[发明专利]人体肌电信号虚拟打击振动反馈系统及反馈信号生成方法

权利要求书

1.一种人体肌电信号虚拟打击振动反馈信号生成方法，包括以下步骤：

步骤1，构建虚拟现实场景平台，虚拟现实场景平台包括肌肉电信号传感器，振动反馈设备，虚拟现实眼镜设备，虚拟现实场景模块，定位基站，虚拟现实场景平台运行于计算机上；

步骤2，肌肉电信号的预处理：

步骤2.1，用户在前手臂佩戴肌肉电信号传感器，在虚拟环境中，通过敲击触发系统的碰撞检测，用于探测用户在敲击的时刻的肌肉电信号；

步骤2.2，通过Unity3D平台对虚拟场景的碰撞检测触发，驱动肌肉电信号传感器读取该时刻的原始肌肉电信号，并通过平均绝对值对原始肌肉电信号进行预处理，如下式(1)所示：

上式(1)中：|x_i|对原始的正负肌肉电信号值进行了绝对值处理，N则是对采样的肌肉电信号块中的样本数，MAV则是预处理后的肌肉电信号值；

步骤2.3，在训练起始阶段，根据给定一个标准的敲击姿势，获取600组用户在标准的敲击姿势下敲击的肌肉电数据，用户使用的力量分布均匀，将获取的600组肌肉电数据输入到主成分分析模型中进行参数训练，得出每个肌肉电传感器对应通道的权重值，再得出如公式(2)所示的加权平均的肌肉电信号值：

上式(2)中：则是加权平均的肌肉电信号，n为对应的肌肉电信号通道的个数，w_iemg_i则是第i个通道对应的权重w_i和肌肉电信号值emg_i；

步骤2.4，使用平均绝对值方法对肌肉电信号进行预处理，根据计算得出对应通道的权重值，可以获得一组权重值矩阵，该矩阵与后期的肌肉电信号各通道数据流进行点乘计算，可以得到加权且降维后的一维肌肉电信号值；针对敲击的材质特性，通过设置相应的振动反馈模型中振幅系数，衰减率，正弦频率三个参数，可以生成相应材质特征敲击后的振动反馈波形；此外，根据用户的机械刺激阈值和触觉制动器的工作特性，生成低保真度电机的振动反馈波形，即振幅与时间的函数，将该振动信号输入到低保真度电机并驱动电机工作，相应模式的振动则可以通过手柄反馈给用户；

步骤3，建立基于肌肉电信号的振动反馈模型：

步骤3.1，根据肌肉电信号和振动反馈的相关性，建立基于肌电信号的振动反馈模型，通过采样给定训练姿势的作用时刻碰撞加速度和作用时刻的加权平均肌肉电信号值，得出两者之间存在线性关系；

步骤3.2，按照垂直90度姿势敲击时，提取50组样本值，作用加速度和作用加权平均肌肉电信号值呈现R²＝0.9665的拟合度，建立基于肌肉电信号的振动反馈模型，如下式(3)所示：

上式(3)中：Q(t)是振动的振幅与时间的函数，A是振幅系数，B是衰减率，f是正弦频率，可以将加权平均的肌肉电信号转化为敲击的波形信号；

步骤4，设计针对低保真度电机的振动反馈信号的生成方法：

通过基于上式(3)所示肌肉电信号的振动反馈模型，针对采用低保真度电机设计出相应的振动生成信号，如下式(4)所示：

上式(4)中：U(t)是振幅值随着时间t的阶跃函数，Q(i)是公式(3)中的采样时间点的振幅极值，i＝(1+2k)/4f,k＝0,1,2,3…N,T₀＝0,T_i为第k个极值点的振幅采样点的振动持续时长，p为起始点的时间。

2.一种人体肌电信号虚拟打击振动反馈系统，其特征在于，包括：

肌肉电信号传感器，佩戴于用户在前手臂，用于探测用户在敲击时刻的肌肉电信号；

振动反馈设备，由用户手持，用于模拟在虚拟环境中的物体碰撞产生的振动；

虚拟现实眼镜设备，戴于用户头部用于反馈虚拟场景中的场景画面；

定位基站，振动反馈设备和虚拟眼镜设备均通过定位基站进行空间位置的实时定位；

虚拟现实场景平台模块，虚拟现实场景平台模块包括肌肉电信号传感器，振动反馈设备，虚拟现实眼镜设备，虚拟现实场景模块，定位基站，虚拟现实场景平台模块运行于计算机上，计算机执行权利要求1所述的人体肌电信号虚拟打击振动反馈信号生成方法。