iMuscle智能運(yùn)動服

李星辰++劉奇++吳偉++陳夢雯

摘 要：針對運(yùn)動者經(jīng)過大量訓(xùn)練卻得不到滿意成果的問題，文中設(shè)計了一款iMuscle智能運(yùn)動服。該運(yùn)動服通過嵌入的表面肌電流傳感器來實時監(jiān)測運(yùn)動者的肌肉狀態(tài)，幫助檢測運(yùn)動者的動作標(biāo)準(zhǔn)與否，是否能夠達(dá)到運(yùn)動目標(biāo)。經(jīng)驗證，該智能運(yùn)動服大大減少了運(yùn)動者的盲目性，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：智能運(yùn)動服；肌肉狀態(tài)：電流傳感器

全民健身蔚然成風(fēng)，可是我們訓(xùn)練取得的效果往往事倍功半。這個問題對于那些想擁有完美身材的人來說顯得尤為突出，在沒有專門健身教練的指引下，我們往往難以將每一塊肌肉都訓(xùn)練到位，導(dǎo)致付出了很多汗水卻得不到理想的身材。iMuscle智能運(yùn)動服就是針對這些問題而研發(fā)的。iMuscle是屬于大眾的私人健身教練，通過嵌入的表面肌電流傳感器來實時監(jiān)測運(yùn)動者的肌肉狀態(tài)，檢測每一次訓(xùn)練動作是否標(biāo)準(zhǔn)，是否達(dá)到了訓(xùn)練目的。此外，通過與手機(jī)App的交互，能夠記錄每一次健身數(shù)據(jù)，便于對長期訓(xùn)練效果進(jìn)行對比分析。對于專業(yè)運(yùn)動員而言，該智能運(yùn)動服可以提供身體狀態(tài)的實時監(jiān)控，幫助教練制定更科學(xué)有效的運(yùn)動計劃，幫助多人協(xié)作運(yùn)動員達(dá)到最佳協(xié)同點。此外，還可以自定義不同的動作來表示不同的音符，讓肌肉“唱起來”，使健身不再單調(diào)！

1 工作原理

iMuscle智能運(yùn)動服通過嵌入的表面肌電流傳感器實時監(jiān)測肌肉在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的生物電信號，對該信號進(jìn)行分析處理來檢測人體肌肉的訓(xùn)練情況，達(dá)到指導(dǎo)健身者鍛煉的目的。iMuscle智能運(yùn)動服實物圖如圖1所示。

文章從表面肌肉電的原理、電極片的貼放及波形采集、表面肌肉電信號分析和產(chǎn)品原理四個方面來介紹。

1.1 表面肌肉電的原理

肌肉電信號測量原理如圖2所示。肌肉在運(yùn)動或收縮過程中會產(chǎn)生生物電，在皮膚表面通過兩個測量電極測量生物電的電壓值，經(jīng)放大器放大、記錄后所得到的圖形稱為表面肌電圖。圖3所示為一塊肌肉許多肌纖維的電壓值疊加后的效果。

1.2 電極片的貼放及波形采集

圖4（a）（c）所示為貼放電極片，但需要注意以下三點：

（1）關(guān)于所使用的表面電極，需要查看兩表面電極片與電極線是否固定好。

（2）主要骨骼肌的電極擺放點的參考位置為要測量骨骼肌的肌腹中央部位。

（3）參考電極一般放置于沒有肌肉的骨性標(biāo)志上。

肌肉電信號的采集波形如圖4（d）所示。

1.3 表面肌肉電信號分析

表面肌電圖的分析包括時域分析和頻域分析。

1.3.1 時域分析

時域波形分析如圖5所示。時域分析是以時間為函數(shù)的圖形，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為幅值，對其進(jìn)行正波處理后可做平均值、峰值和面積計算。波形處理方式如圖6所示。

圖6 波形處理方式

峰值為肌電信號幅度出現(xiàn)的最高值；波形平均值是一段時間內(nèi)瞬間肌電圖振幅的平均，其變化主要反映出肌肉活動時運(yùn)動單位激活的數(shù)量、參與活動的運(yùn)動單位類型以及其同步化程度，與不同肌肉負(fù)荷強(qiáng)度條件下的中樞控制功能有關(guān)；形面積是肌電信號下振幅的積分面積，反映了一定時間內(nèi)肌肉中參與活動的運(yùn)動單位的放電總量，即在時間不變的前提下其值的大小在一定程度上反映了參加工作的運(yùn)動單位的數(shù)量和每個運(yùn)動單位的放電大小，體現(xiàn)出肌肉在單位時間內(nèi)的收縮特性。

1.3.2 頻域分析

頻域分析以頻率為函數(shù)的圖形，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為波幅或功率，頻域分析如圖7所示。

圖7 頻域分析

將時域的肌電原始信號進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT），將其轉(zhuǎn)換為以橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為波幅或功率的圖形。獲得表面肌電信號的頻譜或功率譜反映出表面肌電信號在不同頻率分量的變化，可較好地在頻率維度上反映出表面肌電的變化。目前，在頻域分析方面常用以下兩種指標(biāo)進(jìn)行分析，即平均功率頻率和中位頻率。

（1）中位頻率：將功率譜面積等分的點對應(yīng)的頻率。

（2）平均頻率：頻率的平均值。

（3）過零率：信號在單位時間內(nèi)穿過基線的次數(shù)。

平均功率頻率和中位頻率是臨床判別肌肉活動時疲勞度的常用指標(biāo)。

2 產(chǎn)品原理

圖8 iMuscle智能運(yùn)動服原理圖

iMuscle智能運(yùn)動服原理圖如圖8所示。iMuscle智能運(yùn)動服通過Arduino收集并處理肌電傳感器采集到的肌肉表面電信號，用以分析判別肌肉活動時的疲勞度，并通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)App連接，通過人機(jī)交互界面查看肌肉鍛煉效果，以指導(dǎo)使用者正確、高效地達(dá)到健身目的。

3 創(chuàng)新點

iMuscle智能運(yùn)動服的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下四各方面：

（1）在全民健身已成趨勢的今天，關(guān)注用戶健身體驗效果，為健身愛好者提供全面的肌肉檢測，以提高肌肉訓(xùn)練效果和訓(xùn)練水平；

（2）結(jié)合肌肉傳感器的可穿戴設(shè)備在國內(nèi)還屬首例，結(jié)合手機(jī)App，搭乘智能生活潮流的趨勢，可以很好地融入到人民的日常生活中；

（3）利用當(dāng)今信息化網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢建立公眾平臺（比如微信公共主頁，微博等），讓iMuscle智能運(yùn)動服通過交互式健身模式，以交友帶動健身，以健身帶動交友；

（4）關(guān)注專業(yè)運(yùn)動員訓(xùn)練情況，直觀展示肌肉鍛煉效果。為專業(yè)運(yùn)動員提供專家系統(tǒng)服務(wù)，通過更為精細(xì)的肌肉塊訓(xùn)練效果展示，了解自身肌肉體質(zhì)，將訓(xùn)練強(qiáng)度強(qiáng)化到肌肉訓(xùn)練效果上來，輔助教練訓(xùn)練。

4 市場前景

隨著人民生活水平的提高和全民健身計劃的倡導(dǎo)，中國人的健身意識得到了很大提高。此外，由于城市生活節(jié)奏快，工作壓力大，許多收入較高的年輕白領(lǐng)也加入了健身的行列，全民健身的提倡更是從側(cè)面告訴我們，中國人正走在全民健身的潮流之中。可想而知，中國健身產(chǎn)業(yè)將會是一塊極具發(fā)展前景的行業(yè)。

事實上，現(xiàn)在的健身教練培訓(xùn)機(jī)構(gòu)如雨后春筍般涌入健身事業(yè)大潮，培訓(xùn)項目也五花八門。健身行業(yè)的發(fā)展正以驚人的速度從我們身邊崛起。以前我們需要的是具備健身教練專業(yè)培訓(xùn)體系和專業(yè)培訓(xùn)技能的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，而在科技迅猛發(fā)展的今天，iMuscle智能運(yùn)動服這一智能穿戴服裝為我們提供了健身教練以外的第二選擇。通過iMuscle智能運(yùn)動服，健身者可以直觀掌握自身的肌肉訓(xùn)練效果，并通過App軟件看到針對個人每一次訓(xùn)練的專業(yè)指導(dǎo)意見，大大提高了使用者的健身效果。

在中國，健身行業(yè)是一個快速發(fā)展的行業(yè)，iMuscle智能運(yùn)動服絕對能夠以其專業(yè)、高效的模式推進(jìn)健身行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。