织物传感技术智能腿套制备及肌肉疲劳预测

• 作 者: 张佳慧
• 机 构: 东华大学
• 出 处: 东华大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 智能运动腿套

随着电子信息技术的迅猛发展和消费理念的不断升级，采用智能可穿戴设备采集人体生理数据成为大势所趋，其中智能运动服装作为其主要应用类别将带来不可估量的经济效益。目前智能服装集中采集人体基础生理参数，存在品类较少、功能单一、突兀感明显等缺点，导致其仍无法满足日益增长的消费需求。因此为进一步开发智能运动服装的多样化功能，本课题基于织物传感技术研发一款可用于表面肌电信号采集新功能的智能运动腿套，以此实现肌肉运动疲劳预测。本文主要研究内容及结论如下：
　　1.纬编针织织物电极原料研究：根据导电纤维市场调研结果选择具有代表性的7种金属导电纱及1种非金属导电纱，通过基础特性、力学性能和导电性能测试筛选出纱线及其内分布的导电离子均匀、拉伸断裂强力较优、电阻率与合金接近的200D镀银锦纶纱和100D/2不锈钢纱为智能腿套柔性电极部位的原料。
　　2.织物传感的智能腿套工艺设计及制备：基于人体小腿形态及肌群分布情况，设计智能腿套的整体组织规格和组织结构，并将织物电极的位置设置于运动中最易受损的腓肠肌中心，设计电极部位4种尺寸和4种组织结构，并设定纬编针织圆机的工作指令程序。采用在织造的过程中加入导电纱线的方法制备基于织物电极的智能腿套，该工艺设计新方法已申请发明专利。
　　3.智能腿套电极部位导电性能研究：基于线圈循环原理构建织物电极的电阻模块理论模型，经检验，智能腿套电极部位的等效电阻实测值与理论值变化具有一致性，验证了该理论模型的可靠性并授理了发明专利。通过方差分析发现原料、尺寸和组织结构三个因素均对电极导电性能影响显著，选用镀银锦纶纱、抽条组织和较小的电极尺寸时，智能腿套织物电极导电性能较好。
　　4.智能腿套肌电拟合性能研究：在静坐、站立、行走和慢跑四种状态下同步采集人体穿戴智能腿套和Ag/AgCl凝胶电极的小腿腓肠肌肌电信号，通过时域、频域和相关函数分析发现智能腿套采集的肌电信号与凝胶电极变化趋势较为一致、有较好的肌电拟合性能，其中镀银锦纶纱、1×1抽条组织、16纵行×32横列的智能腿套试样肌电拟合效果最好。
　　5.基于智能腿套的腓肠肌肌肉疲劳预测：对比跑步运动时主观疲劳评价结果和提取的肌电信号时域、频域、时频特征发现，随着主观疲劳程度加剧，积分肌电NiEMG上升，平均功率频率NMPF逐渐下降，且时频图中信号频率明显下降，智能腿套采集的肌电信号NiEMG和NMPF与主观疲劳评价结果RPE显著相关，有效验证了智能腿套判定肌肉疲劳的可行性。构建主观疲劳评价RPE的回归模型，得到穿戴智能腿套时腓肠肌疲劳阈值NiEMG＞1.3313，此时人体进入运动极度疲劳状态，不建议继续长时间运动。体现了智能腿套能对消费者起到运动指导的作用。
　　本课题基于织物传感技术，采用织造过程中加入导电纱线的方式研发基于织物电极的智能腿套，并验证了其采集肌电信号和判定肌肉疲劳的可行性，在工艺与功能上创新，对智能服装向多领域、功能多样性发展起到积极的促进作用。