一种用于运动拉伸监测的柔性可穿戴设备及其监测方法

本发明属于柔性智能可穿戴导电水凝胶监测设备领域，具体涉及一种用于运动拉伸监测的柔性可穿戴设备及其监测方法。

背景技术：

1、柔性传感器是一种利用柔性材料制成的传感器，其特点是柔软、可弯曲、可拉伸、透明等。与传统的硬性传感器相比，柔性传感器具有更好的适应性和可塑性，能够更好地适应复杂的生物环境，如人体肌肉、皮肤等。柔性传感器的制作材料主要有导电聚合物、导电纤维、导电纳米材料等，其中导电聚合物是一种常用的柔性传感器材料，可以制成导电水凝胶等多种形式。

2、柔性电子器件是一种利用柔性材料制作的电子器件，与传统的硬性电子器件相比，柔性电子器件具有更好的柔性和可塑性，可以适应更为复杂的生物环境。柔性电子器件的制作材料与柔性传感器相似，主要包括导电聚合物、导电纤维、导电纳米材料等。

3、导电水凝胶是一种利用导电聚合物和水凝胶材料制作的柔性导电材料。导电水凝胶具有良好的导电性、柔软性和可拉伸性，可以用于制作柔性传感器和柔性电子器件。导电水凝胶具有制备工艺简单、多功能性、较好的力学性能，生物相容性好，在柔性可穿戴、柔性机器人、新能源、医疗等领域都有着广阔的应用前景。同时，导电水凝胶还具有良好的生物相容性和生物安全性，可以与人体皮肤充分接触，不会对人体造成伤害。

4、现今社会，人们为了追求更加健康的生活，体育运动成为了人们健康不可或缺的一部分。相应的一些监测运动状况的设备比如心率传感器等可穿戴设备也逐渐兴起并应用。

5、传统的肌肉拉伸监测设备多采用电子传感器进行监测，但这种设备存在着体积大、使用不便等问题，对于一些特定的运动部位就无法达到监测的要求，且精确性不足，难以检测出运动后肌肉的标准拉伸程度。而现有的柔性智能可穿戴监测设备虽克服了体积较大的问题但在使用部位上仍局限于关节处等较大应变部位。

6、中国发明公开专利cn113288123a中公开了“一种集成关节角度测量与运动姿势测量的柔性可拉伸穿戴设备”，该穿戴设备可以较为精确地识别关节和运动姿势，但因受限于碳基导电材料电阻较大、电导率低的缺点，难以实现微小形变的监测，而且其穿戴方式单一，耐疲劳性需要提高，抗破坏能力不足。

7、因此，如何制备并组装监测肌肉拉伸程度的可穿戴设备对于运动监测设备领域有着重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种运动拉伸监测的柔性可穿戴设备及其监测方法。

2、为了实现本发明目的，本发明提供的一种运动拉伸监测的柔性可穿戴设备，包括柔性可穿戴组件、信号接收及反馈组件和佩戴组件。

3、本发明的目的通过以下技术方案实现。

4、本发明提供的一种用于运动拉伸监测的柔性可穿戴设备，其特征在于，包括柔性可穿戴组件、信号接收及反馈组件和佩戴组件，所述柔性可穿戴组件用于穿戴于拉伸监测部位，所述信号接收及反馈组件和柔性可穿戴组件信号连接，所述信号接收及反馈组件与佩戴组件连接；

5、柔性可穿戴组件包括拉伸监测器件和电阻测量及信号发射器件，拉伸监测器件与电阻测量及信号发射器件通过导线连接，所述拉伸监测器件为电阻随拉伸应变变化的导电水凝胶，电阻测量及信号发射器件用于测量拉伸监测器件的电阻并将电阻数据传输至信号接收及反馈组件；

6、信号接收及反馈组件包括自供电信号接收处理器件，自供电信号接收处理器件用于接收拉伸监测器件的电阻并将人体拉伸运动过程中的电阻信号转化为拉伸应变数值。

7、进一步地，柔性可穿戴组件还包括第一自粘式弹性绷带和第二自粘式弹性绷带，拉伸监测器件包埋在第一自粘式弹性绷带内，第二自粘式弹性绷带贴附设置在第一自粘式弹性绷带上。

8、进一步地，第二自粘式弹性绷带中设置有连接结构，连接结构用于与电阻测量及信号发射器件连接固定，且第二自粘式弹性绷带用于将柔性可穿戴组件固定于拉伸监测部位。

9、进一步地，所述连接结构为卡扣式、魔术贴式、纽扣式、磁吸式中的任一种。

10、进一步地，所述信号接收及反馈组件设置有用于选择“信号录入”模式或“运动检测”的按钮。

11、进一步地，所述电阻信号测量及发射器件包括电源模块、电阻测量模块和蓝牙发射模块，电源模块用于提供电力，电阻测量模块用于测量拉伸监测器件的电阻，蓝牙发射模块用于将测量到的电阻传输至自供电信号接收处理器件。测量及信号发射器件实时测量拉伸监测器件的电阻并通过蓝牙信号将电阻数据传输至自供电信号接收处理器件。

12、进一步地，信号接收及反馈组件还包括语音播报器件，自供电信号接收处理器件与语音播报器件连接，自供电信号接收处理器件根据拉伸监测器件的电阻变化与应变变化之间的关系δr＝k×δl+b将人体拉伸运动过程中的电阻信号转化为拉伸应变数值，并将数值传递至语音播报器件进行播报，δr表示拉伸时水凝胶传感器的电阻变化率，δl表示水凝胶传感器的拉伸形变量，k、b为表示δr与δl线性关系的常数。

13、进一步地，信号接收及反馈组件还包括记忆芯片，自供电信号接收处理器件与记忆芯片连接，记忆芯片用于记录每一次拉伸运动需要达到的最大拉伸程度所对应的拉伸应变数值。

14、本发明还包括一种用于运动拉伸监测的柔性可穿戴设备的监测方法，包括如下步骤：

15、将柔性可穿戴组件穿戴于所需拉伸监测肌肉处；

16、当进行信息录入时，使用者根据需求将肌肉拉伸至最大形变程度，该过程中拉伸监测器件的电阻随拉伸形变量变化的数值会被测量及信号发射器件检测并传输给信号接收及反馈组件；

17、当进行运动检测时，使用者在拉伸运动时，拉伸监测器件的电阻随拉伸形变量变化的数值会被测量及信号发射器件检测并传输给信号接收及反馈组件，信号接收及反馈组件将电阻随拉伸形变量变化的数值转变为拉伸形变量的数值后将该数值与信息录入时测得的形变数值进行比较，判断肌肉拉伸程度。

18、所述拉伸监测器件为导电水凝胶，是电阻随拉伸应变变化，是将无机粘土、丙烯酰胺、n-异丙基丙烯酰胺、无机盐、依次加入到去离子水中，搅拌均匀得到混合液，通入惰性气体除去混合液中的氧气，然后加入引发剂和催化剂并搅拌均匀，得到水凝胶反应液，将反应液注射到模具中并密封，然后通过聚合反应得到的。

19、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

20、(1)本发明可辨析微小形变(本发明的应变传感器的导电性良好，电阻变化率随拉伸应变线性关系中斜率较大，说明小的形变可导致较大的电阻变化，因此可以辨析微小形变)，突破只能检测关节、骨骼等大形变部位的现状。所使用的柔性传感器具有缺口不敏感、高灵敏性的特点，柔性传感穿戴设备具有体积小、重量轻的特点，能够精准地监测到小块肌肉的运动状況，并反馈肌肉的拉伸是否达到标准，满足了对于斜方肌、背阔肌、胸大肌和三角肌等小应变部位的监测需求，克服了目前柔性可穿戴设备只能运用于肘部、膝盖等大应变部位的问题，能够适用于全身、多种肌肉拉伸检测，应用范围更广，受众人群更大。

21、(2)本发明提供的运动拉伸监测柔性可穿戴设备穿戴方便，使用了创新性的穿戴方式。传统的穿戴设备需将凝胶放于护腕、护膝等护具中，使用部位仅限于大应变部位，并且穿戴过程较困难。而本发明巧妙地采用创口贴式穿戴方式，拉伸监测器件与高弹性绷带之间的组合方式为包埋式，自粘性弹性绷带与高弹性绷带之间的组合方式为贴附式。并且所佩戴绷带后不影响测量微小形变，将上述装置组装后，与带有蓝牙发射模块的电阻检测器链接，将组成好的动作接收器，通过电信号检测，可证明自粘高弹性绷带的存在不会影响导电水凝胶对形变的分析从而导致产生误差。由此使凝胶可反复利用，并且穿戴方便，便于摘取，受众更广。

22、(3)本发明具有较高的抗疲劳性，可在循环应力下，反复拉伸工作1000小时。传统的穿戴产品的材料基于无机刚性导体材料制备的，刚性大无法弯折，只具有最小的可逆压缩性，并且在循环变形下表现出疲劳。而本发明制备的水凝胶在经历2×105次拉伸循环后仍能保持弹性而不发生塑性变形，在至少-20～45℃温度范围内具有优异的不随温度变化的弹性和抗疲劳性能。用途范围广，可长时间佩戴。

23、(4)本发明所采用的水凝胶由无机纳米粘土交联的柔性亲水聚合物网络组成，交联网络可有效分散水凝胶缺口处的应力，有效避免应力集中效应的出现，赋予水凝胶缺口不敏感的性能，即便在水凝胶传感器遭受到外接破坏出现缺口时，其输出的电阻变化幅度与正常无缺口时水凝胶输出的电阻变化幅度一致，并不会因为水凝胶出现缺口而丧失传感性能或传感信号发生偏差，因此该穿戴设备耐用性好，可靠性高，实用性优越，且大大降低了产品维护和维修成本。

24、(5)本发明的柔性传感器可多次使用，具有可替换式的优点。通过将水凝胶柔性传感器包埋于两层自粘式弹性绷带之间，并以贴附式将上述包埋式结构穿戴于拉伸监测部位，通过更换自带连接结构的自粘式弹性绷带的方式可有效避免因粘性绷带长时间与人体接触导致的粘性下降和穿戴不牢固的缺陷，从而实现柔性传感器的多次使用。