李檉安， 魯 虹,2

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051；2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，上海 200051)

近年來，人們對運(yùn)動、健康，乃至形體的要求達(dá)到了新的高度，健身已成為年輕一代新的運(yùn)動熱潮，但許多沒有專業(yè)指導(dǎo)的健身項目可能會造成肌肉損傷。健身房訓(xùn)練項目中腰背肌訓(xùn)練很受歡迎，俯臥兩頭起、游式挺身、背屈伸和杠鈴硬拉等均是鍛煉腰背肌的常見項目。其中杠鈴硬拉是很多健身初學(xué)者喜歡嘗試卻又難得其要領(lǐng)的動作，質(zhì)量較大的杠鈴易讓初學(xué)者受傷，因此腰部肌肉防護(hù)類服裝需求前景較為可觀。

豎脊肌是腰背肌群中的重要肌肉之一，常用作腰部肌肉狀態(tài)研究對象[1]。本文選取腰肌群中的豎脊肌為研究對象，研發(fā)出可實時監(jiān)控肌肉疲勞度的智能服裝，檢測穿戴者豎脊肌運(yùn)動狀態(tài)，以蜂鳴器蜂鳴的方式提醒穿戴者停止訓(xùn)練，將訓(xùn)練強(qiáng)度控制在不造成肌肉過度疲勞的范圍內(nèi)。

1 理論基礎(chǔ)

電子智能服裝是多學(xué)科交叉技術(shù)的融合，具有感應(yīng)和反饋雙重功能，已應(yīng)用于通信、醫(yī)療、軍事等多個領(lǐng)域。其智能化功能主要通過智能纖維面料、外加電子元件、織物涂層等方式實現(xiàn)，以服裝為基礎(chǔ)建立一套信號采集及處理反應(yīng)的閉合系統(tǒng)，根據(jù)人體特定生理或物理信號進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)某種特殊功能。

有關(guān)肌肉疲勞的研究一直是人體功效學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)和體育科學(xué)等的重要研究課題。肌肉疲勞及損傷主要是由于骨肌負(fù)荷過大引起肌肉收縮力量下降產(chǎn)生的[2]。早期以肌氧含量研究肌肉疲勞狀態(tài)的方法已逐漸淘汰，而以表面肌電信號評價肌肉疲勞已經(jīng)是一種較為成熟的生理疲勞研究方法，這也為表面肌電研究向人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域延伸奠定了堅實基礎(chǔ)[3-4]。

應(yīng)用表面肌電(sEMG)信號的頻域分析評價肌肉疲勞，主要對sEMG信號進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換，獲得sEMG信號的頻譜或功率譜[5-6]。頻域分析主要指標(biāo)有平均功率頻率(簡稱MPF)，中位頻率(簡稱MF)等[7]。

在運(yùn)動過程中，當(dāng)肌肉發(fā)生疲勞時，功率譜一般由高頻向低頻漂移，平均功率頻率和中位頻率的值都呈下降趨勢，與肌肉的疲勞成相關(guān)性[8-9]。運(yùn)動過程中肌肉收縮力大小稍有變化時，sEMG的諸多時域特征變化較大，不是很穩(wěn)定，而通過快速傅里葉變換將信號變換成頻域中的頻譜或功率譜發(fā)現(xiàn)，其波形變化不是很大[10]。

2 整體研發(fā)方案

本文智能服裝研發(fā)核心在于肌電信號監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和運(yùn)動緊身衣的結(jié)構(gòu)設(shè)計2個方面。該監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對肌電信號的采集、處理和反應(yīng)等功能，并通過電路板和傳感器等電子元件使其能脫離電腦運(yùn)行，設(shè)定特定人群肌肉疲勞閾值，以此作為觸發(fā)報警的開關(guān)。緊身衣的結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮模塊位置、模塊間導(dǎo)線附著方式等。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

sEMG信號實時監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)sEMG信號的采集、處理以及MPF變化圖繪制的功能，根據(jù)功能分布可分為Myoware采集模塊、基于Arduino的處理模塊、MPF信號監(jiān)視模塊。其中：Myoware采集模塊負(fù)責(zé)將采集到的原始信號進(jìn)行濾波、去噪和放大等處理，再輸出便于處理的sEMG信號；基于Arduino的處理模塊負(fù)責(zé)接收被處理過的sEMG信號，通過編寫的算法對信號進(jìn)行快速傅里葉變換(簡稱FFT)處理得到MPF，并與設(shè)置的參數(shù)(肌肉疲勞度閾值)進(jìn)行比較判斷是否觸發(fā)蜂鳴器；MPF信號監(jiān)視模塊負(fù)責(zé)接收MPF信號，并繪制出MPF隨時間變化的波形圖，便于在肌肉疲勞度閾值測量實驗中觀察MPF變化。

緊身衣結(jié)構(gòu)設(shè)計主要針對Myoware采集模塊和Arduino處理模塊的附著設(shè)計，在不影響人體動作的前提下，充分考慮緊身衣的可洗滌功能，將2個電子模塊以可拆卸式部件附著于緊身衣表面。

3 sEMG信號實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 信號采集模塊

以Myoware肌電傳感器作為肌電信號采集模塊的基礎(chǔ)，通過記錄肌肉靜止或收縮時的電活動，放大收集到的肌電原始信號，得到易于分析的信號數(shù)值，用于確定肌肉周圍神經(jīng)及肌肉本身的功能狀態(tài)。Myoware肌電傳感器的外部功能模塊如圖2所示。

圖2 Myoware肌電傳感器功能模塊Fig.2 Functional module of Myowaremyoelectric sensor

3.2 信號處理模塊

基于Arduino的肌電信號處理模塊由Arduino UNO開發(fā)板和蜂鳴器組成。使用Arduino UNO芯片進(jìn)行信號處理主要采用UNO擴(kuò)展盾連接蜂鳴器和Myoware肌電信號采集模塊，對Myoware模塊輸出的EMG信號進(jìn)行FFT處理求MPF值，并對比通過實驗獲得的肌肉疲勞度閾值來判斷是否達(dá)到肌肉疲勞，在判定為疲勞時觸發(fā)蜂鳴器起到預(yù)警作用。Arduino開發(fā)板與Myoware肌電傳感器的連接方式如圖3所示。

圖3 傳感器與開發(fā)板的接線圖Fig.3 Wiring diagram of sensor and development board

該模塊主要由微處理器、USB接口、外接電源、電源管腳、模擬輸入段、數(shù)字輸出端組成。其中USB接口主要用于與電腦連接，用于從電腦中下載程序，同時給UNO單板供電，外接電源用來給裝置供電，實現(xiàn)UNO單板脫離電腦獨(dú)立運(yùn)行的功能。

3.3 MPF信號監(jiān)控模塊

該電子智能服裝通過Myoware采集模塊和基于Arduino的處理模塊能夠得到變化的MPF值，通過MPF變化圖觀察受試者肌肉疲勞時MPF的變化范圍。

4 肌肉疲勞度閾值獲取實驗

4.1 預(yù)實驗

選擇(23±3) 歲、體型中等、身高(175±5) cm、體重在(65±5) kg、近期無明顯腰部外傷史且無硬拉訓(xùn)練習(xí)慣、實驗前24 h未從事過劇烈運(yùn)動的男性大學(xué)生進(jìn)行肌肉疲勞度閾值測量實驗。實驗要求受試者手握杠鈴以4個屈腿硬拉為1組，觀測3組內(nèi)肌電圖及MPF變化。

2013年，黨的十八屆三中全會提出全面深化改革，轉(zhuǎn)變政府職能，使市場在資源配置中起決定性作用，并積極發(fā)展混合所有制經(jīng)濟(jì)，完善主要由市場決定價格的機(jī)制等內(nèi)容，讓以市場為導(dǎo)向和生命線的企業(yè)投入了更多的關(guān)注。

圖4示出受試者感覺肌肉疲勞時肌肉表面的MPF變化圖。通過受試者測試過程中MPF變化趨勢可知，受試者開始運(yùn)動時，MPF會隨之升高，峰值達(dá)到980 Hz，但受試者感覺疲勞時，MPF下降至 200 Hz 左右，谷值可降至140 Hz，因此將200 Hz設(shè)定為初始肌肉疲勞度閾值。

圖4 肌肉疲勞時受試者的MPF變化圖Fig.4 MPF fluctuations when feeling fatigue

4.2 正式實驗

正式實驗安排4名受試者。受試者手握40 kg杠鈴(單邊20 kg)，以4個屈腿硬拉為1組，感覺肌肉疲勞則停止動作。實驗將記錄受試者第1組結(jié)束時及開始出現(xiàn)疲勞時的MPF變化圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 第1組硬拉結(jié)束后MPF變化圖Fig.5 MPF variation diagram after first group of deadlift.(a)Subject No. 1；(b)Subject No. 2；(c)Subject No. 3；(d)Subject No. 4

由圖可知，由于受試者并未停止動作，MPF受動作影響太大，其值均在100～1 000 Hz范圍內(nèi)波動，無明顯規(guī)律性。

4名受試者感覺肌肉疲勞時MPF變化對比如圖6所示。除了1號受試者外，出現(xiàn)肌肉疲勞時，MPF變化圖出現(xiàn)大量明顯波谷，谷值衰減至150 Hz以下(少數(shù)波峰超過150 Hz是因為受試者有少許小動作影響了豎脊肌的表面肌電信號)。1號受試者M(jìn)PF變化圖的異常情況可能是電極片的松動所導(dǎo)致?？烧J(rèn)為，肌肉疲勞時MPF的波動范圍在0～150 Hz 之間。

圖6 肌肉疲勞時受試者的MPF波動對比Fig.6 Comparison of MPF fluctuations in subjects withmuscle fatigue.(a)Subject No. 1；(b)Subject No. 2；(c)Subject No. 3；(d)Subject No. 4

受試者初始MPF值較低，可能隨時觸發(fā)蜂鳴器，因此為保證監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行，需設(shè)定2個閾值：蜂鳴器接通電源的MPF變化閾值和觸發(fā)蜂鳴器的MPF變化閾值。結(jié)合受試者主觀感受和出現(xiàn)疲勞時MPF變化情況，將蜂鳴器的運(yùn)作方式設(shè)定為：MPF升高至950 Hz時接通蜂鳴器電源；MPF降至200 Hz時觸發(fā)蜂鳴器開關(guān)。進(jìn)一步測量計算蜂鳴器觸發(fā)與受試者感覺到肌肉疲勞的時間差，根據(jù)時間差將觸發(fā)蜂鳴器的MPF閾值修正為150 Hz。

4.3 驗證實驗

選取未參與正式實驗的1名身高為175 cm，體重為65 kg，沒有硬拉訓(xùn)練習(xí)慣且在實驗開始前24 h未從事劇烈活動的男性受試者，在皮膚表面固定好肌電信號實時檢測模塊后，使用40 kg杠鈴(單邊 20 kg 的杠鈴片)開始屈腿硬拉訓(xùn)練，記錄蜂鳴器觸發(fā)時間與受試者感覺肌肉疲勞的時間差；達(dá)到疲勞之后繼續(xù)做5個硬拉，記錄MPF變化的谷值。疲勞時MPF變化如圖7所示。

圖7 疲勞時MPF變化圖Fig.7 MPF variation diagram when feeling fatigue

5 模塊可穿戴設(shè)計

5.1 運(yùn)動緊身衣設(shè)計

運(yùn)動緊身衣采用速干透氣的彈性面料(84%聚酯纖維、16%氨綸)，保證運(yùn)動過程中豎脊肌部位面料與表面肌膚的完美貼合，并減少汗液對電極片貼合狀態(tài)的影響。

緊身衣規(guī)格尺寸為：170/88 A，衣長63.5 cm，胸圍68.0 cm，袖長60.0 cm，腰圍63.0 cm。

緊身衣選用插肩袖結(jié)構(gòu)。插肩袖的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有最大的肩關(guān)節(jié)活動角度，能夠顯著降低肩背、上臂與腋下的不舒適感覺，減小因人體手臂運(yùn)動使服裝背部在袖窿處所承受的拉力[11]。在此緊身衣的基礎(chǔ)上進(jìn)行電子元件的可穿戴設(shè)計。

5.2 各模塊附著設(shè)計

5.2.1 Myoware信號采集模塊附著設(shè)計

Myoware信號采集模塊位置在緊身衣后中往右3 cm處，考慮到人體差異，按照豎脊肌走向設(shè)計 6組電極片插孔，以供穿戴者選擇不同部位插入電極片，如圖8所示，2排圓孔間隔為2 cm，同排圓孔間相隔為4 cm，與電極片陰陽電極間隔一致。

圖8 電極片插孔位置Fig.8 Position of electrode socket

Myoware信號采集模塊表面平整尺寸如圖9所示，厚度可忽略不計。由于人體體型差異，穿戴者需要將信號采集模塊上的陰陽電極片插入不同的圓孔，因此Myoware信號采集模塊不能直接固定于緊身衣表面。

圖9 Myoware傳感器平面尺寸Fig.9 Flat dimensions of Myoware sensor

由于Arduino模塊采用可拆卸式設(shè)計，且Arduino模塊與Myoware模塊以導(dǎo)線相連，裝配好Arduino模塊后只需固定好導(dǎo)線即可。

5.2.2 Arduino信號處理模塊附著設(shè)計

Arduino信號處理模塊安置于左前胸處不會妨礙手臂的屈伸，便于穿著者運(yùn)動。圖10示出模塊位置示意圖。該模塊長8 cm，寬5.5 cm，設(shè)計與其尺寸相適應(yīng)的風(fēng)琴袋將Arduino模板完全包裹在內(nèi)。風(fēng)琴袋尺寸約為長9 cm，寬6.5 cm，泡起量為5 cm。風(fēng)琴袋Arduino信號處理模塊與Myoware信號采集模塊以導(dǎo)線相連接，在風(fēng)琴袋底部設(shè)置0.3 cm孔隙容納，保證導(dǎo)線從風(fēng)琴袋中平整穿出。

圖10 Arduino信號處理模塊位置Fig.10 Position of signal processing module.

可拆卸式模塊通過可拆卸式風(fēng)琴袋實現(xiàn)，將獨(dú)立的風(fēng)琴袋用魔術(shù)貼粘合到緊身衣左前胸部位。配合風(fēng)琴袋尺寸設(shè)計相應(yīng)的袋底布，尺寸為10 cm×10 cm，并將其反面黏襯，防止模板表面電子插腳磨損皮膚。

5.2.3 Myoware模塊附著設(shè)計

導(dǎo)線需從左前胸繞至后腰右扇豎脊肌處，避免妨礙穿戴者運(yùn)動，如圖11所示。

圖11 穿著正側(cè)背視圖Fig.11 Anteroposterior view of garment.(a)Front view；(b)Side view；(c)Back view

6 結(jié)束語

本文針對初步接觸硬拉的健身愛好者進(jìn)行了腰部肌肉疲勞防護(hù)智能服裝的研發(fā)，綜合運(yùn)用傳感器、數(shù)字信號處理、軟件算法、服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)，分別從Myoware信號采集模塊、Arduino信號處理模塊和MPF信號處理模塊著手，設(shè)計和開發(fā)以腰部肌肉疲勞防護(hù)實時監(jiān)測模塊為核心的智能服裝，并測量腰部肌肉疲勞時豎脊肌表面肌電信號的MPF信號波動范圍，將肌肉疲勞度閾值精確到150 Hz，并將蜂鳴器的工作方式修正為“MPF升高至950 Hz時接通蜂鳴器電源，MPF衰減至150 Hz時蜂鳴”。該智能服裝初步實現(xiàn)了預(yù)防肌肉疲勞、防止肌肉損傷的功能。未來可進(jìn)一步從電路集成、紡織柔性傳感器代替電極片、太陽能轉(zhuǎn)換等角度進(jìn)行優(yōu)化，提升穿著舒適性和可持續(xù)性。

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