一种肌电颈部按摩装置以及控制方法与流程

本发明涉及生物电信号的采集与处理的技术领域，尤其是一种肌电颈部按摩装置以及控制方法。

背景技术：

肌电信号(emg)是众多肌纤维中运动单元动作电位(muap)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(semg)是浅层肌肉emg和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；相对于针电极emg，semg在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因而，semg在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值表面肌电信号是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创检测肌肉活动的重要方法。研究分析表面肌电信号的检测与分析方法，也包括检测技术与装置及利用表面肌电信号反馈控制外部装置的方法等。其应用背景主要集中在康复医学和体育科学两大领域。

按摩仪是根据物理学、仿生学、生物电学、中医学以及多年临床实践研制开发的保健器材。但目前市面上鲜有与肌电信号相关技术相结合的按摩仪，目前按摩仪仍然是控制部分和动作部分组合成一体化装置，独立性差，且存在干扰，且使用过程中使用者需要完成一系列的动作或取下按摩仪进行控制；其他遥控类的按摩装置也会存在遥控器丢失导致不能控制按摩装置的情况。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种控制方法简单，控制部分和动作部分独立工作的肌电颈部按摩装置。

本发明实施例所采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供了一种肌电颈部按摩装置，包括：

肌电手环，用于采集与处理肌电信号，生成控制指令发送至颈部按摩装置；

颈部按摩装置，用于接收所述控制指令并完成动作；所述颈部按摩装置包括控制部分和外围部分，所述控制部分嵌套在外围部分内。

进一步，所述肌电手环包括：肌电传感器，用于采集并处理肌电信号；第一控制模块，用于接收处理后的肌电信号并转化成控制信号发送至颈部按摩装置；第一电源模块，用于给肌电传感器模块以及第一控制模块供电；所述第一控制模块分别与肌电传感器和第一电源模块连接；所述第一电源模块与肌电传感器连接。

进一步，所述肌电手环还包括：第一指示灯，用于显示肌电手环的工作状态；第二指示灯，用于显示与颈部按摩装置的连接状态；第一按键，用于开启或关闭肌电手环。

进一步，所述控制部分包括：第二控制模块，用于根据肌电手环的控制信号改变电流强度和/或波形；输出模块，用于根据改变后的电流强度和/或波形生成低频脉冲；金属电极片，用于输出低频脉冲；第二电源模块，用于给颈部按摩装置供电；外围电路，具体包括单双极性转换电路、限流电路以及恒流电路；所述第二电源模块分别与第二控制模块以及输出模块连接；所述单双极性转换电路的一端与第二控制模块连接，所述单双极性转换电路的另一端与输出模块的一端连接，所述输出模块的另一端与恒流电路的一端连接，所述恒流电路的另一端与限流电路的一端连接，所述限流电路的另一端与所述金属电极片连接。

进一步，所述控制部分还包括：第三指示灯，用于显示颈部按摩装置的工作状态；第二按键，用于开启或关闭颈部按摩装置；第四指示灯，用于显示与肌电手环的连接状态；第三按键，用于连接或断开与肌电手环的通讯。

进一步，所述颈部按摩装置与肌电手环通过蓝牙连接。

另一方面，本发明实施例提供了一种肌电颈部按摩装置的控制方法，用于控制所述的肌电颈部按摩装置，包括以下步骤：

通过肌电手环的肌电传感器采集肌电信号；

对所述肌电信号进行分类；

将分类结果转化为控制指令发送至颈部按摩装置的控制部分；

根据所述控制指令的类型完成动作；所述控制指令包括：模式变化指令、档数增/减指令和开启/关闭工作模式指令。

进一步，所述对所述肌电信号进行分类这一步骤具体包括：对所述肌电信号进行活动段检测；对活动段检测到的有效信号进行分割处理；对分割出的动作信号进行特征参数提取，获取特征向量；对所述特征向量进行降维处理；通过分类器对降维处理后的特征向量进行分类，得到分类结果。

进一步，所述根据所述控制指令的类型完成动作这一步骤具体包括：

当控制指令为模式变化指令:根据所述模式变化指令输出对应的单极性信号；将所述单极性信号转换成双极性控制信号；将所述双极性控制信号输出至电极片；

当控制指令为档数增/减指令：根据所述档数增加指令增大输出电流或根据所述档数减小指令减小输出电流；

当控制指令为开启/关闭工作模式指令：根据所述开启工作模式指令开始输出低频脉冲或根据所述关闭工作模式指令停止输出低频脉冲。

进一步，所述特征参数包括：均方根值、平均绝对值、方差、波形长度、积分肌电值、最大值、最小值、过零率、斜率符号变化数、威利森幅值、平均幅度改变以及肌肉收缩力的大小。

本发明的有益效果是：

本发明的系统包括肌电手环和颈部按摩装置，肌电手环进行肌电信号的采集、处理与判断，形成相应指令，按摩器主体部分根据收到的指令控制不同的操作，两部分独立工作，之间只有控制指令的通信交流，相互之间的干扰与影响较小，相互依赖性低，使用更为便捷，适用性广。

本发明的控制方法通过肌电手环采集用户手臂动作的肌电信号，并分类处理对应生成控制指令发送至颈部按摩装置，颈部按摩装置根据接收的指令完成对应动作，在控制过程中的肌电信号直接来源于使用者对应部位的肌群，操作过程不繁复，无需依赖其他遥控装置，控制指令更为精确，避免误操作。

附图说明

图1为本发明具体实施例的颈部按摩装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的肌电手环的结构示意图；

图3为本发明具体实施例的肌电手环佩戴示意图；

图4为本发明具体实施例的肌电传感器的电信号采集通道电极放置位置示意图；

图5为本发明具体实施例的肌电手环的控制中心盒的结构示意图；

图6为本发明具体实施例的控制中心盒的内部构造的示意图；

图7为本发明具体实施例的颈部按摩装置的控制部分的结构示意图；

图8为本发明具体实施例的颈部按摩装置的控制部分的内部结构示意图；

图9为本发明具体实施例的颈部按摩装置的控制部分的内部模块部件的示意图；

图10为本发明一种电颈部按摩装置的控制方法的步骤流程图；

图11为本发明具体实施例的肌电手环的控制方法的步骤流程图；

图12为本发明具体实施例的颈部按摩装置的控制方法的步骤流程图。

附图标记：1、第三指示灯；2、第四指示灯；3、第二按键；4、第三按键；5、颈部按摩装置控制部分；6、电极片；7、颈部按摩器外围部分；8、固定层；9、支撑柱；10、第二电源模块；11、第二控制模块；12、外围电路部分；13、第一可粘性材料；14、肌电传感器；15、连接固定层、16、第二可粘性材料；17、中心控制盒；18、第一指示灯；19、第二指示灯；20、第一按键；21、充电口；22、充电指示灯；23、第一电源模块；24、第一控制模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明提供一种肌电颈部按摩装置，包括：肌电手环和颈部按摩装置；参照图2，肌电手环主要包括控制中心盒17以及表带，表带两端(一端为上表面，一端为下表面)分别设置有可粘性材料13以及16，例如魔术贴以及磁石等，参照图3，可将整个手环舒适地固定在使用者小臂上；肌电传感器14设置在中心控制盒的下表面并贯穿表带；参照图4，由于本实施例的指令动作仅涉及手掌和手腕，且不繁复，所以肌电传感器采集五指伸肌和尺侧腕屈肌的肌电信号。控制中心盒通过连接固定层15固定在表带上；参照图5，控制中心盒的一侧设置有充电口21和充电指示灯22，另一侧设置有第一指示灯18、第二指示灯19以及第一按键20，手环开机时指示灯18亮，与颈部按摩装置连接成功指示灯19亮，按下按键可让肌电手环开机或关机。

参照图6，中心控制盒内部有第一电源模块23以及第一控制模块24，均通过支撑柱9固定在中心控制盒内(同时支撑柱也给各模块提供支撑作用)，第一控制模块分别与肌电传感器和第一电源模块连接；所述第一电源模块同时也与肌电传感器连接，第一电源模块给第一控制模块以及肌电传感器供电，第一控制模块用于将肌电传感器所采集的肌电信号进行处理并分类，对应生成控制信号发送至颈部按摩装置。

参照图1，颈部按摩装置包括控制部分5和外围部分7，所述控制部分嵌套在外围部分内；控制部分为主要的运行工作部分，包括控制处理单元、电极片和外部的机械机构；外围部分主要为舒适柔软的填充物，可将机械控制部分套在里面，给使用者颈部周围一层温和、温暖的保护，在使用时更加放松与舒缓，而且可拆设计也方便用户对外层部分进行清洗。

参照图7，控制部分的外表面设置有第三指示灯1、第四指示灯2、第二按键3以及第三按键4；按下第二按键按摩器开启或者关闭，按下第三按键与肌电手环部分进行匹配；按摩器开启第三指示灯亮，连接成功第四指示灯亮；此外，控制部分的外表面还设置有电极片6，输出的低频脉冲通过电极片输出到人体颈部需要按摩的部位。

参照图8和图9，控制部分的内部设置有固定层8，第二控制模块11、第二电源模块10、以及外围电路部分12均通过支撑柱9固定在固定层上；第二电源模块分别与第二控制模块以及输出模块连接；所述单双极性转换电路的一端与第二控制模块连接，所述单双极性转换电路的另一端与输出模块的一端连接，所述输出模块的另一端与恒流电路的一端连接，所述恒流电路的另一端与限流电路的一端连接，所述限流电路的另一端与所述金属电极片连接；第二控制模块通过接收来自肌电手环部分的指令，并根据指令执行相应操作。指令为输出模式时，主控制板输出需要的波形，再经过单双极性转换电路(按摩器低频脉冲应为正负完全对称的双极性控制信号)、限流电路与恒流电路，最后输入到电极片上；指令为强度增减时，控制输出电流对应的增减；指令为关闭工作模式时，停止向电极片输出低频脉冲并进入等待“开启工作模式”指令状态，指令为开启工作模式时，进入等待输出模式指令状态。

作为一种实施方式，颈部按摩装置与肌电手环通过蓝牙连接。

参照图10，本发明实施例还提供了一种肌电颈部按摩装置的控制方法用于控制所述的肌电颈部按摩装置，包括以下步骤：

s101、通过肌电手环的肌电传感器采集肌电信号；参照图11，在确认肌电手环与颈部按摩装置连接成功的情况下，利用肌电传感器的两对电极分别采集五指伸肌与尺侧腕屈肌两个通道肌电信号，对采集到的肌电信号进行处理(滤波、放大等)后传到主控制模块。

s102、对所述肌电信号进行分类；具体的，首先对肌电信号进行活动段检测，通过检测算法从semg中确定肌肉神经单元的收缩事件是否发生，即找到动作开始和结束的采样点，本实施例中采用移动平均法进行检测：在肌电手环上，有两个采样通道，设两个通道在t时刻采样的平均值为x(t)，则有

设置窗口大小为w＝64，窗移为wn＝32，每个窗口内信号的能量ek为：

式中，xi表示在窗函数移到的活动段内，两个通道在第i个采样点的采样平均值。然后设置阈值为th，若ek>th，则该活动段是有效活动段；否则，该活动段不是有效活动段。当一个窗口的ek大于th且紧随其后的两个窗口的ek都大于th，判断为动作开始；当一个窗口的ek不大于th且紧随其后的两个窗口的ek均不大于th，判断为动作结束。

然后，对检测到的有效信号抵用窗口函数进行分割处理，通过重叠窗口信号分割方式，实现对数据的拆分以便使用小段当前数据进入特征提取和模式识别过程。特征提取的过程是调用特征提取算法，对分割出的动作信号提取出特征向量，本实施例中采用级联的时域-自回归参数(tdar)特征提取方法，先构建ar自回归模型：

式中xi表示肌电信号第i个采样点的幅值，wi表示一组白噪声系列，p为ar模型的阶数，其中参数ak可由最小二乘法确定；如下时域参数作为特征(其中n为信号长度，xi表示肌电信号第i个点的幅值)以及相关计算公式：

均方根值(rms)：

平均绝对值(mav)：

方差(var)：

波形长度(wl)：

积分肌电值(iemg)：

最大值(max)：

max＝maximum(x1,x2,x3…xn)(9)

最小值(min)：

min＝minimum(x1,x2,x3…xn)(10)

过零率(zc)：

其中δi＝|xi+1-xi|。

斜率符号变化数(ssc)：

威利森幅值(wamp)

其中δi＝|xi+1-xi|。

平均幅度改变(aac)

v-order(v)：

在公式(15)中，v-order(缩写为v)是指近似估计肌肉收缩力的大小，公式(15)中v以及为指数参数。在本实施例中，semg的幅值一般与肌肉运动成正比，所以将某一段肌电信号的幅值以求平均值的形式而求得的数值可以预测肌肉运动力的大小，且当v＝3时测得预测效果最佳。

通过十二个特征参数结合ar自回归模型提取出特征向量，由于各种方法直接提取的特征向量维度过高，运算耗时长，不利于训练器分类，所以对提取出的特征向量再进行降维处理，并通过预先训练好的分类器以及压缩后的特征向量对肌电信号进行分类识别，本实施例中采用svm(支持向量机)作为分类器，且并非本方法的核心过程，故在此不做赘述。

s103、将分类结果转化为控制指令发送至颈部按摩装置的控制部分；具体的，将分类结果转化为相应的控制指令通过主控制板上的蓝牙接口发送给颈部按摩器的控制部分。

s104、根据所述控制指令的类型完成动作；参照图12，颈部按摩装置的第二控制模块先完成与肌电手环的连接，随后对接收到来及肌电手环的指令进行类型判断；

(1)当指令为模式指令，根据指令对应的模式，调用相关程序实现相应波形的输出，将输出的单极性信号转换为正负对称的双极性控制信号，经限流、恒流电路输出到电极片上，之后保持当前工作状态并等待下一条指令；

(2)当指令为档数增/减指令，根据増档指令将输出电流增大0.5ma或根据减档指令将输出电流减小0.5ma，之后保持当前工作状态并等待下一条指令；

(3)当控制指令为开启/关闭工作模式指令，根据关闭工作模式指令停止低频脉冲的输出，等待直至接收到开启工作模式指令，重新开始工作。

此外，本实施例的颈部按摩装置将不大于100hz的低频脉冲通过电极片输入到人体颈部位置，通过控制输出波形形状与设置波形输出参数来模拟三个模式(按摩、针灸、锤击)的按摩手法，三个模式分别对应的参数为：

模式一：按摩模式频率选择：10hz-40hz-100hz变化；波形选择：正弦波与梯形波结合

模式二：针灸模式频率选择：2hz刺激一次，100hz刺激一次；波形选择：正弦波与三角波结合

模式三：锤击模式频率选择：100hz；波形选择：方波；

按摩强度可以通过改变输入电流的大小来控制，输入电流不超过5ma；输出电流的范围为0.5ma～5ma，按照每相邻两档0.5ma的差距将强度分为10档，第1档输出电流大小为0.5ma，第10档的电流大小为5ma。

对应的，指令操作的动作为：

(1)握拳：关闭工作模式，进入等待“开启工作模式”指令状态；

(2)伸大拇指：开启工作模式，进入等待模式指令状态；

(3)伸食指做手势“1”：模式一(按摩模式)：

(4)同时伸食指与中指做手势“2”：模式二(针灸模式)；

(5)同时伸中指、无名指与小指做手势“3”：模式三(锤击模式)；

(6)手掌上仰：增加；

(7)手掌下翻：减弱。

相对于现有技术，本发明一种肌电颈部按摩装置及控制方法具有以下优点：

1)本发明方案的按摩装置包括肌电手环和颈部按摩装置，两部分独立工作，之间只有控制指令的通信交流，相互之间的干扰与影响较小，相互依赖性低，使用更为便捷，适用性广；

2)本发明方案的按摩装置外围部分主要为舒适柔软的填充物，可将机械控制部分套在里面，给使用者颈部周围一层温和温暖的保护，在使用时能感到更加放松与舒缓，而且可拆设计方便用户对外层部分进行清洗；

3)本发明方案的按摩装置在控制过程中的肌电信号直接来源于使用者对应部位的肌群，操作过程不繁复，无需依赖其他遥控装置，控制指令更为精确，避免误操作。

对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。