CN113143298B - 肢体骨骼肌发力状态检测装置及方法、发力状态识别设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肢体骨骼肌发力状态检测装置，其包括：压力感知模块，以及可穿戴的定位模块，其中，所述压力感知模块以可拆卸的方式安装在所述定位模块上；当穿戴者穿戴所述定位模块时，所述定位模块将所述压力感知模块固定在所述穿戴者的肢体上，并使所述感知模块的受力点/受力面始终抵住与所述骨骼肌表面，以获取肢体骨骼肌向上突起(即发力)时产生的压力。本发明利用力传感器对肢体骨骼肌用力状态进行实时感知，利用肢体骨骼肌发力时肌肉弹性刚度变化特性，通过传感器来检测肌肉软硬度变化，进而在不采用传统肌电信号测量的贴片方式的情况下来检测肢体骨骼肌的用力状态。

Description

肢体骨骼肌发力状态检测装置及方法、发力状态识别设备

优先权申请

本申请要求2020年3月31日提交的中国发明专利申请CN 2020102421710 “一种肢体骨骼肌发力状态测试机构、方法和装置”的优先权，这件优先权中国发明专利申请以引用方式全文并入。

技术领域

本发明属于信号检测技术领域，尤其涉及一种肢体骨骼肌发力状态检测装置及其检测方法，以及一种肢体骨骼肌发力状态识别设备。

背景技术

人的膝关节在日常的各种生活活动中起着极其重要的作用，比如正常的行走、站立。但是，现在有许多膝关节损伤的患者，比如步态障碍、瘫痪、肌肉无力等等，他们无法像常人一样自由的行走或者站立，这对他们的生活有很大的影响。所以，出现可以帮助这些有膝关节功能障碍的人恢复行走能力的设备是必要的。相比传统的物理治疗法，通常需要体力劳动，由于物理治疗师需要高强度的劳动，针对患者的培训课程通常时间、频率和可用性是有限的。而利用机器人技术开发可穿戴医疗设备，如外骨骼和活动矫形器，用于行走障碍患者。通过机器人辅助康复，物理治疗师便可以摆脱传统物理治疗的繁重负担。并且，机器人辅助康复可以提供长时间的训练，增加康复过程。

目前，参考图1所示为Pratt等人做出了一种叫做RoboKnee的膝关节外骨骼，用来增强人的力量和耐力，提高行走速度。该款膝关节外骨骼采用串联驱动器提供动力，执行机构主要由直流电机、压缩弹簧、滚珠丝杠螺母和导轨组成。它能够输出565N的连续力和1330N的间歇力。经过试验，这套设备可以在受试者进行爬楼梯、负重或深膝弯曲等运动时增强他的力量和耐力。

参考图2所示，Maeda等人开发了一款用于增强正常人步行能力的膝关节外骨骼。用PAMs来驱动外骨骼。这套外骨骼设备主要由空气压缩机、气动调节器、激动剂-拮抗剂PAMs、传感器、嵌入式控制器和一个商用的膝关节支撑组成。不包括空气压缩机和气动调节器外骨骼总重约0.8Kg。对一名健康成年男性受试者进行实验，在实验中，实验者穿戴这套设备在跑步机上以每小时4 公里的速度行走。实验结果表明，膝关节外骨骼可以为佩戴者提供可变刚度的帮助，以减少过度肌肉活动。

参考图3所示，Dollar等人开发了一种用于运输过程中辅助跑步和提高人体性能的能量自主的膝关节外骨骼。外骨骼由支架、控制硬件、执行器模块组成，执行器又包括了直流电机、滚珠丝杠和螺母、弹簧、以及皮带驱动器。执行器大约重1Kg，最大持续力约524N，峰值扭矩为47.5Nm。电源选用锂聚合物电池，外骨骼总重量约2.5Kg，穿戴者能在30秒内穿上，5秒内脱下。在他们以后的研究中，将进行人体实验来验证装备的有效性。

参考图4所示，D.J.Hyun等人提出了一种以电力为动力的下肢外骨骼，叫做人体通用运动辅助器(Human Universal Mobility Assistance HUMA)。HUMA 旨在为穿戴者提供负重帮助，增强人的体力和耐力。它有12个自由度来协助人类运动。假肢有两个电力驱动的自由度用于髋/膝关节的屈伸和伸展。HUMA具有主动人工髋关节和膝关节的机械结构。他的主动人工膝关节由一个四杆多中心联动机构组成，通过其他四杆动力传动机构，由位于机器人大腿段中间的执行机构驱动。这个动力膝关节的优点有四个，分别为a.人类和机器人在腿部运动时膝盖对齐；b.膝关节自主稳定区扩大；c.角度相关的可变膝关节扭矩/速度的比率增大；d.人工腿的总惯性矩减少。开发者们对外骨骼进行了步态测试，实验中，HUMA外骨骼机器人能够负重20Kg以5公里每小时的速度行走，无负重以每小时10公里的速度跑步。

对于现有技术中的主动式行走助力外骨骼而言，都需要及时感知人体的运动步态，并精准判断出穿戴者的运动意图，才能恰逢其时地实现高效能助力。因此步态感知手段的优化对于行走助力外骨骼助力效能的提高也有重要的作用。现有助力外骨骼的步态感知手段主要包括：电机旋转编码器、关节角度计、肢体运动加速度计、电机输出转矩计、外骨骼关节交互转矩计、足底压力计、肌电信号、脑电信号等。

其中，编码器、角度计、加速度计是通过记录人体肢体运动轨迹，来判断身体下一阶段可能的运动方向和速度。而关节交互转矩计或足底压力计的加入，则能减少人机交互界面(柔性绑缚)对肢体运动轨迹造成的感知滞后作用。然而上述两类方法仍然是通过人体肢体已经发生的运动学或动力学特性对人体运动步态进行感知的，相对于人体发力始终存在一定的滞后。因为人体骨骼肌可类比为串联弹性驱动，肌肉发力为肌腱蓄能，进而改变关节的等效刚度，实现运动意图。因此肌肉发力要先于肢体运动。如果利用控制算法的微分算子来预估人体运动的趋势，虽然在稳定步态下可以改善助力滞后的问题，但对于山区徒步这种步态频繁变化的实际应用，该步态预测方法不但难以准确判断人体步态意图，可能还会因为错误的助力策略导致人体耗能的增加。

相比之下，通过对肌肉发力的直接感知可以避免上述问题，例如测量助力肌群的肌电信号。现有的肌肉发力感知方式主要采用肌电信号测量法，具体包括针刺式和表面贴片式两种。针刺式肌电信号传感器由于需要将电极刺入人体肌肉群中，因此多用于临床实验。表面肌电信号传感器虽然比前者更易于外骨骼应用，但仍然需要将导电极贴敷在人体肌肉皮肤表面，进而导致外骨骼穿戴不方便，并且电极贴敷位置差异、汗液导致介电常数变化、运动中的抖动、贴片脱落等问题对信号的捕捉影响较大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种肢体骨骼肌发力状态测试机构、测试方法、测试装置。随着社会的进步，各个领域的产物都在朝着操作更加简单，反应更加灵敏，携带更加方便的方向进发。本发明的初衷也秉承着同样的观念在进行研究设计。

实时感知也是近几年的研究热点，其在智能机器人领域的应用更是十分广泛。给外骨骼机器人搭载先进的感知系统，理论上就能够与能量回收机构和助力机构实现完美配合，当探测到需要用力时助力机构便可以提供助力，而不需要助力时也可将在运动中产生的能量回收储存起来，从而提高续航能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态检测装置，其包括：压力感知模块，以及可穿戴的定位模块，其中，所述压力感知模块以可拆卸的方式安装在所述定位模块上；当穿戴者穿戴所述定位模块时，所述定位模块将所述压力感知模块固定在所述穿戴者的肢体上，并使所述感知模块的受力点/ 受力面始终抵住与所述骨骼肌表面；且当所述肢体运动时，所述骨骼肌作用于所述压力感知模块的至少一个受力点/至少一个受力面，从而得到可用于表征所述骨骼肌发力状态的电信号。

在本发明的一些实施例中，所述受力点/所述受力面呈凸型结构；且当所述穿戴者穿戴安装有所述压力感知模块的所述定位模块时，所述受力点/所述受力面使得所述骨骼肌表面对应于所述受力点/所述受力面的位置形成凹陷。

优选地，所述压力感知模块包括：压力传感器。

在本发明的一些实施例中，所述压力感知模块包括：压力传感器，以及用于将所述骨骼肌施加的压力传导至所述压力传感器的传导部件，其中，所述传导部件以可拆卸的方式安装在所述定位模块上，并将所述压力传感器夹持在所述传导部件和所述定位模块之间；

当所述穿戴者穿戴所述定位模块时，所述传导部件的受力面/受力点抵住所述骨骼肌表面；且当所述骨骼肌发力时，所述传导部件将所述骨骼肌施加在所述受力面上的压力传导至所述压力传感器上。

在本发明的一些实施例中，所述传导部件远离所述受力面/所述受力点的一端内设有可用于安装所述压力传感器的第一容置槽；当将所述传导部件可拆卸方式安装在所述定位模块上时，所述第一容置槽与所述定位模块贴合于所述骨骼肌的内侧表面形成用于包覆所述压力传感器的包覆空间。

在本发明的一些实施例中，所述传导部件采用透明且非结晶型共聚酯材料制成。优选地，所述传导部件采用PETG，或PET材料制成。

在本发明的一些实施例中，所述定位模块的内侧表面上开设的第二容置槽，且当将所述传导部件可拆卸方式安装在所述定位模块上时，所述第一容置槽与所述第二容置槽相连通，形成用于包覆所述压力传感器的包覆空间。

在本发明的一些实施例中，所述压力传感器的受力点抵住所述第一容置槽的槽底，或者所述第二容置槽的槽底，或者，所述定位模块的内侧表面。

在本发明的一些实施例中，所述压力传感器与所述第一容置槽的槽底之间设置有隔板。

在本发明的一些实施例中，所述定位模块包括：与所述骨骼肌表面弧度相适应的固定座，以及将所述固定座固定在所述骨骼肌表面的固定件，其中，所述固定座上贴合于所述骨骼肌表面的内侧设置有用于容纳所述压力感知模块的第二容置槽；当所述压力感知模块以可拆卸方式安装在所述第二容置槽内时，所述压力感知模块的受力点/受力面凸出所述第二容置槽外；且当所述骨骼肌处于未发力状态时，所述压力感知模块的受力点/受力面抵住所述骨骼肌表面；当所述骨骼肌处于发力状态时，所述骨骼肌施加作用力于所述压力感知模块的受力点/受力面，从而感知得到可用于表征所述骨骼肌发力状态的电信号。

在本发明的一些实施例中，所述固定座呈圆弧状。

本发明的第二方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态识别设备，其包括：上述肢体骨骼肌发力状态检测装置；以及与所述肢体骨骼肌发力状态检测装置电连接的发力状态识别模块，用于根据所述肢体骨骼肌发力状态检测装置所检测到的，用于表征所述肢体骨骼肌发力状态的电信号，识别所述肢体骨骼肌当前是否处于发力状态。

在本发明的一些实施例中，所述发力状态识别模块具体包括：

信号放大单元，与所述肢体骨骼肌发力状态检测装置中的压力感知模块电连接，用于对所述电信号进行放大处理，得到放大后的电信号；

第一数据处理单元，与所述信号放大单元电连接，用于根据将放大后的所述电信号，结合预设的信号阈值判断骨骼肌当前是否处于发力状态。

在本发明的一些实施例中，所述发力状态识别模块还包括：

记录单元，与所述信号放大单元电连接，用于记录所述电信号的持续时间；

可视化处理单元，分别与所述信号放大单元和所述记录单元电连接，用于根据所述持续时间和放大后的所述电信号进行可视化处理，得到所述电信号随时间变化的第一可视化图表。

在本发明的一些实施例中，所述识别设备还包括：发力状态指示模块，与所述第一数据处理单元电连接，用于在所述第一数据处理单元的控制下，指示不同的发力状态。

在本发明的一些实施例中，所述发力状态指示模块包括：信号指示灯，所述信号指示灯在所述第一数据处理单元的控制下，通过显示不同颜色的光亮来指示所识别的发力状态。

本发明的第三方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态识别方法，其包括步骤：

采用上述肢体骨骼肌发力状态检测装置来获取表征骨骼肌发力状态的电信号；根据所述检测装置所获取到的电信号，以及预设的信号阈值识别所述骨骼肌当前的发力状态，得到识别结果。

在本发明的一些实施例中，识别所述骨骼肌当前的发力状态之前，还包括步骤：对所述电信号进行放大处理。

本发明的第四方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态感知机构，包括感知电子器件组，所述感知电子器件组包括压力传感器，所述压力传感器用于布置在肢体骨骼肌表面，以获取肢体骨骼肌向上突起时对压力传感器产生的压力；还包括用于固定感知电子器件组的固定机构，所述固定机构包括的托盘、用于封住托盘的压盖、用于安装所述托盘的固定机构本体，所述托盘具有置物空间，用于放置感知电子器件，所述压盖通过配合所述压盖上的卡件进行卡扣固定封住所述托盘的开口以防止在托盘内的感知电子器件脱出，所述固定机构本体为与肢体骨骼肌相匹配的弧形状；所述固定机构本体的两端开设有用于安装绑带的安装孔。所述肢体骨骼肌可以是，例如，大腿股直肌。

作为优选的技术方案，所述肢体骨骼肌发力状态感知机构还包括：角度编码器、薄膜压力传感器；所述角度编码器用于布设于膝关节侧面处，以测量在各个步态下大小腿之间发生的角度变化，来判别此时是怎样一个动作转变过程；所述薄膜压力传感器布置于足底，用于监测足底的压力变化，通过获得足底压力变化，以判断出腿部处于支撑状态还是摆动态。

作为优选的技术方案，所述托盘包括具有置物空间的托盘本体，所述托盘本体一侧开设有通孔，所述托盘本体上端边缘对称开设一对卡块；所述压盖包括压盖本体，所述压盖本体中部开设圆孔，压盖本体两边对称设置有卡条，所述卡条包括一对具有开口的扣件，所述压盖通过所述扣件与所述卡块对应配合封住所述托盘本体的上端开口。

作为优选的技术方案，所述托盘本体为圆柱体状。

本发明的第五方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态感知测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：运用如上所述的肢体骨骼肌发力状态感知机构采集得到肢体骨骼肌对应部位的肌电信号；

步骤2：所述步骤1所采集得到的肌电信号进入到节点1，所述节点1对所述肌电信号进行放大；

步骤3：放大的肌电信号进入节点2，所述节点2是一个开关节点，用于控制测试的开始；

步骤4：所述节点2控制测试任务开始后，进入节点3，所述节点3是一个时间节点，记录肌电信号的持续时间；

步骤5：进入节点4，所述节点4读取数据，所述数据包括所述节点3记录的持续时间及所述节点2放大的肌电信号；

步骤6：节点4读取的数据分别进入节点5、节点9和节点6，所述节点5 用于根据所述节点4读取的数据生成信号随时间变化的图表，所述节点9用于将放大的肌电信号值与节点8产生的信号值进行比较，用以判断肢体骨骼肌是否发力；所述节点6是一个开关节点，用于控制测试的结束。

作为优选的技术方案，所述步骤6中，节点9判断结果由节点10显示，所述节点10是一个信号指示灯，通过发出不同颜色的光亮来指示判断结果。

作为优选的技术方案，所述节点6连接节点7，所述节点7用于报错，在测试过程中如果出现短路或断路程序会立即停止并报错。

作为优选的技术方案，在所述节点4和节点6设置有开关节点组，所述开关节点组包括节点12、节点13、节点14，所述节点12是一个开关按键，用于在测试过程中控制测试的通断，所述节点14是真时停止节点，所述节点13是一个或门，所述节点12通过节点13和所述节点14并联。

本发明的第六方面，在于提供一种肢体骨骼肌发力状态感知测试装置，包括如上所述的肢体骨骼肌发力状态感知机构；

所述感知电子器件组线连接信号放大器，用于将采集得到肢体骨骼肌对应部位的肌电信号输入到所述信号放大器中进行放大处理；

所述信号放大器线连接第一开关器，所述开关节点器用于控制测试的开始；

所述开关节点器线连接一计时器，所述计时器用于记录肌电信号的持续时间；

所述计时器线连接数据读取器，所述数据读取器用于读取数据，所述数据包括所述计时器记录的持续时间及所述信号放大器放大的肌电信号；

所述数据读取器分别与图表生成器、数值比较器、第二开关器线连接，所述图表生成器、波形记录器、第二开关器并联，所述图表生成器用于所述数据读取器读取的数据生成信号随时间变化的图表，所述数值比较器用于将放大的肌电信号值与常数编辑器产生的信号值进行比较，用以判断肢体骨骼肌是否发力；所述第二开关器用于控制测试的结束。

作为优选的技术方案，所述数值比较器判断结果由信号指示灯显示，所述信号指示灯通过发出不同颜色的光亮来指示判断结果。

作为优选的技术方案，在所述数据读取器和第二开关器设置有开关器组，所述开关器组包括开关按键、或门、真时停止器，所述开关按键用于在测试过程中控制测试的通断，所述开关按键通过或门和所述真时停止器并联。

作为优选的技术方案，所述第二开关器线连接报错器，所述报错器用于报错，在测试过程中如果出现短路或断路程序会立即停止并报错。

本发明有益效果在于：

本发明利用力传感器对肢体骨骼肌用力状态进行实时感知，利用肢体骨骼肌发力时肌肉弹性刚度变化特性，通过传感器来实现肌肉软硬度变化，进而在不采用传统肌电信号测量的贴片方式的情况下实现肢体骨骼肌的用力感知。利用力传感器来代替肌电信号传感器最大的优点在于使用时不必贴敷于肌肤就可以进行测量，避免了肌电信号的贴片在炎热环境使用时可能由于出汗而导致粘贴不紧密脱落的情况，并且由于不用贴敷皮肤，因此不用脱下衣服进行穿戴，在穿衣较厚时只需将硬度传感器绑缚在肢体外的衣座上即可，穿戴比较快速方便。

本发明设计了固定机构用于固定力传感器，用于保证力传感器能够稳定测得对应部位的肌电信号。本发明中的测试方法针对运用相关传感器测试得到的信号进行处理，获取到相关的图形及波形图，对于指导机器人的外骨骼设计、在外骨骼使用过程中及时感知人体的运动步态，并精准判断出穿戴者的运动意图，恰逢其时地实现高效能助力，具有重大意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有技术中的RoboKnee的膝关节外骨骼的示意图；

图2为现有技术中的用于增强正常人步行能力的膝关节外骨骼的示意图；

图3为现有技术中的用于运输过程中辅助跑步和提高人体性能的能量自主的膝关节外骨骼的示意图；

图4为现有技术中的以电力为动力的下肢外骨骼的膝关节外骨骼的示意图；

图5a为本发明一示例性实施例中的一种肢体骨骼肌发力状态检测装置穿戴在穿戴者大腿上示意图；

图5b为反应骨骼肌由未发力状态变为发力状态时，作用于本发明一示例性实施例的肢体骨骼肌发力状态监测装置中的压力感知模块的示意图；

图6a为本发明一示例性实施例中的一种肢体骨骼肌发力状态检测装置的立体结构图；

图6b为图6a中肢体骨骼肌发力状态检测装置的剖视图；

图6c为图6a中肢体骨骼肌发力状态检测装置的爆炸图；

图6d为本发明一示例性实施例中的一种肢体骨骼肌发力状态检测装置的力传导部件的结构示意图；

图6e为本发明一示例性实施例中的一种肢体骨骼肌发力状态检测装置的固定座的结构示意图；

图6f为本发明一示例性实施例中的一种肢体骨骼肌发力状态检测装置的固定座另一角度的结构示意图；

图7为本发明一示例性实施例中所采用的压力传感器的尺寸参数图；

图8为本发明一示例性实施例中的固定机构本体应力分析图；

图9为本发明一示例性实施例中的固定机构本体位移分析图；

图10为本发明一示例性实施例中的托盖应力分析图；

图11为本发明一示例性实施例中的托盖位移分析图；

图12为本发明一示例性实施例中的测试方法的流程图；

图13a为本发明一示例性实施例中的一次实验的截段数据图；

图13b为本发明一示例性实施例中的一次实验的截段数据图；

图13c为本发明一示例性实施例中的一次实验中4.5～6秒的局部放大信号与肌电信号的对比图；

图13d为本发明一示例性实施例中的一次实验中6.5～8秒的局部放大信号与肌电信号的对比图；

图14a为本发明一示例性实施例中的一次实验的完整数据图；

图14b为本发明一示例性实施例中的一次实验的完整数据图；

图14c为本发明一示例性实施例中的一次实验的完整数据图；

图15为本发明一示例性实施例中的肌电信号和压力信号的互相关系数图；

图16a为本发明一示例性实施例中的一次实验中的4.5～6秒的肌电信号和硬度计压力信号互相关系数图；

图16b为本发明一示例性实施例中的一次实验中的6.5～8秒的肌电信号和硬度计压力信号互相关系数图。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

压力传感器是通过将压力输入转换为电气信号输出，从而实现压力测量。目前传感器技术已经比较成熟，并且传感器在众多领域内都有着广泛的应用。作为一种检测装置，传感器能检测到被测量的信息，并能将被测信息转变成电信号或其他信号，按一定规律要求的形式输出信息，以满足信息的传输、存储、显示、记录等要求。虽然传感器技术已经成熟，但要使传感器能够完美的发挥其作用还必须设计一个机构使其能够稳定的在被测部位接收到稳定的信号。所以，本发明从人体自身出发研究下肢运动系统及机理，并结合人体工程学对传感器接触面凸点进行设计。

骨骼肌表面：本文中的“骨骼肌表面”是指穿戴者的肢体内的骨骼肌所对应位置的肌肤/肌肉表面。

众所周知，人体肌肉的硬度是不断变化的，尤其是人体运动过程中，由于肌肉在发力过程中不光会有肌电信号的激励，肌肉的硬度也会明显变化。例如，当不发力时，其通常是松软的，若轻轻接触肢体，且当肌肉硬度发生变化时，也能够感应到该位置骨骼肌所产生的作用力。再如，当轻轻按压肢体时，被按压位置处的肌肤表面，或者对应于该位置处的骨骼肌则会形成一定的小凹陷，自然当肢体发力，也即肌肉硬度发生变化时，该凹陷将会慢慢变小，甚至消失，从而将按压该位置的点/面慢慢顶出。基于此，相较于现有技术中采集肌电信号的方式，本申请采用完全不同的发明构思，即：通过观测肌肉硬度的动态变化差异来反映肌肉发力状态。

为了检测肢体骨骼肌发力状态(包括发力和未发力)，本申请提供了一种肢体骨骼肌发力状态检测装置，其包括：压力感知模块10和可穿戴的定位模块11，其中，该压力感知模块10以可拆卸的方式安装在该定位模块11上。

具体实施时，参见图5a，当穿戴者穿戴该定位模块11，使得该压力感知模块10固定在该穿戴者的肢体(如大腿26或上臂)上时，该压力感知模块10 的至少一个受力点/至少一个受力面始终抵住与该穿戴者的骨骼肌表面，从而使得当该穿戴者的肢体运动，即骨骼肌硬度发生变化时，该骨骼肌直接作用于该压力感知模块的至少一个受力点/至少一个受力面，从而通过该压力感知模块10 测得可用于表征该骨骼肌发力状态的电信号。

其中，“抵住”是指：当穿戴者的肢体处于松弛状态(也即骨骼肌未发力状态)时，该压力感知模块11的受力点/受力面与肢体表面肌肤相接触，且该压力感知模块11与肢体肌肤表面/骨骼肌表面之间没有作用力/具有微弱作用力，因此，不会引起骨骼肌表面相应位置的凹陷的状态；或者，当穿戴者的肢体处于松弛状态(也即骨骼肌未发力状态)时，该压力感知模块11的受力点/受力面作用于该肢体肌肤表面，使得该肢体肌肤表面及骨骼肌表面向肢体内部方向 (例如，沿肢体中心轴方向)顶入一定深度，从而形成一定的凹陷(当然受力点/受力面作用与肌肤表面的作用力不大，因此，其顶入的深度不会太深，自然该凹陷也不会太大)的状态；或者，当穿戴者的骨骼肌发力时，在肌肤表面/ 骨骼肌表面的凹陷逐渐减小或消失过程中，该压力感知模块11的受力点/受力面始终受到该肢体肌肤表面的作用力的状态。

本发明实施例中，通过设置至少一个受力点/至少一个受力面，使得可从多点，或多面，也即多个角度来检测骨骼肌发力时产生的压力，使得不仅可通过每个点/面的压力数据进行相互验证，提高了检测的可靠性，同时，还可结合多点/多面的压力数据进行综合分析(例如求平均，或者平方根等等等)0，从而提高了检测的精度。

在一些实施例中，为了进一步提高感知的灵敏度，该压力感知模块10的受力点/受力面呈凸型结构(即当骨骼肌处于未发力状态时，该受力点/受力面能够在骨骼肌表面形成一定凹陷的结构)，从而使得当穿戴者穿戴定位模块时，安装在该定位模块上的压力感知模块的受力点/受力面将骨骼肌表面和/或骨骼肌表面对应位置形成一定的小凹陷。具体地，可在该定位模块贴合于肌肤表面的内侧表面设置一个凸起的安装座来安装该压力感知模块10(例如，可在该内侧表面设置一个(如方形或者圆柱等形状的)凸台，然后将薄膜压力传感器固定在该凸台表面，使其抵住骨骼肌表面)，或者设置一个安装槽来安装该压力感知模块10，但该安装槽的深度(如槽底到槽口的距离)小于该压力感知模块10整体的高度(如压力感知模块对应于安装槽槽底的第一侧，到远离该安装槽槽底的第二侧之间的距离)，使得该压力感知模块10的受力点/受力面凸出在外，且其凸出的高度足以使得相应位置的肌肤表面和/或骨骼肌表面形成小凹陷即可，参见图5b和图6b。

在一些实施例中，该压力感知模块10包括：压力传感器13，如压电式压力传感器、压阻式压力传感器，或者薄膜式压力传感器等。

具体实施时，将该压力传感器13安装在定位模块11上，且其受力点(如压力传感器13的受力柱131的端部)/受力面(如相对于受力柱的另一侧的传感器底座，或者，薄膜式压力传感器与肌肤相接触的表面)始终抵住肢体肌肤表面，以感知能够表征该肢体运动过程中，相应位置的骨骼肌发力状态的电信号。具体地，可在该定位模块11上贴合于肌肤表面的内侧表面上开设一个可用于安装该压力传感器13的安装槽，然后通过螺钉或粘结剂等方式进行固定；或者，将薄膜式压力传感器安装在该定位模块11的内侧表面，使得该薄膜压力传感器能够直接接触该肌肤表面，或者在该定位模块的内侧表面设置一个凸型结构，使得该薄膜压力传感器/压力传感器的受力柱(或底座与肌肤接触的表面) 能够在骨骼肌表面形成一定的凹陷。

当然，上述压力传感器13的受力柱131也可以不直接抵住肌肤表面，而是抵住该定位模块13的内侧表面(或者，该受力柱131抵住该定位模块11上的安装槽的槽底，参见图6b)，而与该压力传感器13的受力柱131相对立的另一侧(如固定柱，作为受力点；或底座表面132，作为受力面)则始终抵住该肌肤表面。

在另一些实施例中，为了提高压力感知模块10的灵敏度，该压力感知模块 10包括：压力传感器13，以及用于将骨骼肌施加的压力传导至该压力传感器 13的力传导部件12；其中，该力传导部件12以可拆卸的方式安装在上述定位模块11上，从而将该压力传感器13夹持在该力传导部件12与定位模块11之间。

具体实施时，当穿戴者穿戴定位模块11，使得该力传导部件12的受力面/ 受力点抵住肢体肌肤表面，从而当骨骼肌硬度发生变化时，该力传导部件12 将该骨骼肌施加在该受力面/受力点上的压力传导至该压力传感器13上。

在一些实施例中，可在该力传导部件12远离受力面的一侧内设可用于安装该压力传感器13的第一容置槽121，参见图6d。具体实施时，可将上述压力传感器13放置在该第一容置槽内121，使得该压力传感器的受力柱131与该第一容置槽121的槽底相接触，然后，将该力传导部件12以可拆卸方式安装在上述定位模块11上，此时，与该压力传感器13的受力柱131相对立的另一侧(如压力传感器底座表面)则与定位模块11贴合于骨骼肌的内侧表面相接触，即该第一容置槽121与该定位模块11贴合于骨骼肌的内侧表面形成用于包裹该压力传感器的包覆空间，从而将该压力传感器13夹持在该力传导部件12和该定位模块11之间，并由该力传导部件12将骨骼肌施加的压力传导至该压力传感器 13。当然，也可将该压力传感器13的受力柱131反向安装，即与该压力传感器 13的受力柱131相对立的另一侧(如压力传感器底座表面)与该第一容置槽121 的槽底相接触。

进一步地，为了能够将压力传感器稳定地夹持在该力传导部件12和该定位模块11之间，防止该压力传感器13滑落，该定位模块11的内侧表面(的中心位置)上开设了第二容置槽111-1(参见图6c和图6e)，且第二容置槽111-1和力传导部件12之间采用卡扣方式固定，并且当将该力传导部件12安装在该定位模块11上时，该第二容置槽111-1与上述第一容置槽121相连通，形成用于包覆该压力传感器13的包覆空间。具体地，可在该第一容置槽121的槽壁外设置至少一个卡条122，相应地，在该第二容置槽111-1的槽壁内侧(优选地，靠近槽口的位置)设置至少一个对应于该卡条122的卡槽111-2，从而通过该卡槽 111-2与该卡条122的配合，将力传导部件12安装在该定位模块11上。当然，也可采用其它方式将该力传导部件12安装在该定位模块11上。

在一些实施例中，该第二容置槽111-1的开口尺寸略大于该力传导部件12 设有第一容置槽121一端的尺寸，且该第二容置槽111-1的深度(即槽底到槽口的距离)小于该力传导部件12/压力感知模块10的高度，从而使得该力传导部件12/压力感知模块10的部分嵌入该第二容置槽111-1内，且两者之前深度差为h，进而使得该力传导部件12或压力感知模块10的受力点/受力面向外凸出，形成凸型结构，参见图6b；或该第二容置槽111-1的深度等于该力传导部件12/压力感知模块10的高度，使得该力传导部件12/压力感知模块10的全部嵌入该第二容置槽111-1内，进而使得该该力传导部件或压力感知模块的受力点/受力面可直接抵住该骨骼肌表面。

当然，在另一些实施例中，也可不设置该第二容置槽111-1，而是设置一个以可拆卸方式安装在该固定座的中心位置的托盘来安装该压力感知模块，只需要当穿戴者穿戴时，该压力感知模块的受力点/受力面能够抵住骨骼肌表面即可。

在一些实施例中，参见图6e和图6f，该定位模块11包括：与肢体弧度相适应的圆弧形固定座111，以及用于将该固定座111固定在肢体肌肤表面的固定件112，其中，该固定座111上贴合于肢体肌肤表面的内侧表面的中心位置设置有该第二容置槽111-1，使得该第二容置槽111-1两侧形成轴对称的两个分支，且每个分支上设置一个可用于固定/安装该固定件112的安装孔141。

在一些实施例中，该固定件112可采用具有一定弹性，或者可微变形的绑缚带，从而使得当骨骼肌硬度发生变化时，在肢体围度与固定件围度不变化的情况下，压力感知模块10被骨骼肌外顶的位移量只能通过固定件112的变形抵消，而该变形也是很微小或可忽略不计的(即通过该定位模块来保证压力感知模块即使受到骨骼肌的作用力，也不会发生位移量，或者所产生的位移量足够小，甚至可以忽略)，因此，压力感知模块10中的压力传感器受到的压力逐渐增加，即骨骼肌作用力直接施加到压力感知模块10上，从而实现骨骼肌发力程度的感知。

进一步地，在一些实施例中，为了保证定位模块能够稳定地固定在穿戴者肢体上，该固定座111两个分支末端分叉，各自形成两个并列设置的侧翼14，且每个侧翼上设置一个可用于安装固定件112的安装孔，即通过在固定座111 的两侧分别设置两个安装孔141，使得通过固定件112，例如绑缚带进行绑缚时，可选择对角线交叉绑缚，从而使得定位模块11能够更加稳定地固定在穿戴者肢体上，且不易滑动。当然，在该固定座111的两侧分别各自设置一个安装孔141，或者三个及以上的安装孔均是可以理解的。

更进一步地，为了保证压力感知模块的灵敏度，在该压力传感器13的受力柱与第一容置槽121的槽底/第二容置槽111-1的槽底之间设置了一具有一定厚度的隔板，从而避免与该压力传感器的受力柱相接触面发生形变，进而保证压力传感器的灵敏度。具体地，该隔板采用薄薄的，且硬度高、表面光滑无凹坑的玻纤板。

在一些实施例中，当将该压力感知模块安装在定位模块11上时，该压力感知模块的受力点/受力面(如压力传感器的受力柱，或者上述力传导部件12中与承受骨骼肌作用力的工作表面)凸出上述第二容置槽111-1外。

在一些实施例中，该力传导部件12的工作表面与第二容置槽111-1槽口所在平面之间的距离为h，或者说，当该力传导部件12抵住未发力状态的骨骼肌表面时，其在该骨骼肌表面所形成的凹陷的最大深度为h，优选地，h的取值范围为5-15mm。

在一些实施例中，该工作表面呈平面，或者球面，且其横截面的最大宽度，或直径为d，优选地，d的取值范围为10-30mm。

在实际应用过程中，凹陷在逐渐减小或消失过程中，该力传导部件12与肢体肌肤表面之间相接触工作表面也可能逐渐变成一个点，即受力面逐渐变成了受力点。

当然，上述固定座111上开设有可供压力传感器13的信号线穿出的线槽 17，相应地，上述第一容置槽和第二容置槽上对应于该线槽的位置也开设有相应的线槽17。

基于上述的骨骼肌发力状态感知装置，本申请还提供了一种骨骼肌发力状态识别设备。

在一些实施例中，本申请的人体骨骼肌发力状态识别设备，具体包括：上述的骨骼肌发力状态实时感知装置；以及与该骨骼肌发力状态实时感知装置电连接的发力状态识别模块，用于根据该骨骼肌发力状态实时感知装置所实时感知的，用于表征骨骼肌发力状态的电信号识别该骨骼肌当前是否处于发力状态。

在一些实施例中，该发力状态识别模块具体包括：

信号放大单元，与上述压力感知模块电连接，用于对该压力感知模块所实时感知的电信号进行放大处理，得到放大后的电信号；具体地，该信号放大单元可采用放大电路来实现，如多级放大电路，或放大器；

第一数据处理单元，与信号放大单元电连接，用于根据将放大后的电信号，结合预设的信号阈值判断骨骼肌当前是否处于发力状态；具体地，该第一数据处理单元可采用单片机，或者可通过无线或有线方式与该信号放大单元进行数据通信的移动电子设备等来实现。

在一些实施例中，该预设的信号阈值为一个变量，可根据实际需要进行调整，例如，设置为1，或5，当判断出放大后的电信号大于该预设的信号阈值时，则判定该骨骼肌当前处于发力状态，否则，判定该骨骼肌当前处于未发力状态。

进一步地，该发力状态识别模块还包括：

记录单元，与信号放大单元电连接，用于记录电信号的持续时间；

第一可视化处理单元，分别与信号放大单元和记录单元电连接，用于根据持续时间和放大后的电信号进行可视化处理，得到电信号随时间变化的第一可视化图表。

更进一步地，该识别设备还包括：发力状态指示模块，与上述第一数据处理单元电连接，用于在第一数据处理单元的控制下，指示不同的发力状态。

更进一步地，该发力状态指示模块包括：信号指示灯，所述信号指示灯在所述第一数据处理单元的控制下，通过显示不同颜色的光亮来指示所识别的发力状态。

基于上述的骨骼肌发力状态感知装置，本发明还提供了一种骨骼肌发力状态识别方法，其包括步骤:

采用上述实施例中的骨骼肌发力状态感知装置来实时感知表征骨骼肌发力状态的电信号；

根据上述步骤中所实时感知的电信号，以及预设的信号阈值来识别该骨骼肌当前的发力状态，得到识别结果。

在一些实施例中，可通过该骨骼肌发力状态感知装置中的定位模块将压力感知模块固定在受试者的肢体上，如大腿/小腿上，或者手臂的上臂/小臂上，使得该压力感知模块的受力点/受力面抵住该肢体的骨骼肌表面。

在一些实施例中，在根据实时感知的电信号进行发力状态识别之前，需要对该骨骼肌发力状态感知装置中压力感知模块所感知到的电信号进行放大处理，即将放大处理后的电信号结合预设的信号阈值来判断骨骼肌当前的发力状态，从而得到该骨骼肌当前是出于发力，或者未发力的状态。

在一些实施例中，该预设的信号阈值实际上为一个变量，可根据实际需要设定。例如，若骨骼肌不发力，则通常感知到的电信号通常为接近0，或者趋近于0，因此，可将该预设的信号阈值设置为1，当感知到的电信号小于1时，则说明骨骼肌当前处于未发力状态，相应地，若大于0，则说明骨骼肌当前处于发力状态。然而，在实际应用中，即使骨骼肌不发力，但由于安装关系，或者其他因素，上述骨骼肌发力状态感知装置中的压力感知模块本身与骨骼肌之间也可能存在微小的压力，此时，感知到的电信号就有一个初始值，例如3或 5，因此，将该初始值，或略大于该初始值的数值作为该预设的信号阈值即可。

下面以大腿股直肌20为例，对本申请的人体骨骼肌发力状态感知装置进行详细说明。

实施例1：肢体骨骼肌发力状态感知机构

实时监测关节主动肌的发力状况对于外骨骼助力转矩的行为调控至关重要，然而现有的肌电信号传感器通常需要将电极贴敷于人体皮肤表面。这种方式虽然能够较精准的获得肌电信号，但经常受到剧烈运动或汗液的影响而导致电极脱落，此外每次穿戴都需要脱去裤子粘贴电极，对于外骨骼的实际使用也是非常不便的。为此，本项目提出通过观测肌肉发力过程中的硬度变化，间接反应主动肌的用力程度。

本发明的一些实施例提供了一种肢体骨骼肌发力状态感知机构(参考图5a 所示)，包括感知电子器件组，所述感知电子器件组包括压力传感器、角度编码器、薄膜压力传感器，所述压力传感器用于布置在人体大腿股直肌表面并垂直于大腿杆处，以获取股直肌向上突起时对压力传感器产生的压力；所述角度编码器用于布设于膝关节侧面处，以测量在各个步态下大小腿之间发生的角度变化，来判别此时是怎样一个动作转变过程；所述薄膜压力传感器布置于足底，用于监测足底的压力变化，通过获得足底压力变化，以判断出腿部处于支撑状态还是摆动态。

在本发明的一些实施例中，使用三个传感器同时进行检测，即压力传感器，角度编码器以及薄膜压力传感器，通过三个传感器共同实时监测进而可以根据数据准确的判断此时的步态事件，例如起立与坐下，上下台阶，静止与行走等。三个传感器有着各自的分布和作用。首先，通过定位模块11将压力传感器13 布置于人体大腿股直肌表面，是在人体矢状面内，并垂直于大腿杆处，经过实验验证，人在由坐到站或者上下台阶的过程中，大腿肌肉硬度会发生变化，这个变化就是由于股直肌向上变硬突起所造成的，所以压力传感器用来获取股直肌向上突起时对压力传感器产生的压力；其次，将角度编码器布置于膝关节侧面处，用于测量在各个步态下大小腿之间发生的角度变化，来判别此时是怎样一个动作转变过程；最后，将薄膜压力传感器布置于足底，用于监测足底的压力变化，通过获得足底压力变化，可以准确的判断出处于支撑状态还是摆动态。综上所述，如果把三个传感器同步实时测得的数据进行分析便可以准确的得知某一时刻的某个步态事件，达到感知效果。

本发明中所感知的肌肉硬度主要是针对肌肉在运动过程中不断发生松弛、张紧的动态变化过程。因此可以摈除绝对形变程度的测量，重点监测肌肉受迫压力动态变化过程的差值，进而提高传感器的抗干扰能力。以股直肌为例，本发明提出一种可能的肌肉动态硬度传感器实现方法，其工作机理如图5b所示。当股直肌处于松弛状态时，肌肉较柔软，突出的肌肉硬度感知凸台(即压力感知模块中的力传导部件12)会在大腿绑缚固定座(即定位模块11中的固定座 111)与绑缚编织带(即定位模块11中的固定件112)的拉紧力下顶入股直肌表面的肌肤，参见图5b中的左图；当股直肌发力时，肌肉硬度也随之增加，股直肌的表面肌肤会将感知凸台(即压力感知模块中的力传导部件12)顶出肌肤凹陷；在大腿围度与绑缚围度不变化的情况下，凸台外顶的位移量只能通过大腿绑缚固定座和绑缚编织带的变形抵消，同时感知凸台(即压力感知模块中的力传导部件12)与大腿绑缚固定座(即定位模块11中的固定座111)之间的压力传感器13受到的压力逐渐增加，由此实现肌肉发力程度的感知。

在一些实施例中，如图6a和图6b所示，本发明肢体骨骼肌发力状态感知机构还包括用于固定感知电子器件组的固定机构(也可以被称为肌肉硬度感知凸台)，所述固定机构包括托盘、用于封住托盘的压盖(其同时作为力传导部件 12，将骨骼肌施加的压力传导至压力传感器13)、用于安装所述托盘的固定机构本体(也即固定座111)，所述托盘具有置物空间(也即第二容置槽)，用于放置感知电子器件，所述压盖通过配合所述压盖上的卡件进行卡扣固定封住所述托盘的开口以防止在托盘内的感知电子器件脱出；所述固定机构本体(也即固定座111)为与肢体骨骼肌相匹配的弧形状；所述固定机构本体(也即固定座111)的两端开设有用于安装绑带的安装孔/固定孔141。

在一些实施例中，所述托盘包括具有置物空间的托盘本体，所述托盘本体一侧开设有通孔(传感器信号线出线槽17)，所述托盘本体上端边缘对称开设一对卡块(凸台安装卡扣)；所述压盖(也即力传导部件12)包括压盖本体，所述压盖本体中部开设圆孔(也即第一容置槽)，压盖本体两边对称设置有卡条，所述卡条包括一对具有开口的扣件，所述压盖通过所述扣件与所述卡块对应配合封住所述托盘本体的上端开口。

在一些实施例中，所述托盘本体为圆柱体状。

在一些实施例中，为了能够与相关传感器件匹配结合，固定机构的结构也可以根据所需压力传感器的外形尺寸进行调整和匹配设计，其外形尺寸参数如图7所示。整个固定机构需将传感器包覆在中间，避免传感器发生掉落或旋转，除此之外，还需留出线口(即线槽17)，让传感器的接线顺利伸出。

在多种可能的肌肉动态硬度传感器结构设计基础上，研究传感器穿戴在受试者待测肌肉外部时，传感器压电信号与肌肉肌电信号，以及关节输出转矩的映射关系，并根据实验数据建立传感器的信号转换模型。研究压力信号在不同肌肉发力程度时的线性性。以凸点突出高度(如图6中的h)、凸点直径(如图 6中的d)或截面积、凸点弧度、固定座抗弯刚度、固定座压力传感器接触点硬度等结构与材料参数为主要变化参数，分析它们对传感器信号转换模型线性区间和斜率的影响机理，并根据机理优化设计传感器关键结构与材料参数。

在本发明的一些实施例中，力只有作用在顶部凸起的小圆点(即受力柱) 上，或者作用在压力传感器底座(即该受力柱所在平面的对立面)上时，才能够检测到有效的信号，若将力作用在10mm的上下两个圆面之间，则无法测得任何信号。

本发明所采用的固定机构需要佩带在人的大腿上，需要采取与人体大腿有一定的贴合度的设计方案，换句话说，即确定一个合适的弧度。本发明实施例从实际出发，随机选取了10个人，用卷尺对他们的大腿维度进行测量，测量结果汇总如下表。根据表1，本发明实施例近似的将人体大腿视为一个圆，而测量的维度可以视为圆的周长。依照该逻辑推算出近似圆的平均半径为80.8mm，取以该值为半径的圆周长的三分之一圆弧，作为设计机构贴合人体大腿曲面的圆弧，圆弧弧长选择150mm左右。

表1大腿维度汇总表

在完成上面两项准备工作之后，开始对接触面凸点造型机构进行设计制作。本发明实施例中的固定机构变为用四孔卡口的方式进行绑缚，绑缚时可以选择对角线交叉卡紧，使得绑缚更加紧凑不易滑动。

考虑到减少整个机构的壁厚，对固定机构本体进行抽壳，并在抽空的地方加入了加强筋，其作用在于增强机构的强度和韧性，还可以克服壁厚差带来的应力不均，加强筋的使用大大提升了整个机构的力学性能，并且节省了制作材料。

在对零件进行加工之前，本发明实施例利用了SolidWorks里的应力分析功能对零件的受力进行了模拟分析。

如图8和图9所示，在静应力分析中，首先对零件的材料进行选择，零件 3D打印的材料为PETG，但SolidWorks材料选择中并没有这一材料，于是选择较为相近的PET材料；其次，对零件进行固定，固定机构本体的固定部位选择在两端，固定完成后需要对零件施加外部的力，由于实际使用时力传感器对压盖的力是竖直向上的，于是，本实施例对固定机构本体的中间施加了200N竖直向上的力，施加200N的力是远大于使用时所产生的相互作用力的，施加远大于它的力可以有效验证零件的极限强度，增强零件的可靠性；接着对零件网格化，最后进行算例分析，得到如图8所示的固定机构本体应力分析图。从上面的应力分析图中可以得知压盖受到的最大应力为4.449×10⁶Pa，远小于材料的弯曲强度200Mpa，在许用应力以内；然后查看固定机构本体的位移分析图(如图9)，固定机构本体在200N力的作用下发生的最大位移仅为0.07134mm，位移变化量十分微小，证明固定机构本体在200N力的作用下不会剧烈形变以至固定机构本体损坏，那么在佩戴使用时就更不会发生损坏，结合上面应力分析图以及位移分析图可知，制作出的固定机构本体实物可以安全使用。

固定机构本体分析完成后接着用相同的步骤对托盘进行应力和位移分析，托盘的固定部位选择外围圆柱，外部力施加在与传感器接触的底面上，力的大小同样为200N，分析结果图如下所示。从图10和图11中可以看出托盘最大应力为3.752×10⁶Pa，最大位移为0.01129mm，与压盖相同，所受应力远小于弯曲强度，位移变化量在可接受范围内，制作实物也是安全可用的。

实施例2：测试实验

实验目的：为了验证所设计的接触面凸点机构(或称之为压力感知模块10) 在装好传感器后能否达到与传统肌电信号相类似的效果，测得的信号是否具有一定的相关性，设计对比实验。

实验器材：测试用的第二代机构、传感器、信号放大器、9V电池两节、 NI数据采集卡、电脑、muscle sensor肌电信号传感器、卷尺、砖头等。

实验原理：在中枢神经系统的控制下骨骼肌完成收缩，每个肌细胞都受到来自运动神经元轴突分支的支配，只有当支配肌肉的神经纤维发生兴奋时，动作电位由神经至肌接头传递给肌肉，引起肌肉的兴奋和收缩。实验中将采取力传感器和肌电信号传感器同时检测股直肌变化引起的电压值变化，并将两者所测得的数据用MATLAB进行相关性处理，验证力传感器信号与肌电信号传感器的信号相关性。

实验变量：为探究力传感器在不同情况下的感知效果，实验预计设计一个实验变量，即台阶高度，由于坐下起立或者蹲下起立的状态是在一瞬间完成，所以这里不设计变量。对于台阶高度的变量，预计采用三个不同的高度进行实验，即100mm，200mm和300mm。

实验对象：本次实验对象计划选择5名，5名实验对象应该包括多种身材身形，高矮胖瘦均需列入进行实验测试的参考对象，以此验证机构对不同体态的人的通用性。

实验步骤：(1)实验开始前，轻拍受试者大腿，使其大腿肌肉处于放松状态，并调节呼吸，达到呼吸平稳状态，确保受试者身体状况良好。(2)将实验所需器材正确连接电路，反复检查，避免短路；检查好后将数据采集卡与电脑正确连接，并打开配套软件NIDAQExpress，确保软件与硬件一致。(3)对连接好的力传感器以及肌电信号传感器30分别进行测试，验证是否能够正常接受信号。确认无误后可开始进行实验。(4)测试对象同时穿戴好力传感器和肌电信号传感器30于大腿26的股直肌20处，端坐在椅子上，首先完成10次起立坐下动作，进行记录。然后完成10次蹲下起立动作，进行记录。最后令实验对象分别上100mm、200mm和300mm的台阶，每种台阶重复10次。在上下台阶实验中，要求测试对象尽量控制支撑腿发力，不借助另一只脚的蹬踏力提供的身体惯性完成动作。完成以上5组测试，记录完成后结束实验，并将实验记录导出为CVS格式保存。

测试信号的处理流程图参照图12所示，步骤如下：

步骤1：运用如权利要求1～3任一项所述的肢体骨骼肌发力状态感知机构采集得到肢体骨骼肌对应部位的肌电信号；

步骤2：所述步骤1所采集得到的肌电信号进入到节点1，所述节点1对所述肌电信号进行放大；

步骤3：放大的肌电信号进入节点2，所述节点2是一个开关节点，用于控制测试的开始；

步骤4：所述节点2控制测试任务开始后，进入节点3，所述节点3是一个时间节点，记录肌电信号的持续时间；

步骤5：进入节点4，所述节点4读取数据，所述数据包括所述节点3记录的持续时间及所述节点2放大的肌电信号；

步骤6：节点4读取的数据分别进入节点5、节点9和节点6，所述节点5 用于根据所述节点4读取的数据生成信号随时间变化的图表，所述节点9用于将放大的肌电信号值与节点8产生的信号值进行比较，用以判断大腿股直肌是否发力；所述节点6是一个开关节点，用于控制测试的结束。

其中，所述步骤6中，节点9判断结果由节点10显示，所述节点10是一个信号指示灯，通过发出不同颜色的光亮来指示判断结果。

其中，所述节点6连接节点7，所述节点7用于报错，在测试过程中如果出现短路或断路程序会立即停止并报错。

其中，在所述节点4和节点6设置有开关节点组，所述开关节点组包括节点12、节点13、节点14，所述节点12是一个开关按键，用于在测试过程中控制测试的通断，所述节点14是真时停止节点，所述节点13是一个或门，所述节点12通过节点13和所述节点14并联。

实验数据分析：用MATLAB读取所保存的数据，使用plot函数生成对比图，由于数据比较多，下面只放出两名不同测试对象上下台阶实验所测得不同时长下的信号对比图。参照图13a和图13b所示，以及图13c和图13d。

图13a和图13b中，线条a为肌电信号传感器所测，线条b为压力传感器所测，横坐标表示时间，单位为毫秒，纵坐标表示电压，单位为伏特。图13c 和图13d中，线条a为肌电信号传感器所测，线条b为压力传感器所测，横坐标表示时间，单位为秒，纵坐标表示电压，单位为伏特。

图13a、图13b、图13c和图13d所示的单次电压变化是由于测试对象完成上台阶动作所引起，尖峰处则为测试对象大腿股直肌发力的时候。结合图13a、图13b、图13c和图13d可以看出，肌电信号传感器和压力传感器之间波形的变化较为相似，在股直肌发力的同时，两者所检测的信号同时发生变化，基本同相位，延迟较小。

图14a、图14b和图14c分别为不同时长下一次完整的实验数据图形，即十次连续上台阶所记录的数据生成的图形。结合图14a、图14b和图14c可以看出，两个信号之间在发生变化时基本保持一致，力传感器的效果也较为明显，能够看出两个线条具有一定的相关性。

虽然上述图形已经可以看出一些规律，但为了更加严谨的验证，本发明实施例从两个方面出发，应用MATLAB里的corrcoef函数和xcorr函数对实验数据进行分析验证。针对corrcoef函数而言，corrcoef函数用于计算相关系数，相关系数是衡量变量之间线性相关程度的指标。corrcoef函数是从数理统计的角度出发的，就比如软件公司可以用corrcoef函数计算他产品的广告投入和销售额的关系，判断之间是否具有线性相关的关系，得知盈亏。在本发明实验中，力传感器信号就相当于销售金额，而肌电信号相当于广告投入，按照这样对等的思路，计算两个信号之间的相关系数，验证它们在统计学角度的相关性。相关系数计算公式如下所示：

相关系数的值在-1到+1之间，若γ＞0则正相关，小于0则负相关，等于0则不相关。如果相关程度越高，那么相关系数的绝对值也越大。现将所测得的不同受试者完成不同动作的数据每组随机取5个尖峰发力处，共25个数据，用corrcoef函数求出相关系数，并汇总如下。

表2相关系数汇总

由上表可以看出，两个信号之间的相关系数大于0且趋近与1，所以证明肌电信号与力传感器信号正相关并且有较高的相关性。

另一方面，从信号处理的角度出发，互相关函数表示的是两个时间序列间的相关程度，即描述两个信号在两个不同时刻的取值之间的相关程度。站在信号处理的角度放慢来看，首先发生运动时表面肌电信号最先发生变化，通过肌电信号传感器采集，其次，肌肉才变硬，股直肌发生凸起，力传感器才能接收变化所产生的信号。因此，为验证肌电信号与力传感器信号时间序列上的相关性，得知力传感器在时间上的滞后程度，本文利用xcorr函数对随机选取的几个实验对象的大腿发力的6个时段的数据进行处理，得到6个互相关的图像如图15所示。互相关函数计算公式为：

R(t)＝(1/T)∫[f(t)*g(t+T)dt]

由图15的6个互相关图像可以看出，6组图像的尖峰处均集中在0时刻左右，这就表明肌电信号与力传感器信号之间的延时性较低，基本是同时发生变化，说明两个信号在时间序列上具有很高的相关性。

进一步地，随机选取的几个实验对象的大腿发力的2个时段(时长长于上述6个时段)的数据进行处理，得到6个互相关的图像如图16a和图16b所示。

由图16a和图16b连个互相关图像可以看出，如前所述，尖峰处均集中在 0时刻左右，这就表明肌电信号与力传感器信号之间的延时性较低，基本是同时发生变化，说明两个信号在时间序列上具有很高的相关性。

因此，通过从统计学角度和信号分析角度同时对实验数据的处理，发现在不同的相关性算法下都能够得到肌电信号与力传感器信号具有较高的相关性，以此验证了本发明的可实施性。

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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。例如，本发明的一些实施例虽然是以人体大腿股直肌为例，但实际上本发明的技术方案也可以被应用于其它肢体骨骼肌(肱肌、腹直肌、胸大肌等)发力状态的检测，传感器设计成适用于其它肢体骨骼肌的形状和结构。

Claims (4)

1.一种肢体骨骼肌发力状态检测装置，其特征在于，包括：压力感知模块，以及可穿戴的定位模块，其中，所述压力感知模块以可拆卸的方式安装在所述定位模块上；

当穿戴者穿戴所述定位模块时，所述定位模块将所述压力感知模块固定在所述穿戴者的下肢上，并使所述感知模块的受力点/受力面始终抵住所述骨骼肌表面；且

当所述下肢运动时，所述骨骼肌作用于所述压力感知模块的至少一个受力点/至少一个受力面，从而得到可用于表征所述骨骼肌发力状态的电信号；

所述压力感知模块包括：压力传感器，以及用于将所述骨骼肌施加的压力传导至所述压力传感器的传导部件，其中，所述传导部件中用于承受所述骨骼肌作用的所述受力点/受力面为球面，且所述传导部件以可拆卸的方式安装在所述定位模块上，并将所述压力传感器夹持在所述传导部件和所述定位模块之间；当所述穿戴者穿戴所述定位模块时，所述传导部件的受力面/受力点抵住所述骨骼肌表面；所述受力点/所述受力面使得所述骨骼肌表面对应于所述受力点/所述受力面的位置形成凹陷；且当所述骨骼肌发力时，所述传导部件将所述骨骼肌施加在所述受力面上的压力传导至所述压力传感器上；

所述传导部件远离所述受力面/所述受力点的一端内设有可用于安装所述压力传感器的第一容置槽；当将所述传导部件可拆卸方式安装在所述定位模块上时，所述第一容置槽与所述定位模块贴合于所述骨骼肌的内侧表面形成用于包覆所述压力传感器的包覆空间，所述压力传感器的受力柱抵住所述定位模块的内侧表面，而所述压力传感器与所述受力柱相对立的另一侧则与所述第一容置槽的槽底相接触；

所述定位模块的内侧表面上开设的第二容置槽，且当将所述传导部件可拆卸方式安装在所述定位模块上时，所述第一容置槽与所述第二容置槽相连通，形成用于包覆所述压力传感器的包覆空间；其中，所述受力柱与所述第二容置槽的槽底之间设置有隔板；

所述定位模块包括：与所述骨骼肌表面弧度相适应的固定座，以及将所述固定座固定在所述骨骼肌表面的固定件，其中，所述固定座上贴合于所述骨骼肌表面的内侧设置有用于容纳所述压力感知模块的第二容置槽；当所述压力感知模块以可拆卸方式安装在所述第二容置槽内时，所述压力感知模块的受力点/受力面凸出所述第二容置槽外。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述压力传感器与所述第一容置槽的槽底之间设置有隔板。

3.一种肢体骨骼肌发力状态识别设备，其特征在于，包括：

根据权利要求1或2中所述的肢体骨骼肌发力状态检测装置；以及

与所述肢体骨骼肌发力状态检测装置电连接的发力状态识别模块，用于根据所述肢体骨骼肌发力状态检测装置所检测到的，用于表征所述肢体骨骼肌发力状态的电信号，识别所述肢体骨骼肌当前是否处于发力状态。

4.一种肢体骨骼肌发力状态识别方法，其特征在于，包括步骤：

采用根据权利要求1或2中所述的肢体骨骼肌发力状态检测装置来获取表征骨骼肌发力状态的电信号；

根据所述检测装置所获取到的电信号，以及预设的信号阈值识别所述骨骼肌当前的发力状态，得到识别结果。

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