[發明專利]一種人體疲勞監測與反饋刺激系統

在審

• 申請號: 201910374793.6
• 申請日: 2019-04-27
• 公開（公告）號: CN110141257A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 張庭威;周殿閣;王漢斌;鄭亦嘉;吳松杰;張玨
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: A61B5/16
• 分類號: A61B5/16;A61B5/11;A61B5/00;A61H23/02;A61H39/04
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本發明公開了一種可以監測人體疲勞狀態并進行反饋刺激的閉環系統，該系統在人體足底、小腿、大腿、腰部穿戴加速度計和觸覺振子，以及配套的處理單元、存儲單元、驅動單元和電源裝置，通過采集人體各肢體部位的加速度信號，構建運動復雜網絡，通過復雜網絡分析來凸顯最為疲勞的肢體部位，并通過肢體運動復雜度分析來反映疲勞部位的疲勞程度，進而控制觸覺振子施加定點且定量的反饋振動刺激，產生隨機共振，自適應刺激各個肢體趨于平衡。

技術領域

本發明涉及人體疲勞監測與觸覺刺激領域，提出了一種人體疲勞監測與反饋刺激系統。

背景技術

人體在正常狀態下，其各肢體運動加速度具有一定協調性，體現在各肢體本身的運動保持一定的復雜性，各肢體運動關系之間也維持在一個穩定狀態。在長期站立作業的情況下，人體易產生疲勞，這種疲勞體現在人體本體感覺下降，肌肉和關節力量減弱等方面，進一步體現在人體的靜態平衡功能和動態穩定性下降，影響工作效率，這可以通過運動加速度反映出來。

隨機共振Stochastic Resonance(SR)是指在非線性系統中內噪聲或外噪聲的存在可以增加系統輸出響應的現象。1996年，Jame J.Collins等人在《Nature》上發表的文章《Noise-enhanced tactile sensation》表明特定的白噪聲信號可以提高低于觸感閾值刺激的強度，達到增強觸感的效果；更進一步的研究發現，基于觸感閾值的隨機噪聲振動可以增強體感，改善人體平衡，緩解疲勞。

針對此問題，現行已有一些改善人體觸感的刺激設備，如專利200480010061.0提出了一款可以改善人平衡與步態并防止足部受傷的方法及設備；專利201711187980提出了一種具有觸感增強功能的智能鞋墊；但這些方法/設備只局限于足部刺激，且需要人工操作干預，并非一個自動控制的閉環系統；而對于人體疲勞程度的檢測，如專利201810035943.6提出了一種基于手環的人體疲勞度判斷方法及手環，基于手環中的加速度計進行分析判斷，其反映的是人體整體的疲勞程度，而并非某個具體身體部位的疲勞程度。

發明內容

本發明針對上述存在的問題進行了改進，公開了一種可以監測人體疲勞狀態并進行反饋刺激的閉環系統。本發明在人體足底、小腿、大腿、腰部穿戴加速度計和觸覺振子，以及配套的處理單元、存儲單元、驅動單元和電源裝置，通過對各個肢體運動加速度的動態變化評價，定位疲勞位置，并進行定量的反饋振動，自適應刺激各個肢體趨于平衡。

為了實現上述目的，實時監測分析人體疲勞狀態，本發明采集人體多部位加速度信號，構建運動復雜網絡，通過復雜網絡分析來凸顯當前人體中最為疲勞的部位，并通過復雜度分析來反映疲勞部位的疲勞程度，給予精準的反饋刺激進行調節。本發明采用的具體方案如下：

整個系統在結構上包括一雙鞋墊A，兩只小腿部綁帶B，兩只大腿部綁帶C和一只腰部綁帶D；每個部位都包含加速度傳感單元和觸覺振子單元，兩個單元成對存在，分別負責采集加速度信號和向人體施加振動刺激；具體地，A中的每只鞋墊上包含有1個加速度傳感單元和1個觸覺振子單元，其中，加速度傳感單元位于鞋墊中間位置，觸覺振子單元位于足跟處；B中的每只綁帶包含1個加速傳感單元和1個觸覺振子單元，這兩個單元的位置可繞小腿進行調整；C中的每只綁帶也包含1個加速度傳感單元和1個觸覺振子單元，這兩個單元的位置可繞大腿進行調整；D中包含1個加速度傳感單元和1個觸覺振子單元，都位于腰部正后方，除此之外，D中還包含整個系統的處理單元D1、存儲單元D2、驅動單元D3和電源裝置D4。

整個系統中所有的加速度傳感單元[N1，N2，...，Ni]通過現場總線連接至處理單元D1；驅動單元D3通過現場總線連接至所有觸覺振子單元[M1，M2，...，Mi]，驅動各振子振動。

處理單元D1負責加速度信號動態變化評價和振動反饋控制，其中包含4個程序模塊，依次為：復雜網絡分析模塊D11、啟停控制模塊D12、復雜度分析模塊D13、振動強度評估模塊D14。