一种基于Arduino 的可穿戴式肌肉检测装置 简单

常州市华润小学

摘要：

作者在科学课堂中发现肱三头肌难以观察的情况下，设计是一种可被穿戴的肌肉检测装置。它使用了 nano 主板、肌电传感器来检测肌肉电信号的变化，采集得到数据，具象的显示出肱三头肌收缩和舒张的情况。本设计利用物联网技术，可以将数据实时发送到手机上进行绘图，从而让数据变得可视化。将这个装置穿戴在腿部也可以起到运动预警作用，当数据与日常记录不符时，及时通知被检测的同学， 关注自身情况，防范可能有肌肉拉伤等身体伤害的风险。

关键词：肌肉电信号、可穿戴肌电检测、肌肉拉伤预警、数据可视

1. 绪论

四年级学习骨骼和肌肉一课时，我们了解到人类的动作是由肌肉的收缩和舒张牵引骨骼运动来完成的，但是在课堂上我们观察肱二头肌和肱三头肌时，肱二头肌长在手臂上侧且较为发达，在弯曲和伸展手臂时，肱二头肌的收缩和舒张还比较容易观察到，但是肱三头肌的收缩和舒张无论是视觉还是触觉几乎感受不到。所以我们想利用传感器和智能硬件，将肱三头肌的收缩和舒张的运动用具象的数据和图像表现出来。

2. 问卷调查

2.1 问卷内容

为了解同学们对科学课上实验观察的情况，我们进行了问卷调查。

图 1：手臂肌肉观察情况调查问卷

2.1 问卷结果

我们利用兴趣班的时间调查了不同学校的 97 位同学，有以下发现：

①有 93%的同学知道肱二头肌和肱三头肌的准确位置。

②有 16%的同学知道手臂的弯曲和伸直是依靠肱二头肌和肱三头肌的收缩和舒张。

③有 93%的同学表示很难观察到肱三头肌的收缩和舒张。

④90%的同学希望有一种装置可以辅助观察肌肉的收缩和舒张。
 

通过调查，我们发现，肱三头肌由于生长位置、本身大小等原因不利于观察。因此，我们想要制作一个装置，利用传感器和智能硬件， 将肱三头肌的收缩和舒张的运动用具象的数据表现出来，便于大家观察和记忆。

3. 制作肌肉检测装置

3.1. 设计思路方案一：

我们首先想到量血压的血压仪，它是个挤压的动作，但是我们要做的是拉伸运动，所以我们联想到用皮筋的拉伸来制作。通过实验后， 我们发现了这个不方便携带，而且在运动坚持时，会检测不准确。

                                                            图 2：方案一设计图
 

方案二：

于是，我们思考能否使用传感器来达成我们的目标。该选择什么样的传感器呢？

选元器件的首要宗旨是能反应肌肉的运动情况。平时学过的元器件，我们进行了一一排除。刚开始我们想到用称重传感器，但是称重传感器体积过大不适用于人体便携佩戴，方案一就被排除了。

后来，我们在淘宝找到了柔性薄膜压力传感器。这种传感器来进行测试压力，是基于新型纳米压敏材料辅以舒适杨氏模量的超薄薄膜衬底一次性贴片而成，兼具防水和压敏双重功能。当传感器感知到外界压力时，传感器电阻值发生变化，采用简单的电路即可使传感器在感知压力变化后把压力信号转换成相应变化强度的电信号输出。

图 3：方案二设计图

我们实际测试后，发现柔性薄膜压力传感器只适用于感受接触面的压力大小。并不能很好的检测肌肉的收缩和舒张，所以方案二不可行。

方案三：

我们又查找了很多的相关资料。然后发现了一个跟我们的需求很贴近的元器件——肌电传感器。肌电传感器可以用来观察和分析人体肌肉的活动情况。输出信号的大小取决于选定肌肉的活动量。此时最核心的元器件已经选好了。主控板我们排除了平时用的Arduino UNO 主控板，主要原因是其体积相对较大。而Nano 主板的体积比较小， 这样在结构上我们就有更多的选择性。

我们设计了以下方案：

①利用nano 主板作为主控器，用其模拟输入管脚作为信号接收。

②利用串口监视器，将采集到的值在电脑端显示出来。

③尝试利用SIM 模块，将数据发送到物联网平台，从而在手机上可以绘制出和串口监视器一样的图像（更方便查看）。

3.2. 选材

①nano 主板: ②Gravity:肌电传感器（DFROBOT）

3.3. 原理及程序

肌肉检测装置是将肌肉收缩、舒张状态转化为电信号。这个信号处理板上集成了滤波、放大电路。将人体表面肌信号进行 1000 倍放

大。输出信号为模拟量。输出的模拟信号，即 0 到 1023 的一个整数。利用图形化编程软件“Mixly”的串口监视器，绘制成波形，方便用于肌信号分析与研究。通过数据的变化，反应肌肉是否有收缩和舒张的情况。

3.4. 测试

为了方便测试，我们将肌肉检测器的电极用医用胶布贴在肱三头肌上，为了展现效果明显，我们将数据等比例放大，并将最大值设置成 50000。

3.5 数据分析

图 4：肱三头肌舒张时的数据及图像

图 5：肱三头肌收缩时的数据及图像

我们可以看到当弯曲手臂时，肱三头肌放松舒张，检测到的数据数值不高，而且是一条较为平滑的直线。伸直手臂时，肱三头肌绷紧收缩，可以看到明显的肌电波形。我们的肌肉检测器取得了初步的成功。

4. 肌肉检测装置的运动辅助功能研究

4.1 实验背景：

正巧，我们学校在进行足球联赛，我们班的运动员们在赛场上奋勇拼搏，尤其是吴昕晔，他可是个足球小将，还是校园十佳射手呢。但是激烈的足球赛也造成了一些同学的肌肉拉伤。

通过查找资料，我们了解到肌肉拉伤是肌肉在运动中急剧收缩或过度牵拉引起的损伤。准备活动不充分、体质较弱、姿势不正确，用力过猛，都有可能产生肌肉拉伤。

我们的肌肉检测器能帮助学生检测剧烈运动时的肌肉收缩舒张程度吗？是否可以检测出一个界定值，当超过这个值后，提示同学们注意关注自身情况，防范肌肉拉伤或其它运动伤害呢？

4.2 装置改进：

                  图 6：结构图 一种基于 Arduino 的可穿戴式肌肉检测装置

我们先解决装置的携带问题。利用跑步时放手机的包做载体， 充电宝做电源，用医用薄膜将电极贴在手机包内侧，完成了这样一个可穿戴的肌肉检测器，再尝试利用 SIM 模块，将数据发送到物联网平台，从而在手机上可以绘制出和串口监视器一样的图像。

4.3 数据收集

我们决定先测试“走路”和“跑步”这两个动作。我们插着资料得知，人腿部的肌肉并不是单一组成的， 在“走和跑”时，常用的有五大肌群，即股四头肌， 腘绳肌，臀肌，髋屈肌和小腿后侧肌群，股直肌属于股四头肌的一部分，在大腿前侧，位置较浅，便于测量，所以，我们请到了四至六年级的十位同学，将电极贴在了他们大腿正前方的股直肌上，请他们原地踏步十分钟的，读取数据。

为了更直观的观察，我们截取三张有代表性的波形图：

                                                      图 7：可穿戴式肌肉检测装置波形图

4.4 数据分析：

根据大量数据及图像观察，我们发现，肌肉舒张时，数值以”千” 为单位，肌肉收缩时数值以“万”为单位。在绝大多数时，数值都会小于 30000。当数值远超过 30000 时（经调查，肌肉拉伤的临界值约为正常肌电值的 1.5 倍），就要警示我们有肌肉拉伤的风险，我们可以根据自己的身体的实际情况，来选择是否还要继续运动。

我们的肌肉检测装置取得了初步的成果，它可以用肌电传感器模块来具体的表现出肌肉的收缩与舒张。这个装置检测我们肌肉的收缩和舒张程度，计算出平均值。出现超过常规的肌肉收缩程度后，我们会检测出，并通知有肌肉拉伤或危险的信号，通过监测，从而保护学生的安全健康。

5. 我们的感想与展望

为了探究“如何观察肱三头肌收缩舒张情况？”这个问题，我们利用课堂上所学的知识，参考了一些资料，利用 nano 主板、肌电传感器、SIM 模块设计并制作了一种可被穿戴的肌肉检测装置。它可以检测肌肉电信号的变化，采集得到数据，具象的显示出肌肉收缩和舒张的情况。运动时穿戴本装置可以起到检测肌肉状态，预警运动风险的作用。这一过程让我们体验到了科学探究的乐趣和艰辛。在实验过程中我们不断地发现问题并想办法解决问题的能力，让我们终生受益。下一阶段我们准备对研究过程中发现的新问题继续进行深入研究，在科学探究的路上继续前行。

6. 致谢

感谢老师和爸爸妈妈对我们研究的大力支持和帮助，感谢小伙伴对我们的信任和鼓励。我们会一如既往地进行科学研究的！

参考文献

[1]子群.身体为什么可以弯曲.2000-05-027

[2] 付春江王如彬.肌肉共同收缩对平面自由运动中手臂阻抗的影响.2009-05-15

[3] 高跃明.一种穿戴式肌肉疲劳检测的装置及方法[4]徐阳 神经肌肉刺激器检测装置的研究