作者/ 李锋 陈波 东华大学核算机科学与技能学院(上海 201620)
*基金项目：上海市天然基金(编号：16ZR1401100)
李锋(1969-)，男, 博士, 教授, 研讨方向：嵌入式、躯干网络和深度学习;陈波，男，硕士生，研讨方向：肌电信号搜集与形式识别。
摘要：外表肌电信号是皮下肌肉活动在皮肤外表处表现出的弱小的电压信号，它反映了人体运动时肌肉动作的时刻和空间信息。关于不同的运动动作，人体各个肌肉群发生的肌电信号的强度也各有差异。本文规划了一种依据肌电信号感应的可穿戴运动剖析体系。经过提取搜集到的多路肌电信号的时域、频域特征值，用加权归一化的办法给信号强度评级，然后确认人体运动时指定肌肉群的运动强度。能够运用这套体系规划意图性较强的运动动作。
导言
肌电信号是皮下肌肉活动在皮肤外表处表现出弱小电压信号，它反映了人体运动时肌肉动作的时刻和强度信息[1]。跟着肌电信号形式识别方面研讨的日益深化和肌电检测技能的不断进步，外表肌电信号现已被广泛运用于肌肉运动、恢复医学、肌肉损害确诊、体育等方面的研讨。
国内外许多研讨都标明，经过对肌电信号进行剖析，能够发掘出人体肌肉在做不同动作时的运动强度等信息[2~4]。
肌电信号反响了相应肌肉群的运动强度。经过核算肌电信号的强度，能判别出某种动作下对应肌肉群的缩短强度。本文规划了一套肌电感应体系对肌电信号进行的处理和剖析。经过监测不同运动动作下各相关肌肉群的肌电信号强度，断定某一动作相关肌肉群的运动状况，然后断定不同运动对哪些肌肉群练习作用更好。因而，该体系能够科学地辅助规划各类练习动作，现依据该体系规划的设备现已被运用于体育研讨和军事练习部分，取得杰出作用。
1 体系总体规划
本体系分为三个部分：肌电搜集模块、通讯模块和操控中心(图1)。其间肌电搜集模块首要完结肌电信号感知。
因为该体系为直触摸摸人体的健康类消费产品，本体系不供给沟通介入和充电功用。搜集模块和通讯模块电源由小型锂电池供给。
别的，为了触摸的可靠性和肌肉群的测验，本体系的搜集电极由多个肌电搜集电极组装成搜集束带，每个束带有8个搜集点，操控模块和通讯模块规划在束带反面，可直接佩戴在肢体上，便利操作，如图2。
在本体系的操控中心首要担任搜集多路肌电信号，完结肌电信号强度剖析及成果展现。无线通讯模块首要担任肌电搜集模块和操控中心的无线通讯。
1.1 肌电感知模块
肌电感知模块首要是经过肌电搜集电极，搜集个别运动时发生的肌电信号，完结信号的滤波、扩大和模数转化。
1)扩大滤波电路
肌电信号的电压范围在10μV和1000μV之间，频率为20~1kHz，首要能量散布于50~100Hz内。因为信号简单构成运动的伪迹，且首要会集在0~20Hz频率范围内[5]。针对肌电信号的特色，咱们规划了相应的滤波扩大电路(图3)。体系选用AD8220和OPA364两个高输入阻抗、高CMRR、低电流噪声的扩大芯片。信号以差分办法输入，两个运算扩大器与外围元件构成了一个共1000倍、20~1000Hz的两级带通滤波扩大器。前级运放为AD8220，它的电流噪声仅1fA/Hz，芯片占用电路板面积小，适用于可穿戴设备。扩大电阻为1.5kΩ，电容为10μf的%&&&&&%，扩大倍数为32倍。
后级运放OPA364，SOT23-5封装，合适于传感器的微型化规划，为一个频带为20~1kHz切比雪夫Ⅰ型的1阶带通滤波器，扩大倍数约30倍。
2)数模转化电路
LTC1867L是一个8通道12位/16位A/D转化器，芯片具有串行I/O通道，选用内部电压基准。LTC1867L的DC功用拔尖，在整个温度范围内具有±3LSB INL标准和16位无漏失码。经过对芯片8通道输入多路复用器的装备，芯片可作业于单端或差分输入，单极或双极转化操作(或其组合)。
ADC接口选用12位ADC值，担任转化0V至2.5V单极输入或±1.25V双极输入。在本计划中，其作业于双极差分输入状况。LTC1867L仅吸收750μA电流，有主动打盹和睡觉形式，有利于那些对功耗灵敏的运用。LTC1867L选用紧凑型、窄体16引脚 SSOP封装，适用于空间灵敏以及低功率的运用。
1.2 通讯模块
1.2.1 蓝牙通讯
通讯模块选用蓝牙通讯协议，用以完结肌电束带和操控中心(智能手机)的通讯，向中心报告束带各点电位信号。本体系中选用ATK-HC05模块，蓝牙版别为蓝牙4.0BLE。
蓝牙4.0协议供给了2种形式：BLE形式和BR/EDR形式。其间BLE形式合适对本钱和功耗都有较高要求的无线计划。运转和待机功耗极低，一粒扣子电池能够接连作业一年之久。能与支撑4.0协议设备通讯，习惯节能且收发少数数据的设备。因为单次发送的肌电信号数据量并不是很大，而且体系对功耗要求高，因而，本体系蓝牙版别选用4.0BLE[6]。
体系上电发动后，蓝牙模块处于待机形式，此刻为闲暇状况，需求经过AT指令操控模块衔接搜集设备。与搜集模块成功衔接后，蓝牙模块会主动查找主从设备的透传通道，两个模块之间能够经过通用串口与STTM(BLE从透传协议模块)进行双向通讯，然后完结通明传输功用。
本体系运用搭载Android体系的智能手机作为操控中心。装备好蓝牙权限后，只需求获取蓝牙适配器方针，取得方针蓝牙设备(蓝牙模块)方针，树立衔接，即可取得输入输出流。
1.2.2 数据格局
在运用层，协议格局如表1所示(16进制)。
首字节为帧头，第二和第三字节表明肌电信号数据，但这儿的肌电数据每个字节的高位被置为零，其真实的高位被放置到帧头规定位上[7]。帧头在这儿标明一帧数据的开设，一起也包含了通道序号和数据的最高位，其各位的含义如表2所示。
帧头的最高位Bit7固定为1，是帧头的标志位。Bit6～Bit4标明通道的序号，共8个通道。Bit3和Bit2分别为传输数据的最高位。
1.3 操控中心
操控中心接纳蓝牙模块发送过因由搜集模块搜集到的多路肌电信号，并对这些信号进行强度评级。本文采纳的评级办法是经过提取肌电信号的平均值、积分均值、功率谱比值，进行加权运算。
关于时域特征值平均值和积分均值核算办法如下：
平均值核算公式如式(1)，它是用来衡量数据会集趋势的一种办法。本文选取平均值衡量外表肌电信号的平稳趋势。
(1)
若对离散的数字信号数据直接求均值AVE，许多时分都会趋近于0，这不能很好地表征信号之间的差异，因而，再提取积分均值(核算办法如式(2)作为断定肌肉运动强度的另一个特征。
(2)
关于频域特征，一般选用功率谱进行衡量，但因为肌电信号功率谱的散布相对比较稳定，所以在信号最大值邻近的功率谱的能量在全体信号中的比重也比较稳定，且不受最大值详细呈现方位的影响。因而，选用频域剖析法中的功率谱比值法[8]作为特征值。
设功率谱比值为K，其核算公式如式(3)：
(3)
式中，K为功率谱比值，P(f)为功率谱。依据文献8中的经历得知，
取15Hz的特征值有较好的区别度，P0为功率谱在P0±15Hz的面积，P为整个功率谱的面积，因为肌电信号的频率首要会集在50~500Hz，所以求P的积分区间为50~500Hz，f0为功率谱最大值处的频率，即
的解，如果有多个解，则取使得功率谱值最大的解。
核算出每一路信号的平均值AVE、积分均值MAV，并求解功率谱比值K。再依据式(4)核算第i路信号的加权强度Si：
Li越大表明该通道所对应的肌肉运动强度越大。关于某一个练习动作，给出相应的肌肉点评，能够断定该动作更合适增强哪块肌肉的练习。
以上算法中所涉及到的难点首要会集在操控中心求解功率谱上。现在，功率谱估量办法首要有两种：经典功率谱估量和现代功率谱估量。因为经典功率谱估量将一切在窗口外的数据都视为0，这使得功率谱估量的质量不高。而现代功率谱估量办法对信号在窗口外的数据做出合理假定，以到达进步功率谱估量质量的意图。本文挑选运用较为广泛的AR模型进行功率谱估量，求解出AR模型系数后，凭借C言语IT++库很简单估量出功率谱密度。本文选用最小二乘法求解AR模型系数。假定肌电信号是由一个输入序列
组成，其AR(n)为
，其间
(一般假定差错满意希望为0，方差为
的独立散布)，由AR(n)可核算出et，因而，可得出方差：
2 定论
本文规划了一套多路肌电信号搜集与剖析体系。对一个练习动作，进行了多个肌肉群的外表肌电信号搜集，并经过提取外表肌电信号的时域、频域特征值，进行加权归一化等核算，剖析了该动作对应肌肉群的运动强度。运用该体系对握举哑铃动作时，上臂肌肉进行强度评级成果如表3。
俯卧撑是一种常用的练习上肢、胸肌和腹肌的简单易行的运动，是战士在陆地完结攀爬翻越、匍匐前进、进出壕沟等各种需求上肢俯卧支撑才能的战术动作及战场作业的体能根底之一, 具有很强的实战含义，可是针对不同体质人的练习需求，在本体系的协助下，经过手掌着地方位调整，就能够到达不同的练习意图(如表4)。
该体系设备也可运用于运动生物力学研讨中[9]。
参考文献：
[1]卢蕾.依据外表肌电信号区别上肢动作的试验研讨[D].北京协和医院,2011.
[2]张莉.外表肌电信号形式识别及其运动剖析[D].吉林大学,2013.
[3]马静云.恢复运动中外表肌电信号剖析办法研讨[D].燕山大学, 2015.
[4]任见,李传江,翟润哲,等.上肢肌肉疲劳的sEMG信号特征剖析//2015全国嵌入式外表及体系技能会议序册. 2015.
[5]杨瑞.肌电信号搜集与剖析体系的研发[D].华中科技大学, 2009.
[6]胡成功,查君君,安师顺,等.便携式低功耗心电监测体系规划[J].电子产品世界, 2015,06(22):44-45+49.
[7]李锋,程坤.穿戴式躯感网体系的规划与完结[J].电子产品世界,2014,10(21): 39-42+45.
[8]王喜太,王强,张晓玉,等.依据肌电传感器的下肢恢复练习形式识别的研讨[J].我国恢复理论与实践, 2009, 01(15):90-92.
本文来源于《电子产品世界》2017年第5期第43页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
