TWI583357B - 肌肉震動訊號處理系統與方法 - Google Patents

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TWI583357B
TWI583357B TW104142516A TW104142516A TWI583357B TW I583357 B TWI583357 B TW I583357B TW 104142516 A TW104142516 A TW 104142516A TW 104142516 A TW104142516 A TW 104142516A TW I583357 B TWI583357 B TW I583357B
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Description

肌肉震動訊號處理系統與方法
本揭露是有關於一種處理系統與方法，且特別是有關於一種肌肉震動訊號處理系統與方法。
隨著科技發展，機電技術與生物技術的整合提供各種新興的應用。舉例來說，針對肌肉活動的感測能夠分析出肢體動作的變化，進而可將這些肢體動作應用於遊戲操作、簡報控制及電器控制上。
目前肌肉活動的辨識主要採用肌電圖(Electromyogram,EMG)訊號。作用肌系統收縮時會產生一動作電位，收縮幅度越大則產生的電位振幅也會越大。肌電圖訊號即是記錄作用肌系統的電位變化。此處之作用肌系統係包含肌肉細胞、附著之結締組織、血管與神經纖維之肌肉系統。
然而，使用者出汗時，容易影響到肌電圖訊號的量測。此外，肌電圖訊號必須在足夠面積之範圍進行量測，過小的 面積無法進行量測。
本揭露係有關於一種肌肉震動訊號處理系統與方法。
根據本揭露之一實施例，提出一種肌肉震動訊號處理系統。肌肉震動訊號處理系統包括一震動感測器。震動感測器於一作用肌系統對側之一量測點，感測一震動訊號，以供分析一肢體動作。
根據本揭露之另一實施例，提出一種肌肉震動訊號處理方法。肌肉震動訊號處理方法包括以下步驟。於一作用肌系統對側之一量測點，感測一震動訊號。
為了對本揭露之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100A、100B、100C、200A、200B、200C‧‧‧肌肉震動訊號處理系統
110‧‧‧震動感測器
110A‧‧‧第一震動感測器
110B‧‧‧第二震動感測器
120‧‧‧訊號處理單元
140‧‧‧分析單元
160、910‧‧‧傳輸單元
900、900B、900C‧‧‧電子裝置
920‧‧‧控制單元
930‧‧‧資料庫
A1、A2‧‧‧肢體動作
CT‧‧‧指令對應表
CM1、CM2‧‧‧控制指令
L1‧‧‧第一連線
L2‧‧‧第二連線
M11‧‧‧作用肌系統
M21‧‧‧第一作用肌系統
M23‧‧‧第二作用肌系統
M12‧‧‧拮抗肌群
M22‧‧‧第一拮抗肌群
M24‧‧‧第二拮抗肌群
P11‧‧‧量測點
P21‧‧‧第一量測點
P22‧‧‧第二量測點
S11、S12‧‧‧震動訊號
S22‧‧‧第一震動訊號
S24‧‧‧第二震動訊號
S110、S130、S140、S210、S220、S230、S231、S232、S233、S234、S235、S236、S237、S240‧‧‧流程步驟
第1A圖繪示根據一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示意圖。
第1B圖繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示意圖。
第1C圖繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示 意圖。
第2圖繪示一實施例之肌肉之剖面示意圖。
第3圖繪示一實施例之手臂及手掌之示意圖。
第4圖繪示一實施例之肌肉震動訊號處理方法之流程圖。
第5A圖繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示意圖。
第5B圖繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示意圖。
第5C圖繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統之示意圖。
第6圖繪示另一實施例之肌肉之剖面示意圖。
第7圖繪示另一實施例之肌肉震動訊號處理方法之流程圖。
第8圖繪示第一動作之示意圖。
第9圖繪示第二動作之示意圖。
第10圖繪示第三動作之示意圖。
本實施例之肌肉震動訊號處理系統可以僅包括一震動感測器。震動感測器透過肌肉所產生之震動訊號來辨識出肌肉活動，肌肉的震動訊號例如是一肌動圖(Mechanomyography,MMG)訊號。請參照表一，其說明肌電圖(Electromyogram,EMG)訊號與震動訊號(例如是肌動圖訊號)之比較。
根據表一，就肌電圖訊號與震動訊號的比較來看，採用震動訊號進行肌肉活動辨識時，具有下列優點。震動感測器不會受到皮膚出汗的影響，適用於運動分析、或復健分析的應用。此外，震動訊號之頻率較低，其傳輸負載與耗電量較低。再者，震動感測器可以舖上排汗材質或軟性材質，進而增加舒適度。此外，震動感測器可以製作的更細、更輕，有利於整合於穿戴式裝置。
請參照第1A圖，其繪示根據一實施例之肌肉震動訊號處理系統100A之示意圖。肌肉震動訊號處理系統100A包括 一震動感測器110、一訊號處理單元120、一分析單元140、一控制單元920及一資料庫930。震動感測器110用以感測一震動訊號，例如是一收音器、一慣性感測元件或一壓電感測元件。訊號處理單元120例如是包括類比數位轉換器(digital to analog converter,DAC)及濾波器(filter)。類比數位轉換器用以將類比訊號轉換數位訊號，例如是一晶片、一電路或一電路板。濾波器用以對一訊號濾除部分頻率或者保留部分頻率，例如是一晶片、一電路或一電路板。分析單元140用以進行各種分析程序、演算程序與判斷程序，例如是一晶片、一電路、一電路板、或儲存數此程式碼之一儲存裝置。控制單元920用以進行各種控制程序，例如是一晶片、一電路、一電路板、或儲存數此程式碼之一儲存裝置。資料庫930用以儲存資料，例如是一硬碟、一記憶體、一隨身儲存裝置、或一雲端儲存空間。
請參照第1B圖，其繪示根據另一實施例之肌肉震動訊號處理系統100B與電子裝置900B之示意圖。肌肉震動訊號處理系統100B例如是一穿戴裝置，電子裝置900B例如是一行動裝置、一電腦或一運動機。肌肉震動訊號處理系統100B包括震動感測器110、訊號處理單元120、分析單元140及傳輸單元160。電子裝置900B包括傳輸單元910、控制單元920及資料庫930。傳輸單元160及傳輸單元910例如是一無線網路收發模組、一藍牙收發模組、或一傳輸線。
請參照第1C圖，其繪示根據另一實施例之肌肉震 動訊號處理系統100C與電子裝置900C之示意圖。肌肉震動訊號處理系統100C例如是一穿戴裝置，電子裝置900C例如是一行動裝置、一電腦或一運動機。肌肉震動訊號處理系統100C包括震動感測器110、訊號處理單元120及傳輸單元160。電子裝置900C包括傳輸單元910、分析單元940、控制單元920及資料庫930。傳輸單元160及傳輸單元910例如是一無線網路收發模組、一藍芽收發模組、或一傳輸線。
請參照第2圖，其繪示一實施例之肌肉之剖面示意圖。在本實施例中，震動感測器110設置於作用肌系統M11對側之一量測點P11，例如是位於對應於作用肌系統M11之一拮抗肌群M12。當作用肌系統M11收縮時，作用肌系統M11之肌纖維之間的相互摩擦、以及作用肌系統M11與漿液膜的摩擦會發出震動訊號S11。對應於作用肌系統M11的收縮運動，拮抗肌群M12會產生離心收縮運動。拮抗肌群M12之肌纖維之間的相互摩擦、以及拮抗肌群M12與漿液膜的摩擦會發出震動訊號S12。長久以來，技術上的偏見在於欲感測作用肌系統M11的活動時，應該針對施力的作用肌系統M11進行感測，震動感測器110應該靠近作用肌系統M11才能獲得良好的感測結果。根據研究人員的苦心研究，突破了長久以來技術上的偏見，研究人員發現震動訊號S12之振幅是震動訊號S11之振幅的三倍。因此，震動感測器110設置於拮抗肌群M12可以獲得較佳的量測效果。此一研究成果係為採用震動訊號辨識肌肉活動之技術的一項重大突破。
此外，長久以來，技術上的偏見是感測器的數量愈多，越能夠提高辨識的精準度。然而，根據研究人員的苦心研究，突破了長久以來技術上的偏見，研究人員發現多個震動感測器110相當容易相互干擾，進而影響辨識的精準度。減少震動感測器110的數量，且將震動感測器110設置於適當的位置，反而能夠提高辨識的精準度。
請參照第3圖，其繪示一實施例之手臂及手掌之示意圖。當手臂下方的作用肌系統M11進行收縮運動時，對應於作用肌系統M11之拮抗肌群M12進行離心收縮運動，使得手掌向下擺動。使用者可以將震動感測器110配戴於手臂外側即可順利辨識出手掌向下擺動的動作。
在一實施例中，震動感測器110於作用肌系統M11對側之量測點P11(繪示於第2圖)，感測震動訊號S12，該震動訊號S12可以提供分析肢體動作。
請參照第4圖，其繪示一實施例之肌肉震動訊號處理方法之流程圖。以下係搭配流程圖來詳細說明上述第1A~1C圖之肌肉震動訊號處理系統100A~100C之運作方式。然而，上述肌肉震動訊號處理系統100A~100C並不侷限於第4圖之流程，肌肉震動訊號處理方法也不侷限以第1A~1C圖之肌肉震動訊號處理系統100A~100C來實施。
在步驟S110中，震動感測器110於作用肌系統M11對側之量測點P11(繪示於第2圖)，感測震動訊號S12。如上所 述，此震動訊號S12並非主要由作用肌系統M11所發出，而是主要由對側之拮抗肌群M12所發出。
震動訊號S12經過訊號處理單元120之類比數位轉換器，將類比資訊轉換為數位資訊，並透過訊號處理單元120之濾波器濾除5~100Hz以外的雜訊。轉換為數位資訊與濾除雜訊之動作順序係可交換，而不受侷限於其順序。
在步驟S130中，分析單元140依據震動訊號S12，分析一肢體動作A1。在此步驟中，分析單元140可以透過震動訊號S12之訊號特徵進行分析。訊號特徵例如是一震幅、或一頻率等。或者訊號特徵可以同時包含震幅與頻率等。
在第1A圖之肌肉震動訊號處理系統100A中，肢體動作A1之資訊可以直接傳輸至控制單元920。在第1B圖之肌肉震動訊號處理系統100B中，肢體動作A1之資訊可以透過傳輸單元160傳輸至電子裝置900B之傳輸單元910，再進一步傳輸至電子裝置900B之控制單元920。在第1C圖之肌肉震動訊號處理系統100B中，訊號處理單元120處理後之訊號可以透過傳輸單元160傳輸至電子裝置900C之傳輸單元910，再進一步傳輸至電子裝置900C之分析單元940。分析單元940透過震動訊號S12之訊號特徵進行分析，以獲得肢體動作A1，並將其傳輸至控制單元920。
在步驟S140中，控制單元920取得肢體動作A1後，即可依據肢體動作A1執行對應的控制指令CM1，例如是關閉音 樂、接聽電話、關閉螢幕等等。
在此步驟中，資料庫930可以預先儲存一指令對應表CT，指令對應表CT記錄各種肢體動作所對應的控制指令CM1。控制單元920可以查詢此指令對應表CT來判定欲執行的控制指令CM1。
請參照第5A~5C圖，其繪示根據其他實施例之肌肉震動訊號處理系統200A~200C之示意圖，肌肉震動訊號處理系統200A~200C與肌肉震動訊號處理系統100A~100C不同之處在於肌肉震動訊號處理系統200A~200C包括第一震動感測器110A及第二震動感測器110B。
請參照第6圖，其繪示另一實施例之肌肉之剖面示意圖。在第6圖中，第一震動感測器110A設置於一第一作用肌系統M21對側之一第一量測點P21，例如是位於對應於第一作用肌系統M21之第一拮抗肌群M22。第一震動感測器110B設置於一第二作用肌系統M23對側之一第二量測點P22，例如是位於對應於第二作用肌系統M23之第二拮抗肌群M24。當第一作用肌系統M21收縮時，第一拮抗肌群M22產生離心收縮運動。第一拮抗肌群M22之肌纖維之間的相互摩擦、以及第一拮抗肌群M22與漿液膜的摩擦會發出第一震動訊號S22。
當第二作用肌系統M23收縮時，第二拮抗肌群M24產生離心收縮運動。第二拮抗肌群M24之肌纖維之間的相互摩擦、以及第二拮抗肌群M24與漿液膜的摩擦會發出第二震動訊號 S24。
於第一作用肌系統M21動作時，第一作用肌系統M21獨立於第二拮抗肌群M24，於第二作用肌系統M23動作時，第二作用肌系統M23獨立於第一拮抗肌群M21。
在本實施例中，第一作用肌系統M21與第一量測點P21之一第一連線L1實質上垂直於第二作用肌系統M23與第二量測點P22之一第二連線L2。研究人員發現第一震動感測器110A及第二震動感測器110B設置於垂直位置時，第一震動感測器110A與第二震動感測器110B相互干擾的情況可以降至對低，大幅提高辨識的精準度。
請參照第7圖，其繪示另一實施例之肌肉震動訊號處理方法之流程圖。以下係搭配流程圖來詳細說明上述第5A~5C圖之肌肉震動訊號處理系統200A~200C之運作方式。然而，上述肌肉震動訊號處理系統200A~200C並不侷限於第7圖之流程，肌肉震動訊號處理方法也不侷限以第5A~5C圖之肌肉震動訊號處理系統200A~200C來實施。
在步驟S210中，第一震動感測器110A於第一作用肌系統M21對側之第一量測點P21(繪示於第6圖)，感測第一震動訊號S22。如上所述，此第一震動訊號S22並非主要由第一作用肌系統M21所發出，而是主要由對側之第一拮抗肌群M22所發出。
在步驟S220中，第二震動感測器110B於第二作用 肌系統M23對側之第二量測點P22(繪示於第6圖)，感測第二震動訊號S24。如上所述，此第二震動訊號S24並非主要由第二作用肌系統M23所發出，而是主要由對側之第二拮抗肌群M24所發出。
第一震動訊號S22、第二震動訊號S24經過訊號處理單元120之類比數位轉換器，將類比資訊轉換為數位資訊，並透過訊號處理單元120之濾波器濾除5~100Hz以外的雜訊。轉換為數位資訊與濾除雜訊之動作順序係可交換，而不受侷限於其順序。
在步驟S230中，分析單元140依據第一震動訊號S22、第二震動訊號S24，分析一肢體動作A2。在此步驟中，分析單元140可以透過第一震動訊號S22之第一訊號特徵及第二震動訊號S24之第二訊號特徵進行分析。第一訊號特徵及第二訊號特徵例如是一震幅、或一頻率等。或者第一訊號特徵及第二訊號特徵可以同時包含震幅與頻率等。
舉例來說，步驟S230包括步驟S231~S237。在步驟S231中，分析單元140判斷第一訊號特徵是否大於或等於一預定值，且第二訊號特徵是否小於預定值。若符合，則進入步驟S232；若不符合，則進入步驟S233。
在步驟S232中，分析單元140判定一第一動作為此肢體動作A2。如第8圖所示，其繪示第一動作之示意圖。舉例來說，僅有第一訊號特徵明顯較大時，則可判定向下擺動手掌之第 一動作為此肢體動作A2。
在步驟S233中，分析單元140判斷第一訊號特徵是否小於預定值，且判斷第二訊號特徵是否大於或等於預定值。若符合，則進入步驟S234；若不符合，則進入步驟S235。
在步驟S234中，分析單元140判定一第二動作為此肢體動作A2。如第9圖所示，其繪示第二動作之示意圖。舉例來說，僅有第二訊號特徵明顯較大時，則可判定向右擺動手掌之第二動作為此肢體動作A2。
在步驟S235中，分析單元140判斷第一訊號特徵是否大於或等於預定值，且判斷第二訊號特徵是否大於或等於預定值。若符合，則進入步驟S236；若不符合，則進入步驟S237。
在步驟S236中，分析單元140判定一第三動作為此肢體動作A2。如第10圖所示，其繪示第三動作之示意圖。舉例來說，第一訊號特徵及第二訊號特徵皆有明顯被量測到時，則可判定握拳之第三動作為此肢體動作A2。
在步驟S237中，分析單元140判定無任何動作。
肢體動作A2之資訊可以透過傳輸單元160傳輸至電子裝置900之傳輸單元910。在步驟S240中，電子裝置900之控制單元920從傳輸單元910取得肢體動作A2後，即可依據肢體動作A2執行對應的控制指令CM2，例如是關閉音樂、接聽電話、關閉螢幕等等。
在此步驟中，資料庫930可以預先儲存一指令對應 表CT，指令對應表CT記錄各種肢體動作所對應的控制指令CM2。控制指令920可以查詢此指令對應表CT來判定欲執行的控制指令CM2。
綜上所述，雖然本揭露已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100A‧‧‧肌肉震動訊號處理系統
110‧‧‧震動感測器
120‧‧‧訊號處理單元
140‧‧‧分析單元
920‧‧‧控制單元
930‧‧‧資料庫
S12‧‧‧震動訊號
A1‧‧‧肢體動作
CT‧‧‧指令對應表
CM1‧‧‧控制指令

Claims (20)

  1. 一種肌肉震動訊號處理系統，包括：一第一震動感測器，於一第一作用肌系統對側之一第一量測點，感測一第一震動訊號，以供分析一肢體動作；以及一第二震動感測器，於一第二作用肌系統對側之一第二量測點，感測一第二震動訊號；其中，該第一作用肌系統與該第一量測點之一第一連線實質上垂直於該第二作用肌系統與該第二量測點之一第二連線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之肌肉震動訊號處理系統，更包括：一分析單元，該分析單元至少依據該第一震動訊號，分析該肢體動作。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該第一震動訊號係為一肌動圖(Mechanomyography,MMG)訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該第一震動感測器係設置於對應於該第一作用肌系統之一第一拮抗肌群。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該第二震動感測器係設置於對應於一第二作用肌系統之一第二拮抗肌群，於該第一作用肌系統動作時，該第一作用肌系統獨立於該第二拮抗肌群，於該第二作用肌系統動作時，該第二作用 肌系統獨立於該第一拮抗肌群。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該第一震動感測器係為一收音器、一慣性感測元件或一壓電感測元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之肌肉震動訊號處理系統，更包括：一分析單元，該分析單元依據該第一震動訊號及該第二震動訊號分析該肢體動作。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中若該第一震動訊號之一第一訊號特徵大於或等於一預定值，且該第二震動訊號之一第二訊號特徵小於該預定值，則該分析單元判定一第一動作為該肢體動作；若該第一震動訊號之該第一訊號特徵小於該預定值，且該第二震動訊號之該第二訊號特徵大於或等於該預定值，則該分析單元判定一第二動作為該肢體動作；以及若該第一震動訊號之該第一訊號特徵大於或等於該預定值，且該第二震動訊號之該第二訊號特徵大於或等於該預定值，則該分析單元判定一第三動作為該肢體動作。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該分析單元係透過該第一震動訊號之一第一訊號特徵進行分析，該第一訊號特徵係為一震幅。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之肌肉震動訊號處理系統，其中該分析單元係透過該第一震動訊號之一第一訊號特徵進行分析，該第一訊號特徵係為一頻率。
  11. 一種肌肉震動訊號處理方法，包括：於一第一作用肌系統對側之一第一量測點，感測一第一震動訊號；以及於一第二作用肌系統對側之一第二量測點，感測一第二震動訊號；其中，該第一作用肌系統與該第一量測點之一第一連線實質上垂直於該第二作用肌系統與該第二量測點之一第二連線。。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，更包括：至少依據該第一震動訊號，分析一肢體動作。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，其中在感測該第一震動訊號之步驟中，該第一震動訊號係為一肌動圖(Mechanomyography,MMG)訊號。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，其中在感測該第一震動訊號之步驟中，係針對對應於該第一作用肌系統之一第一拮抗肌群感測該第一震動訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之肌肉震動訊號處理方法，其中在感測該第二震動訊號之步驟中，係針對對應於一第二作用肌系統之一第二拮抗肌群感測該第二震動訊號，於該第一作 用肌系統動作時，該第一作用肌系統獨立於該第二拮抗肌群，於該第二作用肌系統動作時，該第二作用肌系統獨立於該第一拮抗肌群。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，其中在感測該第一震動訊號之步驟中，係以一收音器、一慣性感測元件或一壓電感測元件感測該第一震動訊號。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，更包括：依據該第一震動訊號及該第二震動訊號分析一肢體動作。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之肌肉震動訊號處理方法，其中分析該肢體動作之步驟包括：若該第一震動訊號之一第一訊號特徵大於或等於一預定值，且該第二震動訊號之一第二訊號特徵小於該預定值，則判定一第一動作為該肢體動作；若該第一震動訊號之該第一訊號特徵小於該預定值，且該第二震動訊號之該第二訊號特徵大於或等於該預定值，則判定一第二動作為該肢體動作；以及若該第一震動訊號之該第一訊號特徵大於或等於該預定值，且該第二震動訊號之該第二訊號特徵大於或等於該預定值，則判定一第三動作為該肢體動作。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，更包括： 至少依據該第一震動訊號，分析一肢體動作，其中在分析該肢體動作之步驟中，係透過該第一震動訊號之一第一訊號特徵進行分析，該第一訊號特徵係為一震幅。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之肌肉震動訊號處理方法，更包括：至少依據該第一震動訊號，分析一肢體動作，其中在分析該肢體動作之步驟中，係透過該第一震動訊號之一第一訊號特徵進行分析，該第一訊號特徵係為一頻率。
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