，加速度传感器采用I2C数据通讯方式向控制器传输采样数据并接收控制器的控制命令。
[0056]肌电传感器采用24位双通道A/D转换器，输入方式采用差分输入，即电极的正负端均与被测对象导联，导联方式为Ag-AgCl电极;为了减少干扰并增加系统稳定性，在模拟采集前端设有基本的滤波、缓冲和放大电路，同时装置采用右腿驱动技术，通过右腿驱动电极来对干扰信号进行修正，即通过负反馈以大幅减少受试者的电磁干扰与共模干扰，所述右腿驱动电极是由于常用的反馈部位位于右腿，因此称为右腿驱动。本发明的右腿驱动电极直接放置于受试部位以实现便携性;肌电传感器采用SPI数据通讯方式向控制器传输采样数据并接收控制器的控制命令，为了确保A/D转换器的精确度，采用正负2.5V电源供电。
[0057]为了确保系统功能的正常使用，电源模块如图3所示:
[0058]采用L1-1on电池供电，电池工作电压为2.7V至4.3V，同时亦可采用5V外接电源供电，其中外接电源使用IA保险丝、6V瞬态抑制二极管以确保电路的安全性:当无外接电源时，系统使用电池供电，充放电管理模块输出电压与电池相等；当有外接电源时，系统使用外接电源供电，充放电管理模块输出电压与外接电源相等，此时外接电源向电池充电直至电池充满，充电电流为500mA;同时，充放电管理模块输出状态信号，包括电池电压低、正在充电、有无外接电源和故障信号。
[0059]经由电源管理模块后，系统采用3.3V稳压器经DC-DC变换获得3.3V电源，采用2.5V稳压器将3.3V电源稳压至2.5V，采用电压反相器从3.3V电源获取-3.3V电源，采用-2.5V稳压器将-3.3V电源稳压至-2.5V，整个稳压流程如图3所示。
[0060]信号采集部的主要硬件使用电压如下:
[0061]1.控制器:3.3V;
[0062]2.蓝牙模块:3.3V;
[0063]3.W1-Fi 模块:3.3V;
[0064]4.加速度传感器:3.3V;
[0065]5.肌电传感器:2.5V 和-2.5V。
[0066]本发明的软件流程图如图4所示:
[0067]信号采集部开机后一直尝试与手机APP应用部连接，此过程根据需要的不同，连接方式可设置为蓝牙或W1-Fi，连接成功后便等待APP的指令，APP控制其工作，一旦连接丢失，检测设备停止工作，重新尝试连接，检测设备工作时将采集到的肌电信号和加速度信号通过控制器打包后，发送至手机APP。
[0068]手机APP应用部启动后一直尝试与信号采集部连接，此过程根据需要的不同，连接方式可设置为蓝牙或W1-Fi，并在手机屏幕上显示连接状态，连接成功后等待用户的指令，当用户发出“开始”指令后，通过无线的方式启动检测设备；当用户发出“显示”命令后，屏幕被激活，显示当前健身效果;当用户发出“退出”指令后，检测结束。
[0069]正常工作时，检测设备不断通过无线方式实时上传检测到的肌电信号和加速度信号，手机APP从接收缓冲区取出数据，经过滤波、特征提取等过程后，分析出受试者当前的健身效果。
[0070]具体而言，对于肢体的运动状态，可由肢体的运动速度及加速度分析得到，理论上来看，速度可由加速度对时间积分得到，因此检测肢体的六轴加速度，即X，Y，Z轴加速度和角加速度，即可分析出健身者的肢体运动状态;肌肉在运动过程中，会在收缩时产生较强的电信号，该信号的特征会随着肌肉运动速度及强度的变化而变化，其特征在时域中包括绝对幅值、相对幅值、变化趋势和信号间隔，其中相对幅值为相对于均值的幅值，变化趋势通过差分值获得，在频域中包括频谱和功率谱;一般而言，随着肌肉疲劳程度的增加，其产生电信号的能力会减弱，无论是电信号的变化速度还是信号幅值，都会相应的减小，即在上述特征值中，信号幅值可反映肌肉活动的强度，而脉冲信号间隔可反映肌肉运动的频率，同时在频域的许多特征值，也能相应的反映出受试者的锻炼状态;鉴于肌电信号的复杂性，本发明采用模式识别理论中的支持向量机方法对肌肉电信号的特征值与加速度的特征值进行融合分析以评价健身效果。
[0071]为提取上述特征值，首先需要对信号进行降噪处理，以确保数据的可靠性与准确性，本发明首先对肌肉电信号中的基线漂移、工频干扰以及高频干扰进行处理，然后通过小波包的方法分离出测得的肌电信号中的有用信号，对于加速度信号经平滑处理进行姿态解笪并ο
[0072]对于基线漂移，采用中值滤波的方法进行处理，如公式I所示，使用中值滤波对数字信号序列^进行滤波处理时，首先应选取需要的滤波窗口长度L，本发明取201，则系统滤波后的输出序列为:
[0073]y j—Π1Θ(1 { Xj-m , Xj-m+1, - , Xj , Xj+m-1, Xj+m} (I)
[0074]式中med(x)——序列X中的元素按大小顺序排列的中间元素的值;L= 2m+1，其中m为正整数。
[0075]对于高频干扰，因其频谱不与有效的肌电信号相混叠，使用切比雪夫低通滤波器进行处理，截止频率为60Hz ;对于工频干扰，在中国为50Hz交流电，设计50Hz陷波器进行处理。
[0076]经由上述处理后，本发明提取出前文所述的所有特征值，即肌电信号的绝对幅值、相对幅值、差分值、脉冲信号间隔、频谱和功率谱及肢体运动状态参数，按照此方法采集多组志愿者在不同健身强度下的数据，其健身效果由专业人士评价，然后使用此数据构成支持向量机训练样本集合，得出一个合适的分类器以用于评价健身效果;为了避免个体差异，本发明在使用时会首先对受试者进行校准，即测试受试部位在未健身时的特征状态。例如首先对一百位年龄、性别均有差异的志愿者在不同的锻炼强度下进行数据采集，作为基础样本库，对基础样本库采用支持向量机的方法进行训练，得出一个基础分类器，并保存于手机APP中；用户在使用本系统时，首先在完全没有锻炼时进行零基准校正，此后利用此基础分类器对其进行训练效果评价。
[0077]本发明系统具有体积小、功耗低、续航能力强的特点，使用时应附着于需要测试的身体部位附近，如图5所示，例如需要进行手臂健身效果测试时，可将该设备通过腕带或粘贴的方法固定在手臂上或靠近手臂的衣物中。本装置每一通道具有三个电极，使用时应将三个电极全部直接粘贴在测试部位的皮肤上，三个电极的分布呈正三角形即可，推荐间距3cm0
[0078]本发明通过可穿戴装置获取健身者的肌电信号和肢体运动姿态，并通过无线的方式将数据上传至手机APP，经由手机软件进行相应的处理与分析，从而客观地判断健身者的健身效果，进而为健身者提供可靠的信息参考，帮助健身者判断当前肌肉疲劳程度与运动量。
【主权项】
1.一种基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，它包括信号采集部和手机APP应用部， 信号采集部包括电极(1-1 )、肌电传感器(1-2)、控制器(1-3)、采集信号无线传输模块(1-4)和加速度传感器(1-5); 手机APP应用部包括处理信号无线传输模块(2-1)、处理器(2-2)和用户模块(2-3); 电极(1-1)的正极端与负极端与被测对象导联，电极(1-1)的右腿驱动电极放置于被测对象的受试部位； 肌电传感器(1-2)通过电极(1-1)对被测对象的肌电信号进行差分采集，并接收控制器(1-3)传递的肌电采集控制信号； 加速度传感器(1-5)用于检测被测对象的肢体运动状态，并接收控制器(1-3)传递的加速度采集控制信号； 控制器(1-3)用于将肌电信号和肢体运动状态信号进行打包，并接收采集信号无线传输模块(1-4)传递的肌电采集控制信号和加速度采集控制信号； 采集信号无线传输模块(1-4)与处理信号无线传输模块(2-1)实现信号采集部和手机APP应用部的信号交互； 处理器(2-2)用于接收打包后的肌电信号和肢体运动状态信号，采用小波变换方法实现信号的降噪处理，并进行特征提取，再通过支持向量机算法进行数据分析，获得被测对象的健身效果数据;并接收用户模块(2-3)发送的肌电采集控制信号和加速度采集控制信号； 用户模块(2-3)用于显示被测对象的健身效果数据，并发送肌电采集控制信号和加速度米集控制?目号。2.根据权利要求1所述的基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，所述肌电传感器(1-2)由滤波电路、缓冲电路、放大电路和AD转换芯片组成，电极(1-1)传导的肌电信号依次经滤波电路、缓冲电路和放大电路传递给AD转换芯片。3.根据权利要求1所述的基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，所述加速度传感器(1-5)为16位6轴加速度传感器。4.根据权利要求1所述的基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，采集信号无线传输模块(1-4)与处理信号无线传输模块(2-1)均为W1-Fi模块或者均为蓝牙模块。5.根据权利要求1所述的基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，它还包括电源模块，电源模块用于为控制器(1-3)和采集信号无线传输模块(1-4)供电。6.根据权利要求1所述的基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，其特征在于，所述支持向量机算法的支持向量机训练样本集合获得方法为:采集多组志愿者在不同健身强度下的数据，评价其健身效果数据，使用健身效果数据构成支持向量机训练样本集合，并获得基准分类器。
【专利摘要】基于肌电信号及肢体动作检测的健身效果评价系统，属于健身评价技术领域。本发明是为了解决根据主观意愿进行健身效果评价结果不准确的问题。它包括信号采集部和手机APP应用部，信号采集部包括电极、肌电传感器、控制器、采集信号无线传输模块和加速度传感器；手机APP应用部包括处理信号无线传输模块、处理器和用户模块；电极的正极端与负极端与被测对象导联，电极的右腿驱动电极放置于被测对象的受试部位；它通过肌肉电信号及肢体运动速度、加速度的检测与分析，来评价健身效果，健身效果的描述与肌肉疲劳程度及运动量相关，通过手机APP进行信息反馈与数据管理。本发明用于评价健身效果。
【IPC分类】A63B71/06, A61B5/0488, A61B5/11
【公开号】CN105597298
【申请号】CN201610206465
【发明人】王缘, 王启松, 刘丹, 刘昕, 孙金玮, 郭明
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年4月5日