CN110192863A - 一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及肌肉运动状态监测方法 - Google Patents

一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及肌肉运动状态监测方法 Download PDF

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Abstract

一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及肌肉运动状态监测方法，智能臂环的肱三头肌传感器和肱二头肌传感器均与无线同步触发装置连接，肱三头肌传感器、肱二头肌传感器与微处理器连接，微处理器与报警装置连接，肱三头肌传感器和肱二头肌传感器覆设在环状弹性带表面，肱二头肌传感器位于手臂的肱二头肌的位置，肱三头肌传感器位于手臂的肱三头肌的位置，环状弹性带由纵向弹性针织物和横向弹性针织物织成，纵向弹性针织物的弹性大于横向弹性针织物的弹性，肱三头肌传感器肱二头肌传感器均由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成。方法是通过自动的数据采集和处理，大大缩短检测时间，从而实现上臂肌肉运动状态方便快速的监测。

Description

一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及肌肉运动状态监测 方法
技术领域
本发明涉及智能穿戴领域，特别涉及一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及肌肉运动状态监测方法。
背景技术
随着人们健康意识的增强，运动健身，体育锻炼变得尤为普遍。但是高强度、不科学规范的锻炼方式会适得其反，如在锻炼时用力过猛造成肌肉疼痛或肌肉撕裂等，一旦损伤发生，就必须通过完全休息和医疗措施进行处理。因此有必要对运动强度进行监测，防止运动损伤并在损伤的情形下提高恢复效果。
肌肉群的状态特征目前多采用穿戴式智能服装作为载体进行监测，如张晓伟的基于运动信息监测的可穿戴系统研究，朱新建“用于提高训练效果的智能服装及其方法”(CN106037731A)等，方法多是采集人体表面肌电信号，通过内置肌电信号传感器，感知肌肉纤维的活动情况，但是存在的问题是传感器或使用电极进行电刺激采集信号或与服装的结合不紧密，会影响检测的准确性。对于肌肉撕裂问题一般是在肌肉和附近骨结构周围使用压迫绷，通过特定的粘合带对肌肉的延伸提供阻力即肌肉运动医疗用胶带，在练习运动之前，应用于皮肤上，运动结束后去除，该方法的缺点是需要大量的绷带及材料，耐洗涤性差，肌肉拉伤后的恢复无阐述。
综上所述，可穿戴智能服装的技术和性能在运动检测方面还有大量缺陷，急需一种舒适性高、便携性好、耐洗涤、易使用，能防止肌肉的撕裂，并能在损伤的情形下促进肌肉恢复，以及对肌肉运动状态监测的装置方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷，而提供一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环及智能臂环的肌肉运动状态监测方法。
一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环，包括有环状弹性带、肱三头肌传感器、肱二头肌传感器、无线同步触发装置、微处理器和报警装置，肱三头肌传感器和肱二头肌传感器均与无线同步触发装置连接，肱三头肌传感器、肱二头肌传感器与微处理器连接，微处理器与报警装置连接，肱三头肌传感器和肱二头肌传感器覆设在环状弹性带表面，肱二头肌传感器位于手臂的肱二头肌的位置，肱三头肌传感器位于手臂的肱三头肌的位置。
所述的肱三头肌传感器是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成。
所述的肱二头肌传感器是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成。
所述的肱三头肌传感器和肱二头肌传感器在环状弹性带上的覆设方式为液态金属打印。
由无线同步触发装置激活肱三头肌传感器和肱二头肌传感器，在肱二头肌位置和肱三头肌位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变、形态及所处位置模式，经过微处理器接收信号，然后对接收的信号进行特征提取和模式识别分类，再对处理后的信号进行传输，当信号特征参数超过运动指标阈值时通过报警装置进行预警。
所述的环状弹性带由纵向弹性针织物和横向弹性针织物织成，纵向弹性针织物为增强材料，纵向弹性针织物的弹性大于横向弹性针织物的弹性，纵向弹性针织物具有相当的纵向弹性，允许肌肉正常伸展，减少或无横向弹性即水平向抗拉伸，适当的压缩肌肉，根据健身的需求，肱二头肌位置的环状弹性带延伸要比肱三头肌位置的环状弹性带略宽，环状弹性带在纵向和横向上贴合人体并为穿戴者在运动期间接触的肌肉提供一定的压缩。
一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环的肌肉运动状态监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：由无线同步触发装置激活肱三头肌传感器和肱二头肌传感器；
步骤2：在肱二头肌的位置上和肱三头肌的位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变及形态。
2.1通过柔性力/位传感器感知肌肉的形变：传感器的基底采用超弹性硅胶，敷设于环状弹性带1之上，液态金属呈Z字型分布，两端各引一根导线用于测量液态金属的电阻，随着基层的变化，电阻值也随之改变，总电阻R可表示为：式中li0为第i条液态金属通道初始长度，Δli0为第i条液态金属通道的变化量，ri0为第i条液态金属通道初始半径，n为液态金属通道的条数，ρ为液态金属的电阻率。当传感器跟随肌肉群发生拉伸或压缩变形时，传感器内液态金属微通道的尺寸也发生变化，液态电阻R＝nR0λ2，R0为单个液态金属通道初始电阻值，λ为传感器长度方向主伸长比；通过输出的电阻求出传感器的位移形变，通过形变求出施加在传感器上的力，设传感器发生拉抻形变时的拉力为F，将长条状柔性硅胶弹性简化为一个弹性模量为E的微变弹簧，近似满足胡克定律，设传感器横截面积为S＝ab，则式中a和b为传感器横截面积的长和宽，l0为液态金属通道初始长度，μ为硅胶材料的泊松比，为传感器施加的应变。
2.2通过三轴加速度传感器采集三轴加速度、角速度及手臂高度变化数据，建立用于识别人体上臂运动模式的数据集：
A为加速度之合，ω为角速度之合，h为相对高度，Ax，Ay，Az分别为x轴，y轴，z轴的加速度，ωx，ωy，ωz，分别为x轴，y轴，z轴的角速度，h为手臂高度，式中R为常数为8.51，t为所测地温度(摄氏度)，g为重力加速度为9.8m/s2，M为空气相对分子质量为29，P0为标准大气压为101.325kPa，P为测得的大气压强。
步骤3：将接收到和加速度、和角速度及高度数据采用绝对值平均法和均方根法进行特征提取：
以角速度传感器为例，设ω1，ω2，...ωn是和角速度传感器ω的一个样本，绝对值平均为方差公式为式中：Var为方差；为样本n次观测值的平均数。
利用特征量阈值进行模式识别分类：通过高度数据识别当前运动模式为垂直、平伸和上举；通过和加速度及和角速度识别当前运动模式如推举、弯举等，完成信号的识别分类处理。
步骤4：将处理后的信号参数与运动指标阈值进行比较，若未达到所设阈值，柔性力/位传感器和三轴加速度传感器持续循环检测；若检测参数达到阈值则通过报警装置进行预警，预警方式包括信号灯红色提示，蜂鸣据报警以及振动提醒，提醒用户进行适度休息，防止过度训练时肌肉出现痉挛和拉伤。
本发明的有益效果：
1、通过基层材料的设计适当的压缩肌肉，增强纵向弹性允许肌肉正确伸展，同时减少横向弹性，防止肌肉的撕裂并在损伤的情形下改进恢复。
2、在基层上采用液态金属打印方法将监测肌肉运动状态的肱三头肌传感器和肱二头肌传感器覆于环状弹性带之上，由于液态金属的优势使传感器贴合度更高，更安全，操作更方便，舒适性更高。
3、肱三头肌传感器和肱二头肌传感器通过柔性力/位传感器和三轴加速度传感器感知肌肉形变和状态，检测受试者在运动中上臂姿态变化的物理量，经过信号处理装置对信息接收并处理，利用特征量阈值进行模式识别后将处理后到的信号传递给报警装置，当接收的信号特征参数值大于运动指标阈值时，报警装置通过信号灯、蜂鸣器及振动器发出预警。通过同步装置自动采集和处理数据，在节省能量的同时也大大缩短了检测时间，实现上臂肌肉运动状态方便快速的监测。
3、肱三头肌传感器和肱二头肌传感器通过柔性力/位传感器和三轴加速度传感器感知肌肉形变和状态，检测受试者在运动中上臂姿态变化的物理量，经过微处理器对信息处理后将接收到的物理量传递给报警装置，当接收的特征参数值大于常规参数指标时，报警装置发出预警。通过自动的数据采集和处理，大大缩短检测时间，从而实现上臂肌肉运动状态方便快速的监测。
附图说明
图1是本发明的环状弹性带结构示意图。
图2是本发明的环状柔性组织结构示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是本发明的监测流程示意图。
其中：1—环状弹性带；2—肱二头肌；3—肱三头肌；4—肱三头肌传感器；5—肱二头肌传感器；6—步触发装置；7—微处理器；8—报警装置。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环，包括有环状弹性带1、肱三头肌传感器4、肱二头肌传感器5、无线同步触发装置6、微处理器7和报警装置8，肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5均与无线同步触发装置6连接，肱三头肌传感器4、肱二头肌传感器5与微处理器7连接，微处理器7与报警装置8连接，肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5覆设在环状弹性带1表面，肱二头肌传感器5位于手臂的肱二头肌2的位置，肱三头肌传感器4位于手臂的肱三头肌3的位置。
所述的肱三头肌传感器4是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成。
所述的肱二头肌传感器5是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成。
所述的肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5在环状弹性带1上的覆设方式为液态金属打印。
由无线同步触发装置6激活肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5，在肱二头肌2位置和肱三头肌3位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变、形态及所处位置模式，经过微处理器7接收信号，然后对接收的信号进行特征提取和模式识别分类，再对处理后的信号进行传输，当信号特征参数超过运动指标阈值时通过报警装置8进行预警，具体流程图如图4所示。
所述的环状弹性带1由纵向弹性针织物和横向弹性针织物织成，结构如图1所示，纵向弹性针织物为增强材料，纵向弹性针织物的弹性大于横向弹性针织物的弹性，纵向弹性针织物具有相当的纵向弹性，允许肌肉正常伸展，减少或无横向弹性即水平向抗拉伸，适当的压缩肌肉，根据健身的需求，肱二头肌2位置的环状弹性带延伸要比肱三头肌3位置的环状弹性带略宽，环状弹性带在纵向和横向上贴合人体并为穿戴者在运动期间接触的肌肉提供一定的压缩。
一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环的肌肉运动状态监测方法，该方法包括以下步骤：如图4所示，
步骤1：由无线同步触发装置6激活肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5；
步骤2：在肱二头肌2的位置上和肱三头肌3的位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变及形态：
2.1通过柔性力/位传感器感知肌肉的形变：传感器的基底采用超弹性硅胶，敷设于环状弹性带1之上，液态金属呈Z字型分布，两端各引一根导线用于测量液态金属的电阻，随着基层的变化，电阻值也随之改变，总电阻R可表示为：式中li0为第i条液态金属通道初始长度，Δli0为第i条液态金属通道的变化量，ri0为第i条液态金属通道初始半径，n为液态金属通道的条数，ρ为液态金属的电阻率。当传感器跟随肌肉群发生拉伸或压缩变形时，传感器内液态金属微通道的尺寸也发生变化，液态电阻R＝nR0λ2，R0为单个液态金属通道初始电阻值，λ为传感器长度方向主伸长比；通过输出的电阻求出传感器的位移形变，通过形变求出施加在传感器上的力，设传感器发生拉抻形变时的拉力为F，将长条状柔性硅胶弹性简化为一个弹性模量为E的微变弹簧，近似满足胡克定律，设传感器横截面积为S＝ab，则式中a和b为传感器横截面积的长和宽，l0为液态金属通道初始长度，μ为硅胶材料的泊松比，为传感器施加的应变。
2.2通过三轴加速度传感器采集三轴加速度、角速度及手臂高度变化数据，建立用于识别人体上臂运动模式的数据集：
A为加速度之和，ω为角速度之和，h为相对高度，Ax，Ay，Az分别为x轴，y轴，z轴的加速度，ωx，ωy，ωz，分别为x轴，y轴，z轴的角速度，h为手臂高度，式中R为常数为8.51，t为所测地温度(摄氏度)，g为重力加速度为9.8m/s2，M为空气相对分子质量为29，P0为标准大气压为101.325kPa，P为测得的大气压强。
步骤3：将接收到和加速度、和角速度及高度数据采用绝对值平均法和均方根法进行特征提取：
以角速度传感器为例，设ω1，ω2，...ωn是和角速度传感器ω的一个样本，绝对值平均为方差公式为式中：Var为方差；为样本n次观测值的平均数。
利用特征量阈值进行模式识别分类：通过高度数据识别当前运动模式为垂直、平伸和上举；通过和加速度及和角速度识别当前运动模式如推举、弯举等，完成信号的识别分类处理。
步骤4：将处理后的信号参数与运动指标阈值进行比较，若未达到所设阈值，柔性力/位传感器和三轴加速度传感器持续循环检测；若检测参数达到阈值则通过报警装置8进行预警，预警方式包括信号灯红色提示、蜂鸣据报警以及振动提醒，提醒用户进行适度休息，防止过度训练时肌肉出现痉挛和拉伤。
步骤1：当由无线同步触发装置6激活肱三头肌传感器4和肱二头肌传感器5；
步骤2：在肱二头肌2的位置上和肱三头肌3的位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变及形态。
通过柔性力/位传感器感知肌肉的形变：传感器的基底采用超弹性硅胶，敷设于环状弹性带1之上，液态金属呈Z字型分布，两端各引一根导线用于测量液态金属的电阻，随着基层的变化，电阻值也随之改变，总电阻R可表示为：式中li0为第i条通道初始长度，Δli0为第i条通道的变化量，ri0为第i条通道初始半径，n为通道条数，ρ为液态金属的电阻率。当传感器发生拉伸或压缩变形时，传感器内微通道的尺寸也发生变化，R＝nR0λ2R0为单个通道初始电阻值，λ为传感器主伸长比；通过输出的电阻求出传感器的位移形变，通过形变求出施加在传感器上的力，设传感器发生拉抻形变时的拉力为F，将长条状柔性硅胶弹性简化为一个弹性模量为E的微变弹簧，近似满足胡克定律，设传感器横截面积为S，则式中a和b为传感器横截面积，l0为通道初始长度，μ为硅胶材料的泊松比，ε为传感器施加的应变。
通过三轴加速度传感器采集三轴加速度，角速度及手臂高度变化数据，建立用于识别人体上臂运动模式的数据集：
A为加速度之合，ω为角速度之合，h为相对高度，Ax，Ay，Az分别为x轴，y轴，z轴的加速度，ωx，分别为x轴，y轴，z轴的角速度，h为手臂高度，式中R为常数为8.51，t为所测地温度，单位为摄氏度，g为重力加速度为9.8m/s2，M为空气相对分子质量为29，P0为标准大气压为101.325kPa，P为测得的大气压强。
步骤3：将接收到上臂拉力、加速度、角速度及高度数据采用绝对值平均法和均方根法进行特征提取，利用特征量阈值进行分类，识别当前运动模式如垂直，平伸，上举等，完成信号的预处理，并通过微处理器7进行信息的传递。
步骤4：将处理后的信号参数与运动指标阈值进行比较，若未达到所设阈值，压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器持续循环检测；若检测参数达到阈值则通过报警装置8进行预警，提醒用户进行适度休息，防止过度训练时肌肉出现痉挛和拉伤。具体流程图如图4所示。

Claims (4)

1.一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环，其特征在于：包括有环状弹性带(1)、肱三头肌传感器(4)、肱二头肌传感器(5)、无线同步触发装置(6)、微处理器(7)和报警装置(8)，肱三头肌传感器(4)和肱二头肌传感器(5)均与无线同步触发装置(6)连接，肱三头肌传感器(4)、肱二头肌传感器(5)与微处理器(7)连接，微处理器(7)与报警装置(8)连接，肱三头肌传感器(4)和肱二头肌传感器(5)覆设在环状弹性带(1)表面，肱二头肌传感器(5)位于手臂的肱二头肌(2)的位置，肱三头肌传感器(4)位于手臂的肱三头肌(3)的位置；
所述的肱三头肌传感器(4)是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成；
所述的肱二头肌传感器(5)是由柔性力/位传感器和三轴加速度传感器组成；
由无线同步触发装置(6)激活肱三头肌传感器(4)和肱二头肌传感器(5)，在肱二头肌(2)位置和肱三头肌(3)位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变、形态及所处位置模式，经过微处理器(7)接收信号，然后对接收的信号进行特征提取和模式识别分类，再对处理后的信号进行传输，当信号特征参数超过运动指标阈值时通过报警装置(8)进行预警。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环，其特征在于：所述的环状弹性带(1)由纵向弹性针织物和横向弹性针织物织成，纵向弹性针织物为增强材料，纵向弹性针织物的弹性大于横向弹性针织物的弹性。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环，其特征在于：所述的肱三头肌传感器(4)和肱二头肌传感器(5)在环状弹性带(1)上的覆设方式为液态金属打印。
4.权利要求1所述一种可穿戴肌肉运动监护的智能臂环的肌肉运动状态监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：由无线同步触发装置(6)激活肱三头肌传感器(4)和肱二头肌传感器(5)；
步骤2：在肱二头肌(2)的位置上和肱三头肌(3)的位置上通过压柔性力/位传感器和三轴加速度传感器监测肌肉的形变及形态：
2.1 通过柔性力/位传感器感知肌肉的形变：传感器的基底采用超弹性硅胶，敷设于环状弹性带(1)之上，液态金属呈Z字型分布，两端各引一根导线用于测量液态金属的电阻，随着基层的变化，电阻值也随之改变，总电阻R可表示为：式中li0为第i条液态金属通道初始长度，Δli0为第i条液态金属通道的变化量，ri0为第i条液态金属通道初始半径，n为液态金属通道的条数，ρ为液态金属的电阻率。当传感器跟随肌肉群发生拉伸或压缩变形时，传感器内液态金属微通道的尺寸也发生变化，液态电阻R＝nR0λ2，R0为单个液态金属通道初始电阻值，λ为传感器长度方向主伸长比；通过输出的电阻求出传感器的位移形变，通过形变求出施加在传感器上的力，设传感器发生拉抻形变时的拉力为F，将长条状柔性硅胶弹性简化为一个弹性模量为E的微变弹簧，近似满足胡克定律，设传感器横截面积为S＝ab，则式中a和b为传感器横截面积的长和宽，l0为液态金属通道初始长度，μ为硅胶材料的泊松比，为传感器施加的应变；
2.2 通过三轴加速度传感器采集三轴加速度、角速度及手臂高度变化数据，建立用于识别人体上臂运动模式的数据集：
A为加速度之和，ω为角速度之和，h为相对高度，Ax，Ay，Az分别为x轴，y轴，z轴的加速度，ωx，ωy，ωz，分别为x轴，y轴，z轴的角速度，h为手臂高度，式中R为常数为8.51，t为所测地温度(摄氏度)，g为重力加速度为9.8m/s2，M为空气相对分子质量为29，P0为标准大气压为101.325kPa，P为测得的大气压强；
步骤3：将接收到和加速度、和角速度及高度数据采用绝对值平均法和均方根法进行特征提取：
以角速度传感器为例，设ω1，ω2，…ωn是和角速度传感器ω的一个样本，绝对值平均为方差公式为式中：Var为方差；为样本n次观测值的平均数。
利用特征量阈值进行模式识别分类：通过高度数据识别当前运动模式为垂直、平伸和上举；通过和加速度及和角速度识别当前运动模式，完成信号的识别分类处理；
步骤4：将处理后的信号参数与运动指标阈值进行比较，若未达到所设阈值，柔性力/位传感器和三轴加速度传感器持续循环检测；若检测参数达到阈值则通过报警装置(8)进行预警，预警方式包括信号灯红色提示、蜂鸣据报警以及振动提醒，提醒用户进行适度休息，防止过度训练时肌肉出现痉挛和拉伤。
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