一种基于运动感觉的运动训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于运动感觉的运动训练系统，包括存储单元、肌电信号采集单元、数据分析单元和显示单元，其中：存储单元内置预设的多种肢体运动方案，这些方案可由显示单元进行演示；肌电信号采集单元用于采集训练者按照演示动作完成运动时的肌电信号，并发送给数据分析单元；数据分析单元用于接收肌电信号并进行分析；存储单元还可用于存储肌电信号及其分析结果；数据分析单元能够根据训练者的肌电信号生成虚拟的肢体运动轨迹、并通过显示单元进行显示，并通过对比预设运动方案和肌电信号所生成的虚拟肢体运动轨迹来判断训练质量。生成的虚拟肢体运动轨迹来判断训练质量。生成的虚拟肢体运动轨迹来判断训练质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动感觉的运动训练系统


[0001]本专利技术涉及提高运动功能的训练系统，尤其是涉及一种基于运动感觉的运动训练系统。

技术介绍

[0002]多种神经系统疾病和衰老都会导致运动功能障碍。经神经系统支配，躯体骨骼肌能够收缩，以完成协调的肢体(躯体)动作。正常的运动控制需要肌肉收缩具有的合理时间
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空间关系。肌肉收缩的时间
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空间关系错误则表现为动作僵硬、不平滑、不灵活，甚至出现刻板而粗大的病理性运动模式。由神经系统支配下的合理用力方式是肌肉收缩正确时间
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空间关系的前提。
[0003]表面肌电信号能够在一定程度上反映肌肉的收缩状态，是有效而常用的肌肉收缩状态评判指标。在多项研究中，表面肌电信号被用于无创评定肌肉收缩时间
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空间关系特性。表面肌电信号也能够提供即时反馈，而常用于肌肉运动控制训练。
[0004]然而，现有的基于表面肌电信号的肢体运动功能训练存在两个问题。第一，大多仅使用肌电的波幅值来指示肌电收缩的强度，而对于运动完成的质量，则缺乏可靠的指标予以判断。由于表面肌电信号的波幅与肌肉收缩并不总是存在严格的线性对应关系。仅依靠肌电波幅值来判断肌肉收缩强度，是不可靠的。第二，忽略了人体运动控制的运动
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感觉整合特性。正常人的运动学习过程，需要感觉信息以提供前馈和反馈信息。如果在肌电引导的生物反馈系统中，仅依靠肌电信号强度，而忽略自身的感觉信息，可能不利于运动功能的改善。

技术实现思路

[0005]申请人发现，由于多种神经系统疾病和衰老都会损害感觉输入，如果在运动训练时强调对感觉信息的利用，则能够促进运动
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感觉整合，既可能会改善训练者的运动功能，也可能同时促进其感觉功能的恢复。
[0006]为此，本专利技术提出了一种基于运动感觉的表面肌电(sEMG)运动训练系统，能够通过演示轨迹设定多种不同的运动难度。在训练者按照示范的演示轨迹活动肢体时，通过采集的肢体主动肌的表面肌电信号的变化，生成屏幕显示的虚拟肢体的运动，并通过计算此运动轨迹与演示轨迹的特征，获得质量指数。这一过程中，训练者需要体会运动时自身肢体的感觉，从而建立运动
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感觉整合的用力方式，通过努力尝试提高质量指数，来改善自身的运动控制能力。
[0007]为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：
[0008]一种基于运动感觉的运动训练系统，包括肌电信号采集单元，数据分析单元、存储单元和显示单元，其中：存储单元内置预设的多种肢体运动方案，这些方案可由显示单元进行演示；肌电信号采集单元用于采集训练者按照演示动作完成运动时的肌电信号，并发送给数据分析单元；数据分析单元用于接收肌电信号并进行分析；存储单元还可用于存储肌
电信号及其分析结果；数据分析单元能够根据训练者的肌电信号生成虚拟的肢体运动轨迹、并通过显示单元进行显示，还能够通过对比预设运动方案和肌电信号所生成的虚拟肢体运动轨迹来判断训练质量。
[0009]所述的运动训练系统，其中：系统预设多个用于训练的演示轨迹D，对于一个指定的肢体，一个训练方案(DT)以屏幕中的动画演示肢体轨迹，其内容由如下参数确定：肢体运动的轴心即静止点；除静止点之外的活动部分；肢体运动的活动部分的起点、终点和轨迹，暂停点和暂停时间；运动的速度：
[0010][0011]其中，第一行中D为肢体的演示轨迹；DT为演示方案；P
s
为肢体运动的轴心，即肢体静止点的坐标位置，VAL1为P
s
的值；P
m
为静止点之外的活动部分的起始位置的坐标值的集合，VAL2为P
m
的值；P
a
1为在P
m
整个运动到达预设终点时的坐标位置的集合，VAL3为P
a
1的值；P
a 2为运动时活动部分的移动速度，VAL4为P
a 2的值；P
a 3为活动部分在运动轨迹中暂停的坐标集合，VAL5为P
a 3的值；P
a 4为活动部分在运动轨迹中暂停的时间长度，VAL6为P
a 4的值。第二行和第三行为VAL4应符合的条件(符合二者之一)，其中r为肢体最远端动点与静点之间的长度，v为肢体最远端动点相对于静点与此动点连线的垂直方向上的速度，t为时间，ω为肢体最远端动点与静点连线以静点为圆心的角速度，α为对应的角加速度。
[0012]所述的运动训练系统，其中：数据分析单元用于将肌电信号原始值R转换为A：
[0013][0014]其中，n为一段时间内采样获得的肌电信号原始值的数量。
[0015]所述的运动训练系统，其中：肢体运动轨迹变化的速度和方向由肌电信号单位时间内的变化幅度确定：
[0016][0017]其含义为，当A符合第一行条件或第二行条件时，通过第三行确定速度Speed，通过第四行确定方向direction。如A不符合第一行条件或第二行条件时，速度为0。
[0018]其中，R为肌电信号原始值；A为转换后的肌电信号值；n为一段时间内(如50ms)采样获得的肌电信号原始值的数量；j为用力前的放松状态下的连续采样的时间段数量(例如保持放松5s，分为10段),从1至j个，每段对应一个A值，从A1至A
j
；为A1至A
j
的均值。注意，第一行和第二行的A1至A
j
，以及和R都是这一放松状态下的数据值，而A则为用力状态下的数据值。第三行的J为肢体开始用力后连续采样的时间段数量，从1至J个；Δt为肌电信号变化的时间长度。第四行中，θ为内设的系数，当之后的括号内所得为正值时，动画中的肢体向预设轨迹终点方向运动；为零时，肢体停止运动；为负值时，肢体向轨迹起点方向运动。第三行和第四行中的A
i+1
和A
i
表示用力状态下两个相邻时段的数据值。
[0019]所述的运动训练系统，训练者完成一个动作后，演示轨迹D与肢体运动轨迹L的符合程度M，作为运动控制能力的量化指标。在一个给定时间段P(设其中共有1
…
p个时间点)中，演示轨迹D和肌电驱动的肢体运动轨迹L
′
的之间的质量指数M
p
为
[0020][0021]其中，D为系统预设的演示轨迹(其中肢体中各点坐标为x
(1
‑
n)
y
(1
‑
m)
)；L为肌电信号驱动的虚拟肢体轨迹，其中肢体中各点坐标为X
(1
‑
n)
Y
(1
‑
m)
),考虑到D的起始位置和L的起始位置不同，将L的坐标XY校正为X
’
Y
’
，即与D起始位置相同。P为一个给定的时间段(有1
…
p个时间点)。μ为均值。
[0022]所述的运动训练系统，其中：质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动感觉的运动训练系统，包括肌电信号采集单元，数据分析单元、存储单元和显示单元，其特征在于：肌电信号采集单元用于采集训练者运动时的肌电信号并发送给数据分析单元；数据分析单元用于接收肌电信号并进行分析；存储单元用于存储肌电信号和分析结果；数据分析单元还用于根据分析结果生成训练者的肢体运动轨迹并通过显示单元进行显示。2.根据权利要求1所述的运动训练系统，其特征在于：系统预设多个训练方案，对于一...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏鹏绪，杨荣，刘云鹤，王宁，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：