CN107943285A - 一种基于生物肌电的人机交互腕环、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于生物肌电的人机交互腕环，包括电子系统和硅胶系统。其中，电子系统主要用于采集并处理肌电信号和姿态信号，包括主控模块、多轴运动传感器模块、电极模块、通讯模块、电池模块以及连接整个系统的连接线等。硅胶系统主要用于为电子系统提供相应的腔体，并弹性连接各个模块形成腕环本体，使得整个设备便于佩戴。使用时，基于传感器模块和/或电极模块所采集的肌电信号和/或姿态信号，对佩戴者的手势和/或动作进行识别，并可以根据识别结果控制其他交互设备，从而完成人机交互。

Description

一种基于生物肌电的人机交互腕环、系统及方法

技术领域

本发明涉及电子设备领域，尤其涉及一种自动检测人体手势和上臂姿态的穿戴式交互设备、系统及方法。

背景技术

生物肌肉电信号，是近年来应用和发展比较多的一种可以用来对人体运动意图进行解码的信号。它是一种由人体内骨骼肌收缩而产生的生理电信号，较多的应用于医疗领域，同时它也可以用来分析肌体的运动。表面肌电信号是从人体皮肤表面采集到的电信号，由于它方便采集的特性，所以便于用来解码人的肢体运动。表面肌电信号主要是利用表面电极进行采集的，目前市面上有很多专门用于采集肌电信号的分析设备(例如DELSYS)和采集/解码一体化产品(如eCon臂带)。

设备集成惯性测量单元(或称IMU)，其是一种测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。通过惯性测量单元提供的信息，可用于解码手臂的运动姿态角。

但目前市场上存在的肌电臂带佩戴不便，需要佩戴到用户手臂的肌群生理位置(如前臂、上臂的中部)，这使得用户需要拉开袖子才能正确佩戴，具有很大的不便性，比如在气温比较低的冬天，长期暴露手臂在外部，将会影响用户的使用体验。同时，由于臂带的佩戴位置，佩戴时间较长时容易引起小臂相应位置产生勒紧感，并且卸掉设备之后会产生一定的勒痕。

发明内容

本发明提供了一种新型的表面肌电采集设备，佩戴位置设置在腕部，相比肌电臂带等设备穿戴更加方便。针对目前臂带佩戴的舒适性问题，本发明采用了一体成形的柔性硅胶和锥形外观设计，通过渐变的锥形设计来达到紧密贴合的作用，使得采集电极与人体表面皮肤接触更加紧密更加服帖，并且通过柔性硅胶避免了长久佩戴造成的勒痕和肌肉疲劳。当然，本发明也可以使用其他辅助贴合的介质，例如新型材料生物胶等，以达到更好的贴合且不影响肌电信号的采集。

本发明的设计考虑了人体腕部的轮廓以及佩戴的便捷性，通过对表面肌电信号及惯性测量单元的信息融合解码，可以有效地识别人体掌部的不同手型或手势，并且通过连续信息解码，还可以识别渐变手势。

一方面，本发明提供一种人机交互腕环，呈锥形，其特征在于包括：底端的圆环部分以及从所述圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分，其中，底端的所述圆环部分直径较大，所述一个或多个凸起部分随着延伸方向直径逐渐变小；一个或多个电子模块；连接线，所述连接线设置在底端的所述圆环部分的内部，被配置成连接所述一个或多个电子模块；所述一个或多个电子模块设置在所述一个或多个凸起部分的内部，包括：电极模块，被配置成采集肌电信号；多轴运动传感器模块，被配置成采集肢体运动姿态信号；电池模块，被配置成为所述一个或多个电子模块供电；通讯模块，被配置成与其他设备通讯；以及主控模块，被配置成控制所述一个或多个电子模块。

本发明的一个实施例中，其特征在于，在底端的所述圆环部分上具有可弹性伸缩的凸台模块，所述连接线构成的环形具有与所述凸台模块的位置相对应的断口。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，所述腕环的外表面为一体成型的硅胶。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，包括一个或多个所述电极模块，被配置成能够同时采集腕部不同侧面的肌电信号。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，所述电池模块为长条形电池，其中，所述长条形电池的数量是多个；所述长条形电池的长边沿着所述腕环的圆锥母线并排设置。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，在所述主控模块对应的凸起部分上设置用于传输数据和/或供电的接口。

另一方面，本发明还提供一种人机交互系统，包括：可穿戴设备，包括上述人机交互腕环；上位机，所述上位机与所述可穿戴设备通信连接；以及交互设备，所述交互设备与所述上位机通信连接；其特征在于：所述上位机被配置为基于所接收到的由所述可穿戴设备采集的信息控制所述交互设备执行相应的操作。

另一方面，本发明还提供一种人机交互方法，其特征在于包括以下步骤：S1、采集手腕处多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号，并传送至微处理器；S2、微处理器对采集到的信号进行算法处理，以识别静态和/或动态手势；S3、将识别结果通过通讯模块传送至上位机；S4、上位机根据接收到的识别结果生成相应的控制指令，以控制交互设备执行相应的操作。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，在将采集到的信号传送至微处理器之前，对采集到的手腕处多通道肌电信号进行滤波和放大。

本发明的另一个实施例中，其特征在于，所述步骤S2包括：S2.1、对采集到的多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号进行数据分窗；S2.2、对数据分窗的结果进行特征提取；S2.3、对所提取的特征进行特征降维；S2.4、对特征降维的结果采用分类器回归函数进行处理；S2.5、识别静态和/或动态手势。

通过上述系统及方法，本发明提供了一种人机交互腕环，也可以作为肌电臂环的一种腕部扩充，不仅能够实现臂环的功能，相比于臂环来说更便于佩戴，这将大大增加此类肌电设备在市场上的接受度和普及度，推动利用肌电信号解码运动等领域的应用，推动人机交互方面的进一步发展。

附图说明

图1A为本发明中人机交互腕环的一个实施例的结构示意图；

图1B为本发明中人机交互腕环的一个实施例的佩戴方式示意图；

图2为本发明中人机交互腕环的一个实施例的电子系统结构示意图；

图3为本发明中人机交互腕环的一个实施例的硅胶系统结构示意图；

图4A为本发明中人机交互腕环的一个实施例的前视图；

图4B为本发明中人机交互腕环的一个实施例的后视图；

图5为本发明中人机交互腕环使用过程中信号处理流程图；

图6为本发明中人机交互腕环使用过程中算法处理流程图。

具体实施方式

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。下面将结合附图，对本发明的技术方案进行更为清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使本发明的公开清楚和全面。

本发明中的人机交互腕环包括两个系统，分别为电子系统和硅胶系统。其中，电子系统主要用于采集并处理肌电信号和姿态信号，可以包括主控电路模块、多轴运动传感器模块、采集信号的电极模块、通讯模块、供能的电池模块以及连接整个系统的连接线等，即前述的一个或多个电子模块和连接线。硅胶系统主要是用于为电子系统提供相应的腔体，并弹性连接各个模块形成腕环本体，并使得整个设备便于佩戴，即前述的底端的圆环部分、一个或多个凸起部分以及凸台模块。使用时，基于传感器模块和/或电极模块所采集的肌电信号和/或姿态信号，对佩戴者的手势和/或动作进行识别，并可以根据识别结果控制其他交互设备，从而形成一座连接人体手势和控制命令的桥梁。下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1A所示，为本发明中人机交互腕环的一个实施例的结构示意图以及相对于手的佩戴方式示意图。腕环本身大致呈锥形，包括底端的圆环部分以及从圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分。图1A中所示的实施例具有三个凸起部分105、107、109，也可以根据需要增加或减少凸起部分的数量。其中，底端的圆环部分直径较大，凸起部分随着延伸方向逐渐向内倾斜，直径逐渐变小。

如图1B所示，为本发明中人机交互腕环的一个实施例的相对于手的佩戴方式示意图。在佩戴时，腕环底端的圆环部分位于手腕或手腕附近(可以根据手腕及手臂的粗细程度调整合适的位置)，用于限制腕环脱落，同时一个或多个凸起部分紧贴手臂，以保证与手臂的良好接触。在一个实施例中，可以通过手掌穿过腕环进行佩戴；在另一个实施例中，腕环具有可以打开的缺口或其他结构，使得可以将手臂放进打开的腕环内进行佩戴，再合上腕环完成佩戴。优选的，腕环还可以包括可弹性伸缩的凸台模块106，用于调整腕环在佩戴时的松紧程度，以适应不同粗细的手臂。

如图2所示，为本发明中人机交互腕环的一个实施例的电子系统。在对应腕环的一个凸起部分107的位置处，可以设置一个或多个电极模块102，用于采集肌电信号。

在对应腕环的一个凸起部分105的位置处的外侧，可以设置主控电路模块101，其上可以根据需要设置主控芯片、通讯模块、多轴运动传感器模块等各种电子装置。在主控电路模块101的内侧，还可以设置一个或多个与电极模块102类似的电极模块，使得能够同时采集腕部不同侧面的肌电信号。

在对应腕环的一个凸起部分109的位置处，可以设置一个或多个电池模块103，用于整个电路的供电。为保证有合适的供电电压以及足够的电量，可以增加或者减少电池模块的数量。普通的方形电池由于其表面积较大，不利于选择电池的布置位置，且无法做成圆弧形，从而使得无法跟人体手腕贴合紧密，同时因为厚度较大，还会导致整个腕环的厚度会相应的增加，从而降低腕环的灵巧性。在本发明的一个实施例中，电池选用长条形，厚度较小，并且在保证具有足够电量的条件下，将电池的长边沿着腕环的圆锥母线并排设置，不仅可以灵活地进行布置或增减数量，还可以与腕环的圆弧形造型保持一致，从而使得腕环与手臂紧密贴合。

图2所示的实施例中，各个模块或电子元件是对应腕环所具有的三个凸起部分进行设置的。在其他的实施例中，各个模块或电子元件可以对应一个或多个不同的凸起部分进行灵活地设置，比如各个模块或电子元件可以分别单独或组合设置在一个或多个凸起部分的对应位置。

在对应腕环底端的圆环部分位置处，可以设置连接线104，与以上各模块连接，用于各模块之间的通讯及供电。优选的，连接线104构成的环形具有与凸台模块106的位置相对应的断口，以维持腕环的伸缩性。

如图3所示，为本发明中人机交互腕环的一个实施例的硅胶系统结构示意图。具体的，对主控电路模块101进行包胶，形成凸起部分105，使得主控电路模块101位于凸起部分105内部的腔体中。优选的，也可以增加塑料外壳辅助包裹电子器件，以达到更好的支撑作用。类似地，对电极模块102进行包胶，形成凸起部分107，使得电极模块102位于凸起部分107内部的腔体中；对电池模块103进行包胶，形成凸起部分109，使得电池模块103位于凸起部分109内部的腔体中；对连接线104进行包胶，形成腕环底端的圆环部分108。其中，圆环部分108为腕环直径最大的部分，大圆设计有利于用户更加顺畅地佩戴。

通过对各电子元件的包胶，整体实现了腕环电子系统和硅胶系统的融合，电子器件和硅胶外壳一体化形成一个整体，不仅最终构成了腕环的整体形状，还可以对内部的电子器件进行保护，如防水、防摔等，并且同时实现了人体工程学佩戴和信号采集处理的目标。优选的，在主控电路模块101对应的凸起部分105上设置接口110，用于传输数据和/或为电池模块103充电。

如图4A和4B所示，分别为本发明中人机交互腕环的一个实施例的前视图和后视图。腕环呈一定的锥形，底端包含连接线的圆环部分为直径较大的一端，佩戴时，直径大端与手腕贴合，过度配合，直径小端与手臂(比手腕粗)贴合，过盈配合，从而保证充分的贴合以及紧密佩戴。腕环具有包含各种电子模块或元件的三个凸起部分，以及一个凸台模块，在佩戴时从手腕处沿着手臂向内收缩，由于人体手臂在手腕处最细并逐渐增粗，此种设计可以使得电子模块与手臂紧密贴合，从而实现更好的信号采集。同时一体化硅胶设计使得凸起部分及其内部的电子模块能够获得一定的轴向角度弯曲而不会影响功能，从而佩戴和脱下的时候更加简单方便。

如图5所示，为本发明中人机交互腕环使用过程中信号处理流程图。采集到的手腕处多通道肌电信号501，经过滤波电路502和放大电路503后，与IMU多轴运动传感器信号504一起传送给微处理器505，以进行算法处理(如图6所示)来得到相应的静态和动态手势的归类和识别，接着通过通讯模块506将处理结果及数据传送给上位机507，上位机生成相应的控制指令从而进一步控制交互设备508执行相应的操作，完成人机交互过程。

其中，可以通过一个或多个(比如：1-4个)电极采集模块采集生物肌电幅值信号来获取多通道肌电信号。滤波电路502和放大电路503，将采集到的多通道肌电信号进行放大和滤波处理，并将处理后的信号传送给微处理器505。多轴运动传感器，可以放置于凸起部分105内的触控板上，将采集到的手腕方向、位移、加速度等信息传送给微处理器505。微处理器505采用预设的算法对接收到的信号进行计算、分类、解析等处理，以识别各种手势或动作。通讯模块506可以为各种类型的通讯模块，如有线、无线、蓝牙、WiFi、加密等。上位机507可以为电脑、平板电脑、手持设备、服务器等。交互设备508可以为能够根据接收到的指令执行某种操作的各种机械和/或电子装置，比如各种虚拟现实设备或增强现实设备，能够向使用者提供各种视觉、听觉或触觉反馈。

如图6所示，为本发明中人机交互腕环使用过程中算法处理流程图。微处理器将接收到的手腕处多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号作为输入，进行数据分窗602，从分窗结果中选取识别率较高的特征进行特征提取603，对所提取的特征进行特征降维604，再利用分类器回归函数605进行处理，从而对手腕的静态、动态手势606进行归类和识别。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种人机交互腕环，呈锥形，其特征在于包括：

底端的圆环部分以及从所述圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分，其中，底端的所述圆环部分直径较大，所述一个或多个凸起部分随着延伸方向直径逐渐变小；

一个或多个电子模块；

连接线，所述连接线设置在底端的所述圆环部分的内部，被配置成连接所述一个或多个电子模块；

所述一个或多个电子模块设置在所述一个或多个凸起部分的内部，包括：

电极模块，被配置成采集肌电信号；

多轴运动传感器模块，被配置成采集肢体运动姿态信号；

电池模块，被配置成为所述一个或多个电子模块供电；

通讯模块，被配置成与其他设备通讯；以及

主控模块，被配置成控制所述一个或多个电子模块。

2.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，在底端的所述圆环部分上具有可弹性伸缩的凸台模块，所述连接线构成的环形具有与所述凸台模块的位置相对应的断口。

3.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，所述腕环的外表面为一体成型的硅胶。

4.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，包括一个或多个所述电极模块，被配置成能够同时采集腕部不同侧面的肌电信号。

5.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，所述电池模块为长条形电池，其中，所述长条形电池的数量是多个；所述长条形电池的长边沿着所述腕环的圆锥母线并排设置。

6.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，在所述主控模块对应的凸起部分上设置用于传输数据和/或供电的接口。

7.一种人机交互系统，包括：

可穿戴设备，包括根据权利要求1-6中任一项所述的腕环；

上位机，所述上位机与所述可穿戴设备通信连接；以及

交互设备，所述交互设备与所述上位机通信连接；

其特征在于：

所述上位机被配置为基于所接收到的由所述可穿戴设备采集的信息控制所述交互设备执行相应的操作。

8.一种人机交互方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、采集手腕处多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号，并传送至微处理器；

S2、微处理器对采集到的信号进行算法处理，以识别静态和/或动态手势；

S3、将识别结果通过通讯模块传送至上位机；

S4、上位机根据接收到的识别结果生成相应的控制指令，以控制交互设备执行相应的操作。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在将采集到的信号传送至微处理器之前，对采集到的手腕处多通道肌电信号进行滤波和放大。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S2.1、对采集到的多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号进行数据分窗；

S2.2、对数据分窗的结果进行特征提取；

S2.3、对所提取的特征进行特征降维；

S2.4、对特征降维的结果采用分类器回归函数进行处理；

S2.5、识别静态和/或动态手势。