肢体动作感应装置、系统及可穿戴设备的制作方法

本公开实施例涉及传感技术领域，更具体地，涉及一种肢体动作感应装置、一种肢体动作感应系统、及一种可穿戴设备。

背景技术：

目前，越来越多的应用场景允许人们通过肢体动作与周边装置或环境互动，该种互动方式被称之为体感控制。现阶段的体感控制主要通过摄像头采集用户图像，并通过处理器分析图像以确定用户肢体动作的硬件结构实现。该种通过摄像头采集用户图像以确定用户肢体动作的硬件结构，不仅活动范围受限，而且由于处理器分析图像需要较长的用时，进而还会导致基于该种结构的体感控制存在响应速度慢的问题，因此，有必要提供一种能够感应肢体动作的新装置以支持体感控制。

技术实现要素：

本公开实施例的一个目的是提供一种能够感应肢体动作的新装置，以实现体感控制。

根据本公开的一个方面，提供了一种肢体动作感应装置，该肢体动作感应装置包括肌电测量单元、惯性测量单元、及具有无线通信模块的处理装置，所述惯性测量单元的信号输出端与所述处理装置的第一信号输入端连接；所述肌电测量单元包括第一放大电路、带通滤波电路和第二放大电路；

所述第一放大电路的输入端与所述肌电测量单元的信号输入电极连接，所述第一放大电路的输出端与所述带通滤波电路的输入端连接，所述带通滤波电路的输出端与所述第二放大电路的输入端连接，所述第二放大电路的输出端与所述处理装置的第二信号输入端连接。

可选地，所述带通滤波电路包括高通滤波电路和第一低通滤波电路，所述高通滤波电路的输入端为所述带通滤波电路的输出端，所述高通滤波电路的输出端与所述第一低通滤波电路的输入端连接，所述第一低通滤波电路的输出端为所述带通滤波电路的输出端。

可选地，所述第一低通滤波电路的输出端的信号电压值高于所述第一低通滤波电路的输入端的信号电压值。

可选地，所述肌电测量单元还包括第二低通滤波电路，所述第二低通滤波电路的输入端与所述肌电测量单元的信号输入电极连接，所述第二低通滤波电路的输出端与所述第一放大电路的输入端连接。

可选地，所述肌电测量单元还包括缓冲器电路，所述缓冲器电路连接在所述第二低通滤波电路的输出端与所述第一放大电路的输入端之间。

可选地，所述肌电测量单元还包括驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述第一放大电路的输出端连接，所述驱动电路的输出端与所述信号输入电极连接。

可选地，所述传感装置还包括电源模块，所述电源模块与所述肌电测量单元和所述惯性测量单元供电连接。

可选地，所述肢体动作感应装置还包括壳体，所述肌电测量单元、惯性测量单元和处理装置设置在所述壳体中，所述信号输入电极通过所述壳体外露；

所述信号输入电极相对所述壳体的表面向外凸出；

所述信号输入电极包括中心部及从所述中心部向外延伸出的分支部；

所述信号输入电极的分支部的自由端包括两个弯钩部，所述两个弯钩部向相反的方向弯曲，以在相邻两个分支部之间形成向中心部收拢的区间。

根据本公开的第二方面，还提供了一种可穿戴设备，该可穿戴设备包括根据绑带和至少一个根据本公开的第一方面所述的肢体动作感应装置，所述肢体动作感应装置连接在所述绑带上。

根据本公开的第二方面，还提供了一种肢体动作感应系统，该系统包括上位机和至少一个根据本公开的第一方面所述的肢体动作感应装置，所述肢体动作感应装置与所述上位机无线通信连接；或者，

所述肢体动作感应系统包括上位机和至少一个根据本公开的第二方面所述的可穿戴设备，所述上位机与所述可穿戴设备的肢体动作感应装置无线通信连接。

本公开实施例的一个有益效果在于，本实施例肢体动作感应装置包括肌电测量单元和惯性测量单元，通过肌电测量单元能够测量反映肢体动作的肌电信号，通过惯性测量单元能够测量反映肢体动作的惯性信号，因此，本实施例的肢体动作传感装置能够提供反映肢体动作的肌电数据和惯性数据，进而使得肢体动作感应系统能够根据肌电数据和惯性数据，确定对应的肢体动作，进而实现体感控制。对于本实施例的肢体动作感应装置，由于其是与用户皮肤接触来感应肢体动作，因此，在用户佩戴该肢体动作感应装置进行体感控制时，用户的活动范围将不会受限，这使得该肢体动作感应装置能够适应更多的应用场景；另外，通过该肢体动作感应装置进行体感控制，将可以省去通过复杂算法进行图像识别，这能够明显提高肢体动作感应系统对于体感控制的响应速度，进而提升用户体验。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据一个实施例的肢体动作感应装置的结构示意图；

图2是根据另一个实施例的肢体动作感应装置的结构示意图；

图3是根据又一个实施例的肢体动作感应装置的结构示意图；

图4是根据再一个实施例的肢体动作感应装置的结构示意图；

图5是根据一个实施例的可穿戴设备的结构示意图；

图6是根据一个实施例的信号输入电极的结构示意图；

图7是根据一个实施例的肢体动作感应系统的组成结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人物已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

<感应装置实施例>

图1是根据一个实施例的肢体动作感应装置的结构示意图。如图1所示，该肢体动作感应装置100包括肌电测量单元110、惯性测量单元120和具有无线通信模块的处理装置130，其中，惯性测量单元120的信号输出端与处理装置130的第一信号输入端连接，以向处理装置130输出惯性信号，肌电测量单元110的信号输出端与处理装置130的第二信号输入端连接，以向处理装置130输出肌电信号。

处理装置130可以根据肌电信号获得反映肢体动作的肌电数据，及根据惯性信号获得反映肢体动作的惯性数据，并通过无线通信模块将肌电数据和惯性数据发送至上位机，以供上位机根据肌电数据和惯性数据确定对应的肢体动作，例如确定对应的手势动作，进而实现体感控制。

本实施例中，肌电测量单元用于采集用户在进行肢体动作时产生的表现为动作电位序列的电信号，并对该电信号进行信号处理后得到反映肢体动作的肌电信号。

人体躯体的动作受到骨骼肌纤维的统一控制，骨骼肌纤维在舒张状态和收缩状态之间相互转换，当肢体表面的所有骨骼肌纤维协调配合改变状态即产生了动作。运动神经直接作用于骨骼肌纤维，一个运动神经元与其控制的所有骨骼肌纤维组成了一个运动单元，大量运动单元构成骨骼肌运动系统。神经元通过放电来支配骨骼肌纤维产生收缩或舒张，当人体大脑想要控制肢体运动时，通过神经传导意图信号，控制运动神经元放出生物电信号，进而刺激骨骼肌纤维运动。这个过程会导致肌细胞膜内外离子浓度发生变化，从而导致肌细胞膜上电位差出现变化，当这些电位差累积到一定程度，就形成了电位，一个运动单位内的所有电位的累加就是动作电位，持续的动作形成动作电位序列。

如图1所示，肌电测量单元110可以包括第一放大电路111、带通滤波电路112和第二放大电路113。

该第一放大电路111的输入端与肌电测量单元的信号输入电极j1连接，该信号输入电极j1用于与用户的皮肤接触，以接收表现为动作电位序列的电信号。该第一放大电路111的输出端与带通滤波电路112的输入端连接。该带通滤波电路112的输出端与第二放大电路113的输入端连接，该第二放大电路113的输出端作为肌电测量单元110的信号输出端，与处理装置130的第二信号输入端连接。

本实施例中，第一放大电路111作为前级放大电路，用于抑制所接收到的电信号中的共模信号，并保留所接收到的电信号中的差模信号，其中，用于形成肌电信号的电信号为差模信号。

该第一放大电路111可以采用差分放大电路。

该第一放大电路111可以包括仪表放大器。在此，利用仪表放大器和电阻、电容等器件构成放大电路是现有技术手段，在此不再赘述。

该第一放大电路111的放大倍数例如为500倍。

本实施例中，带通滤波电路112用于滤除所接收到的信号中的无用信号，得到质量更好的肌电信号。该带通滤波电路112可以采用有源滤波电路。

该带通滤波电路112的带通范围例如是大于或者等于0.5hz，且小于或者等于500hz。

在一个实施例中，如图1所示，该带通滤波电路112可以包括串联连接的高通滤波电路1121和第一低通低通电路1122，该高通滤波电路1121的输入端为带通滤波电路的输出端，即，高通滤波电路1121的输入端与第一放大电路111的输出端连接，该高通滤波电路1121的输出端与第一低通滤波电路1122的输入端连接，该第一低通滤波电路1122的输出端为带通滤波电路112的输出端，即，该第一低通滤波电路1122的输出端与第二放大电路113的输入端连接。

该实施例中，高通滤波电路包括至少一个运算放大器，第一低通滤波电路也包括至少一个运算放大器。例如，该高通滤波放大电路可以采用由运算放大器实现的积分反馈电路。又例如，该第一低通滤波电路可以采用巴特沃斯二阶低通滤波电路等，在此不做限定。

在一个实施例中，该第一低通滤波电路1122的输出端的信号电压值可以高于该第一低通滤波电路1122的输入端的信号电压值。这说明，该第一低通滤波电路1122在进行低通滤波的同时，还能够进行信号放大，以在第一放大电路111与第二放大电路113之间，进行二级放大，进而提供信号质量。

在另外的实施例中，该带通滤波电路112也可以由一个运算放大器实现，在此不做限定。

本实施例中，该第二放大电路113用于抬升所接收到的电信号的电压，以获得高质量的肌电信号，这可以使得处理装置130对于肌电信号的模数转换更高效，进而提高采样精度。

该第二放大电路113作为后级放大电路，其放大倍数可以远远低于第一放大电路111的放大倍数。该第二放大电路113的放大倍数可以根据处理装置130的电压范围确定，以使得肌电信号的电平抬升至满足处理装置130的信号采集要求。

该第二放大电路113例如可以是由运算放大器实现的放大电路。

本实施例中，该处理装置130的无线通信模块、微控制器、模数转换模块等，可以均集成在一个芯片中。该处理装置130例如可以为无线单片机，或者称之为无线soc。

在另外的实施例中，该处理装置130也可以包括独立于微控制器设置的无线通信模块，微控制器的信号输出端与无线通信模块连接。

本实施例中，处理装置130具有的无线通信模块可以为wi-fi通信模块。

在另外的实施例中，该无线通信模块也可以是基于gprs等移动通信网络的通信模块，在此不做限定。

本实施例中，惯性测量单元120可以包括三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，对应地，该惯性测量单元120向处理装置130输出的惯性信号可以包括加速度信号和角速度信号。在此，在用户佩戴该肢体动作感应装置100的情况下，惯性测量单元120输出的惯性信号能够反映用户的动作姿态，因此，根据该惯性信号能够获得反映肢体动作的惯性数据。

本实施例中，如图1所示，该肢体动作感应装置100还可以包括电源模块140，该电源模块140与肌电测量单元110和惯性测量单元120供电连接，以为肌电测量单元110和惯性测量单元120的用电器件提供工作电压。

该实施例中，该电源模块140可以包括电池模组和低压差线性稳压器，通过低压差线性稳压器将电池模组输出的电压转换为肌电测量单元110和惯性测量单元120的用电器件所需的工作电压。

在另外的实施例中，该肢体动作感应装置100也可以通过外接电源供电，在此不做限定。

根据图1所示实施例的肢体动作感应装置100，由于其是通过与用户皮肤接触来感应肢体动作，因此，在用户佩戴该肢体动作感应装置进行体感控制时，用户的活动范围将不会受限，这使得该肢体动作感应装置能够适应更多的应用场景。

另外，根据图1所示实施例的肢体动作感应装置100，通过该肢体动作感应装置进行体感控制，将可以省去通过复杂算法进行图像识别，这能够明显提高用户进行体感控制的响应速度，进而提升用户体验。

由于肌电测量单元110的信号输入电极j1与空气和人体皮肤接触，而空气和人体中均会有很多噪声干扰有效的肌电信号，所以，在一个实施例中，可以在肌电测量单元110的最前端加入一级低通滤波电路，以提升肌电测量单元110抵抗噪声的抗噪性能。

该实施例中，如图2所示，该肌电测量单元110还可以包括第二低通滤波电路114，该第二低通滤波电路114的输入端与肌电测量单元110的信号输入电极j1连接，该第二低通滤波电路114的输出端与第一放大电路111的输入端连接。

该第二低通滤波电路114的截止频率例如可以为760hz。

在一个实施例中，为了能够从人体皮肤提取更多有效的电信号，如图3所示，该肌电测量单元110可以在第二低通滤波电路114与第一放大电路111之间增加缓冲器电路115。

该缓冲器电路可以由双通道运算放大器实现，以通过匹配输入阻抗从人体皮肤提取更多有效的肌电信号，同时解决因为信号输入电极与皮肤接触阻抗较大所导致的输入不平衡的问题。

在一个实施例中，如图4所示，该肌电测量单元110还可以包括驱动电路116，该驱动电路的输入端与第一放大电路111的输出端连接，该驱动电路的输出端与肌电测量单元110的信号输入电极j1连接。该驱动电路例如可以采用双通道运算放大器实现等。

该实施例中，该驱动电路116可以将第一放大电路111输出的共模信号通过信号输入电极j1反向输出到用户皮肤上，从而调整第一放大电路111的动态范围，增加第一放大电路111的动态性能，同时也可以将第一放大电路111中没有消除的一部分共模噪声抵消掉，增加肌电测量单元110的抗噪性能。

在一个实施例中，该肢体动作感应装置100还可以包括指示灯电路，该指示灯电路的控制端与处理装置130连接，以根据处理装置130的控制进行状态指示，例如在肢体动作感应装置100进行wi-fi连接时进行连接状态的指示等。

<设备实施例>

图5是根据一个实施例的可穿戴设备的结构示意图。如图5所示，该可穿戴设备500包括绑带510和至少一个肢体动作感应装置100，该肢体动作感应装置100连接在该绑带510上。

该肢体动作感应装置100可以活动连接在绑带510上，也可以固定连接在绑带510上，在此不做限定。

例如，该肢体动作感应装置100包括如图5所示的壳体180，以上肌电测量单元110、惯性测量单元120和处理装置130均设置在该壳体180中，肌电测量单元110的信号输入电极j1通过该壳体180外露。该壳体180可以设置有供绑带510穿过的孔181，肢体动作感应装置100可以通过该孔181连接在绑带510上。

在一个实施例中，肌电测量单元110的信号输入电极j1可以相对壳体180的表面向外凸出，以提高信号输入电极j1与人体皮肤间接触的可靠性。

在一个实施例中，如图6所示，该信号输入电极j1可以包括中心部j11及从中心部j11向外延伸出的分支部j12，以使得信号输入电极j1能够具有较大的面积接触人体皮肤，进而提高信号输入电极j1与人体皮肤间接触的可靠性。

在一个实施例中，如图6所示，该信号输入电极j1的分支部j12的自由端可以包括两个弯钩部j121，两个弯钩部j121向相反的方向弯曲，以在相邻两个分支部j12之间形成向中心部j11收拢的区间a1，其中，分支部j12的自由端为与中心部j11连接的第一端相对的另一端。通过该种结构，可以增加信号输入电极j1与人体皮肤间的接触黏性，提高接合力，进而保证信号输入电极j1与人体皮肤间接触的可靠性。

该绑带510的两端可以设置尼龙搭扣等能够将可穿戴设备500固定在肢体上的组接部。

在用户需要佩戴该可穿戴设备500时，可以通过绑带510将肢体动作感应装置100固定在用户肢体上，例如固定在用户大臂、小臂、大腿或者小腿上等，以通过肢体动作感应装置100感应用户的肢体动作。

<系统实施例>

图7是根据一个实施例的肢体动作感应系统的组成结构示意图。如图7所示，该肢体动作感应系统700包括上位机710和至少一个肢体动作感应装置700，这些肢体动作感应装置700通过自己的无线通信模块与上位机710无线通信连接，以将肌电数据和惯性数据发送至上位机710。

该上位机710可以是pc机、笔记本电脑等终端设备，也可以是本地服务器，还可以是远程服务器等，在此不做限定。

在另外的实施例中，该肢体动作感应系统还可以包括上位机710和至少一个以上可穿戴设备510，不同可穿戴设备510可以具有相同数量的肢体动作感应装置100，也可以具有不同数量的肢体动作感应装置100，在此不做限定。

上位机710可以根据这些肢体动作感应装置100提供的肌电数据和惯性数据，确定对应的肢体动作，例如确定对应的手势动作，并向被控设备发送与该手势动作相匹配的控制指令，以使得该被控设备根据该控制指令进行控制响应，进而实现体感控制。

该被控设备可以是娱乐设备，也可以是各种家用电器，还可以是无人机或者无人车等设备，在此不做限定。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人物来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人物能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。