一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰的制作方法

本发明属于智能可穿戴服装技术领域，涉及一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，特别涉及一种反映骨骼肌舒张和收缩活动的智能紧身运动服饰。

背景技术：

智能可穿戴设备市场近年来发展迅猛，产品层出不穷。市面上常见的智能穿戴设备有很多，例如具有含心率监测功能和计步功能的手环、能够记录睡眠情况和心脏异动情况的智能背心、具有陀螺仪和环境监测功能的智能心率带以及能记录跑步中各类数据的智能跑鞋都已经研发成功并上市。然而，在现有的智能可穿戴设备中，能够反映运动中骨骼肌收缩和舒张情况并加以记录分析的产品并不多见。

现有技术中，专利us2014/0135593a1(wearablearchitectureanmethodforperformancemonitoring,analysisandfeedback)公开了一种利用复数生物信号传感器采集不同部位肌电信号，再进行数据分析的运动服装，从而反映职业运动员运动表现。然而，首先，该产品所用的生物传感器数量有限，同时又由于其在身体不同的部位使用同一大小、同一接触面积的传感器，所采集的数据并不完整和准确；其次，为解决采用了生物传感器的服装的水洗问题，其接触皮肤层采用了硅胶，当运动员运动大量出汗时，产品的体感舒适性很差；最后，生物传感器之间采用印刷电路连接，印刷电路和生物传感器基本无弹力，使得服装其他部位织物发生代偿形变，从而影响产品的整体美观和监测精度，总之，其产品在穿戴舒适性和监测数据准确性上还有很多改进的可能。

因此，亟待研究一种穿着舒适且测量数据准确性高的能够反映骨骼肌活动的智能紧身运动服装。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的智能紧身运动服饰存在的测量接触面积不全、测量数据不精确且出汗后穿着舒适性降低的问题，提供一种穿着舒适且测量数据准确性高的反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，本发明的紧身着重于强调运动服饰穿戴后与目标骨骼肌紧密接触，目的是为了确保监测模块能够紧贴骨骼肌，进而能够通过形变反映骨骼肌活动情况，运动服饰穿戴后与骨骼肌不接触部分可以紧身，也可以宽松，都在本发明的保护范围内，本发明的反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰包括服饰本体、中央处理器和监测模块；

监测模块固定在服饰本体上，用于在穿戴服饰本体后与骨骼肌接触，具体为一根或两根以上相互绝缘且间距排列的弹性导电纤维，弹性导电纤维的排列原则为穿戴服饰本体后其能够环绕骨骼肌纤维，弹性导电纤维具有电阻应变响应性，即其弹性形变范围与应变响应区间重叠，能够将尺寸变化转换为电阻变化；本发明的弹性导电纤维的根数越多，即采样点越多，所得数据越准确和全面；本发明的弹性导电纤维为两根以上时，两根以上的弹性导电纤维相互绝缘的主要目的是为了防止多根弹性导电纤维之间相互接触影响电阻，从而影响测量数据的准确性；

本发明的弹性导电纤维在不受拉伸情况下为松弛卷曲结构，此时电阻率较大，无应变响应信号产生，在受到外力拉伸的情况下，卷曲逐渐消失，纤维伸长，电阻率相应降低，当卷曲完全消失即纤维伸直时出现电阻应变响应信号，进一步对该纤维进行拉伸，纤维出现弹性形变，根据弹性形变程度，电阻应变响应信号出现相应变化，从而根据电阻应变响应信号的变化来确定弹性导电纤维的伸展长度，进而准确反映穿戴者的骨骼肌活动，实现上述功能的装置具体如以下示例所示：

单根弹性导电纤维上设有两个以上测量点，中央处理器与测量点连接，用于为弹性导电纤维提供小于10ma的电流后，采集不同测量点之间的电压信号和电流信号，并转化为弹性导电纤维的伸展长度信号后反映骨骼肌活动，伸展长度d的计算公式如下：

d＝a(v/i×t×π/ln2)+b；

其中，伸展长度d的单位为cm，v为两个测量点之间的电压，单位为mv，i为两个测量点之间的电流，单位为ma，t为弹性导电纤维的厚度，单位为cm，a和b为系数，单位分别为ma/mv/cm和cm，a和b是通过多次测量已知伸展长度d和厚度t的弹性导电纤维中两个测量点之间的电压和电流后进行最小二乘拟合得到的；

反映骨骼肌活动是指当连续时间内弹性导电纤维的伸展长度递增时，中央处理器输出骨骼肌正在进行收缩活动；当连续时间内弹性导电纤维的伸展长度递减时，中央处理器输出骨骼肌正在进行舒张活动。

现有技术中的智能可穿戴设备为反映人体活动情况，一般采用肌电感应装置采集肌肉活动电信号(肌电信号)，然后采用印刷电路一端连接肌电感应装置、重力传感器和加速度传感器，另一端连接中央信号处理器。肌电感应装置为了防水一般都会采用硅胶基质层保护内在传感器，因此硅胶基质层和肌电感应装置穿着舒适度极低，且影响美观，同时又由于设备上肌电感应装置的数量、可覆盖范围以及存在形式是一定的，因此在人体运动时，其采集的数据的并不完整和准确。而本发明通过利用弹性导电纤维的弹性和电阻应变响应性，采集弹性导电纤维上的电流和电压信号，并将其转化为弹性导电纤维的伸展长度信号从而反映骨骼肌的活动情况，具有穿着舒适性好且采集数据精确的特点。

作为优选的技术方案

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰的形式为紧身运动衣套装、紧身运动背心、运动紧身长裤、运动紧身短裤、运动发带、运动手环、运动臂环、运动腰带或运动护膝等，此处仅列举一些常见的形式，本发明的保护范围不限于此，其他运动配饰同样在本发明的保护范围内。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，所述骨骼肌为胸大肌、三角肌、背阔肌、肱二头肌、肱三头肌、臀大肌、股四头肌、腘绳肌群、比目鱼肌和腓肠肌中的一种以上；

服饰本体中用于覆盖胸大肌的服饰部件为前片胸部，固定在前片胸部中的弹性导电纤维与胸宽线的夹角大于90°；

服饰本体中用于覆盖三角肌的服饰部件为袖片上部连接袖窿处，固定在袖片上部连接袖窿处中的弹性导电纤维与袖窿平行；

服饰本体中用于覆盖背阔肌的服饰部件为衣后片，固定在衣后片中的弹性导电纤维与前后片缝合线及背中缝垂直；

服饰本体中用于覆盖肱二头肌和肱三头肌的服饰部件为袖片上部袖窿至肘关节处，固定在袖片上部袖窿至肘关节处中的弹性导电纤维与袖窿平行；

服饰本体中用于覆盖臀大肌的服饰部件为裤腰省后片，固定在裤腰省后片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直；

服饰本体中用于覆盖股四头肌的服饰部件为上裆至中裆前片，固定在上裆至中裆前片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直；

服饰本体中用于覆盖腘绳肌群的服饰部件为上裆至中裆后片，固定在上裆至中裆后片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直；

服饰本体中用于覆盖腓肠肌和比目鱼肌的服饰部件为后片脚口连接膝盖处，固定在后片脚口连接膝盖处中的弹性导电纤维与后片脚口平行。

此处仅列举一些常见的骨骼肌，本发明的保护范围不限于此，其他骨骼肌同样适用于本发明，本发明覆盖骨骼肌的服饰部件中弹性导电纤维的排列形式不限于此，只要能保证穿戴后其能够环绕骨骼肌纤维即可。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，不同骨骼肌对应的弹性导电纤维与不同的中央处理器连接；

同一骨骼肌对应的多根弹性导电纤维上测量点的数量同为m，沿相同方向将每根弹性导电纤维上的测量点从1至m编号，j＝1,2,...,m，多根弹性导电纤维上编号为j的测量点通过电路模块串联连接，电路模块与中央处理器连接，用于导电。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰还包括用户终端和服务器，用户终端用于存储当前用户的信息和数据并将其发送至服务器，服务器用于永久存储用户的数据和信息。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，中央处理器包括：

信号调理模块，其通过电路模块与测量点连接，用于采集并放大不同测量点之间的电压信号和电流信号后发送至采样模块；

采样模块，用于将放大后的电压信号和电流信号采样成数字信号后发送至控制器；

控制器，用于计算得到弹性导电纤维的伸展长度信号后，对伸展长度信号进行分析得到骨骼肌活动情况，再将骨骼肌活动情况经无线模块发送至用户终端；

无线模块，用于实现控制器和用户终端双向数据传输；

供电模块，用于为弹性导电纤维和中央处理器供电，供电模块为服饰本体提供小于10ma的电流；在某些非正常使用的情况下，供电模块的电压可能直接接触人体，由于供电模块的最高电压限制，而且人体阻抗远大于服饰本身，故流经人体的电流远小于10ma，处于人体安全电流范围。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，所述信号调理模块为差分放大器，所述采样模块为模拟数字转换器件(adc)，所述电路模块为导电纤维或印刷电路板。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，所述服饰本体主要由纱线构成，纱线为纯纺纱或包芯纱，纯纺纱由弹性纤维组成，包芯纱的芯纱由弹性纤维组成，外包纱由聚氨酯纤维或聚酰胺纤维组成；

所述服饰本体为由弹性纤维制成的针织面料，弹性导电纤维和电路模块都固定在服饰本体反面，或者弹性导电纤维固定在服饰本体反面，电路模块固定在服饰本体正面，固定的方式为提花、缝纫或粘合；

所述相互绝缘是通过采用聚酰胺纤维或聚酯纤维对弹性导电纤维进行包覆实现的，也可以采用非包覆的方式，仅仅将多根弹性导电纤维通过绝缘材料隔离，本发明的保护范围不限于此，只要能实现多根弹性导电纤维相互绝缘的方式都在本发明的保护范围内。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，弹性导电纤维具有宏观自卷曲弹性和本征熵弹性，本发明的弹性导电纤维更优选体积电阻率为1×10^-2～1.5×10⁶ω·cm、断裂伸长率为100～1000％、弹性回复率≥95％、宏观自卷曲的卷曲率为50～500％、本征熵弹形变的形变范围为20～100％、灵敏度大于10且电阻应变响应范围为50～600％的弹性导电纤维，具有上述特征的弹性导电纤维弹性优良且反应灵敏，同时其弹性形变范围与其电阻应变响应范围重叠，因此弹性导电纤维的弹性形变程度发生改变时，其对应的电阻应变响应信号立即出现相应变化，从而能够根据其电阻应变响应信号的变化来确定弹性导电纤维的伸展长度信号，进而准确反映穿戴者的骨骼肌活动情况；

弹性导电纤维为并列型双组分复合纤维，其中，一个组分为热塑性聚醚酯或热塑性聚氨酯，另一个组分为含有导电填料的热塑性聚醚酯或含有导电填料的热塑性聚氨酯，本发明的弹性导电纤维也可以是聚酯型或聚醚型氨纶表面包覆导电材料。

如上所述的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，a和b是通过以下流程得到的：

(1)在弹性导电纤维上设置多个测量点，两两组合后得到n对测量点；

(2)将弹性导电纤维拉伸后测量弹性导电纤维的厚度t以及n对测量点之间弹性导电纤维的伸展长度，同时通电测量n对测量点之间的电压和电流；

(3)计算a和b，计算公式如下：

式中，vi为第i对测量点之间的电压，单位为mv，ii为第i对测量点之间的电流，单位为ma，yi为第i对测量点之间弹性导电纤维的伸展长度，单位为cm；

(4)判断r值是否小于1，如果是，则输出a和b，如果否，则返回步骤(1)，r值的计算公式如下：

有益效果：

(1)本发明的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，利用具有弹性形变和电阻应变响应性的弹性导电纤维构成的监测模块相应替代现有技术中的肌电感应装置，省去硅胶基质层，制得的运动服装穿着舒适性好；

(2)本发明的一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，中央处理器分析的不是肌电信号，而是由骨骼肌活动产生的对应区域纺织品的形变信号，采样点的覆盖范围广且全面，采集数据的准确性高。

附图说明

图1为本发明反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰的结构示意图；

图2为本发明反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰的工作方式示意图；

图3为本发明的胸大肌处弹性导电纤维排布方式示意图；

图4为本发明的三角肌处弹性导电纤维排布方式示意图；

图5为本发明的背阔肌处弹性导电纤维排布方式示意图；

图6为本发明的肱二头肌和肱三头肌处弹性导电纤维排布方式示意图；

图7为本发明的臀大肌处弹性导电纤维排布方式示意图；

图8为本发明的股四头肌群和腘绳肌群处弹性导电纤维排布方式示意图；

图9为本发明监测模块的工作原理图；

图10为本发明中央处理器的工作流程图；

其中，100为监测模块，200为中央处理器，300为电路模块，400为用户终端，500为服务器，150-m为测量点，201为控制器，202为无线模块，203为信号调理模块，204为供电模块，205为采样模块，101l为左胸肌监测模块，101r为右胸肌监测模块，102l为左三角肌监测模块，102r为右三角肌监测模块，103l为背阔肌监测模块，104r为肱二头肌监测模块，105r为肱三头肌监测模块，106r为腘绳肌群监测模块，107r为股四头肌监测模块，108r为臀大肌监测模块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰，如图1～2所示，包括服饰本体、中央处理器200、用户终端400、服务器500和监测模块100，监测模块100包括左胸肌监测模块101l、右胸肌监测模块101r、左三角肌监测模块102l和右三角肌监测模块102r等；

服饰本体为由弹性纤维制成的针织面料，为主要由弹性纱线c构成的针织平纹组织，纱线c为纯纺纱或包芯纱，当纱线c优选为纯纺纱时，纯纺纱由弹性纤维组成，当纱线c优选为包芯纱时，包芯纱的芯纱由弹性纤维组成，外包纱由聚氨酯纤维或聚酰胺纤维组成；

监测模块100固定在服饰本体上，用于在穿戴服饰本体后与骨骼肌接触，具体为固定在服饰本体上的一根或两根以上相互绝缘且间距排列的弹性导电纤维，单根弹性导电纤维上设置有两个以上测量点150-m(如图2中的150-1、150-2和150-3)，测量点150-m与中央处理器200通过电路模块300连接，弹性导电纤维和电路模块都固定在服饰本体反面，或者弹性导电纤维固定在服饰本体反面，电路模块固定在服饰本体正面，固定的方式为提花、缝纫或粘合；

弹性导电纤维具有电阻应变响应性、宏观自卷曲弹性和本征熵弹性，其为并列型双组分复合纤维，其中，一个组分为热塑性聚醚酯或热塑性聚氨酯，另一个组分为含有导电填料(如炭黑或石墨烯等)的热塑性聚醚酯或含有导电填料(如炭黑或石墨烯等)的热塑性聚氨酯，本发明的弹性导电纤维也可以是聚酯型或聚醚型氨纶表面包覆导电材料；

弹性导电纤维的排列原则为穿戴服饰本体后其能够环绕骨骼肌纤维，弹性导电纤维具有电阻应变响应性，具体地，针对位于不同部位的骨骼肌，弹性导电纤维在服饰本体上的排列方式如下：

当骨骼肌为胸大肌时，服饰本体中用于覆盖胸大肌的服饰部件为前片胸部，固定在前片胸部中的弹性导电纤维与胸宽线的夹角大于90°，穿戴后，固定在前片胸部中的弹性导电纤维紧贴并自肱骨起横向覆盖整个胸大肌至胸骨处止，具体如图3所示，胸大肌处弹性导电织物呈扇形，弹性导电纤维与胸大肌处肌纤维垂直，优选的胸肌监测模块101r同时覆盖上、中、下胸；

当骨骼肌为三角肌时，服饰本体中用于覆盖三角肌的服饰部件为袖片上部连接袖窿处，固定在袖片上部连接袖窿处中的弹性导电纤维与袖窿平行，穿戴后，固定在袖片上部连接袖窿处中的弹性导电纤维环绕三角肌，具体如图4所示，三角肌监测模块102r自锁骨的外侧肩峰向肱骨处，自上而下集束排列，与三角肌肌纤维垂直；

当骨骼肌为背阔肌时，服饰本体中用于覆盖背阔肌的服饰部件为衣后片，固定在衣后片中的弹性导电纤维与前后片缝合线及背中缝垂直，穿戴后，固定在衣后片中的弹性导电纤维紧贴背阔肌，具体如图5所示，背阔肌监测模块103l能够覆盖第7-12节胸椎，即全部背阔肌，与背阔肌肌纤维垂直；

当骨骼肌为肱二头肌和肱三头肌时，服饰本体中用于覆盖肱二头肌和肱三头肌的服饰部件为袖片上部袖窿至肘关节处，固定在袖片上部袖窿至肘关节处中的弹性导电纤维与袖窿平行，穿戴后，固定在袖片上部袖窿至肘关节处中的弹性导电纤维环绕大臂，方向与肱骨垂直，具体如图6所示，肱二头肌和肱三头肌处监测模块104r和105r自上由肱骨处向下方桡骨方向排列，肱二头肌长头、短头排列方向一致；肱三头肌长头、内侧头和外侧头排列方向一致；

当骨骼肌为臀大肌时，服饰本体中用于覆盖臀大肌的服饰部件为裤腰省后片，固定在裤腰省后片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直，穿戴后，固定在裤腰省后片中的弹性导电纤维紧贴臀大肌，具体如图7所示，臀大肌监测模块108r自髂骨、骶、尾骨肌纤维方向斜向下内，与臀大肌垂直，越过髋关节的后方，止于臀肌粗隆和髂胫束；

当骨骼肌为股四头肌时，服饰本体中用于覆盖股四头肌的服饰部件为上裆至中裆前片，固定在上裆至中裆前片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直，穿戴后，固定在上裆至中裆前片中的弹性导电纤维环绕大腿，方向与股骨垂直，如图8所示，股四头肌群监测模块107r自上由髂骨处向下方髌骨方向排列；

当骨骼肌为腘绳肌群时，服饰本体中用于覆盖腘绳肌群的服饰部件为上裆至中裆后片，固定在上裆至中裆后片中的弹性导电纤维与裆部缝合线垂直，穿戴后，固定在上裆至中裆后片中的弹性导电纤维(腘绳肌群监测模块106r)环绕大腿，方向与股骨垂直，如图8所示；

当骨骼肌为腓肠肌和比目鱼肌时，服饰本体中用于覆盖腓肠肌和比目鱼肌的服饰部件为后片脚口至膝盖处，固定在后片脚口至膝盖处中的弹性导电纤维与后片脚口平行。

本发明监测模块的工作原理图如图9所示，图9反映监测模块在骨骼肌收缩时电阻率与长度的关系，横坐标(l)表示监测模块中弹性导电纤维的长度，纵坐标(ohmm)表示电阻率，a和b为弹性导电纤维上的两个测量点，a和b之间的距离即为两个测量点之间的距离，根据曲线可以看到，骨骼肌收缩时弹性导电纤维长度伸长时电阻率变小，而骨骼肌伸展时导电纤维长度缩短时电阻率变大。

如图10所示，中央处理器200包括：

采样模块205即差分放大器，其通过导电纤维或印刷电路板与弹性导电纤维上的测量点连接，用于采集并放大不同测量点之间的电压信号和电流信号后发送至信号调理模块203即模拟数字转换器件adc；

模拟数字转换器件adc，用于将放大后的电压信号和电流信号采样成数字信号后发送至控制器201；

控制器201，用于计算得到弹性导电纤维的伸展长度信号后，对伸展长度信号进行分析得到骨骼肌活动情况，再将骨骼肌活动情况经无线模块202发送至用户终端400；

无线模块202，用于实现控制器201和用户终端400双向数据传输；

供电模块204，用于为弹性导电纤维和中央处理器供电，从而能够为服饰本体提供小于10ma的电流。

服务器500的作用是储存用户的信息和数据，用户终端400只会存储当前终端上用户的信息和数据，服务器作为备份，可以存储不同终端用户的数据和信息。

当同时测量多个骨骼肌时，不同骨骼肌对应的弹性导电纤维与不同的中央处理器200连接；

同一骨骼肌对应的多根弹性导电纤维上测量点的数量同为m，沿相同方向将每根弹性导电纤维上的测量点从1至m编号，j＝1,2,...,m，多根弹性导电纤维上编号为j的测量点通过导电纤维或印刷电路板串联连接，导电纤维或印刷电路板与中央处理器200连接，用于导电；

本发明的上述反映骨骼肌活动的智能紧身运动服饰的形式可为紧身运动衣套装、紧身运动背心、运动紧身长裤、运动紧身短裤、运动发带、运动手环、运动臂环、运动腰带或运动护膝，可根据实际需要进行调整。

本发明的上述智能紧身运动服装反映骨骼肌的活动情况的过程具体如下：

(1)首先对弹性导电纤维进行大量实验并进行最小二乘拟合得到系数a和b，该过程具体如下：

(1.1)在弹性导电纤维上设置多个测量点，两两组合后得到n对测量点；

(1.2)将弹性导电纤维拉伸后测量弹性导电纤维的厚度t以及n对测量点之间弹性导电纤维的伸展长度，同时通电测量n对测量点之间的电压和电流；

(1.3)计算a和b，计算公式如下：

式中，vi为第i对测量点之间的电压，单位为mv，ii为第i对测量点之间的电流，单位为ma，yi为第i对测量点之间弹性导电纤维的伸展长度，单位为cm；

(1.4)判断r值是否小于1，如果是，则输出a和b，如果否，则返回步骤(1.1)，r值的计算公式如下：

(2)利用上述弹性导电纤维制备智能紧身运动服饰后，选取智能紧身运动服饰上的弹性导电纤维上的任意两测量点，以该两测量点为例，该两测量点采集的数据反映骨骼肌活动状况的具体过程如下所示：

(2.1)智能服饰穿戴者运动即其骨骼肌活动时，弹性导电纤维发生弹性形变，其电阻发生变化，因此待分析的两测量点间150-m的电压和电流也发生变化，中央处理器200中的采样模块205即差分放大器采集并放大该两测量点之间的电压信号和电流信号后发送至信号调理模块203即模拟数字转换器件adc，模拟数字转换器件adc将放大后的电压信号和电流信号采样成数字信号后发送至控制器201，控制器201计算得到弹性导电纤维的伸展长度d，计算公式如下：

d＝a(v/i×t×π/ln2)+b；

其中，伸展长度d的单位为cm，v为两个测量点之间的电压，单位为mv，i为两个测量点之间的电流，单位为ma，t为弹性导电纤维的厚度，单位为cm，a和b为系数，单位分别为ma/mv/cm和cm，a和b是上述最小二乘拟合得到的系数；

(2.2)对于连续得到的伸展长度数据d进行分析，当1秒钟内弹性导电纤维的伸展长度d递增时，中央处理器200输出骨骼肌正在进行收缩活动；当1秒钟内弹性导电纤维的伸展长度d递减时，中央处理器200输出骨骼肌正在进行舒张活动，无线模块202接收控制器发出的相应信号并将其传输给用户终端400；

(3)用户终端(app)400接收无线模块202传递的信号从而直接确定穿戴者的骨骼肌的活动情况。