一种健身用肌肉发力情况的检测系统

高君龙 陈玉轩 宋天宇 刘宇 李道全

摘要：人们在健身过程中由于动作不规范，往往会造成效果不理想的状况，跟有甚者会因此而受伤，给身体造成不必要的损害。为了改善这种状况，研制了一种用于检测健身的肌肉发力情况的装置。该装置通过传感器接收肌肉电位的变化，经过嵌入式处理器分析后，将肌肉发力情况以数值的形式显示在LED显示屏上，使用者可以根据显示的数值来判断先前的肌肉发力情况，以此来推断之前的动作发力是否正确，从而改善动作，最终达到最佳的健身效果。

关键词：健身；肌肉发力；检测；肌肉电信号

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0270-03

随着国内健身的普及，人们愈发注重自身身体健康，对于形体要求更高，因此也需要更加科学、规范的锻炼方式及方法。很多健身初学者一开始无法把动作做规范，就会造成出力但达不到理想效果的情况，为了改善这一情况，我们研制了一种肌肉发力感应装置。通过这个装置，使用者可以随时检测自己肌肉的受刺激状况，以此来改善自己的动作，以达到理想的训练效果。

1 装置综述

1.1 装置框架和原理

本装置的原理框架如图1所示[1]。一对电极置于人体肌肉上，肌肉在发力时产生的信息经肌电传感器感知后上传给数据处理模块，最后通过显示器显示出最终结果。

根据医学知识，得到肌肉电信号IEMG和肌力成正比关系，如图2所示[2]。

可以看出，本装置分为两部分：硬件收集数据、数据处理分析。其详细实现过程为：利用硬件传感器接受数据；把数据从电流信号转化为数字信号；通过显示器显示最后的数据以图形化形式表示；通过多数据测量，获取一个成功发力的数值区间。

1.2 硬件实现模块

本系统用到的硬件主要有Arduino UNO[3]，Myoware，0.96寸OLED显示屏。下面对以上设备作一简要介绍。

Arduino Uno开发板——以ATmega328 MCU控制器为基础——具备14路数字输入/输出引脚（其中6路可用于PWM輸出）、6路模拟输入、一个16MHz陶瓷谐振器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP接头和一个复位按钮。它采用Atmega16U2芯片进行USB到串行数据的转换。Uno PCB的最大长度和宽度分别为2.7和2.1英寸，USB连接器和电源插座超出了以前的尺寸。4个螺丝孔让电路板能够附着在表面或外壳上。数字引脚7和8之间的距离是160密耳（0.16"），不是其他引脚间距（100密耳）的偶数倍。它包含了组成微控制器的所有结构，同时，只需要一条USB数据线连接至电脑。目前，Arduino Uno已成为Arduino主推的产品。

Arduino Uno有很多工具可供与计算机、另一个Arduino或其他微控制器通信之用。ATmega328提供了可在数字引脚0（RX）和1（TX）上进行的UART TTL（5V）串口通信。电路板上的ATmega16U2会通过USB进行该串行通信，在计算机上充当软件的虚拟通信端口。'16U2固件采用标准USB COM驱动器，无须外部驱动器。然而，在Windows上，需要1个.inf文件。Arduino软件包含1个串行监控器，使得简单的文本数据能够发送到或者从Arduino板上发出。当通过USB转串口芯片和计算机的USB连接传输数据时，电路板上的RX和TX LED会闪烁（但不适于引脚0和1上的串行通信）。SoftwareSerial库可以在Uno的任何数字引脚上进行串行通信。ATmega328还支持I2C（TWI）和SPI通信。Arduino软件包含1个线库，可简化I2C总线的使用；至于SPI通信，则使用SPI库。

Arduino可以利用Arduino软件（下载）给Arduino Uno编程。通过Tools > Board菜单选择Arduino Uno（根据电路板上的微控制器）。Arduino Uno上的ATmega328预先烧录了启动加载器，从而无须使用外部硬件编程器即可将新代码上传给它。它利用原始的STK500协议进行通信。您还可以旁路启动加载器，利用Arduino ISP等通过ICSP（在线串行编程）头为微控制器编程。

Myoware是Advancer Technologies公司的产品，如图2所示。该MyoWare肌电传感器通过检测其电势来测量肌肉活动，被称为肌电图（EMG），传统上已被用于医学研究。然而，随着不断缩小但更强大的微控制器和集成电路的出现，EMG电路和传感器已经进入各种控制系统。

该公司在产品介绍中说，当你的大脑告诉你的肌肉弹性，它把一个电信号发送给你的肌肉，开始招募电动机单位（肌纤维的捆绑产生在你的肌肉的力量）。你越弯曲，更多的运动单位被雇来产生更大的肌肉力量。运动单位的数量越多，更多的肌肉电活动增加。MyoWare将分析这个电活动和输出的模拟信号，代表如何努力让肌肉正在弯曲。MyoWare肌肉传感器是旧式肌肉传感器的最新版本，现在采用了新的可穿戴设计，可让您将生物医学传感器垫直接连接到电路板本身，摆脱那些讨厌的电缆。这个新电路板还包括一系列其他新功能，包括+ 3.1V至+ 5V的单电源电压，RAW EMG输出，极性保护电源引脚，指示灯LED和（最后）开/关开关。

整个系统的结构图如图5所示。Arduino进行数据处理，Myoware进行肌肉电数据采集，OLED显示屏对处理后的数据进行展示。MyoWare板通过测量肌肉的过滤和矫正的电活动来起作用，根据所选肌肉的活动量输出电压。Arduino通过模拟信号引脚读取Myoware传递的电信号，Arduino再通过C++程序对接收到的信号进行处理，得出结果。OLED显示屏接收来自Arduino的电信号，并通过接收到的信息进行结果显示。

1.3 软件实现

数据收集模块，MyoWare板通过测量肌肉的过滤和矫正的电活动来起作用； 根据所选肌肉的活动量输出电压。

数据转化模块，Arduino通过模拟信号引脚读取Myoware传递的电信号，Arduino再通过C++程序对接收到的信号进行处理，得出结果。主要代码如下：

if not ser.readline（）.isspace（） and not ser.readline（） == ''：

t.append（t_now）#模拟数据增量流入

t_now = int（ser.readline（））

m.append（t_now）#模拟数据增量流入

plt.plot（t，m，'-r'）

plt.draw（）

数据处理模块，通过不同群体的测量数据，根据性别、体重、肌肉量进行划分，并统一在肱二头肌处进行测量。并将肌肉松弛状态和肌肉发力状态下的信号值进行记录，并取得一个合理的取值范围。

进一步的利用函数处理数据，利用均方根值公式，如公式（1），获得一个同类型人群的合理发力电信号值，尽量减少误差，计算初始数据与所测收缩数据的差值，根据差值判断发力情况。

[Xrms=i=1NX2iN=X21+X22+...+X2NN] （1）

进一步的通过显示器显示最后的数据。主要代码如下：

Adafruit_SSD1306 display（OLED_RESET）；

voidloop（）{

int a=0；

a = analogRead（17）；

Serial.println（a）；

display.setTextSize（2）；

display.setTextColor（WHITE）；

display.setCursor（50，50）；

display.clearDisplay（）；

display.println（a）；

display.display（）；

delay（1）；}

2 設备测试及分析

电极片安放的位置也尤为关键，根据一块肌肉上分不同的区域，不同区域肌肉电信号也会不同，并且传感器放置的方向也尤为重要[4-5]。电极的方向应该和肌肉纤维的方向是平行的，并且应该放在肌肉的中央位置。

不能放在神经支配区，中线侧面或者肌腱区，这样测量出的信号强度会不太稳定，也不准确。

中间电极应该贴在肌肉的中央，末端电极应该贴在该块肌肉的末梢。

测试操作过程：彻底清理待测肌肉区域表皮上的污垢和油脂；将电极片安装到电极扣上；在指定肌肉的正确位置贴好传感器；连接到Arduino开发板；将时间间隔设定好，获取得到大量的数据，并用均方根公式进行整合，并画出折线图，反映出一个发力周期内的发力情况。

再通过不同群体的测量数据，根据体重、肌肉量进行划分，并统一在肱二头肌处进行测量。并将肌肉松弛状态和肌肉发力状态下的信号值进行记录，并取得一个合理的取值范围。表1是具体的测试数据。如图6至图10所示为几位健身者的测试曲线。

从上面的测试曲线和数据来看，本系统较好地实现了肌肉发力情况的测试任务。

3 结束语

随着物质生活的丰富，国人对生活品质和健康的追求会成为必然的趋势，健身作为提高生活品质和健康的一种方式，必然被越来越多的人所接受和支持。我们这个装置也就可以帮助更多的初学者少走弯路，提高健身效率，打造一个更好的自己。因此，我们这个装置在未来必然会在时代的狂潮中显露属于他的光芒，或许掀起一场健身科技热也未可知。

参考文献：

[1] 丁其川.基于表面肌电的运动意图识别方法研究及应用综述[D].中国科学院.2016.

[2] 王慧娟.神经肌肉刺激仪输出电流有效值的示值误差测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2017（8）.

[3] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[D].大连大学.2012.

[4] 黄成君.基于高密度阵列表面肌电的肌肉肌腱单元解析及肌力估计[D].中国科学技术大学.2017.

[5] 杨孝文.神奇的护腕传感器利用肌肉电流操控计算机[J].泸州科技，2013（8）.

【通联编辑：梁书】