CN110478885A - 基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，属于机器人领域。本发明的辅助训练系统包括：肌电信号采集、信号处理与电机控制和下肢外骨骼等三个模块，其中肌电信号采集模块，用于实时采集运动员跑步过程中腿部肌肉的电信号；下肢外骨骼模块，作为执行装置辅助跑步运动员进行训练；信号处理与电机控制模块，该模块将肌电信号采集模块和下肢外骨骼模块连接起来，分析与处理从肌电信号采集模块接收来的肌电信号，判别腿部肌肉的疲劳程度，进而控制下肢外骨骼辅助跑步运动员进行训练。

Description

基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统。

背景技术

目前,绝大数跑步运动员主要是通过设定训练时间或者自身主观感觉来判别是否达到训练疲劳，进而自主减少训练强度或者停止训练。这种传统的训练方式存在一定的弊端，比如无法准确估计训练量，一旦高估自己的训练量可能会造成肌肉疲劳损伤；或者低估自己的训练量则达不到训练效果。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，通过实时监测跑步运动员腿部肌肉的疲劳程度，根据腿部各个关节运动方向、肌电信号的绝对值积分均值的变化程度来控制电机的运转和输出功率，达到辅助运动员跑步的目的。

本发明所要解决的技术问题为：

A.如何解决传统的训练方式存在的无法准确估计训练量和无法主动辅助运动员继续训练等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，包括肌电信号采集模块、信号处理与电机控制模块和下肢外骨骼模块，

所述下肢外骨骼模块安装在人体下肢外侧，且各个关节处通过电机进行驱动，用于接收信号处理与电机控制模块发出的电机控制指令，并通过各个关节的电机控制下肢外骨骼运动；

所述肌电信号采集模块内嵌于穿戴在运动员上的下肢外骨骼的绑带中，用于实时采集腿部肌肉的肌电信号并传输到信号处理与电机控制模块中；

所述信号处理与电机控制模块内嵌于固定在下肢外骨骼的背垫中；用于实时处理从肌电信号采集模块传来的腿部肌电信号得到疲劳程度，再根据腿部各关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度并生成电机控制指令。

进一步的，所述肌电信号采集模块包括六个肌电电极片，且六个肌电电极片分别位于运动员下肢的胫骨前肌和腓肠肌群、股四头肌和股二头肌群、腰大肌和臀大肌群处。

进一步的，所述信号处理与电机控制模块包括用于识别各个关节的运动方向的关节运动方向识别单元、用于检测下肢肌肉疲劳程度的疲劳程度计算单元和用于控制关节运动的电机控制单元。

进一步的，所述关节运动方向识别单元采用极限学习机识别各个关节运动方向；所述疲劳程度计算单元通过腿部肌电信号的绝对值积分均值的变化程度来判别肌肉的疲劳程度，所述电机控制单元根据腿部各个关节运动方向、肌电信号的绝对值积分均值的变化量来控制电机的运转和输出功率。

进一步的，所述极限学习机的识别关节运动方向步骤如下：

S1、采集踝屈、踝伸、膝屈、膝伸、髋屈和髋伸的肌电信号；

S2、提取S1中的六种肌电信号的特征值，并利用特征值对极限学习机进行训练；

S3、利用训练后的极限学习机来识别六种关节运动方向。

进一步的，腿部肌电信号的绝对值积分均值越大，肌肉疲劳程度越高，且肌肉疲劳程度越高，电机的输出功率越大。

进一步的，所述该系统的工作方法如下：

SS1、跑步运动员穿戴下肢外骨骼进行跑步训练，肌电信号采集模块对腿部各个关节肌肉进行采集并将采集到的肌电信号传输到信号处理与电机控制模块中；

SS2、同时信号处理与电机控制模块对接受到的各个肌电信号进行处理，并判别腿部各个关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度；

SS3、当腿部肌肉的疲劳程度小于阈值，则根据各个关节运动方向控制各个电机的运转，根据需克服的自身的重力控制电机的输出功率；

SS4、当腿部肌肉的疲劳程度不小于阈值，则根据各个关节运动方向控制各个电机的运转，根据肌肉的疲劳程度增加电机的输出功率；

SS5、当腿部肌肉的疲劳程度降至阈值以下，则减少电机的输出功率，加大运动员腿部肌肉的训练量。

本发明的有益效果：

(1)本发明解决了传统的训练方式存在的无法准确估计训练量和无法主动辅助运动员继续训练等问题，为跑步运动员提供了一种原理简单、预测准确性高和控制高效的跑步运动员辅助训练系统。

(2)本发明应用高效率的疲劳程度检测方案和高自动的辅助运动控制方式，提高了跑步运动员的训练水平。

(3)本发明应用肌电信号预测跑步运动员腿部肌肉的疲劳程度，无需使用其它复杂传感器。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的原理图；

图2为本发的下肢外骨骼示意图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3所示，本实施例提供了基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，包括肌电信号采集模块、信号处理与电机控制模块和下肢外骨骼模块，

所述下肢外骨骼模块安装在人体下肢外侧，是整个系统的执行部件，且各个关节处通过电机进行驱动，用于接收信号处理与电机控制模块发出的电机控制指令，并通过各个关节的电机控制下肢外骨骼运动；

所述肌电信号采集模块内嵌于穿戴在运动员上的下肢外骨骼的绑带中，用于实时采集腿部肌肉的肌电信号并传输到信号处理与电机控制模块中；

所述信号处理与电机控制模块内嵌于固定在下肢外骨骼的背垫中；用于实时处理从肌电信号采集模块传来的腿部肌电信号得到疲劳程度，再根据腿部各关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度并生成电机控制指令。

所述肌电信号采集模块包括六个肌电电极片，且六个肌电电极片分别位于运动员下肢的胫骨前肌和腓肠肌群、股四头肌和股二头肌群、腰大肌和臀大肌群处。

所述信号处理与电机控制模块包括用于识别各个关节的运动方向的关节运动方向识别单元、用于检测下肢肌肉疲劳程度的疲劳程度计算单元和用于控制关节运动的电机控制单元。

所述关节运动方向识别单元采用极限学习机识别各个关节运动方向,大大提高了识别效率；所述疲劳程度计算单元通过腿部肌电信号的绝对值积分均值的变化程度来判别肌肉的疲劳程度，所述电机控制单元根据腿部各个关节运动方向、肌电信号的绝对值积分均值的变化量来控制电机的运转和输出功率。

所述极限学习机的识别关节运动方向步骤如下：

S1、采集踝屈、踝伸、膝屈、膝伸、髋屈和髋伸的肌电信号；

S2、提取S1中的六种肌电信号的特征值，并利用特征值对极限学习机进行训练；采用LabVIEW和matlab设计肌电信号的采集、特征提取、模式识别等程序。

S3、利用训练后的极限学习机来识别六种关节运动方向。

腿部肌电信号的绝对值积分均值越大，肌肉疲劳程度越高，且肌肉疲劳程度越高，电机的输出功率越大。

所述该系统的工作方法如下：

SS1、跑步运动员穿戴下肢外骨骼进行跑步训练，肌电信号采集模块对腿部各个关节肌肉进行采集并将采集到的肌电信号传输到信号处理与电机控制模块中；

SS2、同时信号处理与电机控制模块对接受到的各个肌电信号进行处理，并判别腿部各个关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度；

SS3、当腿部肌肉的疲劳程度小于阈值，则根据各个关节运动方向控制各个电机的运转，根据需克服的自身的重力控制电机的输出功率，使运动员感觉不到自己在负重跑步；

SS4、当腿部肌肉的疲劳程度不小于阈值，则根据各个关节运动方向控制各个电机的运转，根据肌肉的疲劳程度增加电机的输出功率，以降低跑步运动员的训练强度，使其腿部肌肉进行休息；

SS5、当腿部肌肉的疲劳程度降至阈值以下，则减少电机的输出功率，加大运动员腿部肌肉的训练量。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，包括肌电信号采集模块、信号处理与电机控制模块和下肢外骨骼模块，其特征在于，

所述下肢外骨骼模块安装在人体下肢外侧，且各个关节处通过电机进行驱动，用于接收信号处理与电机控制模块发出的电机控制指令，并通过各个关节的电机控制下肢外骨骼运动；

所述肌电信号采集模块内嵌于穿戴在运动员上的下肢外骨骼的绑带中，用于实时采集腿部肌肉的肌电信号并传输到信号处理与电机控制模块中；

所述信号处理与电机控制模块内嵌于固定在下肢外骨骼的背垫中；用于实时处理从肌电信号采集模块传来的腿部肌电信号得到疲劳程度，再根据腿部各关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度并生成电机控制指令。

2.根据权利要求1所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，所述肌电信号采集模块包括六个肌电电极片，且六个肌电电极片分别位于运动员下肢的胫骨前肌和腓肠肌群、股四头肌和股二头肌群、腰大肌和臀大肌群处。

3.根据权利要求1所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，所述信号处理与电机控制模块包括用于识别各个关节的运动方向的关节运动方向识别单元、用于检测下肢肌肉疲劳程度的疲劳程度计算单元和用于控制关节运动的电机控制单元。

4.根据权利要求3所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，所述关节运动方向识别单元采用极限学习机识别各个关节运动方向；所述疲劳程度计算单元通过腿部肌电信号的绝对值积分均值的变化程度来判别肌肉的疲劳程度，所述电机控制单元根据腿部各个关节运动方向、肌电信号的绝对值积分均值的变化量来控制电机的运转和输出功率。

5.根据权利要求4所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，所述极限学习机的识别关节运动方向步骤如下：

S1、采集踝屈、踝伸、膝屈、膝伸、髋屈和髋伸的肌电信号；

S2、提取S1中的六种肌电信号的特征值，并利用特征值对极限学习机进行训练；

S3、利用训练后的极限学习机来识别六种关节运动方向。

6.根据权利要求4所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，腿部肌电信号的绝对值积分均值越大，肌肉疲劳程度越高，且肌肉疲劳程度越高，电机的输出功率越大。

7.根据权利要求1所述的基于肌电信号的跑步运动员辅助训练系统，其特征在于，所述该系统的工作方法如下：

SS1、跑步运动员穿戴下肢外骨骼进行跑步训练，肌电信号采集模块对腿部各个关节肌肉进行采集并将采集到的肌电信号传输到信号处理与电机控制模块中；

SS2、同时信号处理与电机控制模块对接受到的各个肌电信号进行处理，并判别腿部各个关节运动方向和腿部肌肉的疲劳程度；

SS3、当腿部肌肉的疲劳程度小于阈值，则根据各个关节运动控制各个电机的运转，根据需克服的自身的重力控制电机的输出功率；

SS4、当腿部肌肉的疲劳程度不小于阈值，则根据各个关节运动方向控制各个电机的运转，根据肌肉的疲劳程度增加电机的输出功率；

SS5、当腿部肌肉的疲劳程度降至阈值以下，则减少电机的输出功率，加大运动员腿部肌肉的训练量。