基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)，屬于健身評價技術領域。
【背景技術】
[0002]在各式各樣的體育鍛煉中，絕大部分與肌肉鍛煉有關。醫(yī)學證明，鍛煉時的肌肉疲勞程度與健身效果密切相關，肌肉疲勞程度過低會導致健身效果不佳，過高則會引起肌肉損傷，因此對鍛煉強度進行監(jiān)測與評估具有重要的實際意義。在健身時，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確，因此導致肌肉疲勞損傷的結果時有發(fā)生，違背了健身者的初衷。
[0003]為了確保達到較好的健身效果，并同時避免肌肉過度疲勞的發(fā)生，對肌肉鍛煉者進行實時的健身效果，即肌肉疲勞程度與運動量的評價，是十分有效的措施。目前對于健身效果的評價，多基于主觀的方法，如對鍛煉時間或鍛煉次數(shù)進行統(tǒng)計，然后根據(jù)自身的主觀意愿進行健身效果評價，這樣的方法顯然不夠準確。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決根據(jù)主觀意愿進行健身效果評價結果不準確的問題，提供了一種基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明所述基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)，它包括信號采集部和手機APP應用部，
[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APP應用部包括處理信號無線傳輸模塊、處理器和用戶模塊；
[0008]電極的正極端與負極端與被測對象導聯(lián)，電極的右腿驅動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動狀態(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動狀態(tài)信號進行打包，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現(xiàn)信號采集部和手機APP應用部的信號交互；
[0013]處理器用于接收打包后的肌電信號和肢體運動狀態(tài)信號，采用小波變換方法實現(xiàn)信號的降噪處理，并進行特征提取，再通過支持向量機算法進行數(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轉換芯片組成，電極傳導的肌電信號依次經濾波電路、緩沖電路和放大電路傳遞給AD轉換芯片。
[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]所述支持向量機算法的支持向量機訓練樣本集合獲得方法為:采集多組志愿者在不同健身強度下的數(shù)據(jù)，評價其健身效果數(shù)據(jù)，使用健身效果數(shù)據(jù)構成支持向量機訓練樣本集合，并獲得基準分類器。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明涉及到生物電信號檢測以及肢體運動姿態(tài)檢測，即通過肌肉電信號及肢體運動速度、加速度的檢測與分析，來評價健身效果，所述健身效果與肌肉疲勞程度及運動量相關，它通過手機APP進行信息反饋與數(shù)據(jù)管理。
[0021]本發(fā)明技術方案的產生依據(jù)是:肌肉在運動過程中，會在收縮時產生較強的電信號，即肌電信號(electromyography，EMG)，該信號的特征會隨著肌肉運動速度及強度的變化而時變。隨著肌肉疲勞程度的增加，其產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，都會相應的衰減，因此利用肌肉電信號來進行健身效果的監(jiān)測，是一種客觀的評價方法;小波分析廣泛應用于生物信號檢測，其方法簡便，準確度高，能夠對噪聲進行較好的處理，便于提取特征值，適用于對肌肉電信號的分析與處理。同時，對于肢體運動姿態(tài)與動作的解析，可以獲取健身者的運動狀態(tài)，可作為評價健身效果的輔助手段;對于姿態(tài)的解析，需要肢體的運動速度及加速度數(shù)據(jù)，速度可通過理論計算進行估計，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動狀態(tài)。
[0022]藍牙技術和W1-Fi技術廣泛應用于現(xiàn)代通訊設備中，其技術較為成熟，穩(wěn)定性較高，本發(fā)明兼容藍牙及W1-Fi通訊功能，可通過手機APP對系統(tǒng)進行配置與數(shù)據(jù)管理。
[0023]本發(fā)明系統(tǒng)通過肌肉電信號及肢體運動姿態(tài)的檢測，實時地分析并評價健身效果，并通過相應的手機APP軟件，給予健身者進行實時的信息反饋，以幫助健身者判斷當前肌肉疲勞程度，從而達到最優(yōu)的健身效果，并能避免肌肉損傷與運動不足。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明所述基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)的原理框圖；
[0025]圖2是信號采集部的原理框圖；
[0026]圖3是電源模塊的結構框圖；
[0027]圖4是本發(fā)明評價系統(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。
【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一:下面結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述基于肌電信號及肢體動作檢測的健身效果評價系統(tǒng)，它包括信號采集部和手機APP應用部，
[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APP應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的正極端與負極端與被測對象導聯(lián)，電極1-1的右腿驅動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動狀態(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動狀態(tài)信號進行打包，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實現(xiàn)信號采集部和手機APP應用部的信號交互；
[0037]處理器2-2用于接收打包后的肌電信號和肢體運動狀態(tài)信號，采用小波變換方法實現(xiàn)信號的降噪處理，并進行特征提取，再通過支持向量機算法進行數(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轉換芯片組成，電極1-1傳導的肌電信號依次經濾波電路、緩沖電路和放大電路傳遞給AD轉換芯片。
[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]所述支持向量機算法的支持向量機訓練樣本集合獲得方法為:采集多組志愿者在不同健身強度下的數(shù)據(jù)，評價其健身效果數(shù)據(jù)，使用健身效果數(shù)據(jù)構成支持向量機訓練樣本集合，并獲得基準分類器。
[0044]所述AD轉換芯片采用24位雙通道A/D轉換器，它對肌肉電信號進行差分采集，同時采用右腿驅動技術降低人體共模干擾信號，以保證肌肉電信號檢測的準確性。
[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動姿態(tài)。
[0046]信號采集部和手機APP應用部采用W1-Fi或藍牙技術進行通訊。
[0047]本發(fā)明系統(tǒng)基于低功耗技術，使用L1-1on電池供電，保證采集設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備固定在受試者肢體上，以獲取受試者受試部位的運動信息，同時實現(xiàn)設備的便攜性。
[0049]處理器2-2采用小波變換方法實現(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行特征提取，并通過支持向量機算法進行數(shù)據(jù)分析，以實時地評價健身者的健身效果。
[0050]下面結合附圖，對本發(fā)明進行詳細說明。
[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、開關控制電路以及保護電路，所述電源供電電路含電池，信號采集部能夠實現(xiàn)肌肉電信號及六軸加速度信號的檢測，并通過W1-Fi或藍牙的方式將數(shù)據(jù)上傳至手機APP應用部。
[0052]手機APP軟件與用戶進行信息交互，使用者通過手機APP向硬件設備發(fā)送指令，例如開始、結束以及其它必要的參數(shù)信息；同時手機APP負責數(shù)據(jù)的處理與分析任務，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、運動姿態(tài)的解析、健身效果的計算以及數(shù)據(jù)的存儲與顯示。
[0053]檢測設備的具體結構如圖2所示，其中:
[0054]控制器的功能為接收手機APP的控制命令并控制協(xié)調檢測設備的其它硬件工作，在整個設備中，控制器同時對數(shù)據(jù)的交換進行協(xié)調，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由W1-Fi或藍牙模塊發(fā)送至手機APP。
[0055]加速度傳感器測量垂直坐標系中X，Y，Z三個軸方向的加速度以及圍繞X，Y，Z三個坐標軸旋轉的角加速度，其中每個參數(shù)的精度為二進制的16位