一种基于生物肌电的人机交互腕环、系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于生物肌电的人机交互腕环，包括电子系统和硅胶系统。其中，电子系统主要用于采集并处理肌电信号和姿态信号，包括主控模块、多轴运动传感器模块、电极模块、通讯模块、电池模块以及连接整个系统的连接线等。硅胶系统主要用于为电子系统提供相应的腔体，并弹性连接各个模块形成腕环本体，使得整个设备便于佩戴。使用时，基于传感器模块和/或电极模块所采集的肌电信号和/或姿态信号，对佩戴者的手势和/或动作进行识别，并可以根据识别结果控制其他交互设备，从而完成人机交互。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物肌电的人机交互腕环、系统及方法
本专利技术涉及电子设备领域，尤其涉及一种自动检测人体手势和上臂姿态的穿戴式交互设备、系统及方法。
技术介绍
生物肌肉电信号，是近年来应用和发展比较多的一种可以用来对人体运动意图进行解码的信号。它是一种由人体内骨骼肌收缩而产生的生理电信号，较多的应用于医疗领域，同时它也可以用来分析肌体的运动。表面肌电信号是从人体皮肤表面采集到的电信号，由于它方便采集的特性，所以便于用来解码人的肢体运动。表面肌电信号主要是利用表面电极进行采集的，目前市面上有很多专门用于采集肌电信号的分析设备(例如DELSYS)和采集/解码一体化产品(如eCon臂带)。设备集成惯性测量单元(或称IMU)，其是一种测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。通过惯性测量单元提供的信息，可用于解码手臂的运动姿态角。但目前市场上存在的肌电臂带佩戴不便，需要佩戴到用户手臂的肌群生理位置(如前臂、上臂的中部)，这使得用户需要拉开袖子才能正确佩戴，具有很大的不便性，比如在气温比较低的冬天，长期暴露手臂在外部，将会影响用户的使用体验。同时，由于臂带的佩戴位置，佩戴时间较长时容易引起小臂相应位置产生勒紧感，并且卸掉设备之后会产生一定的勒痕。
技术实现思路
本专利技术提供了一种新型的表面肌电采集设备，佩戴位置设置在腕部，相比肌电臂带等设备穿戴更加方便。针对目前臂带佩戴的舒适性问题，本专利技术采用了一体成形的柔性硅胶和锥形外观设计，通过渐变的锥形设计来达到紧密贴合的作用，使得采集电极与人体表面皮肤接触更加紧密更加服帖，并且通过柔性硅胶避免了长久佩戴造成的勒痕和肌肉疲劳。当然，本专利技术也可以使用其他辅助贴合的介质，例如新型材料生物胶等，以达到更好的贴合且不影响肌电信号的采集。本专利技术的设计考虑了人体腕部的轮廓以及佩戴的便捷性，通过对表面肌电信号及惯性测量单元的信息融合解码，可以有效地识别人体掌部的不同手型或手势，并且通过连续信息解码，还可以识别渐变手势。一方面，本专利技术提供一种人机交互腕环，呈锥形，其特征在于包括：底端的圆环部分以及从所述圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分，其中，底端的所述圆环部分直径较大，所述一个或多个凸起部分随着延伸方向直径逐渐变小；一个或多个电子模块；连接线，所述连接线设置在底端的所述圆环部分的内部，被配置成连接所述一个或多个电子模块；所述一个或多个电子模块设置在所述一个或多个凸起部分的内部，包括：电极模块，被配置成采集肌电信号；多轴运动传感器模块，被配置成采集肢体运动姿态信号；电池模块，被配置成为所述一个或多个电子模块供电；通讯模块，被配置成与其他设备通讯；以及主控模块，被配置成控制所述一个或多个电子模块。本专利技术的一个实施例中，其特征在于，在底端的所述圆环部分上具有可弹性伸缩的凸台模块，所述连接线构成的环形具有与所述凸台模块的位置相对应的断口。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，所述腕环的外表面为一体成型的硅胶。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，包括一个或多个所述电极模块，被配置成能够同时采集腕部不同侧面的肌电信号。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，所述电池模块为长条形电池，其中，所述长条形电池的数量是多个；所述长条形电池的长边沿着所述腕环的圆锥母线并排设置。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，在所述主控模块对应的凸起部分上设置用于传输数据和/或供电的接口。另一方面，本专利技术还提供一种人机交互系统，包括：可穿戴设备，包括上述人机交互腕环；上位机，所述上位机与所述可穿戴设备通信连接；以及交互设备，所述交互设备与所述上位机通信连接；其特征在于：所述上位机被配置为基于所接收到的由所述可穿戴设备采集的信息控制所述交互设备执行相应的操作。另一方面，本专利技术还提供一种人机交互方法，其特征在于包括以下步骤：S1、采集手腕处多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号，并传送至微处理器；S2、微处理器对采集到的信号进行算法处理，以识别静态和/或动态手势；S3、将识别结果通过通讯模块传送至上位机；S4、上位机根据接收到的识别结果生成相应的控制指令，以控制交互设备执行相应的操作。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，在将采集到的信号传送至微处理器之前，对采集到的手腕处多通道肌电信号进行滤波和放大。本专利技术的另一个实施例中，其特征在于，所述步骤S2包括：S2.1、对采集到的多通道肌电信号和IMU多轴运动传感器信号进行数据分窗；S2.2、对数据分窗的结果进行特征提取；S2.3、对所提取的特征进行特征降维；S2.4、对特征降维的结果采用分类器回归函数进行处理；S2.5、识别静态和/或动态手势。通过上述系统及方法，本专利技术提供了一种人机交互腕环，也可以作为肌电臂环的一种腕部扩充，不仅能够实现臂环的功能，相比于臂环来说更便于佩戴，这将大大增加此类肌电设备在市场上的接受度和普及度，推动利用肌电信号解码运动等领域的应用，推动人机交互方面的进一步发展。附图说明图1A为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的结构示意图；图1B为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的佩戴方式示意图；图2为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的电子系统结构示意图；图3为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的硅胶系统结构示意图；图4A为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的前视图；图4B为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的后视图；图5为本专利技术中人机交互腕环使用过程中信号处理流程图；图6为本专利技术中人机交互腕环使用过程中算法处理流程图。具体实施方式为了彻底理解本专利技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本专利技术提出的技术方案。下面将结合附图，对本专利技术的技术方案进行更为清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。本专利技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本专利技术还可以具有其他实施方式。基于本专利技术的实施例，本领域的技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本专利技术的保护范围。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本专利技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本专利技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。应当理解的是，本专利技术能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使本专利技术的公开清楚和全面。本专利技术中的人机交互腕环包括两个系统，分别为电子系统和硅胶系统。其中，电子系统主要用于采集并处理肌电信号和姿态信号，可以包括主控电路模块、多轴运动传感器模块、采集信号的电极模块、通讯模块、供能的电池模块以及连接整个系统的连接线等，即前述的一个或多个电子模块和连接线。硅胶系统主要是用于为电子系统提供相应的腔体，并弹性连接各个模块形成腕环本体，并使得整个设备便于佩戴，即前述的底端的圆环部分、一个或多个凸起部分以及凸台模块。使用时，基于传感器模块和/或电极模块所采集的肌电信号和/或姿态信号，对佩戴者的手势和/或动作进行识别，并可以根据识别结果控制其他交互设备，从而形成一座连接人体手势和控制命令的桥梁。下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。如图1A所示，为本专利技术中人机交互腕环的一个实施例的结构示意图以及相对于手的佩戴方式示意图。腕环本身大致呈锥形，包括底端的圆环部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人机交互腕环，呈锥形，其特征在于包括：底端的圆环部分以及从所述圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分，其中，底端的所述圆环部分直径较大，所述一个或多个凸起部分随着延伸方向直径逐渐变小；一个或多个电子模块；连接线，所述连接线设置在底端的所述圆环部分的内部，被配置成连接所述一个或多个电子模块；所述一个或多个电子模块设置在所述一个或多个凸起部分的内部，包括：电极模块，被配置成采集肌电信号；多轴运动传感器模块，被配置成采集肢体运动姿态信号；电池模块，被配置成为所述一个或多个电子模块供电；通讯模块，被配置成与其他设备通讯；以及主控模块，被配置成控制所述一个或多个电子模块。

【技术特征摘要】
1.一种人机交互腕环，呈锥形，其特征在于包括：底端的圆环部分以及从所述圆环部分向一侧延伸的一个或多个凸起部分，其中，底端的所述圆环部分直径较大，所述一个或多个凸起部分随着延伸方向直径逐渐变小；一个或多个电子模块；连接线，所述连接线设置在底端的所述圆环部分的内部，被配置成连接所述一个或多个电子模块；所述一个或多个电子模块设置在所述一个或多个凸起部分的内部，包括：电极模块，被配置成采集肌电信号；多轴运动传感器模块，被配置成采集肢体运动姿态信号；电池模块，被配置成为所述一个或多个电子模块供电；通讯模块，被配置成与其他设备通讯；以及主控模块，被配置成控制所述一个或多个电子模块。2.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，在底端的所述圆环部分上具有可弹性伸缩的凸台模块，所述连接线构成的环形具有与所述凸台模块的位置相对应的断口。3.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，所述腕环的外表面为一体成型的硅胶。4.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，包括一个或多个所述电极模块，被配置成能够同时采集腕部不同侧面的肌电信号。5.根据权利要求1所述的腕环，其特征在于，所述电池模块为长条形电池，其中，所述长条形电池的数量是多个；所述长条形电池的长边沿着所述腕环的圆锥母线并排设置。6.根据权利要求1所述的腕...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱向阳，侠妙娟，盛鑫军，郭伟超，华磊，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海念通智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31