CN111938637A - 基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能椅技术领域，提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅以及控制方法，该控制系统包括肌电惯性信号采集与处理部分、硬件与软件部分、肌肉及坐姿评定部分；肌电惯性信号采集与处理部分由数据采集模块和信号处理模块组成；硬件与软件部分由模式构建模块和预警功能模块组成；肌肉及坐姿评定部分由肌肉及坐姿评定模块组成。本发明利用人体肌电与惯性信号并结合现有坐姿标准，帮助用户及时调整自身状态进而避免久坐危害，为用户提供久坐时身体状态报告并反馈合理健康建议。

Description

基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅和控制 方法

技术领域

本发明属于智能椅技术领域，具体一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅和控制方法。

背景技术

坐姿是人体的一种自然姿势，可以缓解肌肉疲劳，减少体能消耗，但另一方面，坐姿限制了用户的运动，不健康的坐姿造成了脊柱的变形，降低了血流量，引发各种健康问题。职场节奏快，工作压力大的“久坐族”人群普遍存在，久坐问题急需解决。随着科技不断发展，越来越多人机功效学座椅代替了传统办公座椅进入人们生活，提高了现有座椅舒适度，然而越舒服座椅也会使用户坐的越久，进而引发一系列的久坐导致的慢性疾病。

目前，市场上已出现了多种主打按摩和缓解肌肉疲劳的座椅类产品，但是此类产品不能从根本上帮助用户调整作息规律，养成合理的坐立习惯，同时缺少对用户久坐过程中坐姿变化的关注及不良坐姿的纠正。智能手环、坐姿检测坐垫等产品会通过检测用户体态并进行声音、震动等提醒，但此类产品会中断用户的办公学习状态，而且工作机制单一，无法科学判断用户是否因疲惫需要休息。

国内产品较为集中在被动的调整坐姿类产品，如人机工效学座椅、智能手环、手表等产品。通过产品的功能形态使用户调整坐姿以实现缓解久坐伤害，减少不健康坐姿的发生。比较依赖于使用者的主观能动性，例如根据用户自己对产品的设置来达到久坐提醒的效果。而且目前此类产品主要集中在智能穿戴设备上，围绕智能检测类产品的多功能以及总体丰富度较低，对座椅类产品以及交互体验关注较少。

国外市场上缓解久坐伤害的座椅产品丰富度较高，传统的人机工效学座椅通过调整用户的坐姿以减轻用户的腰背部压力，使用户处于放松的姿势来减少肌肉的酸痛，一定程度上减缓久坐伤害。但使用户坐得越舒服，就会坐的越久，从减少久坐时间角度来看，并不能实现减少久坐的功能。同样的存在着主动的无意识适应类“座椅”，以减少舒适度为前提从而使自身的脊柱曲线保持较好的健康状态。其作用效果为在久坐一段时间之后，用户会出现酸痛感以迫使用户起身运动，以此来达到减少久坐情况的发生。而在不降低舒适度的情况下使用户久坐过程中进行微运动是最近的成果，其作用效果为在久坐过程中持续的进行微运动来减少久坐对人体的伤害，也正是由于持续不断的微运动可能会致使用户工作过程中的注意力被分散的情况。

发明内容

针对上述背景技术中提到的当前缓解久坐伤害的座椅产品存在的不足，本发明提供了基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅和智能椅控制方法，通过采集肌电信号和惯性信息，对肌肉疲劳程度和坐姿检测，准确判断用户是否因疲惫需要休息，对用户提供不同场景下的多模式的久坐提醒，进而使得办公室办公人员避免久坐危害，增加自身健康。

本发明目的通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统，包括：肌电惯性信息采集与处理部分、硬件与软件部分和肌肉及坐姿评定部分；

所述肌电惯性信息采集与处理部分包括：数据采集模块和信号处理模块；所述硬件与软件部分包括：模式构建模块和预警功能模块；所述肌肉及坐姿评定部分包括：肌肉及坐姿评定模块；

所述数据采集模块从用户颈部、背部和腰部获取多路表面肌电信号，并对所述肌电信号进行预处理；获取惯性信息，并对所述惯性信息进行预处理；

所述信号处理模块分别与所述数据采集模块、所述模式构建模块相连接，对所述数据采集模块预处理后的肌电信号和惯性信息进行特征提取；并识别用户根据自身需求选择的所述系统当前的工作模式；

所述模式构建模块构建所述系统的工作模式，所述工作模式包括：手动控制模式、定时控制模式以及自适应控制模式；

所述肌肉及坐姿评定模块与所述信号处理模块相连接，基于特征提取后得到的肌肉疲劳程度指标和坐姿指标进行肌肉疲劳程度以及坐姿评定；

所述预警模块分别与所述信号处理模块和所述肌肉及坐姿评定模块相连接，基于所述信号处理模块识别出的工作模式和所述肌肉及坐姿评定模块评定出的肌肉疲劳程度以及坐姿，进行预警处理。

进一步地，所述肌肉及坐姿评定模块包括：肌体疲劳程度定量评价模块和角速度定量评价模块，其中：

所述肌体疲劳程度定量评价模块连接所述信号处理模块，用于利用肌电牵张反射阈值法定量评价肌肉疲劳程度；

所述角速度定量评价模块连接所述信号处理模块，用于利用主成分分析法融合协同收缩率与肌电一致性指标定量评价肌肉疲劳程度及坐姿状态。

进一步地，所述系统还包括：上位机显示模块，所述上位机显示模块与所述肌肉及坐姿评定模块相连，用于显示所述肌肉及坐姿评定模块得到的肌肉疲劳程度和坐姿评定结果。

进一步地，所述数据采集模块包括电极、惯性信息采集模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、FPGA模块、DSP模块以及通信模块，其中，通过所述电极采得多路表面肌电信号，经调理电路的放大、滤波处理后进行A/D转换，FPGA负责控多路串行A/D器件的信号采集控制和数据缓冲，并将信号送入DSP进行预处理；通过所述惯性信息采集模块获取采集惯性信息；通过所述通信模块将预处理后的肌电信号和惯性信息以无线通信方式传输给信号处理模块和肌肉及坐姿评定模块用于后续的分析和处理。

进一步地，所述预警处理包括：

在手动控制模式下，若所述肌肉及坐姿评定模块判断出肌肉疲劳，则播放预先设定的提示音；在接收到使用者发出的停止指令时，将提示音停止；经过预设时间后，再次获取肌电信号，并判断肌肉疲劳程度；

在定时控制模式下，通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则播放预先设定的提示音；若压力信号消失，则计时器重新计时；若压力信号未消失，则每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失；

在自适应控制模式下，若所述肌肉及坐姿评定模块判断出肌肉疲劳，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

进一步地，通过所述电极采得多路表面肌电信号，包括：所述电极贴于待采集的肌肉表面，差分电极按照肌纤维方向顺序粘贴于待测肌肉表面，通过五条肌电信号导联线将五个电极与肌电采集模块相连，同一块肌肉的两条肌电信号导联线输入到肌电模块的差分输入通道，参考电极粘贴于肌肉附近的无关组织上面，并将参考电极连接入肌电采集模块的参考输入端。

另一方面，本发明还提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅，包括：

座椅主体和如上所述的基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统；

其中，所述智能椅控制系统中的信号采集模块和数据预处理模块设置在椅子主体上，模式构建模块和肌肉及坐姿评定模块设在上位机通过无线网络模块与座椅主体通讯。

另一方面，本发明还提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制方法，包括以下步骤：

获取用户根据自身需求选择的智能椅当前的工作模式；所述工作模式包括：手动控制模式、定时控制模式以及自适应控制模式；

从用户颈部、背部和腰部获取多路表面肌电信号，并对所述肌电信号进行预处理；获取惯性信息，并对所述惯性信息进行预处理；

基于所述经过预处理的肌电信号和惯性信息对肌肉疲劳程度以及坐姿进行评定；

基于所述工作模式和所述肌肉疲劳程度以及坐姿的评定结果，进行预警处理。

进一步地，所述预警处理包括：

在手动控制模式下，若判断出肌肉疲劳，则播放预先设定的提示音；在接收到使用者发出的停止指令时，将提示音停止；经过预设时间后，再次获取肌电信号，并判断肌肉疲劳程度；

在定时控制模式下，通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则播放预先设定的提示音；若压力信号消失，则计时器重新计时；若压力信号未消失，则每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失；

在自适应控制模式下，若判断出肌肉疲劳，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

本发明提供的基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统、智能椅和控制方法，利用肌电信号与嵌入式系统的特点及优势，通过采集肌电信号和惯性信息，对肌肉疲劳程度和坐姿检测，准确判断用户是否因疲惫需要休息，对用户提供不同场景下的多模式的久坐提醒，使用户能够在久坐之后肌肉处于疲劳时能够起身运动，减少久坐所带来的危害。可以通过程序进行工作模式的切换，应用于不同的场景，体现人性化预警、个性化的功能；同时可以通过上位机实时监测用户自身身体肌肉状态，起到健康预防的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种基于肌电惯性信息的智能椅控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例中的肌电信号采集与处理部分中数据采集模块的结构框图；

图3为本发明实施例中的惯性采集模块设计原理示意图；

图4为人体背部肌肉结构示意图；

图5为本发明实施例中的一种基于肌电惯性信息采集的智能椅控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统的结构框图。

该控制系统包括肌电-惯性信息采集与处理部分101、硬件与软件部分102和肌肉及坐姿评定部分103，其中：

肌电-惯性信息采集与处理部分从用户的颈部、背部和腰部获取多路表面肌电信号，经预处理后以无线通信方式传输给上位机并定时对肌电-惯性信息数据进行读取，通过特征提取对肌肉疲劳程度进行检测，并对采集的角度信号进行处理，对用户的坐姿进行监测。根据不同的检测结果向软件系统发送相应指令，控制硬件系统相应反应动作。

手动控制、定时控制以及自适应控制模式构建部分主要是采用软件编程设计，设定智能椅的工作模式，根据用户的不同需求，设定不同的工作模式，实现不同的反馈行为。

硬件系统主要是由座椅及各种的硬件模块，如语音模块，LED警示灯等进行有效组合，根据传输指令作出相应动作，实现系统最终工作部分。

基于肌电和角度信息分析的检测软件系统部分在整个交互过程中提取多种肌电特征指标作为肌肉功能状态及角度信息反映的坐姿状态，并实时显示。

下面对智能椅控制系统的各组成部分作详细介绍。

一.肌电-惯性信息采集与处理部分

该部分包括数据采集模块、信号处理模块。数据采集模块从用户颈部、背部和腰部获取多路表面肌电信号，并对肌电信号进行预处理；获取惯性信息，并对惯性信息进行预处理。信号处理模块分别与数据采集模块、模式构建模块相连接，对数据采集模块预处理后的肌电信号和惯性信息进行特征提取；并识别用户根据自身需求选择的控制系统当前的工作模式。

参见图2，其示出了本发明实施例中数据采集模块的结构框图。数据采集模块包括电极、惯性信息采集模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、FPGA模块、DSP模块以及通信模块。其中，通过AgCl电极采得多路表面肌电信号经调理电路的放大、滤波处理后进行A/D转换，FPGA负责控多路串行A/D器件的信号采集控制和数据缓冲，并将信号送入DSP进行预处理，通过惯性信息采集模块获取采集位置处的加速度、角速度、角度等惯性信息。通信模块将预处理后的肌电信号数据和惯性信息数据以无线通信方式传输给上位机用于后续的分析和处理。后续分析处理过程中，将综合多个采集模块的原始数据，对人体姿态进行评价。

其中，惯性信息采集模块主要由加速度计、陀螺仪以及地磁传感器组成，能够输出九轴的惯性信息，经过姿态解算后得到加速度、角速度、角度、磁场、地速等参数。在一种可能的实施方式中，可以采用加速度计和陀螺仪的组合芯片输出六轴惯性信息，并组合地磁传感器实现了九轴惯性信息。惯性信息采集模块设计原理如图3所示。

本发明实施例中，数据采集模块同时采集两路肌电信号，通过差分方式变送两路肌电信号。同时，设计肌电屏蔽线、放大电路、滤波电路、二级放大电路以及电压采集适配电路。一次性AgCl电极贴于待采集的肌肉表面，差分电极按照肌纤维方向顺序粘贴于待测肌肉表面，通过5条肌电信号导联线将五个一次性电极与肌电采集模块相连，同一块肌肉的两条肌电信号导联线输入到肌电模块的差分输入通道，参考电极粘贴于肌肉附近的无关组织上面，并将参考电极连接入肌电采集模块的参考输入端。肌电采集模块输出经过调理后的信号，两通道模拟信号同时输入到模数转换装置中同步转化为数字量，将得到的数据进行选频滤波等操作，处理完成后按照数据协议进行打包，发送到数据处理端。

二.硬件与软件部分

该部分包括模式构建模块、预警模块。模式构建模块构建该控制系统的工作模式；预警模块分别与信号处理模块和肌肉及坐姿评定模块相连接，基于信号处理模块识别出的工作模式和肌肉及坐姿评定模块评定出的肌肉疲劳程度以及坐姿，进行预警处理。

根据用户的不同需求，用户自行设定符合环境需求的模式。通过软件编程实现上位机对于肌电和惯性信息的实时监测，实现工作模式的切换。

根据预警方式，分为自适应控制和手动控制两种。

在自适应模式下，若判断出肌肉疲劳或久坐时间过程时，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，如椅面自动开始倾斜至15°，此时人体随椅背站起，用户被迫进行休息。调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

为迎合用户需求，设定手动模式下，若判断出肌肉疲劳，则播放预先设定的提示音；在接收到使用者发出的停止指令时，将提示音停止；经过预设时间后，再次获取肌电信号，并判断肌肉疲劳程度。系统检测到相应需求，用户达到应起身运动的条件时，只发出预警指示，而不会自动调节椅面倾斜程度，达到不影响用户的工作，且达到预警作用，使用户根据情况调整状态。

根据用户是否需要休息的判定方式，分为定时模式和自适应模式两种。

在定时模式下，通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则播放预先设定的提示音；若压力信号消失，则计时器重新计时；若压力信号未消失，则每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失。

在自适应模式下，若判断出肌肉疲劳，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。警告提醒可以是语音，也可以是LED警示灯发光，还可以是语音结合LED警示灯发光。

三.肌肉及坐姿评定部分

该部分包括肌肉及坐姿评定模块。肌肉及坐姿评定模块与信号处理模块相连接，基于特征提取后得到的肌肉疲劳程度指标和坐姿指标进行肌肉疲劳程度以及坐姿评定。具体实施时，该肌肉及坐姿评定模块可以包括：肌体疲劳程度定量评价模块和角速度定量评价模块，肌体疲劳程度定量评价模块连接信号处理模块，负责利用肌电牵张反射阈值法定量评价肌肉疲劳程度；角速度定量评价模块连接信号处理模块，负责用主成分分析法融合协同收缩率与肌电一致性指标定量评价肌肉疲劳程度及坐姿状态。

骨骼肌的基本功能是兴奋和收缩，是肌电图形成的基础，通过使用肌电图仪放大骨骼肌兴奋时的电位变化可获得原始肌电信号，能够持续监控执行某项工作中局部的肌肉信号，客观的反映肌肉活动水平和功能状态。在诸多肌肉群中，本发明实施例选取与下腰疼痛发病相关的竖脊肌作为目标肌肉，如图4示出的背部主要肌肉分布图。通过记录不同姿势久坐过程中肌电信号变化情况，并从时域以及频域角度对肌电信号综合进行疲劳分析。对肌电信号(EMG)分析主要集中在时域和频域，综合考虑振幅和频谱的变化，目的在于更好的反映肌肉疲劳的真实情况。

1.均方根值：时域指标均方根值(RMS)可以用来描述一段时间内的肌电平均变化特征，疲劳时肌电信号的振幅增高引起RMS增加，在一定程度上能够体现肌肉的平均功率，反映肌电的特点。

2.肌电积分值：积分肌电(IEMG)能在时间维度上反映肌肉活动的强弱。有研究表明，当IEMG值低于初始值时表示肌肉开始出现疲劳，IEMG值越低，疲劳越严重。

3.平均功率频率：通过傅里叶变换，可将肌电仪采集到的原始肌电信号转化为频域信号。频率主要分布在10-500Hz范围内。频域分析法采取平均功率频率值(MPF)作为主要的分析对象，在肌肉产生疲劳时MPF值也相应下降。一般认为MPF在反映较低负荷收缩时的灵敏度更高。

通过对肌电信号及惯性信息的分析处理，对肌电信息进行预处理与去除噪声，基于特征指标对人体疲劳程度进行有效分析和辨识。对获取到的角速度信息进行去噪声处理，然后通过积分变换计算相应的角度信息，并对正确坐姿和错误坐姿进行对比分析，判断用户坐姿异常状态。根据人体肌肉疲劳程度判断，肌电信号超过预先设定的肌电阈值则在相应模式下，发送相应动作指令，控制座椅执行相应预警动作。

本发明实施例中的基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统，利用肌电信号与嵌入式系统的特点及优势，通过采集肌电信号和惯性信息，对肌肉疲劳程度和坐姿检测，准确判断用户是否因疲惫需要休息，对用户提供不同场景下的多模式的久坐提醒，使用户能够在久坐之后肌肉处于疲劳时能够起身运动，减少久坐所带来的危害。可以通过程序进行工作模式的切换，应用于不同的场景，体现人性化预警、个性化的功能；同时可以通过上位机实时监测用户自身身体肌肉状态，起到健康预防的作用。

对应于上述实施例中的一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统，本发明实施例提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅。该智能椅包括座椅主体和上述基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统；

其中，智能椅控制系统中的数据采集模块和信号处理模块设置在椅子主体上，模式构建模块和肌肉及坐姿评定模块设在上位机通过无线网络模块与座椅主体通讯。通过数据采集模块进行信号采集，通过信号处理模块进行肌电和惯性信息的同步获取与有效特征分析，通过肌肉及坐姿评定模块对肌肉的状态进行判断，通过预警提示模块在达到预设阈值时做出预警动作。

本发明实施例提供的基于肌电和惯性信息分析的智能椅，利用肌电信号与嵌入式系统的特点及优势，通过采集肌电信号和惯性信息，对肌肉疲劳程度和坐姿检测，准确判断用户是否因疲惫需要休息，对用户提供不同场景下的多模式的久坐提醒，使用户能够在久坐之后肌肉处于疲劳时能够起身运动，减少久坐所带来的危害。可以通过程序进行工作模式的切换，应用于不同的场景，体现人性化预警、个性化的功能；同时可以通过上位机实时监测用户自身身体肌肉状态，起到健康预防的作用。

对应于上述实施例中的一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统，本发明实施例提供了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制方法，该方法包括：获取用户根据自身需求选择的智能椅当前的工作模式；从用户颈部、背部和腰部获取多路表面肌电信号，并对肌电信号进行预处理；获取惯性信息，并对惯性信息进行预处理；基于经过预处理的肌电信号和惯性信息对肌肉疲劳程度以及坐姿进行评定；基于工作模式和肌肉疲劳程度以及坐姿的评定结果，进行预警处理。需要说明的是，多路表面肌电信号与惯性信息可以同时采集，也可以先采集多路表面肌电信号，再采集惯性信息，还可以先采集惯性信息，再采集多路表面肌电信号，此处不对信息采集顺序进行限定。

下面对方法的具体步骤作详细介绍。

(1)信号采集：两路肌电信号采用差分方式连接，一个参考点惯性信号由9轴惯性信息组成，采集节点独立分布在用户的肢体上面。电极采用常见的一次性AgCl电极。

(2)数据预处理：肌电模拟电路由差分放大前端电路、高通滤波电路、低通滤波电路、二级放大电路以及电压抬升电路构成；惯性传感器电路分别由驱动电路和I2C通信接口构成；数字处理系统由微处理器、晶振电路、复位电路、模拟数字滤波电路、AD采集接口、串行通信接口、I2C接口构成。

(3)久坐提醒：肌电与惯性信息经过预处理后进行特征值的提取，判断肌肉状态，与预设阈值进行比较，当达到预设阈值时系统根据所设置的工作模式做出响应提醒。

模式功能具体如下：

①手动控制模式：将获取到的肌电信号转换为数字信号，然后将信号传输至单片机，单片机对数字信号进行相应的分析，若判断出肌肉疲劳，则将预先设定的提示音进行播放，使用者也可通过座椅侧面的手动按钮将提示音停止，经过预先设定好的一段时间后，再次收集肌电信号，重新判断肌肉疲劳程度。

②定时控制模式：通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则会触发预先设置的提示音提醒使用者起身活动，若压力信号消失，则计时器重新计时，若压力信号仍未消失，铃声每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失。

③自适应控制模式：将获取到的肌电信号转换为数字信号，然后将信号传输至单片机，单片机对数字信号进行相应的分析，若检测到肌肉疲劳信号，则播放提示音同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

参见图5，其示出了一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制方法的流程示意图，该方法包括：

步骤1，根据用户的姿势状态从用户的背部、颈部利用肌电与惯性信息采集电极同步获取多通道表面肌电信号与惯性信息。

步骤2，将肌电信号与惯性信息通过肌电信息与惯性信息采集电路传输到STM32处理，并进行模数转换得到数字信号。

其中，惯性信息至少包括角度信号。

步骤3，将步骤1得到的肌电信号与惯性信息以无线通信方式传输给上位机并进行数据缓存。

步骤4，实时显示表面肌电信号和角度信号变化。

步骤5，对步骤3得到的肌电信号和角度信号定时地进行读取，对信号进行特征提取，得到肌肉疲劳指标及坐姿状态指标。

步骤6，对肌肉疲劳指标及坐姿状态指标进行评定，并实时显示；

步骤7，根据不同的识别结果，对应不同模式下，执行相应的预警动作。

步骤8，持续对用户进行监测，返回步骤1执行。

本发明实施例提供的基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制方法，利用肌电信号与嵌入式系统的特点及优势，通过采集肌电信号和惯性信息，对肌肉疲劳程度和坐姿检测，准确判断用户是否因疲惫需要休息，对用户提供不同场景下的多模式的久坐提醒，使用户能够在久坐之后肌肉处于疲劳时能够起身运动，减少久坐所带来的危害。可以通过程序进行工作模式的切换，应用于不同的场景，体现人性化预警、个性化的功能；同时可以通过上位机实时监测用户自身身体肌肉状态，起到健康预防的作用。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统，其特征在于，包括：肌电惯性信息采集与处理部分、硬件与软件部分和肌肉及坐姿评定部分；

所述肌电惯性信息采集与处理部分包括：数据采集模块和信号处理模块；所述硬件与软件部分包括：模式构建模块和预警功能模块；所述肌肉及坐姿评定部分包括：肌肉及坐姿评定模块；

所述数据采集模块获取智能椅上用户的多路表面肌电信号，并对所述肌电信号进行预处理；获取惯性信息，并对所述惯性信息进行预处理；

所述信号处理模块分别与所述数据采集模块、所述模式构建模块相连接，对所述数据采集模块预处理后的肌电信号和惯性信息进行特征提取；并识别用户根据自身需求选择的所述系统当前的工作模式；

所述模式构建模块构建所述系统的工作模式，所述工作模式包括：手动控制模式、定时控制模式以及自适应控制模式；

所述肌肉及坐姿评定模块与所述信号处理模块相连接，基于特征提取后得到的肌肉疲劳程度指标和坐姿指标进行肌肉疲劳程度以及坐姿评定；

所述预警模块分别与所述信号处理模块和所述肌肉及坐姿评定模块相连接，基于所述信号处理模块识别出的工作模式和所述肌肉及坐姿评定模块评定出的肌肉疲劳程度以及坐姿，进行预警处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述肌肉及坐姿评定模块包括：肌体疲劳程度定量评价模块和角速度定量评价模块，其中：

所述肌体疲劳程度定量评价模块连接所述信号处理模块，用于利用肌电牵张反射阈值法定量评价肌肉疲劳程度；

所述角速度定量评价模块连接所述信号处理模块，用于利用主成分分析法融合协同收缩率与肌电一致性指标定量评价肌肉疲劳程度及坐姿状态。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：上位机显示模块，所述上位机显示模块与所述肌肉及坐姿评定模块相连，用于显示所述肌肉及坐姿评定模块得到的肌肉疲劳程度和坐姿评定结果。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集模块包括电极、惯性信息采集模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、FPGA模块、DSP模块以及通信模块，其中，通过所述电极采得多路表面肌电信号，经调理电路的放大、滤波处理后进行A/D转换，FPGA负责控多路串行A/D器件的信号采集控制和数据缓冲，并将信号送入DSP进行预处理；通过所述惯性信息采集模块获取采集惯性信息；通过所述通信模块将预处理后的肌电信号和惯性信息以无线通信方式传输给信号处理模块和肌肉及坐姿评定模块用于后续的分析和处理。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预警处理包括：

在手动控制模式下，若所述肌肉及坐姿评定模块判断出肌肉疲劳，则播放预先设定的提示音；在接收到使用者发出的停止指令时，将提示音停止；经过预设时间后，再次获取肌电信号，并判断肌肉疲劳程度；

在定时控制模式下，通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则播放预先设定的提示音；若压力信号消失，则计时器重新计时；若压力信号未消失，则每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失；

在自适应控制模式下，若所述肌肉及坐姿评定模块判断出肌肉疲劳，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，通过所述电极采得多路表面肌电信号，包括：

所述电极贴于待采集的肌肉表面，差分电极按照肌纤维方向顺序粘贴于待测肌肉表面，通过五条肌电信号导联线将五个电极与肌电采集模块相连，同一块肌肉的两条肌电信号导联线输入到肌电模块的差分输入通道，参考电极粘贴于肌肉附近的无关组织上面，并将参考电极连接入肌电采集模块的参考输入端。

7.一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅，其特征在于，包括：

座椅主体和如权利要求1-6任一项所述的基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制系统；

其中，所述智能椅控制系统中的信号采集模块和数据预处理模块设置在椅子主体上，模式构建模块和肌肉及坐姿评定模块设在上位机通过无线网络模块与座椅主体通讯。

8.一种基于肌电和惯性信息分析的智能椅控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取用户根据自身需求选择的智能椅当前的工作模式；所述工作模式包括：手动控制模式、定时控制模式以及自适应控制模式；

获取智能椅上用户的多路表面肌电信号，并对所述肌电信号进行预处理；

获取惯性信息，并对所述惯性信息进行预处理；

基于所述经过预处理的肌电信号和惯性信息对肌肉疲劳程度以及坐姿进行评定；

基于所述工作模式和所述肌肉疲劳程度以及坐姿的评定结果，进行预警处理。

9.根据权利要求8所述的方法，所述预警处理包括：

在手动控制模式下，若判断出肌肉疲劳，则播放预先设定的提示音；在接收到使用者发出的停止指令时，将提示音停止；经过预设时间后，再次获取肌电信号，并判断肌肉疲劳程度；

在定时控制模式下，通过获得在椅面上放置的压力传感器信号转换为数字信号，同时启动计时器，若压力传感器长时间有不间断的压力信号，则播放预先设定的提示音；若压力信号消失，则计时器重新计时；若压力信号未消失，则每隔五分钟提示一次，直到压力信号消失；

在自适应控制模式下，若判断出肌肉疲劳，则发出警告提醒，同时调整座椅椅背以及椅面的角度，调整完角度后继续检测肌肉疲劳信号，若仍检测出肌肉疲劳信号，则再次调整座椅椅背和椅面角度，直到检测不出肌肉疲劳信号为止。

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