手臂监测传感器的设计与验证

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　　摘要： 文章将人体手臂分为3个区域测试不同角度下每个区域的伸长率，确定了手臂皮肤伸长变化规律最显著的区域为II，理想状态下假设服装伸长与皮肤伸长同步，所以选择在第II区域即肘关节处设计传感器。制备了6种不同组织结构，不同横列数和相同纵行数的导电织物，测试了6种织物在纵向拉伸条件下的电阻变化，得到了导电织物的电阻随应变的变化规律，分析了组织结构和横列数不同对导电织物应变电阻传感性能的影响，结果表明：导电织物选择采用横列数250纵行数80的2+2假罗纹结构，其线性拟合度和灵敏度最好。通过手臂弯曲实验验证了该针织柔性传感器及其测试系统的可行性。
　　关键词： 针织;皮肤伸长;导电织物;手臂弯曲;柔性传感器
　　中图分类号： TS941.61文献标志码： B文章编号： 10017003（2020）02010806
　　引用页码： 021303DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.019
　　Design and verification of arm monitoring sensor
　　LIU Chanchan， MIAO Xuhong， WAN Ailan， HAN Xiaoxue
　　（Engineering Research Center for Knitting Technology， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）
　　Abstract： In this study， the human arm was divided into 3 areas to test the elongation of each region at different angle， and the most significant change of arm skin elongation was Area Ⅱ. Ideally， we assumed that the clothing elongation is synchronized with skin elongation. Thus， the sensor was designed in the second area， namely elbow joint. Six kinds of conductive fabrics with different structure， different number of columns and the same number of rows were prepared. The resistance changes of six kinds of fabrics under longitudinal tension were tested. The variation rule of resistance with the strain of conductive fabrics was obtained. Besides， the effect of different structure and number of rows on the strainresistance sensing performance of conductive fabrics was analyzed. The results showed that the conductive fabrics could achieve the best linear fitting and sensitivity under the following conditions： 250 rows， 80 columns and 2+2 false rib structure. The feasibility of the knitting flexible sensor and its testing system were verified by arm bending test.
　　Key words： knitting; skin elongation; conductive fabric; arm bending; flexible sensor
　　傳统的电子传感器用于智能服装大多数采用金属、半导体材料制备，其便携性、柔韧性和可穿戴性比较差[1]，并且有可能引起织物的异构互连[2]。而针织柔性传感器由于其本身就是智能服装的一部分，不用外加传感元件，穿着舒适，不会对穿着者造成额外负担;针织柔性传感器与人体被检测部位紧密接触，使得采集的信号更加真实可靠;针织柔性传感器由于采用导电纤维制成，具有可洗涤、易打理等特点[3]。所以设计一种能用于人体运动与姿态检测且不影响穿着舒适性的可穿戴系统显得非常有必要。一般若织物的尺寸、温度或者压力等物理量的变化能够引起织物的电阻、电感或者电容等电学量相应的变化，就可以利用其特性将织物设计成对应物理量的传感器[4]。日常生活中人体关节运动引起的应变可高达55%，所以为了更好地监测人体关节大幅度运动[5]，应变传感器应具有良好的柔韧性、优良的伸缩性和大的应变感测范围。
　　目前国内外对柔性传感器用于人体运动感测方面的研究较多，2011年，Gilsoo Cho等[2]以100%不锈钢丝为原料制成1cm×10cm的导电织物，沿织物的经向拉伸到30%记录不同拉伸率下的电阻，然后使用80%的锦纶和20%的氨纶制作一个袖子测试肘关节在不同弯曲角度下带来的电阻变化，拟合手臂弯曲与伸展之间的角度电阻图，发现两者之间存在滞后性。2014年，Shyr T W等[6]采用弹性纱线制作了弹性导电带，基于弹性导电带组装了一个用于检测人体手肘和膝盖运动角度的检测系统，通过实验发现该系统能够反映手肘与膝盖的运动角度，随着运动角度的增加，导电弹性带的电阻几乎成线性增加。2019年，Sangki Park等[7]制造出了能够精确感知人体关节（手指、手腕、肘部、脊柱和膝盖）运动（折叠和旋转）的“全织物高伸缩结构”，分析了固定在膝关节上的脊柱关节在预定的运动角度上的步态，以及佩戴者进行折叠和旋转运动时的步态。2016年，张晓峰[8]研究了人体上肢监测的聚吡咯涂层机织物的机电性能，分析了导电织物在7种不同应变条件下反复拉伸时的动态电阻变化情况，同时考虑到最终应用于肢体的监测上不同频率的肢体运动会对织物造成不同速度的拉伸，因此改变拉伸速度分析了在不同拉伸速度下机电性能的差异，相当于手臂从慢速到快速弯曲时织物尺度的变化率。最后测试了上肢弯曲角度与织物电阻的关系，从而得出导电织物电阻变化对手臂弯曲角度的敏感性。 　　本文采用由德国Tecmath公司与法国Lectra公司专门为服装行业研发的Scan WorkX三维人体测量系统进行扫描，通过VITUS SMART系统全方位获得皮肤拉伸数据[9]。首先测试了手臂弯曲过程中拉伸变形较显著的区域，然后选择镀银导电纱作为原料，制备不同组织结构和不同横列数的导电织物，探讨在纵向拉伸状态下导电纱电阻的变化，选择应变电阻传感性能最好的工艺来编织针织柔性传感器，最后设计出一款通过针织柔性传感器电阻的变化可以检测人体手臂运动的无缝上衣，从而为在肘关节处带有针织柔性传感器的服装结构设计提供参考。
　　1手臂弯曲过程皮肤伸长率测试
　　1.1实验方案
　　为了明确人体手臂从完全伸直到完全弯曲的过程中，手臂某一区域范围内的伸长率最大且变化规律最明显，本文以女性为研究对象，选择身高162～167cm，体重50～58kg的50位女性为实验样本。测试步骤如下：
　　1）要求被测者自然站立并保持呼吸均匀，首先测试实验对象的同一侧手臂长度（定义整条手臂的长度为肩峰到腕骨的距离），为保证测试的准确性，软尺在人体表面进行测试松紧度适量并尽量保持一致，读数时视线应垂直刻度线不可斜视，每个人每个部位数据测试3次取平均值。
　　2）用角度测试仪测试手臂能弯曲的最大角度为140°。3）测量手臂长度纵向把整条手臂3等分，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个区域，横向选择在肱二头肌前侧，肘关节后侧和小臂处3个截面，如图1中3，2，1三个黑色区域所示，在测试位置贴上标记点以便在VITUS SMART系统中读取相应位置之间的距离。测试随着手臂外侧从完全伸直——完全弯曲，以20°为增量每一对应角度下纵向3个区域长度和横向3个截面宽度分别对应的伸长量然后转化为其伸长率，伸长率结果为50个被测者的平均值，手臂的弯曲角度θ以肩关节和肘关节连接线为基点（图2），从水平线处开始测量。
　　1.2测试结果与分析
　　通过测试发现，随着手臂的逐渐弯曲，不同角度下不同区域皮肤纵横向的伸长率及误差范围如图3所示。
　　从图3可知，测试者的身高、体重、手臂长度不同时，手臂在逐渐弯曲过程中皮肤的伸长率变化不大，即5个区域测试不同样本时个体性误差并不明显，所以接下来的实验中可以忽略个体差异性对实验的影响。纵向手臂从完全伸直到完全弯曲的过程中，第I区域皮肤无伸长始终呈现收缩趋势且变化无规律，第II区域皮肤伸长随角度的增大逐渐增大，第III区域随着弯曲角度的增加皮肤虽然处于伸长状态，但始终处于0～10%的伸长率，无太大波动且呈现的规律不明显，因此在手臂弯曲的过程中纵向皮肤伸长最显著且规律最明显的区域是第II区域。横向手臂皮肤在第1区域伸长率几乎无变化，在Ⅲ区域伸长变形小且无规律，而在第Ⅱ区域皮肤在0～40°处于伸长率逐渐增加，在40°～140°伸长率逐渐减小，所以横向皮肤伸长最显著且最有规律的是第Ⅱ区域。而图1中可见，在手臂弯曲的过程中，纵横向皮肤伸长最显著且最有规律的为肘关节处，所以选择把导电织物织在肘关节处。
　　2导电织物应变电阻传感性能测试
　　2.1导电织物的制备
　　实验样品选择在E28筒径15 inch的SM8TOP2MP2无缝针织机（意大利Santoni公司）上进行制作，本文选择44 dtex/12f镀银纱线（苏州秦克银纤维有限公司）来编织导电区域，镀银纱线在Cino Capture数码显微镜及扫描电镜（麦克奥迪实业集团有限公司）下的实物如图4所示，选择83.33 dtex/24f的锦氨包覆纱编织非导电区域。为了探究组织结构和横列数对导电织物应变电阻传感性能的影响，制备了6种不同工艺的织物，如表1所示。
　　2.2实验方案
　　在YG0260DG型多功能电子织物强力仪（温州大荣纺织仪器有限公司）与VICTOR4105A型低电阻测试仪（深圳胜利仪器有限公司）配合测试导电织物应变与电阻之间的关系。将织物强力仪的2个夹头分别夹在导电织物的两端，采用定伸长拉伸的方式分别记录导电织物纵向分别拉伸至10%、20%、30%、40%、50%时的电阻值，按上述步骤每种规格的导电织物分别测试5次，取平均值。
　　2.3传感性能的表征
　　根据以上实验测试结果，做出应变电阻图，然后在Origin软件中对函数进行线性拟合，得出相应的线性拟合相关系数R2，其数值越大说明拟合的函数线性越好。在拟合的过程中，其拟合度在0.99以上可以认为导电织物应变电阻传感性能呈现线性相关。传感器的灵敏度是传感器在稳态下电阻的变化量对应变的变化量的比值，通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度[1011]。斜率越大说明导电织物在纵向拉伸过程中所引起的电阻改变越大。
　　2.4测试结果与分析
　　6种导电织物在纵向拉伸过程中其应变电阻之间的关系分别如图5和表2所示。
　　从图5可以直观看出，沿导电织物纵向测试其电阻时，在纵行数和组织结构相同的条件下，其电阻随着横列数的增大而增大;从表2可以得到，在导电织物纵行数和组织结构相同时，灵敏度随着横列数的增加呈现出增大的趋势。在纵行数和横列数相同、组织结构不同的情况下，从图5可以看出，平针添纱组织的应变电阻之间的关系可以分为2个阶段，在应变小于40%时，电阻随着应变的增加呈现出较均匀的增大趋势，当应变大于40%时，电阻随着应变的增加其变化幅度明显增大;而假罗纹结构在整个应变拉伸范围内始终处于较均匀的增大趋势。从表2可以看出，假罗纹结构的线性拟合度R2相比于平针添纱结构较好，这主要是因为在纵向拉伸时，圈弧长度减少，圈柱长度增加纱线由圈弧向圈柱转移，平针添纱结构的导电织物相比于假罗纹结构的导电织物而言，平针添纱组织存在圈弧且长度较短而假罗纹结构除了存在圈弧以外还存在较长的浮线，所以在纵向拉伸的过程中假罗纹结构的圈弧和浮线都可以转移成圈柱的长度。假罗纹结构相比于平针添纱结构较稳定，因为假罗纹结构在拉伸过程中赋予线圈接触点处更大的摩擦力和抗彎刚度。对比表2中6块试样发现，试样3和6的线性拟合和灵敏度相对较好，因此选择横列数纵行数分别为250、80的平针添纱组织和2+2假罗纹结构作为针织柔性传感器的工艺。 　　3手臂彎曲监测传感器的设计与验证
　　3.1感测系统的构建
　　人体运动识别感测系统硬件的设计，基于服装、柔性传感器、导电电路、中央处理器、显示器等结构单元，针织柔性传感器织入服装内，通过导线和中央处理器相连接，并将处理后的信号数据传输到显示器上。人体运动状态下，将蓝牙控制系统接入服装中，构建手臂弯曲监测服的输入端。根据测试要求本文开发了实时测试系统来测试手臂的弯曲状态，如图6所示。由于人体手臂弯曲运动时，肘关节处的针织柔性传感器随之发生形变而引起电学信号的变化，并将其发送到小黑盒处理器，模拟后的数据经放大、滤波、去噪等处理后，再经应用程序转换为相应的数据。
　　3.2手臂弯曲传感器实用性验证
　　根据上述2个实验结果，选择在手臂的肘关节处分别采用横列数250纵行数80的平针添纱组织和2+2假罗纹组织的工艺，来编织可以测试手臂弯曲变化的针织柔性传感器。然后采用本文开发的实时测试系统来测试手臂的弯曲状态。实时测试系统分别测试了随着手臂完全伸直到完全弯曲其平针添纱组织和2+2假罗纹组织2种针织柔性传感器的电阻值随时间变化情况，如图7（a）（b）所示。
　　从图7（a）（b）可以看出，置于肘关节处的传感器电阻值随着手臂的弯曲变化呈现出相应的变化，手臂弯曲时，针织柔性传感器的传感单元发生形变，被拉伸使得导电织物线圈的圈柱被拉长，从而导致电阻值的增大，产生波峰;在手臂回到水平状态的瞬间，发生细微形变的导电织物线圈之间的状态回到初始状态，使得电阻值又接近于初始值。图7（a）中平针添纱组织的针织柔性传感器电阻值随着手臂弯曲角度的变化其电阻变化紊乱，平针添纱组织的传感器灵敏度高达45。由于人体手臂弯曲属于大应变范围，对传感器灵敏度要求并没用于脉搏波动、声带震动等小应变的灵敏度高，反而较高的灵敏度用于较大的应变测试所受到的外界干扰更大。通过测试结果发现，平针添纱组织在测试过程中其灵敏度太大反而会受到外界较大的干扰，并且其所测得手臂弯曲过程中电阻随时间的变化曲线图规律不显著;而2+2假罗纹组织从0～400s的时间段内约有6个波峰，说明在400s内手臂弯曲了6次。实测结果表明，该实验对象在测试过程中手臂从完全伸直到完全弯曲了6次与实时测试系统测得的弯曲频率一致，所以最终选择横列数和纵行数分别为250、80的2+2假罗纹组织来编织手臂弯曲传感器。
　　为了更近一步说明横列数250纵行数80的2+2假罗纹组织作为针织柔性传感器的实用性，本文使用实时测试系统对手臂穿着针织柔性传感器弯曲到不同角度和重复弯曲进行了测试，从图7（c）可以看出，手臂处于不同的弯曲角度，实时测试系统所测得电阻值会显示出不同，当电阻值在2～6Ω时。手臂弯曲角度在0～45°，电阻值在2～12Ω时手臂弯曲角度在0～90°，电阻值在0～15Ω时手臂弯曲角度在0～140°，所以实时测试系统可以通过电阻值的大小来反映手臂大致处于某个弯曲角度。从图7（d）可以看出，手臂从完全伸直到完全弯曲反复循环了1000次，修改稿试样的电阻值没有明显的波动，均处于0～15Ω，其重复性能够满足作为传感器的基本要求。通过以上实验，验证了此工艺制备的导电织物能够作为传感器来监测手臂的弯曲。
　　4结论
　　根据手臂弯曲过程中皮肤伸长率测试结果，将导电织物设计在肘关节处。通过感测系统的构建，最后设计出一款手臂弯曲监测传感器。实验结果表明：横列数250纵行数80的2+2假罗纹组织编织的手臂弯曲传感器可以很好地显示手臂弯曲过程中时间电阻之间的关系，并且实时监测到的手臂弯曲频率与实际弯曲频率接近。通过电阻值的大小可以判断手臂弯曲大致处于某一角度范围内，在反复弯曲1000次以后传感器的电阻值始终处于0～15Ω，实验得出2+2假罗纹结构编织的针织柔性传感器能够满足作为传感器的基本要求。
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　　收稿日期： 20190327; 修回日期： 20191215
　　基金项目： 国家自然科学基金项目（61602212）;无锡市针织科技服务平台项目（WX0307D030402170006）;泰山产业领军人才项目（tscy20180224）
　　作者简介： 刘婵婵（1993），女，硕士研究生，研究方向为针织产品设计与开发。通信作者：缪旭红，教授，miaoxuhong@163.com。
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