iMuscle智能運動服

李星辰++劉奇++吳偉++陳夢雯

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

關鍵詞：智能運動服；肌肉狀態：電流傳感器

全民健身蔚然成風，可是我們訓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練到位，導致付出了很多汗水卻得不到理想的身材。iMuscle智能運動服就是針對這些問題而研發的。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測運動者的肌肉狀態，檢測每一次訓練動作是否標準，是否達到了訓練目的。此外，通過與手機App的交互，能夠記錄每一次健身數據，便于對長期訓練效果進行對比分析。對于專業運動員而言，該智能運動服可以提供身體狀態的實時監控，幫助教練制定更科學有效的運動計劃，幫助多人協作運動員達到最佳協同點。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！

1 工作原理

iMuscle智能運動服通過嵌入的表面肌電流傳感器實時監測肌肉在運動過程中產生的生物電信號，對該信號進行分析處理來檢測人體肌肉的訓練情況，達到指導健身者鍛煉的目的。iMuscle智能運動服實物圖如圖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。肌肉在運動或收縮過程中會產生生物電，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的圖形，橫坐標為時間，縱坐標為幅值，對其進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的最高值；波形平均值是一段時間內瞬間肌電圖振幅的平均，其變化主要反映出肌肉活動時運動單位激活的數量、參與活動的運動單位類型以及其同步化程度，與不同肌肉負荷強度條件下的中樞控制功能有關；形面積是肌電信號下振幅的積分面積，反映了一定時間內肌肉中參與活動的運動單位的放電總量，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動單位的數量和每個運動單位的放電大小，體現出肌肉在單位時間內的收縮特性。

1.3.2 頻域分析

頻域分析以頻率為函數的圖形，橫坐標為頻率，縱坐標為波幅或功率，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行快速傅立葉轉換（FFT），將其轉換為以橫坐標為頻率，縱坐標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進行分析，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：信號在單位時間內穿過基線的次數。

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。

2 產品原理

圖8 iMuscle智能運動服原理圖

iMuscle智能運動服原理圖如圖8所示。iMuscle智能運動服通過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，并通過藍牙模塊與手機App連接，通過人機交互界面查看肌肉鍛煉效果，以指導使用者正確、高效地達到健身目的。

3 創新點

iMuscle智能運動服的創新點主要體現在以下四各方面：

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

（2）結合肌肉傳感器的可穿戴設備在國內還屬首例，結合手機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）利用當今信息化網絡的優勢建立公眾平臺（比如微信公共主頁，微博等），讓iMuscle智能運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）關注專業運動員訓練情況，直觀展示肌肉鍛煉效果。為專業運動員提供專家系統服務，通過更為精細的肌肉塊訓練效果展示，了解自身肌肉體質，將訓練強度強化到肌肉訓練效果上來，輔助教練訓練。

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，中國人的健身意識得到了很大提高。此外，由于城市生活節奏快，工作壓力大，許多收入較高的年輕白領也加入了健身的行列，全民健身的提倡更是從側面告訴我們，中國人正走在全民健身的潮流之中。可想而知，中國健身產業將會是一塊極具發展前景的行業。

事實上，現在的健身教練培訓機構如雨后春筍般涌入健身事業大潮，培訓項目也五花八門。健身行業的發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培訓體系和專業培訓技能的培訓機構，而在科技迅猛發展的今天，iMuscle智能運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智能運動服，健身者可以直觀掌握自身的肌肉訓練效果，并通過App軟件看到針對個人每一次訓練的專業指導意見，大大提高了使用者的健身效果。

在中國，健身行業是一個快速發展的行業，iMuscle智能運動服絕對能夠以其專業、高效的模式推進健身行業的進一步發展。