肌電控制假手是利用肌電作為控制信號(hào)的新型動(dòng)力假手，是種生物電 控制的典型“人機(jī)系統(tǒng)”。肌電假手能夠反映人肢體的運(yùn)動(dòng)信息，控制簡(jiǎn)單， 與其它方式控制的假手比起來具有很多的優(yōu)越性，因而受到患者的青睞，擁 有廣闊的市場(chǎng)，而且也成為上肢假肢研究中的個(gè)熱點(diǎn)。
本文所研究的重點(diǎn)是如何準(zhǔn)確地控制具有自適應(yīng)增力機(jī)構(gòu)、采用空間開 式傳動(dòng)的單自由度肌電控制假手。所作的作主要分為兩大分，是對(duì)肌 電信號(hào)行分析，提取特征值。即利用數(shù)字電路和模擬電路等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了具有輸入阻抗大、共模抑制好、增益等特點(diǎn)的肌電信號(hào)前置處理電路，利用“振通”數(shù)據(jù)采集儀對(duì)處理后的信號(hào)行采集，并利用快速傅立葉變換 的相關(guān)知識(shí)編寫了信號(hào)處理程序，對(duì)肌電信號(hào)行了波形分析、幅值譜分析 和率譜分析，提取了信號(hào)特征值，與相關(guān)資料的數(shù)據(jù)相比，基本致：二 是利用肌電信號(hào)的特征值對(duì)肌電假手行控制。利用電路設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)對(duì) 控制電路行了設(shè)計(jì)，并取得了很好的控制效果。
Abstract
Artificial hand with myoelectrical control is anew type dynamic artificial hand and the "mo-man-machine system"that controlled by biological electricity.Artificial hand with myoelectrical control Can reflect sport information of limbs via simply control. Comparedwith other control ways，it has a lot of superiority.By this reason，it is favored by patient and has wide markets，and now it has became a focus in studying of artificial limbs.
What this paper studies is artificial hand witll myoelectrical control of single degree of freedom.and the system’S feature is with driving of open space and self_adapt organization of power increasing .The focal point of this paper is how to control artificial manus accurately.There are two parts of this work that have been finished：one is to analyses the myoelectric signal and pick up eigenvalue.By utilizing the knowledge of digital circuit and simulation circuit,the system designs the pretreatmrnt dealing circuit of the myoelectrical signal, which has the feature of big input impedance、well suppress of public module and high gains.Then the signal is gathered with"zhentong" data gathering after dealing、with.and the software of signal processing is explored before the myoelectric signal is analyzed.After picking up eigenvalue,it is proved that the result is unanimOUS basically with the data of the relevant matefials;The other is to control artificial hand by the eigenvalue of the myoeleetric signal and at last the system gets very good control results. Keywords：myoeIeotric signaI：organization of power inoreasing
FFT tranform
人的肢體是個(gè)復(fù)雜而巧的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，如何再這種結(jié)構(gòu)，是假肢 研究的主要內(nèi)容。隨著康復(fù)學(xué)與康復(fù)程、材料學(xué)、電子學(xué)和控制理論等術(shù)的發(fā)展，假肢研究也發(fā)生了革命性交革。假肢已經(jīng)不再僅僅作為種裝 飾品，人們對(duì)它的舒適性、實(shí)用性、準(zhǔn)確性和靈活性提出了更的要求，假 肢也向著智能型、美觀型，類人型方向發(fā)展。目前，界范圍內(nèi)的各種商品 化假肢已經(jīng)不下千余種。
在假肢控制中，上肢假肢由于復(fù)雜度、控錯(cuò)i難度大而倍受關(guān)注。從目 前情況看，機(jī)械式假肢和肌電假肢都已成熟化和商品化，再假肢和聲控 假肢也已邁出實(shí)驗(yàn)階段，而利用腦電、腦磁等生物信息控制的上肢假肢尚處 于研究中。此外，為了提假肢能，還出現(xiàn)了將開環(huán)控制增加反饋組成閉 環(huán)控制的形式，并取得了定的展。如Mabuchi等構(gòu)的假肢系統(tǒng)，不僅 能夠?qū)⒋碳鬟f給受試者以產(chǎn)生與原始刺激相應(yīng)的軀體感覺，并且在幅值上 也存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。
在控制方式中，能夠按照人的意志來控制假手是種理想的方案。 這時(shí)，控制信號(hào)源的取出可能有三種途徑：(I)直接把人的中樞神經(jīng)系統(tǒng) 中的令取出來;(II)把通過運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的信號(hào)取出來;()把運(yùn)動(dòng)神 經(jīng)系統(tǒng)的脈沖到達(dá)肌肉所產(chǎn)生的肌電位取出來。目前，采用三種方法研究 的肌電控制假手，占著主導(dǎo)地位。如果具體地行分類，當(dāng)前各種上肢假肢 控制所采用的信息源模式主要有以下幾種：
l、以身體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)作為信息源
這種上肢假肢的控制思想主要是利用患者殘存的運(yùn)動(dòng)能，通過傳動(dòng)裝 置觸發(fā)相應(yīng)的開關(guān)行控制。截肢患者的殘端肌肉的收縮/舒張和膨起、健 肢位如胸的擴(kuò)張、肩的提升/下垂及外展/內(nèi)收等都可以用作假肢驅(qū)動(dòng) 的信息源。這類假肢控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)低廉，因而受到了患者的歡迎，在 章緒論 將來段時(shí)間內(nèi)仍將擁有定的市場(chǎng)。
從目前來看，這種上肢假肢的發(fā)展主要有賴于提信息源的檢測(cè)手段、 改假肢的控制策略。如古瀨則夫等采用三位定位測(cè)量設(shè)備檢測(cè)患者的特定 運(yùn)動(dòng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來確定對(duì)應(yīng)的控制令。Aghili等根據(jù)Simpson提出 的通過測(cè)量病人的未受損關(guān)節(jié)的角度來控制假肢的思想，建立肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角 度的閉環(huán)曲線與所行動(dòng)作的關(guān)系映射，用判別函數(shù)來確定肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié) 的角度矢量。Rochel等則利用外科手術(shù)將肌腱與假肢驅(qū)動(dòng)器連接在起， 通過感覺肌腱的運(yùn)動(dòng)來直接驅(qū)動(dòng)假手動(dòng)作。
盡管經(jīng)過幾十年來成千上的假肢患者的使用表明，這種類型的上肢假 肢可靠性，魯棒性好，但它所能實(shí)現(xiàn)的控制務(wù)非常簡(jiǎn)單，加之殘肢對(duì)人 腦令反應(yīng)的遲鈍，使得靈活性不，不適合用作正確度且組合性強(qiáng)的信 息源。如文獻(xiàn)“1所設(shè)計(jì)的假肢只能成預(yù)定的梳頭、拿電話和喝水三個(gè)動(dòng)作， 假肢控制的準(zhǔn)確度也只有85%。
2、以肌電(EMG)作為信息源
肌電假肢的信息源來自殘肢肌肉發(fā)放的動(dòng)作電位。由于它能夠反映人的 肢體運(yùn)動(dòng)信息，因此比機(jī)械牽動(dòng)式假肢更為優(yōu)越，不但受到患者的青睞擁有 廣闊的市場(chǎng)，而且也成為上肢假肢研究中的個(gè)熱點(diǎn)。
肌電信號(hào)為微弱，經(jīng)常淹沒在其他的生物信號(hào)及外噪聲中，因此須采用質(zhì)量的EMG檢鍘系統(tǒng)。目前所采用的檢測(cè)方式主要是依靠表面電 和針式電，將EMG從適當(dāng)?shù)慕刂灰?，再行濾波處理。種無線電 探針原型也已開發(fā)出來，但尚處于試驗(yàn)階段。
盡管肌電假肢在實(shí)際應(yīng)用中獲得了巨大的成，但當(dāng)截肢者的殘肢太 短，或者因癱瘓而導(dǎo)致肌肉萎縮時(shí)，就不能提供足夠的肌電假肢所需要的控 制信息。同時(shí)，肌肉的疲勞、電位置的改變、肌電信號(hào)的訓(xùn)練、體重的波 動(dòng)都會(huì)使肌電信號(hào)的特征值發(fā)生變化，成多自由度肌電假肢的控制準(zhǔn)確度 難以提。此外，由于使用者須學(xué)習(xí)不自然的運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)手的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也由于受對(duì)肌電信號(hào)的解碼能力所限，肌電假肢所能控制的自由度也是很有限的。
由于這些原因，實(shí)際應(yīng)用中的肌電假肢，大都仍然是單自由度，通過上臂肌肉的收/縮來控制。從目前的研究結(jié)果來看，肌電假肢的改主要從以 章緒論 下幾個(gè)方面行：
1：采用新策略來提單通道所能夠控制的自由度數(shù)。
2：采用包括信號(hào)濾波、譜分析和模式識(shí)別術(shù)在內(nèi)的新術(shù)，以便從 EMG信號(hào)中獲取更多的立通道數(shù)。
3：將反饋術(shù)引入到肌電假肢中，以使肌電假肢能成更多的能。但 這還依賴于能夠長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)刺激大量的神經(jīng)纖維的新式電的開發(fā)。
4：發(fā)展具有自適應(yīng)能力的智能型肌電假肢，以彌補(bǔ)使用過程中肌電信號(hào) 變化的缺陷。
5：結(jié)合其他的控制信息源以彌補(bǔ)肌電信息的不足。如殘肢和肩膀的機(jī)械 運(yùn)動(dòng)等。
3、再假肢控制的信號(hào)源
為了突破電子假手利用肌電控制準(zhǔn)確性難以提的障礙，胡天培教授和 陳中偉院士等從根本上改變?cè)械哪Ｊ?，從另選控制信號(hào)源入手，將顯微外 科術(shù)應(yīng)用于康復(fù)程域，在殘肢者的殘臂端上再個(gè)“”，用以作 為能夠準(zhǔn)確傳遞人腦運(yùn)動(dòng)信息的信息源。其方法是：患者經(jīng)身麻醉后，應(yīng) 用顯微外科手術(shù)，將二足趾帶血管蒂移植到右前臂的殘端上，當(dāng)再“手 ”成活后再行康復(fù)能訓(xùn)練，然后用物理學(xué)方法(如溫度、壓力、位移) 將控制信息轉(zhuǎn)化為操作令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子假手的準(zhǔn)確控制。
這種以再“”作為信息源的假肢，開拓了學(xué)與程學(xué)緊密結(jié)合的 新構(gòu)思，在理論上和實(shí)踐上都有重要的導(dǎo)意義。對(duì)患者的使用跟蹤表明， 這種假肢不僅能夠正確傳遞大腦的運(yùn)動(dòng)信息，而且重建了重量感受能力;控 制的確度，所研制的三自由度六運(yùn)動(dòng)的假手的誤動(dòng)作率為0%。
然而，患者安裝這種假肢時(shí)不得不承受著手術(shù)的痛苦，所需的顯微外 科術(shù)也限制了它的推廣應(yīng)用，而且術(shù)后所需的康復(fù)期較長(zhǎng)。另外，單個(gè)再 所能表達(dá)的信息量非常有限，難以迅速及時(shí)地傳遞大腦復(fù)雜的令。當(dāng) 自由度增多時(shí)，編碼的位數(shù)也隨之增多，這不僅給患者的熟練掌握帶來了困 難，而且降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動(dòng)作的準(zhǔn)確度。為了盡量減少患者的痛苦，目前陳中偉院士正在致力于“局帶血管神 經(jīng)肌與/或腱移植構(gòu)成信號(hào)源”的研究，使之能夠代替再“”準(zhǔn)確傳遞 大腦令。
4、以聲音作為信號(hào)源
聲控型假肢在幫助截癱病人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。 利用患者的聲音信息，通過數(shù)字處理術(shù)(DSP)，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制 令，不僅線路簡(jiǎn)單，而且為發(fā)展多自由度假肢開辟了新的途徑。
目前，聲控術(shù)在各個(gè)域都取得了廣泛的應(yīng)用。例如美摩星公司開 發(fā)的聲控機(jī)器人，可按生口令，將內(nèi)窺鏡等細(xì)長(zhǎng)的手術(shù)器械通過小切口置 于病人體內(nèi)，為顯微外科手術(shù)提供穩(wěn)定、清晰的圖像。WalterR等設(shè)計(jì)的 聲控輪椅模型，能夠在低等及中等水平的環(huán)境噪聲下達(dá)到幾乎的控制 準(zhǔn)確率。
聲控術(shù)在假肢上的應(yīng)用也已邁出實(shí)驗(yàn)階段，開始走向市場(chǎng)。如文獻(xiàn)”。 中設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單語言令假肢控制系統(tǒng)，不僅控制效果好，而且當(dāng)令單詞的 數(shù)量增多時(shí)，還可以對(duì)系統(tǒng)行編程以成更多的能。文獻(xiàn)。1所提出的語 言識(shí)別的便攜式DSP系統(tǒng)，能夠提供足夠的控制令來對(duì)電動(dòng)假肢行準(zhǔn)確 的控制。
與肌電控制假肢相比，聲控假肢能行的控制能更多、更方便、度 也更。它的不足之處在于平時(shí)患者與他人的交流也可能導(dǎo)致假肢產(chǎn)生誤動(dòng) 作。另外，如何提聲控假肢的抗環(huán)境噪聲能力。也是該類假肢的個(gè)亟待 解決的問題。
5、以腦電(EEG)作為信號(hào)源
腦電活動(dòng)本質(zhì)上是中樞神經(jīng)系統(tǒng)作中神經(jīng)和突促所產(chǎn)生的電噪聲。早 在1875年，英生理學(xué)家RichardCaton就從兔腦和猴腦中記錄到了微弱 的電流。腦科學(xué)的研究表明，腦電活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)信息問存在某種聯(lián)系。如果能 將EEG或它的某些分量轉(zhuǎn)化為種新的輸出通道，與外界行信息交換與控 制，就可以用來控制假肢。 為此，很多學(xué)者在這方面行了大量的研究。文獻(xiàn)嘲將短潛伏期視覺誘 發(fā)電位(VEP)的幅度變化經(jīng)過實(shí)時(shí)分析，轉(zhuǎn)化為神經(jīng)肌肉控制器的輸入， 實(shí)現(xiàn)膝蓋的伸展控制，準(zhǔn)確率可以達(dá)到95%。Pfurtscheller等設(shè)計(jì)了種 腦計(jì)算機(jī)接口裝置(BCIs)，能夠根據(jù)使用者的想象的運(yùn)動(dòng)來分析識(shí)別手 運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確率約70%，并且可以區(qū)分左手和右手的想象運(yùn)動(dòng)。Roberts等給 出了種基于單通道差分EEG信號(hào)的更快速和更確的實(shí)時(shí)BCIs接口系統(tǒng)，檢測(cè)到的EEG信號(hào)通過個(gè)8階AR模型和貝葉斯邏輯分類器對(duì)所得到的數(shù) 據(jù)行分類，控制鼠標(biāo)的上下運(yùn)動(dòng)，整體性能達(dá)82%。
利用從頭皮記錄的腦電EEG活動(dòng)作為信息源，不需要神經(jīng)肌肉控制，這 樣即使嚴(yán)重的殘疾患者也能夠使用。而且電刺激不會(huì)對(duì)腦電信號(hào)的記錄產(chǎn) 生影響。然而腦電過程是非常復(fù)雜的，目前對(duì)它的研究也只是有限的。在構(gòu) 個(gè)由腦電控制的系統(tǒng)上還有賴于腦科學(xué)研究的巨大突破，尚有很長(zhǎng) 的路要走。
6、以腦磁作為信號(hào)源
肌肉與神經(jīng)體內(nèi)的電流會(huì)產(chǎn)生外磁場(chǎng)，如心磁、腦磁等。關(guān)于生物磁 的次可靠的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是在1963年由Baule和McFee成的，他們用兩 個(gè)并排的線圈(梯度計(jì))次記錄了心磁。幾年后，S.Williamson等人 證實(shí)，使用二階梯度計(jì)可以在背景噪聲較強(qiáng)的環(huán)境(如市區(qū))且無磁屏蔽的 條件下，測(cè)量出腦磁信號(hào)，從而促了生物學(xué)的發(fā)展。
發(fā)展腦磁控制的假肢，應(yīng)該解決的是如何構(gòu)人機(jī)接口，以便在腦 磁信號(hào)和假肢控制令之間建立起合理的映射關(guān)系。然而，由于腦磁的復(fù)雜 性，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)剛剛起步，對(duì)它的研究尚停留在腦外科手術(shù)內(nèi)重要能 區(qū)域的確定、腦能性不足的病理評(píng)估等。將其應(yīng)用于假肢控制也只能處于 探索階段。
上述控制信息源的缺陷迫使康復(fù)作者們?yōu)閷ふ倚碌男畔⒃炊恍概?力。神經(jīng)信號(hào)被認(rèn)為是種理想的模式。它不僅不受人體疲勞程度的影響， 重復(fù)再現(xiàn)性，而且神經(jīng)信息彼此之間互不干擾，具有佳的清晰度。
許多研究還證實(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑性，不僅表現(xiàn)為對(duì)外界各種刺激的 代償與適應(yīng)能力，更重要的是在結(jié)構(gòu)與能上具有損傷后修復(fù)或重建的能 神經(jīng)信息的上述特征為發(fā)展具有更為逼真仿生能的效多自由度上肢假肢奠定了基礎(chǔ)。基于此，Wan等提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把人體上肢神經(jīng)信號(hào) 轉(zhuǎn)化為控制令來控制假肢的思想。許多學(xué)者也在采用神經(jīng)信息控制假肢 術(shù)上作了有益的探討，并取得了下共識(shí)：
1)如果將具有許多微孔的硅片置于切斷的神經(jīng)上，神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)再生， 并與之產(chǎn)生電路連接;
2)電可以在持續(xù)的神經(jīng)細(xì)胞響應(yīng)時(shí)間周期獲得穩(wěn)定的放電記錄;
3)神經(jīng)的放電速率與上臂運(yùn)動(dòng)的空間方向之間有著較強(qiáng)的關(guān)系。
上述成果使得應(yīng)用神經(jīng)信息控制假肢術(shù)成為可能。利用神經(jīng)埋藏電 引導(dǎo)出神經(jīng)信息，經(jīng)模式分類后建立起神經(jīng)信息與肢體運(yùn)動(dòng)的映射關(guān)系，從 而控制假肢運(yùn)動(dòng)，將是種理想的假肢控制模式。我們有理由相信，神經(jīng)假 肢將在今后幾年內(nèi)研制出來應(yīng)用于廣大患者身上。它的成將為人類生活 條件的提帶來新的飛躍。
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