傅楨茵，陸通，歸麗佳，陳鐵梅，嵇曉強

（長春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

據(jù)衛(wèi)計委調(diào)查顯示，2017年我國肢體殘疾人口達到2400萬人，數(shù)量極其龐大。大部分的上肢殘疾者生活自理問題嚴(yán)重，尤其是在操作計算機方面受到極大限制，無法正常使用鼠標(biāo)和鍵盤，工作和生活極大不便[1]。目前，大多數(shù)殘疾人輔助設(shè)備僅能滿足殘疾人的行走、移動等基本生活保障，無法滿足上肢殘疾人電腦操作的需求。因此，為上肢殘疾人設(shè)計一款基于肌電信號控制的智能鼠標(biāo)有很高的實用價值和重要的社會意義。

現(xiàn)有的肌電控制設(shè)備多為肌電控制假肢，例如復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院賈曉楓等[2]于2004年實現(xiàn)的中國首例采集殘肢神經(jīng)電信號用于控制假肢模擬裝置，實驗驗證橈神經(jīng)電信號控制的假肢能夠控制假肢手指的伸指動作。但神經(jīng)性假肢會對使用者造成皮膚刺激，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研發(fā)價格昂貴，如果僅僅用于鼠標(biāo)控制，則性價比太低。而且，目前現(xiàn)有的神經(jīng)電信號控制的假肢只能實現(xiàn)抓握功能，無法靈活的操控鼠標(biāo)。gForce肌電手勢識別腕帶[3]，可以通過肌電電信號與手勢結(jié)合對智能設(shè)備進行控制。雖然集成度比較高，但需要手勢多樣變化，難以為缺失手指的上肢殘疾人所使用。由河北工業(yè)大學(xué)劉洋[4]所設(shè)計的上肢殘疾人頭戴式專用鼠標(biāo)，使用咬牙動作時顳肌的表面肌電信號來區(qū)分鼠標(biāo)模式，其優(yōu)點在于適用于所有上肢殘疾人群，尤其是高位截癱患者，但在單方向咬牙時，較難保證另一方向的顳肌處于非用力狀態(tài)，所以控制精度較難保障，且系統(tǒng)功耗高，頭部佩戴舒適度低。

本文關(guān)注上肢殘疾人的生活以及工作輔助，根據(jù)生活中常見的電腦鼠標(biāo)控制的需要[5]，設(shè)計了無線肌電控制鼠標(biāo)，主要采集上臂肱二頭肌信號進行鼠標(biāo)左鍵、右鍵和拖動等多種模式的識別與控制，用力與非用力狀態(tài)區(qū)分容易，誤判率低。同時采用自主設(shè)計的集成模塊（集成了藍(lán)牙、微控制器、陀螺儀模塊），較頭戴式殘疾人鼠標(biāo)體積更小，功耗更低，更易佩戴。

1 無線肌電控制鼠標(biāo)硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計總體方案

本文所設(shè)計的肌電控制鼠標(biāo)硬件系統(tǒng)由肌電采集模塊、藍(lán)牙模塊、微處理器及陀螺儀模塊組成。無線肌電控制鼠標(biāo)借助了上肢運動肌電信號圖的變化進行設(shè)計。肌電信號通過采集模塊進行模擬放大、濾波等處理，再經(jīng)微控制器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生用于鼠標(biāo)控制的數(shù)字肌電信號，同時陀螺儀模塊發(fā)送實時的位置變化信息給微控制器，微控制器綜合肌電信號與手臂位置信息，確定鼠標(biāo)模式，并通過藍(lán)牙將微控制器輸出信號傳輸進電腦，控制光標(biāo)，實現(xiàn)鼠標(biāo)功能。硬件系統(tǒng)設(shè)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

1.2 肌電采集模塊MYO

肌電信號作為先進肌電假體的控制源具有很大的潛力，且有多項性能指標(biāo)可作為量化基礎(chǔ)[6]。由于表面肌電信號的幅值較為微弱，只有微伏級，范圍一般為0～5000μV，肢體殘疾者的肌電信號更加微弱[7]。同時，肌電信號中還夾雜著各種噪聲干擾，所以準(zhǔn)確提取肌電信號是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[4]。

為精確提取肌電信號，本文采用MYO作為肌電采集模塊，其通過電勢測量肌肉活動。MYO內(nèi)置ADI芯片AD8221，可將肌電傳感器信號進行可調(diào)放大、測量濾波，輸出電壓大小取決于所選肌肉的活動量大小。采用3.3V到5V電壓供電，工作電流9mA，同時帶有數(shù)據(jù)儲存功能。MYO既可以輸出原始信號也可以輸出經(jīng)放大整流并積分的EMG脈沖信號[8]。由于所使用的MYO肌電傳感器采集效果較為理想，原始肌電信號已經(jīng)在MYO肌電傳感器中進行了整流，所以在采集完成后無需再進行去噪處理。本文將MYO輸出信號連到微處理器AD輸入引腳進行AD轉(zhuǎn)換，再根據(jù)肌電信號特征與位置信息實現(xiàn)按鍵功能控制。肌電采集模塊MYO如圖2所示。

圖2 肌電采集模塊實物圖

1.3 藍(lán)牙模塊

肌電鼠標(biāo)可通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)與上位機的通信，本文采用的是HC05-V11高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊。它可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、主機、手機等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍（4800～1382400），并且模塊兼容5V或3.3V單機系統(tǒng)，可以很方便與肌電信號采集模塊進行連接[9]。

藍(lán)牙模塊與單片機連接只需要4根線即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND用于給模塊供電，TXD和RXD則直接連接單片機的RXD和TXD即可。藍(lán)牙模塊與stm32最小系統(tǒng)接口連接如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙模塊與stm32最小系統(tǒng)連接圖

1.4 陀螺儀模塊

MPU-6050陀螺儀主要用以獲取光標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)鼠標(biāo)移動控制。MPU-6050是全球首例9軸運動處理傳感器[10]。它集成了3軸MEMS陀螺儀和加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。擴展之后可以通過其I2C或SPI接口輸出一個9軸的信號。MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。

在無線肌電控制鼠標(biāo)中，MPU-6050設(shè)定手臂所處的坐標(biāo)軸上的角速度信息，通過程序算出手臂的移動方向及距離，將手臂的三維移動轉(zhuǎn)化為光標(biāo)的二維移動數(shù)據(jù)，最后通過無線模塊發(fā)送給電腦接收端，實現(xiàn)光標(biāo)的控制。

MPU-6050陀螺儀與單片機采用相同電壓-3.3V，陀螺儀模塊的數(shù)據(jù)線SDA連接單片機PB7引腳，時鐘控制線SCL連接單片機PB6引腳。陀螺儀模塊與stm32最小系統(tǒng)接口連接如圖4所示。

圖4 陀螺儀與stm32最小系統(tǒng)連接電路圖

1.5 微控制器模塊

無線肌電控制鼠標(biāo)采用stm32處理器作為系統(tǒng)控制的核心，用于實現(xiàn)肌電信號模式判別和位置信息讀取。相比于51單片機，stm32具有更多外設(shè)接口和性能優(yōu)秀的片上外設(shè)，內(nèi)部使用大量寄存器[11]，指令執(zhí)行速度更快，尋址靈活簡單，執(zhí)行效率更高，低功耗、性價比高、靈活的時鐘控制機制，滿足鼠標(biāo)需要實時反饋的特性。stm32內(nèi)部自帶ADC轉(zhuǎn)換精度高達12位，采集頻率快，可將采集到肌電信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，無需外加A/D轉(zhuǎn)換電路，避免了信號傳輸中的多種外部干擾，同時也簡化了設(shè)計電路。系統(tǒng)硬件電路圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件電路圖

2 無線肌電控制鼠標(biāo)軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件系統(tǒng)整體方案

無線肌電控制鼠標(biāo)的軟件設(shè)計包括三部分：一是對肌電傳感器的輸出信號進行特征提取，實現(xiàn)鼠標(biāo)模式分類；二是實現(xiàn)陀螺儀光標(biāo)控制；三是實現(xiàn)藍(lán)牙通信。

軟件采用Keil5進行模塊化編程，通過stm32程序設(shè)計，實現(xiàn)陀螺儀模塊與肌電采集分析模塊的一體化，整合用力狀態(tài)及位置信息，來判斷無線肌電控制鼠標(biāo)所處狀態(tài)。由于MYO輸出的是經(jīng)放大整流并積分后的EMG脈沖信號，且在MYO內(nèi)部已經(jīng)進行了信號的去噪、濾波處理，所以軟件可直接將已調(diào)制好的肌電脈沖信號連接到微控制器AD輸入引腳進行AD轉(zhuǎn)換。

微控制器進行肌電信號的特征提取，通過分析肌電信號在設(shè)定時間內(nèi)的波形變化，再結(jié)合陀螺儀運動狀況，來判斷鼠標(biāo)所處的模式。例如肌電信號變化閾值在1.5V以下，同時陀螺儀有移動信號發(fā)出時為單純移動模式，此時陀螺儀通過讀取其中X和Z軸上的角速度值，處理成二維數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)由藍(lán)牙發(fā)送給電腦接收端，從而實現(xiàn)光標(biāo)控制。

鼠標(biāo)控制模式由三個條件判斷，分別為用力狀態(tài)、用力時間和移動狀態(tài)。在非用力條件下，手臂移動則為移動狀態(tài)，手臂靜止則為靜止?fàn)顟B(tài)；在用力且手臂靜止條件下，短時間用力為右鍵點擊，長時間用力為左鍵點擊；在用力且手臂移動條件下，長時間用力為左鍵點擊拖動。軟件實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

2.2 肌電信號模式分類

肌電信號模式分類是無線肌電控制鼠標(biāo)的首要問題和關(guān)鍵所在[12]。通過手臂不同活動狀態(tài)下肌電信號的強度及變化速度的分析，得出光標(biāo)控制的幾種模式：左鍵、右鍵、點擊拖動等。

圖7 肌電信號特征提取流程框圖

圖7給出了肌電信號特征提取流程框圖，首先獲取在不同情況時的肌電傳感器輸出波形，分為以下三種情況：手臂移動、短暫用力、長時間用力。

在移動手臂時，會產(chǎn)生隨機的肌電信號[13]，此時肌電信號會出現(xiàn)短時間的平滑小波峰，但因其波峰峰值也能超過基準(zhǔn)值，所以需要排除這部分非用力肌電信號帶來的干擾。

非用力狀態(tài)下肌電信號的波動相對平滑，可以與用力狀態(tài)下的峰值段的劇烈抖動進行區(qū)別，從而去除非用力狀態(tài)下可能導(dǎo)致的誤判，提升鼠標(biāo)操作的精確度。

短暫用力時的肌電信號幅值高且峰值段出現(xiàn)多個波峰，可提取這段肌電信號的特征實現(xiàn)點擊按鍵功能。

持續(xù)用力時的肌電信號幅值持續(xù)偏高，且出現(xiàn)抖動波形，出現(xiàn)多個尖峰，可提取這段肌電信號的特征實現(xiàn)按鍵拖動功能。

結(jié)合肌電信號的不同狀態(tài)即：移動、短暫用力、長時間用力三種模式，以及手臂用力時肌電信號波動的幅值，分析出用力時肌電信號幅值高度，得出一個基準(zhǔn)值，根據(jù)基準(zhǔn)值初步判斷是否用力?？紤]到手臂移動時的幅值也會增高，所以當(dāng)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值大于基準(zhǔn)值并出現(xiàn)峰值時便開始計數(shù)，在設(shè)定時間內(nèi)通過峰值數(shù)進行按鍵功能區(qū)分。這個基準(zhǔn)值需要多次實際測量校準(zhǔn)，使得計數(shù)值能夠在三個范圍內(nèi)準(zhǔn)確判斷出屬于哪一種按鍵功能[14]。肌電信號用力模式流程如圖8所示。

圖8 肌電信號用力模式判斷流程

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證無線肌電控制鼠標(biāo)的準(zhǔn)確性和靈敏性，本文做了大量的實際測試實驗。將信號采集裝置安置在上臂肱二頭肌兩側(cè)部位，電腦端接入藍(lán)牙適配器進行信號接收。采用握力計實際測試手臂用力程度，首先進行非用力狀態(tài)下手臂的移動測試，獲得的肌電信號如圖9所示。

圖9 非用力手臂移動肌電圖

此時肌電信號相對平滑，與用力狀態(tài)時鋸齒狀抖動形成對比。

手臂進行短暫用力測試時所獲得的肌電信號波形如圖10所示，此時出現(xiàn)明顯的短暫波峰，且幅值較高，在波峰段有明顯鋸齒狀抖動。

圖10 單次用力手臂肌電圖

完成單次用力后電腦光標(biāo)顯示為右鍵點擊狀態(tài)（如圖11所示）。

圖11 實際操作單擊右鍵

持續(xù)用力時所獲得的肌電信號如圖12所示，此時波形顯示有持續(xù)高峰，在高峰段有與短暫用力相同的鋸齒狀抖動波形。

圖12 持續(xù)用力手臂肌電圖

此時電腦光標(biāo)顯示為左鍵單次點擊，如圖13所示。

圖13 實際操作單擊左鍵

持續(xù)用力并移動肌電信號波形圖與持續(xù)用力時相似，但光標(biāo)顯示為點擊拖動狀態(tài)，如圖14所示。

通過實測結(jié)果表明：完成非用力狀態(tài)移動、持續(xù)用力、用力移動等不同動作后，在電腦上分別顯示了光標(biāo)對應(yīng)的操作，符合預(yù)先設(shè)計目標(biāo)，在點擊拖動操作中，移動較小的距離就能達到圖14顯示的操作結(jié)果，精確度較高。同時，使用的握力計讀值為3～6kg，證明無線肌電控制鼠標(biāo)使用較小的力就能完成操作，適合上肢殘疾人群使用。

圖14 實際操作點擊拖動

4 結(jié)論

無線肌電控制鼠標(biāo)在上肢殘疾人對電腦控制方面有著重要作用。本文針對上肢殘疾人使用電腦困難，以及目前市場缺少價格親民的手部輔助裝置的現(xiàn)狀，設(shè)計了無線肌電控制鼠標(biāo)，實現(xiàn)了無線肌電控制鼠標(biāo)基本控制功能。

相比于現(xiàn)有的肌電相關(guān)的信號控制儀器，本文所述的無線肌電控制鼠標(biāo)優(yōu)勢在于只根據(jù)用力狀況與移動狀況就能判斷所處模式，能基本滿足了上肢殘疾患者的生活工作需要，且具有小型化、智能化及可擴展功能，作為殘疾人輔助設(shè)備局限性小，被控對象將來可實現(xiàn)與假肢、智能家居、VR等復(fù)雜被控對象關(guān)聯(lián)，進行不同肌電信號與不同動作的匹配，實現(xiàn)實景操作，未來發(fā)展前景十分廣闊。

目前完成的無線肌電控制鼠標(biāo)適用于大部分上肢殘疾患者，但因個體肌電強度差異性，可能會影響無線肌電控制鼠標(biāo)的使用效果。如何提高設(shè)備的普適性是今后研究的方向。另一方面，如何提高無線肌電控制鼠標(biāo)的精確度，使微控制器能夠通過肌電波形，即鋸齒狀抖動狀態(tài)與平滑狀態(tài)，精確分析不同強度用力狀態(tài)，最大限度的增加判斷的可靠性與精確性，同樣是今后研究的方向。