动作复制系统及方法
阅读说明：本技术 动作复制系统及方法 (Action copying system and method ) 是由 不公告发明人 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种动作复制系统,包括：教师端设备和学生端设备两部分,其中所述教师端设备,用于采集示范动作的肌电特征信号数据,传递给学生端设备；其中所述学生端设备,用于接收示范动作的肌电特征信号数据、生成肌电信号刺激信号激发学生相应肌肉收缩舒张。本发明还公开了一种动作复制方法,以肌电特征信号数据在人际传递动作信息,包括,教师端采集示范动作的肌电特征信号数据,通过通信模块传递给学生端设备,学生端设备接收数据生成肌电刺激信号,激发学生端相应的肌肉收缩与舒张,同时学生端跟随肌电刺激主动参与肌肉收缩与舒张。本发明的优点在于,以肌电特征信号数据在人际传递动作信息,用教师端肌电信号激发学生端的肌肉动作,实现动作技能的精准复制；可缩短反复练习、反馈、校正的时间和精力成本,提高动作技能学习的学习效率。(The invention discloses an action copying system, comprising: the system comprises teacher end equipment and student end equipment, wherein the teacher end equipment is used for collecting electromyographic characteristic signal data of demonstration actions and transmitting the electromyographic characteristic signal data to the student end equipment; the student end equipment is used for receiving electromyographic characteristic signal data of demonstration actions and generating electromyographic signal stimulation signals to stimulate corresponding muscle contraction and relaxation of students. The invention also discloses a motion replication method, which transmits motion information at interpersonal by using the electromyographic characteristic signal data, and comprises the steps that the teacher end collects the electromyographic characteristic signal data of the demonstration motion and transmits the electromyographic characteristic signal data to the student end equipment through the communication module, the student end equipment receives the data to generate an electromyographic stimulation signal, the corresponding muscle contraction and relaxation of the student end is stimulated, and meanwhile, the student end actively participates in the muscle contraction and relaxation along with the electromyographic stimulation. The invention has the advantages that the myoelectric characteristic signal data is used for transmitting action information among people, and myoelectric signals of a teacher end are used for exciting muscle actions of a student end, so that accurate replication of action skills is realized; the time and energy cost for repeated practice, feedback and correction can be shortened, and the learning efficiency of action skill learning is improved.)
技术领域
本发明涉及体育、音乐、舞蹈等相关领域的动作技能教学设备，特别是涉及了一种动作复制系统及方法，用于通过肌电特征信号数据的传递实现动作复制。
背景技术
动作，是大脑皮层控制下的骨骼肌活动，精细的肌肉控制是动作的重要特征。动作的最小构成单位是单块肌肉活动，即单块肌肉按一定节奏、强度、时长收缩舒张；单个简单动作由参与动作的多块肌肉，按一定时序、强度、时长进行收缩舒张活动的组合而成；复杂动作由单个简单动作以一定的时序、强度、时长联合而成。
动作技能，是指运用一定的知识、经过练习而获得的一种合乎法则的程序化、自动化和完善化的活动动作方式。动作技能的获得其生理学本质是条件反射的建立，如吹拉弹唱、球类、体操、田径、舞蹈活动中的动作。动作技能的形成包括四个阶段：操作定向，了解操作活动的结构与要求建立定向映像；操作模仿，实际再现特定的动作方式或行为模式；操作整合，把模仿阶段习得的动作固定下来，并使各动作成分相互结合、成为定型的一体化的动作；操作熟练，所形成的动作方式对各种变化的条件具有高度适应性，动作的执行达到高度完善化和自动化。必要而适当的练习、建立稳定清晰的动觉是动作技能形成的有效条件。
动作技能传授，长期以来主要通过反复的“示范与讲解-适当的练习-有效的反馈”循环来实现的，“讲解练习反馈”循环过程可以具体为：教师通过讲解示范把动作技能外化为操作活动程序、活动结构，将应该做什么以及如何完成这些动作的信息转换视觉的、听觉的等其它各种信息；学生接收信息转换为自己的理解、在头脑中重构活动程序、并复现动作技能；教师检查学生的操作活动程序、活动结构，以视觉、听觉、触觉等方式反馈、校正，同时达到一定程度后的学生还可通过自身的动觉进行自我调整。
综上，我们发现传统的动作技能获得存在瓶颈：教师的教学能力和学生的学习能力都会制约学习效果及学习效率。因为，一方面动作技能信息需要先在教师端转换为视觉、听觉等感官信息；另一方面在学生端需要将接收的信息还原并重现动作技能；而视觉信息的转化、传达与理解之间会存在歧义、听觉所依赖的自然语言的非精确性决定了信息转换过程不可避免地存在噪声和失真，当学生端依赖这些包含噪声、失真和歧义的信息对动作技能重现时，偏离是不可避免的。为了弥补这种偏离，反复的“练习、反馈、校正”循环使偏离趋向最小是掌握动作技能的必由之路，所谓勤能补拙就是这个道理。而这种反复的“练习、反馈、校正”循环会消耗大量的时间和精力，制约动作技能学习的效率及效果。
发明内容
人类的动作活动中，各动作要素及执行顺序体现活动本身的客观法则的要求。理论上，不同的人在完成相同动作的过程中，参与活动的肌肉对象、不同肌肉的活动时序、各块肌肉活动的相对强度、每块肌肉的工作时长是相同的。
有鉴于此，本发明公开了一种动作复制系统，以教师端设备采集肌电特征信号控制学生端设备的肌电刺激信号生成，系统包括：教师端设备和学生端设备两部分，其中所述教师端设备，用于采集示范动作的肌电特征信号数据，传递给学生端设备，教师端设备包括肌电信号采集模块、控制模块、通信模块；其中，所述肌电信号采集模块用于采集识别示范动作的肌电特征信号数据，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述通信模块用于与学生端的通信；其中，学生端设备包括，通信模块、控制模块、电刺激模块；所述通信模块用于与教师端通信，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述电刺激模块用于产生肌电信号刺激肌肉收缩舒张。
本发明还公开了一种动作复制方法，采用前述动作复制系统，其核心在于，以肌电特征信号数据在人际传递动作信息，包括，教师端采集示范动作的肌电特征信号数据，通过通信模块传递给学生端设备，学生端设备接收数据生成肌电刺激信号，激发学生端相应的肌肉收缩与舒张，同时学生端跟随肌电刺激主动参与肌肉收缩与舒张。
本发明的优点在于，以肌电特征信号数据在人际传递动作信息，用教师端肌电信号激发学生端的肌肉动作，跳过传统学习过程中的两次信息转换过程，即教师端的将动作技能信息转换为视觉听觉信息过程、学生端将接收的视觉听觉信息还原为动作技能信息过程，减少传达过程导致的失真，实现动作技能的精准复制；继而以精准动作重复练习快速形成条件反射，达到掌握动作技能的效果；可缩短“练习、反馈、校正”的时间和精力成本，从而提高动作技能学习的精确性和学习效率。
附图说明
通过阅读下文
具体实施方式
的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的实施例动作复制系统设备框图；
图2为本发明的实施例带存储功能的动作复制系统设备框图；
图3为本发明的实施例带学生肌电采集功能的动作复制系统设备框图；
图4为本发明的实施例采集刺激对应图；
图5为本发明的实施例动作复制方法流程框图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的问题、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为了条理清晰简明扼要起见，在以下陈述中将不详细描述公知的功能和结构，需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以达成地辅助说明本发明实施例的目的。
生物医学研究认为，肌电信号（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 electronomyography signal,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。表面肌电信号携带着大量与人体运动模式有关的信息。大量研究证明，通过对表面肌电信号的处理分析,能够识别肌肉的活动状态。随着生物医学技术和模式识别技术的发展,表面肌电信号在医疗评估,假肢控制,人机交互等方面得到了广泛应用。
临床上经常应用神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulation ，NMES）技术以低频脉冲电流刺激神经或肌肉使用其收缩，以恢复肌肉运动功能，这项技术的临床应用已有超过100年的历史。研究发现，电刺激治疗偏瘫或颅脑损伤病人的垂足时，刺激停止后的一段时间内病人仍感到足背屈较容易完成，这是麻痹肌发生易化的结果。使用NMES易化肌肉时，病人尽量跟随电刺激主动收缩和放松，即电刺激时主动收缩;刺激中断时放松肌肉，这样通过向中枢传入大量的本体、运动和皮肤感觉信息，使中枢逐渐适应这种输入信号，帮助病人建立正常的运动模式。公认的，NMES对于下列三种情况是安全、有效的:治疗废用性肌肉萎缩、增加和维持关节活动度(ROM)、肌肉再学习和易化作用。
本发明实施例公开了一种动作复制系统，如图1所示，包括：教师端设备和学生端设备两部分，其中所述教师端设备，用于采集示范动作的肌电特征信号数据，传递给学生端设备，教师端设备包括肌电信号采集模块、控制模块、通信模块；其中，所述肌电信号采集模块用于采集识别示范动作的肌电特征信号数据，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述通信模块用于与学生端的通信；其中，学生端设备包括，通信模块、控制模块、电刺激模块；所述通信模块用于与教师端通信，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述电刺激模块用于产生肌电信号刺激肌肉收缩舒张。
优选的，所述教师端肌电信号采集模块，包括：采集电路、放大器电路、滤波路以及A/D转换电路、数据处理电路，分别用于肌电信号的接收、放大、去噪，其中所述 A/D转换电路用于肌电信号的模数或数模转换或所述电刺激信号的数模或数模转换，其中所述数据处理电路用于对所述肌电信号中的特征值进行提取。
优选的，所述学生端电刺激模块，包括，数据处理电路、D/A转换电路、电压放大电路、电流控制电路，用于根据教师端的肌电特征信号数据生成相应波形、频率、脉宽以及幅值的电刺激信号。
优选的，如图4所示，教师端设备肌电采集通道数与学生端设备的电刺激通道数对应、对应的一组采集刺激电极分别设置于教师端与学生端的相同的肌肉、采集电极与刺激电极在相同肌肉上的相对位置对应；即教师端设备采集的肌电特征信号、学生端设备生成的电刺激信号，分别来自教师、针对学生的同一块肌肉动作、相同的相对的位置。譬如，如图4中所示，通道1的采集电极1、刺激电极1分别设置于老师端、学生端的胸大肌的肌腹位置。
优选的，所述采集刺激通道与肌肉的对应，可以是单块肌肉对应一个通道，可以是单块肌肉对应多个通道。
优选的，教师端及学生端设备采用可穿戴方式固定电极，譬如，小提琴左手训练设备的电极可以袖套手套模式设置电极；高尔夫挥杆训练设备可以紧身训练服方式设置电极。
优选的，教师端设备与学生端设备可以是一对多。
本发明实施例还公开了一种带存储功能的动作复制系统，如图2所示，包括，教师端设备和学生端设备两部分，其中所述教师端设备，用于采集示范动作的肌电特征信号数据，传递给学生端设备，教师端设备包括肌电信号采集模块、控制模块、通信模块；其中，所述肌电信号采集模块用于采集识别示范动作的肌电特征信号数据，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述通信模块用于与学生端的通信；其中，学生端设备包括，通信模块、控制模块、存储模块、电刺激模块；所述通信模块用于与教师端通信，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述存储模块用于存储示范动作特征信号数据以便学生端无教师状态下自行重复练习，所述电刺激模块用于产生肌电信号刺激肌肉收缩舒张。
本发明实施例还公开了一种带学生肌电采集功能的动作复制系统，如图3所示，包括，教师端设备和学生端设备两部分，其中所述教师端设备，用于采集示范动作的肌电特征信号数据，传递给学生端设备，教师端设备包括肌电信号采集模块、控制模块、通信模块；其中，所述肌电信号采集模块用于采集识别示范动作的肌电特征信号数据，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述通信模块用于与学生端的通信；其中，学生端设备包括，通信模块、控制模块、采集模块、电刺激模块；所述通信模块用于与教师端通信，所述控制模块用于管理协调各模块工作及其它功能，所述采集模块用于采集存储学生端练习时肌电特征数据用于练习过程反馈控制，所述电刺激模块用于产生肌电信号刺激肌肉收缩舒张。
优选的，前述三种动作复制系统，包括，动作复制系统、带存储功能的动作复制系统、带学生采集功能的动作复制系统，可以单独应用也可以组合应用。
本发明实施例还公开了一种动作复制方法，采用前述动作复制系统，其核心在于，以肌电特征信号数据在人际传递动作信息，包括，教师端采集示范动作的肌电特征信号数据，通过通信模块传递给学生端设备，学生端设备接收数据生成肌电刺激信号，激发学生端相应的肌肉收缩与舒张，同时学生端跟随肌电刺激主动参与肌肉收缩与舒张。
优选的，所述教师端及学生端的采集与刺激对象肌肉，至少应覆盖完成特定动作技能时必要肌肉的全部；
例如，小提琴的左手动作涉及左手前臂、手的全部肌肉，包括，前臂的挠、尺侧腕屈肌、掌长肌、指浅、深屈肌、拇长屈肌、拇长展肌、拇短伸肌、挠侧腕伸长、短肌、小指固有伸肌及尺侧腕肌；手部的大鱼际肌、小鱼际肌、中间肌群等，应用本发明的动作复制方法时，采集及刺激电极及通道数应覆盖前述全部肌肉。
本发明实施例还公开了一种有教师的动作复制方法，参考图5，流程包括：
501、示范并采集示范动作肌电特征数据；
502、传递给学生端设备；
503、学生端设备接收数据；
504、生成肌电电刺激信号；
505、激发学生端相应肌肉收缩舒张；
506、跟随刺激主动参与肌肉运动；
优选的，所述有教师的动作复制方法与传统的“讲解练习反馈”循环教学过程并行；
优选的，所述教师端的示范及肌电特征信号采集可以在本地实施，也可以是远程实施；所述教师端的示范及肌电特征信号采集可以是实时数据，也可以是非实时数据。
优选的，学生端可用前述有教师的动作复制过程中保存的或事先制作示范动作肌电特征数据进行重复练习。
本发明实施例还公开了一种无教师动作复制方法，参考图5，流程包括：
510、保存的示范动作肌电数据；
504、生成肌电刺激信号；
505、激发学生端相应肌肉收缩舒张；
506、跟随刺激主动参与肌肉运动。
优选的，在学生端采集提取的肌电特征信号用于与存的教师端肌电信号进行比较，分析数据间偏离状态，动态纠正学生端的动作偏差。
本发明实施例还公开了一种动态纠正的动作复制方法，参考图5，流程包括：
510、保存的示范动作肌电数据；
504、生成肌电刺激信号；
505、激发学生端相应肌肉收缩舒张；
506、跟随刺激主动参与肌肉运动；
507、学生端采集肌电特征数据；
511、数据比较、纠正动作偏差；
所述数据比较，指的是将学生端采集的肌电数据与示范肌电数据进行比较；
所述数据比较纠正动作偏差，可以是人工的，也可以是自动的；
所述人工的数据比较纠正动作偏差的方式，包括，人工分析，示范讲解纠正；
所述自动数据比较纠正动作偏差的方式，包括，机器分析结果以音频提示，如提示，节奏太快/太慢、某一肌肉未参与动作、力度偏小/偏大等，或者机器分析将结果反馈至步骤504生成肌电刺激信号时加入修正因子（如改变强度、触发时间、收缩时长）等形成针对性的矫正方案，或者前述两种方式相结合。
优选的，在学生端记录的肌电特征信号，通过肌电特征信号的时间序列分析用于对肌肉疲劳状态进行判断，动态调适电刺激信号参数控制练习强度及时长。
本发明实施例还公开了一种自动保护的动作复制方法，参考图5，流程包括：
510、保存的示范动作肌电数据；
504、生成肌电刺激信号；
505、激发学生端相应肌肉收缩舒张；
506、跟随刺激主动参与肌肉运动；
507、学生端采集肌电特征数据；
508、学生端记录肌电特征数据；
509、分析疲劳状态调整练习参数；
所述自动保护的方式，包括，音频提示，如提示学生疲劳状态及应对方法等，或者，调整电刺激参数如改变强度或触发时间或时长等反馈至504生成肌电刺激信号降低负荷，或者，所述音频提示与参数调整相结合等。
所述各种动作复制方法流程中，示范动作肌电特征数据的来源，根据应用场景可以是教师端的实时数据，也可以是数据文件，两者可相互替代。
所述的各种动作复制方法，包括，有教师动作复制方法、无教师动作复制方法、动态纠正的动作复制方法、自动保护的动作复制方法，各种动作复制方法可单独应用也可组合应用。
本发明实施例还公开了一种组合的动作复制方法，参考图5，流程包括：
501、示范并采集示范动作肌电特征数据；
502、传递给学生端设备；
503、学生端设备接收数据、并且，510保存示范动作肌电数据；
504、生成肌电电刺激信号；
505、激发学生端相应肌肉收缩舒张；
506、跟随刺激主动参与肌肉运动；
507、学生端采集肌电特征数据，并且，511数据比较、纠正动作偏差；
508、学生端记录肌电特征数据；
509、分析疲劳状态调整练习参数，反馈至步骤504生成肌电刺激信号；
所述510保存示范动作肌电数据步骤，根据需要选择性执行；
所述511数据比较、纠正动作偏差步骤，根据需要选择性执行；
所述反馈至步骤504生成肌电刺激信号，根据需要选择性执行。
以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。