仅可以避免残疾人身体其他部位肌肉的萎缩和神经坏死，而且还能使机体获得改善与发展。

对于这一“idea”我们成功申请了郑州大学的国家级大学生创新创业训练计划项目，我们根据上肢肢体残疾人的残缺特点，开始了EMG仿生机械假肢设计与研发。

一、功能概述

该肌电助残仿生手能够帮助手掌缺失残疾人完成一些生活中需要用到双手的简单的动作。在手掌缺失患者的小臂上佩戴两个传感器，传感器采集数据对使用者的运动意图进行结算估计，从而控制仿生手运动。目前国内仅仅单自由度的机械手较为普及，但单自由度很难帮助患者完成一些较为复杂的动作，而多自由度的肌电仿生手则造价及其高昂，一般家庭很难负担得起。我们则另辟蹊径，运用独特的技术路线（多路独立采集处理，自适应算法，软硬件滤波降噪），用极低的成本实现了四个自由度的肌电助残手，且在低成本内将性能和可靠性尽可能地提高了。

基于肌电技术，使机械手能够按照使用者的意识运动，同时肌电技术常运用与截肢患者术后康复训练，该机械手具有帮助患者术后康复的作用。由于使用了多路独立采集处理，低价处理器，电路集成技术，该产品具有成本低廉，性价比高，性能可靠的优点。运用了自适应算法，令使用者不需要经常找技术人员进行参数校准，带上肌电传感器即可使用。作品运用多种信号处理降噪滤波方法（硬件降噪，算法滤除工频干扰，数字低通滤波，Willison滤波算法），克服了低成本所带来的不可避免的干扰问题，实现了较高准确度的识别。

二、EMG仿生手设计思路

（一）EMG仿生手的信号源

本设计选择了肌电信号作为EMG仿生手的控制信号源，皮肤表面肌电信号是伴随在肌肉收缩时产生的电信号，可以在人体表面检测肌肉活动。对康复医学和体育科学有巨大的应用背景，应用肌电技术能够快速反映出人体想要表达的控制意愿。输出信号的大小取决于选定肌肉的活动量，输出信号的波形可显著指示被观察位置皮下肌肉的运动情况，方便做肌电信号的分析与研究。

（二）EMG仿生手肌电信号的采集

肌电假肢是由截肢者的大脑神经支配残肢肌肉运动产生肌电信号，通过将肌电信号放大后用来控制微型电机，带动传动系统，驱动假肢动作。由于肌电假肢的运动接受大脑指挥，它除了具有电动假肢的长处外，还具有直感性强、控制灵活和使用方便等优点。

人体手臂在肌肉屈伸时，检测电极会检测到手臂表面的肌电信号的变化，针对残疾人身体缺陷的不便以及人体正常肢体手部的运动特点，在这里通过两个EMG传感器采集皮肤表面的生物静电信号，针对解决多传感器相互影响的严重噪声问题。提出了解决多单片机系统的方案实现对生物静电信号的采集。两个传感器分别置于小臂的拇长屈肌和尺侧腕屈肌，依次接在两个系统上。

（三）EMG仿生手信号的处理

肌电信号有效频谱范围在20Hz到500Hz之间，而截取20Hz到150Hz之间的信号就足够用以运动解算。由奈奎斯特采样定理，系统只需要采用大于300Hz的采样频率即可还原原始信号，采样频率越高还原度越高。故采用1000Hz 采样频率既可兼顾运算速度又可兼顾信号准确性。故采用巴特沃斯二阶高通滤波器截掉低于20Hz的无用信号，用巴特沃斯二阶低通滤波器截掉高于150Hz的信号，同时再使用四阶巴特沃斯滤除50Hz工频干扰即可得到极易处理的数据集。

低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，由于出于计算性能的考虑，截止频率为150Hz，滤波器参数为：

numerator：{0.3913，0.7827，0.3913}，{0.1311，0.2622，0.1311}

Denominator：{1.0000，0.3695，0.1958}，{1.0000，-0.7478，0.2722}

高通滤波器采用二阶巴特沃斯高通滤波器，截止频率为20Hz，滤波器参数为：

Numerator：{0.8371，-1.6742，0.8371}，{0.9150，-1.8299，0.9150}

Denominator：{1.0000，-1.6475，0.7009}，{1.0000，-1.8227，0.8372}

陷波滤波器采用四阶巴特沃斯陷波滤波器，使用两个二阶巴特沃斯滤波级联产生，截止频率50Hz，主要目的是滤除工频干扰。滤波器参数为：

Numerator：{0.9522，-1.5407，0.9522，0.8158，-0.8045，0.0855}，{0.5869，-1.1146，0.5869，1.0499，-2.0000，1.0499}

Denominator：{1.0000，-1.5395，0.9056，1.0000-1.1187，0.3129}，{1.0000，-1.8844，0.9893，1.0000，-1.8991，0.9892}

随后对信号运用Willison算法进行处理：

对信号的导数进行分析，结果显示，经过前面对信号的预处理及滤波，得到的数据极易分析，从中提取出特征点。

（四）EMG仿生手自适应调节参数以及控制

该EMG仿生手的自适应参数通过代码执行初始化函数实现。

系统开启稳定后，将给予使用者一个可视信号，引导使用者做出相应的动作，对信号持续采集储存，并综合处理计算出合适的阈值。

得到的阈值具有时效性，适应当前使用者的肌肉状态，皮肤状况，以及传感器位置等，省去的烦琐高深的人工参数调节步骤，具有极大的便捷性，实现即穿即用，将整个系统转变为“黑盒”，解决了以往离不开专业人士进行参数调节的问题。

三、EMG仿生手使用条件与局限

首先，该EMG仿生手的使用者手掌缺失患者，故要求使用者前臂残肢的肌肉及神经健康。由于截肢后患者残肢肌肉可能存在收缩不稳定等问题，故需要进行一定的练习才能够掌握。

其次是EMG仿生手设计外部条件的制约。肌电技术目前发展水平有待提高，很多肌电技术相关的EMG仿生手停留在研究阶段或者理论阶段，所以，肌电技术发展是该EMG仿生手制约的外部分条件。

最后，传感器问题。由于设计中没有开发设计传感器，该EMG仿生手设计中使用的传感器需要购买，所以存在因为购买传感器成本控制的局限。