CN116211310A - 一种肌电传感器和一种肌电传感器的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及传感器检测技术领域，本发明实施例公开了一种肌电传感器和一种肌电传感器的检测方法。肌电传感器包括仿树蛙趾垫贴片、至少三个电极、电路板、外壳和导线；电极用于采集人体皮肤表面的肌电信号并发送至电路板，电路板用于对肌电信号进行处理并通过导线发送至外部的车载控制装置，车载控制装置用于根据肌电信号对驾驶员的疲劳状况进行检测；仿树蛙趾垫贴片包括多个凸起，凸起阵列排布于仿树蛙趾垫贴片的表面，凸起用于增加电极与人体皮肤表面之间的摩擦力。本发明可提高电极贴附的紧密度以及被测者佩戴的舒适度，增强肌电信号采集稳定性，实现驾驶员疲劳情况的实时监测，保证行车安全。
Description
技术领域
本发明实施例涉及传感器检测技术领域，尤其涉及一种肌电传感器和一种肌电传感器的检测方法。
背景技术
随着经济与科技的高速发展，大家对于日常生活的舒适性与便利性的要求逐步提高，因此，智能化程度更高的交通工具受到了广泛欢迎。智能座舱作为一种提高出行舒适度的新途径，通过读取驾驶员与乘员的实时信息，控制部分车辆机械部件，实现了全新的人机交互方式，推动了以智能方式提高行车安全的进程。
疲劳驾驶是当下导致交通事故的重要原因之一，驾驶员休息不充分而继续保持驾驶将带来巨大的交通行车安全隐患，因此，有必要对驾驶员的精神状态进行实时监测，进而降低交通事故发生率。目前，现有的疲劳驾驶检测技术主要是以机器视觉等技术为主，但该方法仍存在较大误差，不能实现驾驶员疲劳状态行为的精准监测。
肌电信号的获取与分析具有较为广阔的应用前景，通过肌电信号能够判别肌肉的疲劳程度，进一步用于车舱内驾驶员是否疲劳驾驶的监测。目前，市面上使用的肌电信号传感器种类繁多，可概括性地分为：针电极与表面电极。针电极属于侵入式电极，多用于临床诊断和科学研究，虽然能够直接测量深层肌肉的肌电活动，仍存在诸多不足。首先是测试范围小，不能多方面反应整块肌肉的状态。且由于针电极使用中会刺破皮肤穿入肌肉进行检测，会对被测者造成创伤，为被测者带来伤害与恐惧，而且对放置针电极的操作者要求很高，操作较为复杂严格。此外，该方法也不能够检测当被测者运动时的肌电变化情况。
表面肌电信号是在肌肉收缩时，在皮肤表面利用表面肌电传感器进行电信号的检测。表面电极具有操作方便，对被测者不造成伤害，且能够检测运动时的肌电变化的优点。现有表面电极通常使用贴片或绑带与皮肤相贴附，但是贴附的不紧密将会造成电极与皮肤界面的阻抗波动和相对运动，进而对信号采集产生干扰，影响检测精度，并且贴片和绑带佩戴舒适性较差，容易对皮肤产生刺激。
发明内容
本发明提供一种肌电传感器和一种肌电传感器的检测方法，以提高电极贴附的紧密度以及被测者佩戴的舒适度，增强肌电信号采集稳定性，实现驾驶员疲劳情况的实时监测，保证了行车安全。
根据本发明的一方面，提供了一种肌电传感器，肌电传感器包括：仿树蛙趾垫贴片、至少三个电极、电路板、外壳和导线；
所述电路板包括第一面和第二面，所述仿树蛙趾垫贴片贴附在所述电路板的第一面，所述仿树蛙趾垫贴片包括至少三个镂空区，所述电极通过所述镂空区焊接在所述电路板的第一面，所述电极用于采集人体皮肤表面的肌电信号并发送至所述电路板，所述电路板用于对所述肌电信号进行处理并通过所述导线发送至外部的车载控制装置，所述车载控制装置用于根据所述肌电信号对驾驶员的疲劳状况进行检测；
所述外壳设置于邻近所述电路板的第二面的一侧，所述外壳与所述电路板固定连接，所述导线与所述电路板电连接，所述仿树蛙趾垫贴片包括多个凸起，所述凸起阵列排布于所述仿树蛙趾垫贴片的表面，所述凸起用于增加所述电极与人体皮肤表面之间的摩擦力。
可选地，所述凸起的形状包括三角形、菱形、矩形、正方形或六边形中的至少一种。
可选地，所述仿树蛙趾垫贴片为对称结构，所述仿树蛙趾垫贴片的长度为36mm-40mm，所述仿树蛙趾垫贴片的半径包括8mm-10mm。
可选地，所述仿树蛙趾垫贴片包括至少三个圆形开孔，所述圆形开孔依次排列，所述圆形开孔的中心距包括8mm-12mm，所述圆形开孔的直径包括5mm-10mm。
可选地，所述电极在所述电路板的表面依次排列，所述电极的直径包括5mm-10mm，所述电极的中心距包括8mm-15mm。
可选地，所述电路板的长度包括30mm-36mm，所述电路板的半径包括5mm-10mm，所述电路板包括两个对称分布的通孔，所述通孔的中心距包括8mm-12mm，所述通孔的直径包括1mm -3mm。
可选地，所述外壳的长度包括36mm-40mm，所述外壳的半径包括5mm-10mm，所述外壳的中段长度包括15mm-25mm，所述外壳的厚度包括1mm-4mm，所述外壳包括两个对称排列的螺纹孔，所述螺纹孔的内径包括1mm-3mm，所述螺纹孔的外径包括1.4mm-3.4mm，所述螺纹孔的中心距包括8mm-12mm。
可选地，所述仿树蛙趾垫贴片包括曲面区域和平面区域，所述曲面区域和所述平面区域依次交替分布，所述曲面区域的半径包括100μm-140μm，相邻所述曲面区域的中心距包括300μm-400μm。
可选地，所述凸起的高度包括2μm-6µm，所述凸起的边长包括8μm-12μm，所述凸起的水平间距包括20μm-30μm，所述凸起的竖直间距包括30μm-50μm，临近边缘的所述凸起的中心点与所述仿树蛙趾垫贴片的边缘距离包括10μm-20μm。
根据本发明的另一方面，提供了一种肌电传感器的检测方法，该方法包括：
使用肌电传感器进行肌电信号采集；
对所述肌电信号进行预处理与特征提取；
对所述肌电信号进行分类训练与模型构建；
将所述肌电传感器设置到车舱内，并对驾驶员的疲劳状态进行检测判断，若是，则向驾驶员发出疲劳报警并建议驾驶员休息；若否，则车辆正常行驶。
本发明实施例的技术方案，通过在仿树蛙趾垫贴片的表面设置多个凸起结构，有效增强了电极与皮肤贴附紧密度，提高了信号采集的质量与稳定性，具有高识别精度与可靠性，大幅降低传感器佩戴对被测者带来的不便，提高了被测者佩戴传感器的舒适度；将肌电传感器布置至车舱内，对驾驶员疲劳情况进行实时监测，保证了行车安全。综上所述，本发明实施例的技术方案解决了现有表面电极通常使用贴片或绑带与皮肤相贴附，存在贴附不紧密，造成电极与皮肤界面的阻抗波动和相对运动，进而对信号采集产生干扰，影响检测精度；被测者佩戴舒适度低，容易对皮肤产生刺激，影响被测者活动的问题。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供的一种肌电传感器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片的正视图；
图3是根据本发明实施例提供的一种电路板的正视图；
图4是根据本发明实施例提供的一种外壳的正视图；
图5是根据本发明实施例提供的一种外壳的右视图；
图6是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的放大剖面图；
图7是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的正视放大图；
图8是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的俯视放大图；
图9是根据本发明实施例提供的一种肌电传感器的检测方法的流程示意图。
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。
图1是根据本发明实施例提供的一种肌电传感器的结构示意图，参考图1，本发明实施例提供了一种肌电传感器，肌电传感器包括：仿树蛙趾垫贴片1、至少三个电极2、电路板3、外壳4和导线5；电路板3包括第一面和第二面，仿树蛙趾垫贴片1贴附在电路板3的第一面，仿树蛙趾垫贴片1包括至少三个镂空区10，电极2通过镂空区10焊接在电路板3的第一面，电极2用于采集人体皮肤表面的肌电信号并发送至电路板3，电路板3用于对肌电信号进行处理并通过导线5发送至外部的车载控制装置，车载控制装置用于根据肌电信号对驾驶员的疲劳状况进行检测；外壳4设置于邻近电路板3的第二面的一侧，外壳4与电路板3固定连接，导线5与电路板3电连接，仿树蛙趾垫贴片1包括多个凸起11，凸起11阵列排布于仿树蛙趾垫贴片1的表面，凸起11用于增加电极2与人体皮肤表面之间的摩擦力。
具体的，从图1中可以看出外壳4、电路板3、电极2、仿树蛙趾垫贴片1从上至下顺序排列，导线5与电路板3左右排列，仿树蛙趾垫贴片1贴附在电路板3下表面；电极2焊接在电路板3下表面；导线5连接在电路板3的末端；外壳4通过螺栓或者卡扣与电路板3相固接。仿树蛙趾垫贴片1的表面上有阵列排布的仿生结构凸起11，凸起11均匀分布在仿树蛙趾垫贴片1。使用时，将仿树蛙趾垫贴片1上有仿生结构的一面与皮肤相贴合。仿树蛙趾垫贴片1在进行肌电检测时使用操作简单，而且使用前仅需要做简单的皮肤准备处理即可；仿树蛙趾垫贴片1的仿生结构凸起11能够增大肌电传感器表面与皮肤之间摩擦力，使电极2更好与皮肤接触，保证电极2能够稳定贴附在皮肤上，持续提供高质量的采集信号；仿树蛙趾垫贴片1的应用使表面肌电传感器佩戴更加舒适便捷，较现有表面电极使用贴片或绑带与皮肤相贴附相比，曲面适应性更好，佩戴更舒适，对被测者影响更小。
肌电传感器能搭载在车舱内对驾驶员的疲劳程度进行实时监测。肌电传感器可以设置于车舱内方向盘与驾驶员座椅的一侧方便于驾驶员操作，贴附至驾驶员皮肤后保证表面肌电传感器的电极2与驾驶员身上多块肌肉相连通，电极2采集人体皮肤表面的肌电信号并发送至电路板3，电路板3对肌电信号进行处理并通过导线5发送至外部的车载控制装置，车载控制装置根据肌电信号对驾驶员肌肉的疲劳状况进行检测。如果驾驶员疲劳，则向驾驶员发出疲劳报警提示并建议驾驶员休息；如果驾驶员不疲劳，则车辆正常行驶。车舱内部配有预警装置，当表面肌电传感器监测到驾驶员具有驾驶疲劳状态时，及时提示驾驶员进行休息。
肌电传感器可以在保证驾驶员佩戴舒适度的情况下，实现对驾驶员肌肉疲劳情况的准确监测，并在驾驶员肌肉疲劳程度高，影响驾驶员安全驾驶，对行车安全产生危害时进行自动报警，提醒驾驶员尽快进入休息状态。实时保障了车辆的行驶安全，避免驾驶员受过度疲劳的影响无法正常驾驶而导致交通事故的发生。
通过模仿树蛙趾垫表面的典型特征，设计了具有增大摩擦、提高贴附紧密度优点的仿树蛙趾垫贴片，该贴片表面带有仿树蛙趾垫表面的凸起结构，可以增加肌电传感器的电极与皮肤表面的摩擦力，使电极与皮肤更紧密的接触，增强信号获取稳定性，提高了被测者的佩戴舒适程度。将仿生结构与表面肌电检测传感器相结合的装置便于佩戴、舒适度高、结构简单、成本低廉、易于推广，应用机器学习模型进行判断，具有高识别精度与强可靠性。之后进一步将肌电传感器布置至车舱内，与机器学习相结合，获取驾驶员不同驾驶状态下的表面肌电信号进行模型训练，构建分类模型实现了对于驾驶员疲劳情况的实时监测，保证了行车安全。
本发明实施例的技术方案，通过在仿树蛙趾垫贴片的表面设置多个凸起结构，有效增强了电极与皮肤贴附紧密度，提高了信号采集的质量与稳定性，具有高识别精度与可靠性，大幅降低传感器佩戴对被测者带来的不便，提高了被测者佩戴传感器的舒适度；将肌电传感器布置至车舱内，对驾驶员疲劳情况进行实时监测，保证了行车安全。综上所述，本发明实施例的技术方案解决了现有表面电极通常使用贴片或绑带与皮肤相贴附，存在贴附不紧密，造成电极与皮肤界面的阻抗波动和相对运动，进而对信号采集产生干扰，影响检测精度；被测者佩戴舒适度低，容易对皮肤产生刺激，影响被测者活动的问题。
可选地，凸起的形状包括三角形、菱形、矩形、正方形或六边形中的至少一种。
具体的，凸起为仿生结构，仿生结构能够增大表面肌电传感器与皮肤之间的摩擦力，使电极更好与皮肤接触，保证电极能够稳定贴附在皮肤上，持续提供高质量的采集信号。凸起的形状可以为三角形、菱形、矩形、正方形或六边形。
图2是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片的正视图，参考图2，可选地，仿树蛙趾垫贴片1为对称结构，仿树蛙趾垫贴片1的长度为36mm-40mm，仿树蛙趾垫贴片1的半径包括8mm-10mm。
具体的，图2示例性的示出了仿树蛙趾垫贴片1的长度L8为36.4mm，仿树蛙趾垫贴片1的半径R2为8.2mm。
继续参考图2，可选地，仿树蛙趾垫贴片1包括至少三个圆形开孔，圆形开孔依次排列，圆形开孔的中心距包括8mm-12mm，圆形开孔的直径包括5mm-10mm。
具体的，图2示例性的示出了仿树蛙趾垫贴片1的三个镂空区为三个圆形开孔，三个圆形开孔对称并依次排列，圆形开孔的中心距L9为10mm，圆形开孔的直径D3为7mm。
图3是根据本发明实施例提供的一种电路板的正视图，参考图1和图3，可选地，电极2在电路板3的表面依次排列，电极2的直径包括5mm-10mm，电极2的中心距包括8mm-15mm。
继续参考图1和图3，可选地，电路板3的长度包括30mm-36mm，电路板3的半径包括5mm-10mm，电路板3包括两个对称分布的通孔31，通孔31的中心距包括8mm-12mm，通孔31的直径包括1mm -3mm。
具体的，图3示例性的示出了电极2的直径D5为7mm，在电路板3上对称排列，电极2之间的中心距L11为10mm。电路板3的长度L10为34mm，电路板3的半径R3为7mm，两通孔31对称分布，两通孔31之间的中心距L12为10mm，通孔31的直径D4为1mm。
图4是根据本发明实施例提供的一种外壳的正视图，图5是根据本发明实施例提供的一种外壳的右视图，参考图1、图4和图5，可选地，外壳4的长度包括36mm-40mm，外壳4的半径包括5mm-10mm，外壳4的中段长度包括15mm-25mm，外壳4的厚度包括1mm-4mm，外壳4包括两个对称排列的螺纹孔41，螺纹孔41的内径包括1mm-3mm，螺纹孔41的外径包括1.4mm-3.4mm，螺纹孔41的中心距包括8mm-12mm。
具体的，图4和图5示例性的示出了外壳4的长度L1为36mm，外壳4的半径R1为8mm，外壳4的中段长度L2为20mm，外壳4的壁厚L4为1mm，螺纹孔41的内径D1为1mm，螺纹孔41的外径D2为1.4mm，两个螺纹孔41对称排列，螺纹孔41的中心距L3为10mm。L5为外壳4的高度，L6为导线距离外壳4底部的高度，L7为导线的直径。
图6是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的放大剖面图，图7是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的正视放大图，参考图6和图7，可选地，仿树蛙趾垫贴片包括曲面区域12和平面区域13，曲面区域12和平面区域13依次交替分布，曲面区域12的半径包括100μm-140μm，相邻曲面区域12的中心距包括300μm-400μm。
具体的，图6和图7示例性的示出了仿树蛙趾垫贴片表面上均匀密布有六边形的仿生褶皱凸起11结构的情况，曲面区域12的半径R4为120μm，相邻曲面区域12的中心距L17为320μm。
图8是根据本发明实施例提供的一种仿树蛙趾垫贴片表面结构的俯视放大图，参考图8，可选地，凸起11的高度包括2μm-6µm，凸起11的边长包括8μm-12μm，凸起11的水平间距包括20μm-30μm，凸起11的竖直间距包括30μm-50μm，临近边缘的凸起11的中心点与仿树蛙趾垫贴片的边缘距离包括10μm-20μm。
具体的，图8示例性的示出了六边形的凸起11高度为5µm，六角形的凸起11边长L16约为10μm，六角形的凸起11的水平间距L15约为25μm，六角形的凸起11的竖直间距L13约为40μm，临近边缘的六角形的凸起11的中心点与仿树蛙趾垫贴片的边缘距离L14为15μm。
图9是根据本发明实施例提供的一种肌电传感器的检测方法的流程示意图，参考图9，本发明实施例还提供了一种肌电传感器的检测方法，该方法包括：
S110、使用肌电传感器进行肌电信号采集；
S120、对肌电信号进行预处理与特征提取；
S130、对肌电信号进行分类训练与模型构建；
S140、将肌电传感器设置到车舱内，并对驾驶员的疲劳状态进行检测判断。若是，则执行S150；否则执行S160。
S150、向驾驶员发出疲劳报警并建议驾驶员休息。
S160、车辆正常行驶。
具体的，使用肌电传感器对大量不同车型的驾驶员进行肌电信号采集，对采集到的肌电信号进行预处理与特征提取并进行分类训练与模型构建，将上述模型作为驾驶员是否疲劳驾驶的判断标准。将肌电传感器布置至车舱内，与机器学习相结合，获取驾驶员不同驾驶状态下的表面肌电信号，与构建的模型进行对比，对驾驶员的疲劳状态进行检测判断，如果驾驶员疲劳驾驶，则向驾驶员发出报警提示并建议驾驶员休息；如果驾驶员未疲劳驾驶，则车辆正常行驶。车舱内部配有预警装置，当肌电传感器监测到驾驶员具有驾驶疲劳状态时，及时提示驾驶员进行休息。本发明实施例中的肌电传感器的检测方法对于驾驶员疲劳情况的实时监测，保证了行车安全。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种肌电传感器，其特征在于，包括：仿树蛙趾垫贴片、至少三个电极、电路板、外壳和导线；
所述电路板包括第一面和第二面，所述仿树蛙趾垫贴片贴附在所述电路板的第一面，所述仿树蛙趾垫贴片包括至少三个镂空区，所述电极通过所述镂空区焊接在所述电路板的第一面，所述电极用于采集人体皮肤表面的肌电信号并发送至所述电路板，所述电路板用于对所述肌电信号进行处理并通过所述导线发送至外部的车载控制装置，所述车载控制装置用于根据所述肌电信号对驾驶员的疲劳状况进行检测；
所述外壳设置于邻近所述电路板的第二面的一侧，所述外壳与所述电路板固定连接，所述导线与所述电路板电连接，所述仿树蛙趾垫贴片包括多个凸起，所述凸起阵列排布于所述仿树蛙趾垫贴片的表面，所述凸起用于增加所述电极与人体皮肤表面之间的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述凸起的形状包括三角形、菱形、矩形、正方形或六边形中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述仿树蛙趾垫贴片为对称结构，所述仿树蛙趾垫贴片的长度为36mm-40mm，所述仿树蛙趾垫贴片的半径包括8mm-10mm。
4.根据权利要求3所述的肌电传感器，其特征在于，所述仿树蛙趾垫贴片包括至少三个圆形开孔，所述圆形开孔依次排列，所述圆形开孔的中心距包括8mm-12mm，所述圆形开孔的直径包括5mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述电极在所述电路板的表面依次排列，所述电极的直径包括5mm-10mm，所述电极的中心距包括8mm-15mm。
6.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述电路板的长度包括30mm-36mm，所述电路板的半径包括5mm-10mm，所述电路板包括两个对称分布的通孔，所述通孔的中心距包括8mm-12mm，所述通孔的直径包括1mm -3mm。
7.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述外壳的长度包括36mm-40mm，所述外壳的半径包括5mm-10mm，所述外壳的中段长度包括15mm-25mm，所述外壳的厚度包括1mm-4mm，所述外壳包括两个对称排列的螺纹孔，所述螺纹孔的内径包括1mm-3mm，所述螺纹孔的外径包括1.4mm-3.4mm，所述螺纹孔的中心距包括8mm-12mm。
8.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述仿树蛙趾垫贴片包括曲面区域和平面区域，所述曲面区域和所述平面区域依次交替分布，所述曲面区域的半径包括100μm-140μm，相邻所述曲面区域的中心距包括300μm-400μm。
9.根据权利要求1所述的肌电传感器，其特征在于，所述凸起的高度包括2μm-6µm，所述凸起的边长包括8μm-12μm，所述凸起的水平间距包括20μm-30μm，所述凸起的竖直间距包括30μm-50μm，临近边缘的所述凸起的中心点与所述仿树蛙趾垫贴片的边缘距离包括10μm-20μm。
10.一种肌电传感器的检测方法，其特征在于，包括：
使用肌电传感器进行肌电信号采集；
对所述肌电信号进行预处理与特征提取；
对所述肌电信号进行分类训练与模型构建；
将所述肌电传感器设置到车舱内，并对驾驶员的疲劳状态进行检测判断，若是，则向驾驶员发出疲劳报警并建议驾驶员休息；若否，则车辆正常行驶。
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