非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)研究

匡 星 楊 琳 張良清 李光林

（中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055）

1 引 言

應(yīng)用 Targeted Muscle Reinnervation(TMR)技術(shù)[1,2]來(lái)實(shí)現(xiàn)肌-機(jī)接口的主要目的是將殘留肌肉中的神經(jīng)種植到目標(biāo)肌肉中，將目標(biāo)肌肉的肌電信號(hào)轉(zhuǎn)化為肢體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而建立肌電信號(hào)與運(yùn)動(dòng)信號(hào)之間的解碼調(diào)和函數(shù)，通過(guò)解碼調(diào)和高位截肢者目標(biāo)肌肉中的肌電信號(hào)，為截肢者操控假肢提供有效的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。為了深入研究 TMR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)肌-機(jī)接口的可行性，本文選取與人相似的非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物為研究對(duì)象，其肌電信號(hào)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)肌電采集單元獲取。運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集主要目的是完成運(yùn)動(dòng)參數(shù)的定量化采集，即根據(jù)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作類(lèi)型進(jìn)行選擇，需綜合考慮機(jī)械工程的技術(shù)實(shí)現(xiàn)與行為學(xué)、認(rèn)知學(xué)的實(shí)驗(yàn)需求。

目前，運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)有數(shù)據(jù)手套、機(jī)械搖桿裝置等[3,4]，該類(lèi)系統(tǒng)很難讓非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物主動(dòng)完成指定的動(dòng)作類(lèi)型，不易于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的定量化采集。非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集需根據(jù)動(dòng)物的行為與認(rèn)知來(lái)引導(dǎo)動(dòng)物自主學(xué)習(xí)[5]，有效完成規(guī)定動(dòng)作，從而進(jìn)一步提取運(yùn)動(dòng)信號(hào)。如何來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)物主動(dòng)地、有規(guī)律地完成規(guī)定的行為任務(wù)是動(dòng)物信號(hào)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。瑞士弗里堡大學(xué)動(dòng)物行為實(shí)驗(yàn)室[6]設(shè)計(jì)了屬于個(gè)性定制的實(shí)驗(yàn)猴上肢行為訓(xùn)練單元，設(shè)定了各種不同的食物誘惑類(lèi)的行為激勵(lì)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可以順利完成相應(yīng)的動(dòng)作，但系統(tǒng)較繁瑣，且不針對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集；浙江大學(xué)[7]采用箱式結(jié)構(gòu)來(lái)固定動(dòng)物，主要用于腦電信號(hào)提取，不適用于肌電信號(hào)采集單元的人工操作。

為了方便肌電信號(hào)采集單元的操作，并能實(shí)時(shí)采集動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，提高動(dòng)物跟人的交流互動(dòng)能力，使得動(dòng)物能主動(dòng)完成規(guī)定動(dòng)作，解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作困難等問(wèn)題，本文構(gòu)建了非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物(本實(shí)驗(yàn)以猴為例)上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

2 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)猴上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集需要在實(shí)驗(yàn)猴清醒狀態(tài)下完成，而實(shí)驗(yàn)猴自身具有一定的攻擊性，必然對(duì)信號(hào)的采集造成干擾。為了便于采集實(shí)驗(yàn)猴上肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了方案規(guī)劃，如圖 1 所示。

同時(shí)，為了誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)猴完成實(shí)驗(yàn)人員指定的動(dòng)作，通過(guò)一定的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)文獻(xiàn)[8-10]可知，取食和飲水是實(shí)驗(yàn)猴不可或缺的日常生活行為，通過(guò)食物和水的刺激有利于實(shí)驗(yàn)猴完成規(guī)定的動(dòng)作行為訓(xùn)練。本文根據(jù)上述獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制設(shè)定了如圖 2和圖 3 所示激勵(lì)方式。

圖1 信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)規(guī)劃方案框圖

上述兩種激勵(lì)方式可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)猴的精細(xì)動(dòng)作如肘部的屈伸、腕部的屈伸等。在食物盤(pán)中放小塊狀的食物，實(shí)驗(yàn)猴通過(guò)連續(xù)抓取食物，激勵(lì)肘部屈伸動(dòng)作，獲取食物獎(jiǎng)勵(lì)；在蓄水器中通過(guò)連續(xù)按壓無(wú)線(xiàn)遙控按鈕，激勵(lì)腕部屈伸動(dòng)作，獲得飲水獎(jiǎng)勵(lì)。該采集模式可以根據(jù)不同大小的實(shí)驗(yàn)猴調(diào)節(jié)動(dòng)作活動(dòng)范圍以及動(dòng)作活動(dòng)方式，適用于不同體積大小的實(shí)驗(yàn)猴。

圖2 實(shí)驗(yàn)猴取食激勵(lì)示意圖

圖3 飲水激勵(lì)

3 信號(hào)采集單元的構(gòu)建

為了順利完成規(guī)定的行為動(dòng)作、采集到有效的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，必須要約束固定實(shí)驗(yàn)猴的部分軀體，解放上肢，在便于對(duì)上肢進(jìn)行肌電信號(hào)采集的同時(shí)使得上肢能正常完成指定的動(dòng)作。為此，本文設(shè)計(jì)了一套可用于實(shí)驗(yàn)猴上肢行為訓(xùn)練單元，加工制作了相應(yīng)的裝置，并構(gòu)建了上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)。

3.1 上肢行為訓(xùn)練單元的設(shè)計(jì)與制作

動(dòng)物上肢行為訓(xùn)練單元主要包括約束固定系統(tǒng)和行為動(dòng)作激勵(lì)系統(tǒng)。約束固定系統(tǒng)用于行為訓(xùn)練中實(shí)驗(yàn)猴軀體的固定，解放上肢，既能便于上肢運(yùn)動(dòng)和肌電信號(hào)采集，又能防止清醒的實(shí)驗(yàn)猴對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成攻擊傷害；行為動(dòng)作激勵(lì)系統(tǒng)主要用于激勵(lì)實(shí)驗(yàn)猴準(zhǔn)確地完成相應(yīng)規(guī)定的動(dòng)作。

圖4 行為訓(xùn)練單元松解狀態(tài)

圖5 行為訓(xùn)練單元的旋鈕布局

由圖 4 可知，該單元的約束固定系統(tǒng)由頸部固定臺(tái)、腰部固定臺(tái)和動(dòng)物坐板三部分組成。該約束固定系統(tǒng)的頸部固定臺(tái)、腰部固定臺(tái)、座板分上中下三層固定在周邊的四根支撐桿上，各層的相對(duì)高度可調(diào)，如圖 4 所示，根據(jù)圖 5 中 1、2、3、4 所指示的調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)完成高度的調(diào)節(jié)。頸部固定由帶滑槽的頸托板(如圖 6 所示)和與滑槽配合的可調(diào)式頸部項(xiàng)圈(如圖7 所示)組成，項(xiàng)圈外包軟墊，使實(shí)驗(yàn)猴頸部感覺(jué)舒適，且調(diào)節(jié)方便，其中頸部項(xiàng)圈還設(shè)置了 30°的傾斜角(如圖 7a 所示)，使實(shí)驗(yàn)猴的下顎更適應(yīng)項(xiàng)圈；腰部固定采用靠背結(jié)構(gòu)并系有腰部固定軟帶，可以完全解放實(shí)驗(yàn)猴上肢，便于無(wú)線(xiàn)采集設(shè)備在上肢部位的操作；動(dòng)物座板有兩層，分別用于動(dòng)物臀部坐立和下肢的擱置，提高動(dòng)物的舒適感。

圖6 頸托板

圖7 頸部項(xiàng)圈

該單元的行為動(dòng)作激勵(lì)系統(tǒng)分別有可控式給水系統(tǒng)和可調(diào)隔離式取食臺(tái)兩種。主要用于訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)猴的自主意識(shí)，激發(fā)動(dòng)物行為動(dòng)作，其中，可調(diào)隔離式取食臺(tái)中間設(shè)置了隔離板，主要用于阻斷實(shí)驗(yàn)猴上肢行為的習(xí)慣性干涉，便于實(shí)現(xiàn)擬人式上肢動(dòng)作訓(xùn)練，當(dāng)實(shí)驗(yàn)猴的行為動(dòng)作較熟練時(shí)可以去除隔離板?？烧{(diào)隔離式取食臺(tái)的設(shè)計(jì)采用機(jī)械式的方法實(shí)現(xiàn)，如圖 2 所示的取食激勵(lì)；而可控式給水系統(tǒng)則是采用如圖 3 所示的飲水激勵(lì)方式，進(jìn)行電路控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原理框圖如圖 8 所示。其中，無(wú)線(xiàn)延時(shí)閉合開(kāi)關(guān)模塊是指信號(hào)輸入時(shí)，開(kāi)關(guān)模塊延時(shí)閉合設(shè)定時(shí)間，開(kāi)始飲水，繼而斷開(kāi)，飲水中斷，等待下一次開(kāi)啟信號(hào)輸入，這樣可以保證實(shí)驗(yàn)猴不停地做相應(yīng)的動(dòng)作訓(xùn)練。

圖8 可控式給水系統(tǒng)的原理框圖

實(shí)驗(yàn)猴上肢行為訓(xùn)練單元的操作運(yùn)行過(guò)程為：

預(yù)備工作：實(shí)驗(yàn)猴放置于行為訓(xùn)練單元前，可控式給水系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)到遠(yuǎn)離動(dòng)物頸部固定臺(tái)的后端；可調(diào)隔離式取食臺(tái)中間的隔離板需取出，且取食盤(pán)應(yīng)該遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)猴固定區(qū)域；頸部固定臺(tái)的水平調(diào)節(jié)圖 5 中的旋鈕 5 應(yīng)松開(kāi)，頸部頸圈(如圖 7 所示)從頸托板的滑槽(如圖 6a 所示)中滑出；腰部固定軟帶須展開(kāi)，調(diào)節(jié)圖 5 中腰托板的旋鈕 6 需松開(kāi)，以便于水平調(diào)節(jié)腰托板，如圖 4 的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)猴從前方進(jìn)入。

動(dòng)物固定：實(shí)驗(yàn)猴固定區(qū)域中，調(diào)節(jié)頸圈到合適位置，調(diào)節(jié)圖 5 中旋鈕 5 鎖緊。調(diào)節(jié)頸托板與動(dòng)物坐板之間的高度以及腰部固定臺(tái)與動(dòng)物坐板之間的高度至合適位置。實(shí)驗(yàn)猴腰部用腰部固定軟帶固定，腰托板靠調(diào)節(jié)旋鈕 6 鎖緊固定至合適位置。置入隔離板，用鎖緊塊固定，將可控式給水系統(tǒng)的飲水管旋鈕 8、9 調(diào)節(jié)至合適位置，供實(shí)驗(yàn)猴飲水，如圖 5 的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)猴被固定于實(shí)驗(yàn)猴固定區(qū)域內(nèi)。

行為訓(xùn)練：實(shí)驗(yàn)猴手動(dòng)控制圖 5 中動(dòng)物遙控按鈕開(kāi)關(guān) 11，通過(guò)腕部屈伸來(lái)實(shí)現(xiàn)飲水；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)猴抓取食物盤(pán)中的食物，實(shí)現(xiàn)肘部屈伸動(dòng)作。食物盤(pán)可根據(jù)旋鈕 10 來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)或上下滑動(dòng)食物盤(pán)，以達(dá)到所需設(shè)定的動(dòng)作效果。同時(shí)，隔板兩側(cè)的橫板一方面可以供實(shí)驗(yàn)猴輕松放置手臂，另一方面可供添加其他設(shè)置動(dòng)作的試驗(yàn)臺(tái)。

動(dòng)物松開(kāi)：松開(kāi)隔離板的鎖緊塊，取出隔離板，松開(kāi)腰部固定軟帶，捉住實(shí)驗(yàn)猴的手臂與頭頂，松開(kāi)調(diào)節(jié)旋鈕 5，拖出頸圈，即可松開(kāi)實(shí)驗(yàn)猴。

3.2 上肢行為訓(xùn)練單元的制作

上肢行為訓(xùn)練單元主要材料為鋁和不銹鋼，鋁材相對(duì)其他金屬材料較輕，便于搬運(yùn)。

上肢行為訓(xùn)練單元的底板選用實(shí)心的鋁板，避免了實(shí)驗(yàn)猴在動(dòng)作過(guò)程中的傾倒。推扶手與底板腳輪為該單元的移動(dòng)提供了很大的靈活性。

選用的方形支撐柱為實(shí)心，強(qiáng)度可靠，且采用拉絲處理技術(shù)，在保證直線(xiàn)度的同時(shí)去除了毛刺，質(zhì)感強(qiáng)。所有的直角處都采用了打磨工藝，避免了對(duì)實(shí)驗(yàn)人員或?qū)嶒?yàn)猴的刮傷，提高了安全系數(shù)。

整體單元鋁件零件采用氧化技術(shù)氧化，提高了鋁件的強(qiáng)度與耐腐蝕性。如圖 9 所示的上肢行為訓(xùn)練單元的制作實(shí)例。

圖9 制作實(shí)例

3.3 上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集單元的構(gòu)建

圖10 上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)

以實(shí)驗(yàn)猴為對(duì)象的肌-機(jī)接口研究中，動(dòng)物通過(guò)完成規(guī)定的動(dòng)作來(lái)實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)猴完成規(guī)定的動(dòng)作需要借助于上肢行為訓(xùn)練單元，采集實(shí)驗(yàn)猴的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信號(hào)則需要無(wú)線(xiàn)肌電采集單元。由實(shí)驗(yàn)猴上肢行為訓(xùn)練單元和無(wú)線(xiàn)肌電采集單元共同構(gòu)建為上肢運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)，如圖 10 所示。

將實(shí)驗(yàn)猴部分約束在上肢行為訓(xùn)練單元(如圖 10a所示)上，解放實(shí)驗(yàn)猴的上肢，便于在實(shí)驗(yàn)猴上肢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；打開(kāi)無(wú)線(xiàn)肌電信號(hào)采集單元(如圖 10b所示)，將無(wú)線(xiàn)電極粘貼于實(shí)驗(yàn)猴上肢肌肉表面皮膚上，采集實(shí)驗(yàn)猴上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與電腦的連接，可以實(shí)時(shí)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)猴的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，即完成上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的構(gòu)建。

4 上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)

通過(guò)構(gòu)建上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，為上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)做鋪墊，實(shí)驗(yàn)流程如下：(1)固定實(shí)驗(yàn)猴。固定實(shí)驗(yàn)猴的頸部，調(diào)節(jié)頸部項(xiàng)圈至合適位置，將頸托板調(diào)節(jié)到合適高度使實(shí)驗(yàn)猴臀部正好坐在座板上。將猴子的腰部固定，并調(diào)節(jié)腰托板至舒適位置，簡(jiǎn)單捆綁住實(shí)驗(yàn)猴的腿部，達(dá)到更好地解放上肢作用；(2)上肢脫毛處理。將脫毛膏敷在實(shí)驗(yàn)猴的上肢上，一段時(shí)間后，用沾有酒精的紗布擦凈，實(shí)現(xiàn)潔凈脫毛；(3)開(kāi)啟肌電采集單元。將無(wú)線(xiàn)肌電采集單元與電腦相連并開(kāi)啟；(4)粘貼無(wú)線(xiàn)電極。將無(wú)線(xiàn)表面肌電電極粘貼于猴子上臂肌、前臂肌與胸大肌表面皮膚上，用綁緊帶將電極固定；(5)準(zhǔn)備動(dòng)作。采用日常生活動(dòng)作即取食和飲水來(lái)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)猴的行為動(dòng)作，以達(dá)到動(dòng)作訓(xùn)練的目的。圖 11為實(shí)驗(yàn)過(guò)程示例。

圖11 實(shí)驗(yàn)過(guò)程示例

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖12 為實(shí)驗(yàn)猴正在進(jìn)行規(guī)律取食時(shí)采集到的肌電信號(hào)。

圖12 實(shí)驗(yàn)猴在規(guī)律取食時(shí)采集的肌電信號(hào)

由圖 12 中規(guī)律的肌電信號(hào)可知，通過(guò)本文構(gòu)建的上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信號(hào)的采集實(shí)驗(yàn)是可行有效的。

5 結(jié) 論

非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)中上肢行為訓(xùn)練單元克服了以往結(jié)構(gòu)訓(xùn)練動(dòng)作單一、約束固定方式笨拙、不便于人工操作等方面的功能局限性，有效地解放了上肢。一方面，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)猴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、粘貼電極等，避免了實(shí)驗(yàn)猴攻擊帶來(lái)的人身傷害；另一方面，易于實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)行為訓(xùn)練，也便于實(shí)驗(yàn)猴與人進(jìn)行交流互動(dòng)。實(shí)驗(yàn)證明，本上肢行為訓(xùn)練單元的設(shè)計(jì)有利于肌電信號(hào)采集單元的操作，由兩者構(gòu)建的上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)猴自主完成日常生活中取食和飲水的行為動(dòng)作訓(xùn)練，并能通過(guò)肌電信號(hào)采集單元采集到較理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性好、操作方便、功能較全、成本較低，適用于各種不同體積大小的非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物上肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)。

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