基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)，屬于健身評價(jià)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在各式各樣的體育鍛煉中，絕大部分與肌肉鍛煉有關(guān)。醫(yī)學(xué)證明，鍛煉時(shí)的肌肉疲勞程度與健身效果密切相關(guān)，肌肉疲勞程度過低會導(dǎo)致健身效果不佳，過高則會引起肌肉損傷，因此對鍛煉強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測與評估具有重要的實(shí)際意義。在健身時(shí)，人們對于肌肉的疲勞程度判斷通常來自于自己的主觀感受，對于非專業(yè)人士而言，這樣的判斷往往不夠準(zhǔn)確，因此導(dǎo)致肌肉疲勞損傷的結(jié)果時(shí)有發(fā)生，違背了健身者的初衷。
[0003]為了確保達(dá)到較好的健身效果，并同時(shí)避免肌肉過度疲勞的發(fā)生，對肌肉鍛煉者進(jìn)行實(shí)時(shí)的健身效果，即肌肉疲勞程度與運(yùn)動(dòng)量的評價(jià)，是十分有效的措施。目前對于健身效果的評價(jià)，多基于主觀的方法，如對鍛煉時(shí)間或鍛煉次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后根據(jù)自身的主觀意愿進(jìn)行健身效果評價(jià)，這樣的方法顯然不夠準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決根據(jù)主觀意愿進(jìn)行健身效果評價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確的問題，提供了一種基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明所述基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)，它包括信號采集部和手機(jī)APP應(yīng)用部，
[0006]信號采集部包括電極、肌電傳感器、控制器、采集信號無線傳輸模塊和加速度傳感器；
[0007]手機(jī)APP應(yīng)用部包括處理信號無線傳輸模塊、處理器和用戶模塊；
[0008]電極的正極端與負(fù)極端與被測對象導(dǎo)聯(lián)，電極的右腿驅(qū)動(dòng)電極放置于被測對象的受試部位；
[0009]肌電傳感器通過電極對被測對象的肌電信號進(jìn)行差分采集，并接收控制器傳遞的肌電采集控制信號；
[0010]加速度傳感器用于檢測被測對象的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并接收控制器傳遞的加速度采集控制信號；
[0011]控制器用于將肌電信號和肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號進(jìn)行打包，并接收采集信號無線傳輸模塊傳遞的肌電采集控制信號和加速度采集控制信號；
[0012]采集信號無線傳輸模塊與處理信號無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信號采集部和手機(jī)APP應(yīng)用部的信號交互；
[0013]處理器用于接收打包后的肌電信號和肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號，采用小波變換方法實(shí)現(xiàn)信號的降噪處理，并進(jìn)行特征提取，再通過支持向量機(jī)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得被測對象的健身效果數(shù)據(jù);并接收用戶模塊發(fā)送的肌電采集控制信號和加速度采集控制信號；
[0014]用戶模塊用于顯示被測對象的健身效果數(shù)據(jù)，并發(fā)送肌電采集控制信號和加速度米集控制?目號。
[0015]所述肌電傳感器由濾波電路、緩沖電路、放大電路和AD轉(zhuǎn)換芯片組成，電極傳導(dǎo)的肌電信號依次經(jīng)濾波電路、緩沖電路和放大電路傳遞給AD轉(zhuǎn)換芯片。
[0016]所述加速度傳感器為16位6軸加速度傳感器。
[0017]采集信號無線傳輸模塊與處理信號無線傳輸模塊均為W1-Fi模塊或者均為藍(lán)牙模塊。
[0018]它還包括電源模塊，電源模塊用于為控制器和采集信號無線傳輸模塊供電。
[0019]所述支持向量機(jī)算法的支持向量機(jī)訓(xùn)練樣本集合獲得方法為:采集多組志愿者在不同健身強(qiáng)度下的數(shù)據(jù)，評價(jià)其健身效果數(shù)據(jù)，使用健身效果數(shù)據(jù)構(gòu)成支持向量機(jī)訓(xùn)練樣本集合，并獲得基準(zhǔn)分類器。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明涉及到生物電信號檢測以及肢體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測，即通過肌肉電信號及肢體運(yùn)動(dòng)速度、加速度的檢測與分析，來評價(jià)健身效果，所述健身效果與肌肉疲勞程度及運(yùn)動(dòng)量相關(guān)，它通過手機(jī)APP進(jìn)行信息反饋與數(shù)據(jù)管理。
[0021]本發(fā)明技術(shù)方案的產(chǎn)生依據(jù)是:肌肉在運(yùn)動(dòng)過程中，會在收縮時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的電信號，即肌電信號(electromyography，EMG)，該信號的特征會隨著肌肉運(yùn)動(dòng)速度及強(qiáng)度的變化而時(shí)變。隨著肌肉疲勞程度的增加，其產(chǎn)生電信號的能力會減弱，無論是電信號的變化速度還是信號幅值，都會相應(yīng)的衰減，因此利用肌肉電信號來進(jìn)行健身效果的監(jiān)測，是一種客觀的評價(jià)方法;小波分析廣泛應(yīng)用于生物信號檢測，其方法簡便，準(zhǔn)確度高，能夠?qū)υ肼曔M(jìn)行較好的處理，便于提取特征值，適用于對肌肉電信號的分析與處理。同時(shí)，對于肢體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與動(dòng)作的解析，可以獲取健身者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可作為評價(jià)健身效果的輔助手段;對于姿態(tài)的解析，需要肢體的運(yùn)動(dòng)速度及加速度數(shù)據(jù)，速度可通過理論計(jì)算進(jìn)行估計(jì)，因此只要檢測肢體的六軸加速度，即X，Y，Z軸加速度和角加速度，即可分析出健身者的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0022]藍(lán)牙技術(shù)和W1-Fi技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通訊設(shè)備中，其技術(shù)較為成熟，穩(wěn)定性較高，本發(fā)明兼容藍(lán)牙及W1-Fi通訊功能，可通過手機(jī)APP對系統(tǒng)進(jìn)行配置與數(shù)據(jù)管理。
[0023]本發(fā)明系統(tǒng)通過肌肉電信號及肢體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測，實(shí)時(shí)地分析并評價(jià)健身效果，并通過相應(yīng)的手機(jī)APP軟件，給予健身者進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息反饋，以幫助健身者判斷當(dāng)前肌肉疲勞程度，從而達(dá)到最優(yōu)的健身效果，并能避免肌肉損傷與運(yùn)動(dòng)不足。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明所述基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)的原理框圖；
[0025]圖2是信號采集部的原理框圖；
[0026]圖3是電源模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖4是本發(fā)明評價(jià)系統(tǒng)的流程圖；
[0028]圖5是本發(fā)明的使用位置示意圖；圖中A表示系統(tǒng)附著于手臂，B表示系統(tǒng)附著于大、小腿，C表示系統(tǒng)附著于腰背。
【具體實(shí)施方式】
[0029]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述基于肌電信號及肢體動(dòng)作檢測的健身效果評價(jià)系統(tǒng)，它包括信號采集部和手機(jī)APP應(yīng)用部，
[0030]信號采集部包括電極1-1、肌電傳感器1-2、控制器1-3、采集信號無線傳輸模塊1-4和加速度傳感器1-5;
[0031]手機(jī)APP應(yīng)用部包括處理信號無線傳輸模塊2-1、處理器2-2和用戶模塊2-3;
[0032]電極1-1的正極端與負(fù)極端與被測對象導(dǎo)聯(lián)，電極1-1的右腿驅(qū)動(dòng)電極放置于被測對象的受試部位；
[0033]肌電傳感器1-2通過電極1-1對被測對象的肌電信號進(jìn)行差分采集，并接收控制器1-3傳遞的肌電采集控制信號；
[0034]加速度傳感器1-5用于檢測被測對象的肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并接收控制器1-3傳遞的加速度采集控制信號；
[0035]控制器1-3用于將肌電信號和肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號進(jìn)行打包，并接收采集信號無線傳輸模塊1-4傳遞的肌電采集控制信號和加速度采集控制信號；
[0036]采集信號無線傳輸模塊1-4與處理信號無線傳輸模塊2-1實(shí)現(xiàn)信號采集部和手機(jī)APP應(yīng)用部的信號交互；
[0037]處理器2-2用于接收打包后的肌電信號和肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號，采用小波變換方法實(shí)現(xiàn)信號的降噪處理，并進(jìn)行特征提取，再通過支持向量機(jī)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得被測對象的健身效果數(shù)據(jù);并接收用戶模塊2-3發(fā)送的肌電采集控制信號和加速度采集控制信號；
[0038]用戶模塊2-3用于顯示被測對象的健身效果數(shù)據(jù)，并發(fā)送肌電采集控制信號和加速度采集控制信號。
[0039 ]所述肌電傳感器1-2由濾波電路、緩沖電路、放大電路和AD轉(zhuǎn)換芯片組成，電極1-1傳導(dǎo)的肌電信號依次經(jīng)濾波電路、緩沖電路和放大電路傳遞給AD轉(zhuǎn)換芯片。
[0040]所述加速度傳感器1-5為16位6軸加速度傳感器。
[0041]采集信號無線傳輸模塊1-4與處理信號無線傳輸模塊2-1均為W1-Fi模塊或者均為藍(lán)牙模塊。
[0042]它還包括電源模塊，電源模塊用于為控制器1-3和采集信號無線傳輸模塊1-4供電。
[0043]所述支持向量機(jī)算法的支持向量機(jī)訓(xùn)練樣本集合獲得方法為:采集多組志愿者在不同健身強(qiáng)度下的數(shù)據(jù)，評價(jià)其健身效果數(shù)據(jù)，使用健身效果數(shù)據(jù)構(gòu)成支持向量機(jī)訓(xùn)練樣本集合，并獲得基準(zhǔn)分類器。
[0044]所述AD轉(zhuǎn)換芯片采用24位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器，它對肌肉電信號進(jìn)行差分采集，同時(shí)采用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)降低人體共模干擾信號，以保證肌肉電信號檢測的準(zhǔn)確性。
[0045]加速度傳感器1-5用于采集被測對象所在位置的X，Y，Z軸加速度和角加速度，通過加速度檢測數(shù)據(jù)，能夠解析出肢體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
[0046]信號采集部和手機(jī)APP應(yīng)用部采用W1-Fi或藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通訊。
[0047]本發(fā)明系統(tǒng)基于低功耗技術(shù)，使用L1-1on電池供電，保證采集設(shè)備的便攜性與較好的續(xù)航能力。
[0048]電極1-1采用貼片式Ag-AgCl電極，將其與皮膚直接導(dǎo)聯(lián)，以獲取肌肉電信號;采用可穿戴方式，如腕帶、粘貼等方式將測試設(shè)備固定在受試者肢體上，以獲取受試者受試部位的運(yùn)動(dòng)信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的便攜性。
[0049]處理器2-2采用小波變換方法實(shí)現(xiàn)信號的降噪處理，對受試者的肌肉電信號與肢體加速度進(jìn)行特征提取，并通過支持向量機(jī)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以實(shí)時(shí)地評價(jià)健身者的健身效果。
[0050]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0051]圖1和圖2所示，信號采集部集成有控制器、W1-Fi模塊、藍(lán)牙模塊、肌電傳感器、加速度傳感器、電極以及為了使上述模塊正常工作而必需的外圍電路，包括電源供電電路、信號指示電路、開關(guān)控制電路以及保護(hù)電路，所述電源供電電路含電池，信號采集部能夠?qū)崿F(xiàn)肌肉電信號及六軸加速度信號的檢測，并通過W1-Fi或藍(lán)牙的方式將數(shù)據(jù)上傳至手機(jī)APP應(yīng)用部。
[0052]手機(jī)APP軟件與用戶進(jìn)行信息交互，使用者通過手機(jī)APP向硬件設(shè)備發(fā)送指令，例如開始、結(jié)束以及其它必要的參數(shù)信息；同時(shí)手機(jī)APP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理與分析任務(wù)，包括噪聲的分離與去除、肌肉電信號及加速度信號的特征提取、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的解析、健身效果的計(jì)算以及數(shù)據(jù)的存儲與顯示。
[0053]檢測設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中:
[0054]控制器的功能為接收手機(jī)APP的控制命令并控制協(xié)調(diào)檢測設(shè)備的其它硬件工作，在整個(gè)設(shè)備中，控制器同時(shí)對數(shù)據(jù)的交換進(jìn)行協(xié)調(diào)，肌電傳感器及加速度傳感器的數(shù)據(jù)先傳入控制器中，由控制器打包后再經(jīng)由W1-Fi或藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)APP。
[0055]加速度傳感器測量垂直坐標(biāo)系中X，Y，Z三個(gè)軸方向的加速度以及圍繞X，Y，Z三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角加速度，其中每個(gè)參數(shù)的精度為二進(jìn)制的16位