确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质

摘要

本发明提供一种确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质，所述方法包括：获取肢体动作的表面肌电信号；根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号；基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率；基于所述变化率与预设阈值确定执行动作速度等级。本发明通过基于自身的表面肌电信号来确定执行动作速度等级，从而实现根据肌肉块的自主控制来实现肢体动作快慢的计算，对截肢患者控制仿生假体执行动作速度有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及生物电中肌电信号应用技术领域，尤其涉及一种确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质。

背景技术

生物电是生物生命过程中所产生的电，如目前医疗中应用的心电图、脑电图、肌电图等都是检测的生物电。随着技术的发展，截肢患者可以利用残肢尚存的肌电信号确定执行动作速度以实现对假体的控制。相关技术中确定执行动作速度的方法如下：

(1)利用肌纤维动作电位的传导速度，将多个检测电极沿着纤维方向排列，利用两电极距离和传输时间来估计相应的传导速度，最直接方法就是根据时间与传输距离间的关系来求取。

(2)借助外在设备测量动作角速度。

上述确定执行动作速度的方法需要借助外在辅助设备进行测量，且肌电通道数量较多，受肌肉位置的约束，因此对于截肢患者想要实现控制仿生假体执行动作速度有一定的难度。

发明内容

本发明提供一种确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质，用以解决现有技术中确定执行动作速度等级需要借助外在辅助设备进行测量的缺陷，实现不借助外在辅助设备下基于自身的表面肌电信号来确定执行动作速度等级。

本发明提供一种确定执行动作速度等级的方法，包括：

获取肢体动作的表面肌电信号；

根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号；

基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率；

基于所述变化率与预设阈值确定执行动作速度等级。

可选地，根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述根据所述表面肌电信号确定动作电位的起始位置，包括：

对所述表面肌电信号进行校正；

基于校正后的表面肌电信号通过积分运算得到对应的包络信号作为活动段信号，所述包络信号是所述表面肌电信号经过放大、整流和集成的信号；

将所述包络信号的幅度值与预设定值比较；

若所述包络信号的幅度值大于预设定值，则确定为所述动作电位的起始位置。

根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率，包括：

以所述动作电位的起始位置为开始，计算窗口内的动作电位的均方根值RMS；

所述均方根值RMS为窗口内的均方根值对时间的函数，求解过程包括平方解调、平均滤波和开方运算。

根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述动作电位的均方根值RMS的计算公式为：

其中，RMS为均方根值，T为表面肌电信号的窗口长度，sEMG(t)为表面肌电信号，t为窗口起始时刻；

所述均方根值RMS的波形在时间维度上表示所述表面肌电信号的振幅变化特征。

根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率，包括：

以预设步长滑动窗口，计算滑动后窗口内动作电位的均方根值RMS的均值；

将所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值与预设变化率阈值比较；

若所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值大于预设变化率阈值，则筛选出大于所述预设变化率阈值的所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值；

将预设间隔的窗口的动作电位的均方根值RMS的均值差作为所述动作电位的变化率。

根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级，包括：

将所述变化率与预设阈值比较；

若所述变化率大于所述预设阈值，则确定执行动作速度等级为第一速度等级；

若所述变化率小于或等于所述预设阈值，则确定执行动作速度等级为第二执行速度等级；

其中，所述第一速度等级高于所述第二执行速度等级。

根据本发明提供的一种确定执行动作速度等级的方法，所述根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级之前，包括：

记录预设时长训练肢体执行动作速度值，所述速度值包括高波峰值与低波峰值；

比较所述高波峰值与所述低波峰值，自适应调整合适的速度阈值作为所述预设阈值；

其中，所述预设阈值在所述高波峰值与所述低波峰值之间。

本发明还提供一种一种确定执行动作速度等级的装置，包括：信号获取模块，用于获取肢体动作的表面肌电信号；

信号提取模块，用于根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号；

计算模块，用于基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率；

速度等级确定模块，用于根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述确定执行动作速度等级的方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述确定执行动作速度等级的方法的步骤。

本发明还提供一种控制仿生假体执行动作速度的方法，包括：

基于上述任一项所述确定执行动作速度等级的方法，确定执行动作速度等级；

控制仿生假体执行相应动作速度等级的肢体动作。

本发明提供的确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质，通过基于自身的表面肌电信号来确定执行动作速度等级，从而实现根据肌肉块的自主控制来实现肢体动作快慢的计算，对截肢患者控制仿生假体执行动作速度有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的确定执行动作速度等级方法的流程示意图；

图2是本发明提供的确定动作电位起始位置的流程示意图；

图3是本发明提供的计算动作电位均方根值的流程示意图；

图4是本发明提供的计算动作电位变化率的流程示意图；

图5是本发明提供的确定执行动作速度等级的流程示意图；

图6是本发明提供的确定预设阈值的流程示意图；

图7是本发明提供的调整预设阈值的波形图；

图8是本发明提供的确定执行动作速度等级装置的结构示意图；

图9是本发明提供的控制仿生假体执行动作速度的流程示意图；

图10是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

本发明实施例提供的确定执行动作速度等级的方法，通过基于自身的表面肌电信号来确定执行动作速度等级，从而实现根据肌肉块的自主控制来实现肢体动作快慢的计算，对截肢患者控制仿生假体执行动作速度有重要意义。

一般肢体执行动作速度需借助外在辅助进行测量，而截肢患者无法完成这一过程，但根据不同收缩力下表面肌电包络信号的变化率差异，利用此特性使截肢患者能够自主的控制仿生假肢执行动作速度。

下面结合图1-图10描述本发明实施例所述确定执行动作速度等级的方法、装置和存储介质。

图1是本发明提供的确定执行动作速度等级方法的流程示意图，如图所示。本发明所述一种确定执行动作速度等级的方法，包括：

步骤100，获取肢体动作的表面肌电信号。

肌电信号(ElectromyographyE，简称EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位(MUAP)在时间和空间上的叠加。表面肌电信号(surface Electromyography，简称sEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。

表面肌电信号是一种非平稳、非线性的微弱电信号，是肌肉收缩时伴随的电信号表面肌电信号，可用来记录和分析肌肉收缩时发出的肌电信号。假体与人体的残肢连接，也可检测到人体的表面肌电信号。

可选的，本发明实施例可以通过肌电信号采集设备采集肌电数据，所述肌电数据是指肌体的表面肌电信号经过模数转换后得到的数据。

步骤102，根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号。

一般采集到的表面肌电信号分为两种状态，一种是静息态(即静息电位)，一种是动作态(即动作电位)，肌肉收缩时会产生动作电位。由于静息数据是肌肉放松状态，此过程中肌肉没有做出任何肢体动作，因此用活动段检测方法把静息态数据屏蔽掉，不做处理，只处理动作态数据，即活动段信号。由于肌肉收缩时会产生动作电位，因此需要检测活动段信号动作电位的起始位置。

步骤104，基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率。

由于表面肌电信号与肌肉的收缩力直接相关，肌肉收缩力是肢体作随意运动时肌肉收缩的力量，且运动单元的募集数目随肌肉收缩力的提高而逐渐加大，即收缩力越大，募集的运动单元越多，运动单元动作电位波形间的叠加程度就较高。

而均方根值波形在时间维度上能够反映出表面肌电信号的振幅变化特征，均方根值运动单元募集和兴奋节律的同步化相关，取决于肌肉负荷性因素和肌肉本身的生理、生化过程之间的内在联系，具有较好的实时性可被描述肌肉活动状态。

基于上述，在表面肌电包络信号波形上的直观表现是通过信号的峰值来体现，通过计算不同收缩力的表面肌电包络信号波形的变化率来间接确定执行动作速度。

步骤106，根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级。

其中，预设阈值可根据前期自主练习肢体动作，了解自身所能适应的肢体动作快慢节奏自定义所述预设阈值。

可选的，根据计算出的变化率与预设阈值进行对比，如果大于预设阈值，则认为该肢体动作为快速，即所述执行动作速度等级为快速；小于预设阈值时为慢速，即所述执行动作速度等级为慢速。

因此，基于上述表面肌电信号来判断肢体执行动作速度的等级，进而控制仿生手执行相应速度的肢体动作。

图2是本发明提供的确定动作电位起始位置的流程示意图，如图所示。所述根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号，包括：

步骤200，对所述表面肌电信号进行校正。

由于不同被测对象之间皮肤阻抗以及肌肉紧张程度的差异，导致静息电位基线的波形幅度变化较大，加上外界噪声的干扰，极易在动作未开始时误判成动作的起始点，动作未结束时误判为终止点，准确精度达不到检测需求。因此，需要对表面肌电信号进行校正，减弱个体差异对信号的影响。

可选的，可以通过设置预设校正值对表面肌电信号进行比较，从而实现对表面肌电信号的校正，本发明不限于上述校正的方式。

步骤202，基于校正后的表面肌电信号通过预设运算得到对应的包络信号作为活动段信号，所述包络信号是所述表面肌电信号经过放大、整流和集成的信号。

可选的，对校正后的表面肌电信号通过积分运算得到对应的包络信号。比如，通过核函数(kernel function)对所述校正后的表面肌电信号通过等距积分处理得到对应包络信号。

其中，核函数包括线性核函数、多项式核函数、高斯核函数等，其中高斯核函数最常用，可以将数据映射到无穷维，也叫做径向基函数(Radial Basis Function简称RBF)，是某种沿径向对称的标量函数。

步骤204，将所述包络信号的幅度值与预设定值比较。

所述包络信号相当于对原始表面信号进行转换，比如将所述表面肌电信号经过放大、整流和集成，得到所述包络信号，从而增大了原始表面肌电信号中动作电位与静息电位之间的微小差异。

步骤206，若所述包络信号的幅度值大于预设定值，则确定为所述动作电位的起始位置。

将所述包络信号的幅度值与预设值进行比较，以判断所述包络信号对应的表面肌电信号是否处于动作电位，从而提高了动作电位检测的准确率。

图3是本发明提供的计算动作电位均方根值的流程示意图，如图所示。所述基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率，包括：

步骤300，以所述动作电位的起始位置为开始，计算窗口内的动作电位的均方根值RMS。

所述均方根值RMS的波形在时间维度上表示所述表面肌电信号的振幅变化特征，其值与运动单元募集和兴奋节律的同步化相关，取决于肌肉负荷性因素和肌肉本身的生理、生化过程之间的内在联系，具有较好的实时性可被描述肌肉活动状态。因此，在基于所述均方根值RMS的基础上计算变化率更能直接确定执行动作速度的等级。

所述均方根值RMS为窗口内的均方根值对时间的函数，求解过程包括平方解调、平均滤波和开方运算，即所述均方根值RMS的计算公式为：

其中，RMS为均方根值，T为表面肌电信号的窗口长度，sEMG(t)为表面肌电信号，t为窗口起始时刻。

需要说明的是，均方根值RMS与均值的适用范围是不同的，均方根值RMS也称为有效值，其计算方法是先平方、再平均、然后再开方，因为表面肌电信号是一种非平稳、非线性的微弱电信号，所以本发明实施例采用均方根值RMS的计算方法比采用均值的计算方法更能准确计算出表面机电信号的有效值。

图4是本发明提供的计算动作电位变化率的流程示意图，如图所示。所述基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率，包括：

步骤400，以预设步长滑动窗口，计算滑动后窗口内动作电位的均方根值RMS的均值。

滑动窗口(HOP)，也被称作Sliding Window。不同于滚动窗口，滑动窗口的窗口可以重叠，滑动窗口有两个参数：slide和size。slide为每次滑动的步长，size为窗口的长度。滑动窗口在计算移动平均数(moving averages)时很实用。

可选的，窗口长度与预设步长可以根据采样率设定的，本发明实施例所述预设步长可设为1个单位。

步骤402，将所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值与预设变化率阈值比较。

步骤404，若所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值大于预设变化率阈值，则筛选出大于所述预设变化率阈值的所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值；

步骤406，将预设间隔的窗口的动作电位的均方根值RMS的均值差作为所述动作电位的变化率。

可选的，所述变化率的计算公式如下：

speed＝aver

其中，speed为变化率，aver

上述中，当所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值大于threshold1时，则认为利用此时的表面肌电信号计算出的变化率是有效的，需要筛选出大于预设变化率阈值threshold1的均方根值RMS的均值作为对应位置的动作电位的变化率，所以计算出的变化率可确定执行动作速度等级。

图5是本发明提供的确定执行动作速度等级的流程示意图，如图所示。所述根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级，包括：

步骤500，将所述变化率与预设阈值threshola2比较。

其中，所述预设阈值可根据前期自主练习，了解自身所能适应的手势动作快慢节奏自行定义所述预设阈值。

步骤502，若所述变化率大于所述预设阈值，即speed＞threshola2，则确定执行动作速度等级为第一速度等级。

步骤504，若所述变化率小于或等于所述预设阈值，即speed≤threshold2，则确定执行动作速度等级为第二执行速度等级；

其中，spees为变化率，threshola2为预设阈值，所述第一速度等级高于所述第二执行速度等级。

可选的，将所述第一速度等级与所述第二速度等级的判定规则如下：

可以理解的，本发明实施例还可以设定多个所述预设阈值，从而将执行动作速度等级划分为多个等级，本发明不限于上述两个等级(快速和慢速)，比如第三速度等级为标准速度。

图6是本发明提供的确定预设阈值的流程示意图，如图所示。所述根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级之前，包括：

步骤600，记录预设时长训练肢体执行动作速度值，所述速度值包括高波峰值与低波峰值。

步骤602，比较所述高波峰值与所述低波峰值，自适应调整合适的速度阈值作为所述预设阈值。

其中，所述预设阈值在所述高波峰值与所述低波峰值之间。

具体的，图7是本发明提供的调整预设阈值的波形图，如图所示。在无外在辅助设备测量下，被测试者正确佩戴肌电采集设备后，首先让被测试者对某一肢体动作如外翻进行练习，自适应调整肢体动作执行速度。图7中高波峰为肢体动作快时，由采集的表面肌电信号根据本发明上述变化率计算公式得到的速度值；低波峰为肢体动作慢时，根据本发明上述变化率计算公式得到的速度值。被测试者在练习时，可以自适应地调整图7中横向直线的高低，从而确定执行自己的肢体动作的速度阈值，所述速度阈值为所述预设阈值。

综上，确定速度阈值后，将此值作为参考值，就可以进行对比来控制仿生假体执行动作的速度了。

可选的，根据计算出的变化率与预设阈值进行对比，如果大于预设阈值，则认为该肢体动作为快速，即所述执行动作速度等级为快速；小于预设阈值时为慢速，即所述执行动作速度等级为慢速。

因此，基于上述表面肌电信号来判断肢体执行动作速度的等级，进而控制仿生手执行相应速度的肢体动作。

下面对本发明提供的确定执行动作速度等级装置进行描述，下文描述的确定执行动作速度等级装置与上文描述的确定执行动作速度等级方法可相互对应参照。

图8是本发明提供的确定执行动作速度等级装置的结构示意图，如图所示。一种确定执行动作速度等级的装置，包括信号获取模块800、信号提取模块801、计算模块802以及速度等级确定模块803。

其中，信号获取模块800用于获取肢体动作的表面肌电信号。

其中，信号提取模块801用于根据所述表面肌电信号确定动作电位的活动段信号。

其中，计算模块802用于基于所述活动段信号计算所述动作电位的变化率。

其中，速度等级确定模块803用于根据所述变化率和预设阈值确定执行动作速度等级。

可选的，所述信号提取模块801包括校正单元、运算单元以及比较单元。所述校正单元，用于对所述表面肌电信号进行校正；所述运算单元，用于基于校正后的表面肌电信号通过积分运算得到对应的包络信号作为活动段信号，所述包络信号是所述表面肌电信号经过放大、整流和集成的信号；所述比较单元，用于将所述包络信号的幅度值与预设定值比较，若所述包络信号的幅度值大于预设定值，则确定为所述动作电位的起始位置。

可选的，所述计算模块802包括均方根值RMS计算单元、均方根值RMS的均值计算单元、筛选单元和变化率计算单元。

所述均方根值RMS计算单元，用于以所述动作电位的起始位置为开始，计算窗口内的动作电位的均方根值RMS。

其中，所述均方根值RMS的计算公式为：

其中，RMS为均方根值，T为表面肌电信号的窗口长度，sEMG(t)为表面肌电信号，t为窗口起始时刻；

所述均方根值RMS的波形在时间维度上表示所述表面肌电信号的振幅变化特征。

所述均方根值RMS的均值计算单元，用于以预设步长滑动窗口，计算滑动后窗口内动作电位的均方根值RMS的均值。所述筛选单元，用于将所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值与预设变化率阈值比较，若所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值大于预设变化率阈值，则筛选出大于所述预设变化率阈值的所述窗口内动作电位的均方根值RMS的均值；所述变化率计算单元，用于将预设间隔的窗口的动作电位的均方根值RMS的均值差作为所述动作电位的变化率。

可选的，速度等级确定模块803包括第一速度等级单元和第二速度等级单元。所述第一速度等级单元，用于判断出所述变化率大于所述预设阈值，则确定执行动作速度等级为第一速度等级；所述第二速度等级单元，用于判断出所述变化率小于或等于所述预设阈值，则确定执行动作速度等级为第二执行速度等级。

本发明实施例中，所述确定执行动作速度等级的装置还包括确定速度阈值模块。所述速度阈值，用于记录预设时长训练肢体执行动作速度值，所述速度值包括高波峰值与低波峰值，并比较所述高波峰值与所述低波峰值，自适应调整合适的速度阈值作为所述预设阈值。

图9是本发明提供的控制仿生假体执行动作速度的流程示意图，如图所示。一种控制仿生假体执行动作速度的方法，包括：

步骤900，基于上述所述确定执行动作速度等级的方法，确定执行动作速度等级。

步骤902，控制仿生假体执行相应速度等级的肢体动作。

可选的，本发明实施例可通过获取计算出的速度等级的控制指令来控制假肢执行相应动作速度。

本发明通过基于自身的表面肌电信号来确定执行动作速度等级，在没有加速度、关节角度以及其他外在辅助测量的情况下，根据肌肉块的自主控制来实现肢体动作快慢的计算，对截肢患者控制仿生假体执行动作速度有重要意义。

图10是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图10所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行所述确定执行动作速度等级的方法的步骤。

此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的确定执行动作速度等级的方法的步骤。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的确定执行动作速度等级的方法的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上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精神和范围。