iMuscle智能运动服

李星辰++刘奇++吴伟++陈梦雯

摘 要：针对运动者经过大量训练却得不到满意成果的问题，文中设计了一款iMuscle智能运动服。该运动服通过嵌入的表面肌电流传感器来实时监测运动者的肌肉状态，帮助检测运动者的动作标准与否，是否能够达到运动目标。经验证，该智能运动服大大减少了运动者的盲目性，具有广阔的市场前景。

关键词：智能运动服；肌肉状态：电流传感器

全民健身蔚然成风，可是我们训练取得的效果往往事倍功半。这个问题对于那些想拥有完美身材的人来说显得尤为突出，在没有专门健身教练的指引下，我们往往难以将每一块肌肉都训练到位，导致付出了很多汗水却得不到理想的身材。iMuscle智能运动服就是针对这些问题而研发的。iMuscle是属于大众的私人健身教练，通过嵌入的表面肌电流传感器来实时监测运动者的肌肉状态，检测每一次训练动作是否标准，是否达到了训练目的。此外，通过与手机App的交互，能够记录每一次健身数据，便于对长期训练效果进行对比分析。对于专业运动员而言，该智能运动服可以提供身体状态的实时监控，帮助教练制定更科学有效的运动计划，帮助多人协作运动员达到最佳协同点。此外，还可以自定义不同的动作来表示不同的音符，让肌肉“唱起来”，使健身不再单调！

1 工作原理

iMuscle智能运动服通过嵌入的表面肌电流传感器实时监测肌肉在运动过程中产生的生物电信号，对该信号进行分析处理来检测人体肌肉的训练情况，达到指导健身者锻炼的目的。iMuscle智能运动服实物图如图1所示。

文章从表面肌肉电的原理、电极片的贴放及波形采集、表面肌肉电信号分析和产品原理四个方面来介绍。

1.1 表面肌肉电的原理

肌肉电信号测量原理如图2所示。肌肉在运动或收缩过程中会产生生物电，在皮肤表面通过两个测量电极测量生物电的电压值，经放大器放大、记录后所得到的图形称为表面肌电图。图3所示为一块肌肉许多肌纤维的电压值叠加后的效果。

1.2 电极片的贴放及波形采集

图4（a）（c）所示为贴放电极片，但需要注意以下三点：

（1）关于所使用的表面电极，需要查看两表面电极片与电极线是否固定好。

（2）主要骨骼肌的电极摆放点的参考位置为要测量骨骼肌的肌腹中央部位。

（3）参考电极一般放置于没有肌肉的骨性标志上。

肌肉电信号的采集波形如图4（d）所示。

1.3 表面肌肉电信号分析

表面肌电图的分析包括时域分析和频域分析。

1.3.1 时域分析

时域波形分析如图5所示。时域分析是以时间为函数的图形，横坐标为时间，纵坐标为幅值，对其进行正波处理后可做平均值、峰值和面积计算。波形处理方式如图6所示。

图6 波形处理方式

峰值为肌电信号幅度出现的最高值；波形平均值是一段时间内瞬间肌电图振幅的平均，其变化主要反映出肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型以及其同步化程度，与不同肌肉负荷强度条件下的中枢控制功能有关；形面积是肌电信号下振幅的积分面积，反映了一定时间内肌肉中参与活动的运动单位的放电总量，即在时间不变的前提下其值的大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的数量和每个运动单位的放电大小，体现出肌肉在单位时间内的收缩特性。

1.3.2 频域分析

频域分析以频率为函数的图形，横坐标为频率，纵坐标为波幅或功率，频域分析如图7所示。

图7 频域分析

将时域的肌电原始信号进行快速傅立叶转换（FFT），将其转换为以横坐标为频率，纵坐标为波幅或功率的图形。获得表面肌电信号的频谱或功率谱反映出表面肌电信号在不同频率分量的变化，可较好地在频率维度上反映出表面肌电的变化。目前，在频域分析方面常用以下两种指标进行分析，即平均功率频率和中位频率。

（1）中位频率：将功率谱面积等分的点对应的频率。

（2）平均频率：频率的平均值。

（3）过零率：信号在单位时间内穿过基线的次数。

平均功率频率和中位频率是临床判别肌肉活动时疲劳度的常用指标。

2 产品原理

图8 iMuscle智能运动服原理图

iMuscle智能运动服原理图如图8所示。iMuscle智能运动服通过Arduino收集并处理肌电传感器采集到的肌肉表面电信号，用以分析判别肌肉活动时的疲劳度，并通过蓝牙模块与手机App连接，通过人机交互界面查看肌肉锻炼效果，以指导使用者正确、高效地达到健身目的。

3 创新点

iMuscle智能运动服的创新点主要体现在以下四各方面：

（1）在全民健身已成趋势的今天，关注用户健身体验效果，为健身爱好者提供全面的肌肉检测，以提高肌肉训练效果和训练水平；

（2）结合肌肉传感器的可穿戴设备在国内还属首例，结合手机App，搭乘智能生活潮流的趋势，可以很好地融入到人民的日常生活中；

（3）利用当今信息化网络的优势建立公众平台（比如微信公共主页，微博等），让iMuscle智能运动服通过交互式健身模式，以交友带动健身，以健身带动交友；

（4）关注专业运动员训练情况，直观展示肌肉锻炼效果。为专业运动员提供专家系统服务，通过更为精细的肌肉块训练效果展示，了解自身肌肉体质，将训练强度强化到肌肉训练效果上来，辅助教练训练。

4 市场前景

随着人民生活水平的提高和全民健身计划的倡导，中国人的健身意识得到了很大提高。此外，由于城市生活节奏快，工作压力大，许多收入较高的年轻白领也加入了健身的行列，全民健身的提倡更是从侧面告诉我们，中国人正走在全民健身的潮流之中。可想而知，中国健身产业将会是一块极具发展前景的行业。

事实上，现在的健身教练培训机构如雨后春笋般涌入健身事业大潮，培训项目也五花八门。健身行业的发展正以惊人的速度从我们身边崛起。以前我们需要的是具备健身教练专业培训体系和专业培训技能的培训机构，而在科技迅猛发展的今天，iMuscle智能运动服这一智能穿戴服装为我们提供了健身教练以外的第二选择。通过iMuscle智能运动服，健身者可以直观掌握自身的肌肉训练效果，并通过App软件看到针对个人每一次训练的专业指导意见，大大提高了使用者的健身效果。

在中国，健身行业是一个快速发展的行业，iMuscle智能运动服绝对能够以其专业、高效的模式推进健身行业的进一步发展。