摘 要

表面肌电信号（Surface Electromyography，SEMG）是肌肉纤维的电信号变化在经过肌肉，脂肪等组织后，并且与各种干扰和噪声在皮肤表面相叠加的结果。目前研究主要集中在一是肌电信号的分解，即对肌电信号特征的提取。另一则是通过对肌电信号的研究，找出其与肌肉动作之间的联系，并进而应用于临床医疗康复等方面。

本次设计以Arduino UNO开发板为核心。信号首先由圆形x-1型心电电极片传入，然后经信号调理电路进行放大滤波等处理。处理后的信号传入Arduino UNO芯片进行AD转换，最后由Processing编程显示其大小。并能根据信号大小的变化来识别肌肉动作。为后续的临床研究，可穿戴设备等做了铺垫。

关键词：表面肌电信号；Arduino；特征提取；动作识别

Abstract

Surface Electromyography (SEMG) is the result of electrical changes inside muscles passing through muscles, fats, etc., and superimposed with various disturbances and noises on the skin surface. At present, the study of surface myoelectric signals mainly focuses on two aspects. One is the decomposition of the EMG signal, which is the extraction of the characteristics of the EMG signal. The other is through the study of myoelectric signals, to find out the connection between them and muscle movements, and then applied to clinical medical rehabilitation.

This design centers on the Arduino UNO development board. The signal is first introduced by a circular x-1 electrocardiograph electrode, and then processed by a signal conditioning circuit for amplification and filtering. The processed signal is passed to the Arduino UNO chip for AD conversion and finally processed by the Processing program to display its size. And can identify muscle movements based on changes in signal size. For the follow-up clinical studies, wearable equipment, etc. made a pave.

Key words: surface EMG; Arduino; feature extraction; motion recognition

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容及章节安排 2

第2章 表面肌电信号的特征及噪声分析 4

2.1 引言 4

2.2 表面肌电信号的特征 4

2.3 噪声干扰分析 5

第3章 系统整体设计 7

3.1 表面肌电检测电极的分析与比较 7

3.1.1 金属线电极 7

3.1.2 银-氯化银电极 8

3.1.3 印制电极 8

3.1.4 弹簧探针电极 9

3.1.5 几种电极的比较 9

3.2信号调理电路的的设计 10

3.2.1 放大电路的设计 11

3.2.2 全波检波电路设计 11

3.2.3 工频陷波电路 12

3.2.4 低通滤波电路 13

3.2.5 反相放大电路 13

3.3 单片机设计 14

3.3.1 单片机选择 14

3.3.2程序设计 15

3.4 上位机程序设计 16

3.4.1 Processing介绍 16

3.4.2 程序设计 17

3.5 系统整体架构 19

第4章 实物演示 19

4.1 软硬件实物 19

4.2 成果演示 21

第5章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

表面肌电信号（Surface Electromyography，SEMG）是神经指挥肌肉运动，从而导致神经肌肉系统的内部细胞表面产生电变化、并在皮肤表面放大和记录所得的一维电压时间序列信号。传统的肌电信号检测方法是将针电极等细电极直接插进肌肉组织然后采集肌电信号,得到的称为插入式肌电信号（iEMG）。然而,插入式电极给患者带来了较大的痛苦，不适于大量应用。因此1984年，由Hermes 提出一种将检测电极放置在皮肤表面的方法，即表面肌电信号检测。这是一种无痛且损伤很小的方法^[1]。然而，与插入式肌电信号（iEMG）相比，它存在一些不可避免的不足：

1. 肌电信号在不同性别、年龄、生理状况、皮肤状态的人经过脂肪、肌肉、皮肤等所检测得出的表面肌电信号存在较大的差异，所以难以制定一个统一的标准来通过表面肌电信号衡量人体的健康和活动状况并应用于临床研究。
2. 肌电信号传输到表面组织的过程中，受到了各种容积导体的滤波作用，因而会发生变形，并且混入了各种噪声。信号微弱，难以检测，所得有效信息较少。
3. 环境中的各种噪声，以及检测仪器导线的电磁干扰，都会对表面肌电信号的检测产生不可预测的干扰，难以分析辨别 。

但是，随着科学技术的进步，应充分肯定表面肌电信号的无创无痛的特点，并且在表面电极材料的改进以及信号调理电路的优化方面不断进步，极大提高了表面肌电信号的检测质量和效果。

1.2 国内外研究现状

至今最早记载肌电信号的是1666年Francesco Redi 。他发现了一种海鱼的肌肉上可以放电，进而以捕食，并将该现象记录了下来。此后，关于肌电信号的研究成果不断，Carlo Matteucci在1838年利用改进的检流计找到了电流的来源，证明肌肉确实可以产生电流。1899年，Gasser和Erlanger用阴极射线管示波器代替了检流计，首次在机器上显示了肌肉电信号，并且成为了今天称为肌电图的原形^[2]。

随着对表面肌电信号各方面研究的日益深入，人们研究出的以往的表面肌电信号处理方法如时域法，频域法，时频联合分析法等已逐渐不能满足研究的要求。新的方法被不断的研究出来，如邹晓阳，雷敏使用的李雅普诺夫指数方法且和多尺度分析相结合的方法，郭一娜提出了一种蚁群优化算法。此外还有基于肌电信号和柔性神经树的模型等，使信息提取更加准确，处理更加完善。

目前，表面肌电信号具有广阔的应用空间和前景，由于其无创无痛的特点，被广泛应用于运动研究，临床医学，康复治疗等领域。例如，利用对表面肌电信号的研究分解，并提取特征并刺激肌肉，可以帮助瘫痪肢体恢复运动功能。此外，还可以将表面肌电信号与动作识别联系起来，发展可穿戴设备，通过表面肌电信号来控制机械臂等，减轻残疾人士的痛苦，帮助他们更好地生活。

所有这些技术的实现都需要有一套切实可行的检测设备来对信号进行检测并且分析识别。我国由于表面肌电信号检测发展的起步较晚，目前同国外仍有一定差距，但是进步飞快。其中，美国的 Noraxon 公司，MYOVISION 研究组等可以实现动态的肌肉电信号的测量，并且与多数的运动测试软件和系统兼容。上海诺诚肌电仪具有传输数据稳定的特点，抗干扰性强。珠海迈康则使用界面方便，成本较低^[3]。

1.3 本文研究内容及章节安排

本文主要从以下这几个方面展开研究：

查阅相关文献资料，深入了解表面肌电信号的特点，对不同型号表面肌电信号检测电极进行对比分析，最终选择适合的电极。

通过对信号的检测，查阅相关文献，分析信号检测过程中的各种噪声以及干扰。分析他们的影响，设计比较信号调理电路以最大程度的增强信号，减弱噪声。

设计上位机，以实现对信号的最终处理和显示记录并对后续的动作识别等工作做铺垫。

本文各章节主要安排如下：

第1章主要介绍表面肌电信号的含义以及表面肌电信号研究的背景和目的。此外，还要介绍国内外的研究现状，以对当前肌电信号的研究有足够的了解。最后是本文章节安排，体现了第1章总领概括全文的作用。

第2章主要介绍表面肌电信号的形成，频率特点等，并且分析如何提取表面肌电信号的特征，以及在信号源可能存在的噪声和干扰，为后续的设计铺垫。

第3章是系统整体的软硬件设计。在前面的基础上，提出系统的整体架构，然后对每一个模块进行比较选择和分析，并设计出最可行的方案。