无线多通道表面肌电信号采集系统设计

 
摘要：本文设计了一种无线多通道表面肌电信号(surface electromyography，SEMG)采集系统，该系统包括多通道的无线传感器和信号接收部分。传感器可独立的穿戴于人体表面，以线形差分电极获取表面肌电信号，对其进行放大、滤波、A/D 变换，并用无线的方式按本文设计的通信协议发送给接收部分。接收部分对各传感器的数据进行整合，并通过 USB 接口传输给电脑进行存储、显示和处理。每个传感器体积为35mm×20mm×11mm，重量仅 13g(含电池)，一次充电可工作 9 个小时，无线通信距离达 7.5m，采集到的信号噪声低于-70dB(肌电信号 1mV 代表 0dB)。该设计大大提高了电极安放的便利性，采集设备的便携性与人体的安全性，且避免了工频干扰，能够满足基于表面肌电信号的手势或姿势识别等研究的要求。
 
1 引言
 
表面肌电(surface electromyography，SEMG)信号是肌肉电活动在皮肤表面处时间和空间上的综合[1]。不同的动作中肌群收缩产生的表面肌电信号会表现出不同特征，从而可以识别出人的姿势和动作，进而实现人与计算机交互等目的。近年来，SEMG 不仅被广泛应用于疾病诊断、康复医学、运动体育等领域，而且作为一种新颖的人机交互输入方式备受关注[2]。文献[3]实现了用手臂表面肌电信号控制机械手。文献[4]实现了利用人体三个部位的表面肌电信号驾驶电动车。
 
现有的表面肌电采集系统大多使用有线的方式，电极与采集设备和电脑等控制设备相连，由交流电源供电，例如文献[5-6]就是采用了有线的 SEMG 电极。这种方案易引入电力线的工频干扰[7]，此外有线的电极对人体造成束缚，不便于在运动中使用。为使得 SEMG 采集系统更加便携、易用、电极可穿戴性好，能够安置于全身，满足人体姿势动作识别等应用的需求，
 
本文将传感器设计成独立的模块，体积尽量小，重量尽量轻，使用电池供电，用无线方式传输数据。无线的方案避免了工频干扰，并且将人与交流市电隔离，电气安全性好。同时，本文设计了无线接收电路，针对多通道 SEMG 信号采集的需要，自定义了一套无线通信协议。此外开发了 PC 机上的相关程序，实现了多通道信号的存储、波形显示和处理。实验证明，本采集系统具有实时采集、无线传输和存储多通道 SEMG 的能力，具有微型、便携安全、信号信噪比高等的特点。