手臂監測傳感器的設計與驗證

劉嬋嬋 繆旭紅 萬愛蘭 韓曉雪

摘要： 文章將人體手臂分為3個區域測試不同角度下每個區域的伸長率，確定了手臂皮膚伸長變化規律最顯著的區域為II，理想狀態下假設服裝伸長與皮膚伸長同步，所以選擇在第II區域即肘關節處設計傳感器。制備了6種不同組織結構，不同橫列數和相同縱行數的導電織物，測試了6種織物在縱向拉伸條件下的電阻變化，得到了導電織物的電阻隨應變的變化規律，分析了組織結構和橫列數不同對導電織物應變電阻傳感性能的影響，結果表明：導電織物選擇采用橫列數250縱行數80的2+2假羅紋結構，其線性擬合度和靈敏度最好。通過手臂彎曲實驗驗證了該針織柔性傳感器及其測試系統的可行性。

關鍵詞： 針織;皮膚伸長;導電織物;手臂彎曲;柔性傳感器

中圖分類號： TS941.61文獻標志碼： B文章編號： 10017003（2020）02010806

引用頁碼： 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

傳統的電子傳感器用于智能服裝大多數采用金屬、半導體材料制備，其便攜性、柔韌性和可穿戴性比較差[1]，并且有可能引起織物的異構互連[2]。而針織柔性傳感器由于其本身就是智能服裝的一部分，不用外加傳感元件，穿著舒適，不會對穿著者造成額外負擔;針織柔性傳感器與人體被檢測部位緊密接觸，使得采集的信號更加真實可靠;針織柔性傳感器由于采用導電纖維制成，具有可洗滌、易打理等特點[3]。所以設計一種能用于人體運動與姿態檢測且不影響穿著舒適性的可穿戴系統顯得非常有必要。一般若織物的尺寸、溫度或者壓力等物理量的變化能夠引起織物的電阻、電感或者電容等電學量相應的變化，就可以利用其特性將織物設計成對應物理量的傳感器[4]。日常生活中人體關節運動引起的應變可高達55%，所以為了更好地監測人體關節大幅度運動[5]，應變傳感器應具有良好的柔韌性、優良的伸縮性和大的應變感測范圍。

目前國內外對柔性傳感器用于人體運動感測方面的研究較多，2011年，Gilsoo Cho等[2]以100%不銹鋼絲為原料制成1cm×10cm的導電織物，沿織物的經向拉伸到30%記錄不同拉伸率下的電阻，然后使用80%的錦綸和20%的氨綸制作一個袖子測試肘關節在不同彎曲角度下帶來的電阻變化，擬合手臂彎曲與伸展之間的角度電阻圖，發現兩者之間存在滯后性。2014年，Shyr T W等[6]采用彈性紗線制作了彈性導電帶，基于彈性導電帶組裝了一個用于檢測人體手肘和膝蓋運動角度的檢測系統，通過實驗發現該系統能夠反映手肘與膝蓋的運動角度，隨著運動角度的增加，導電彈性帶的電阻幾乎成線性增加。2019年，Sangki Park等[7]制造出了能夠精確感知人體關節（手指、手腕、肘部、脊柱和膝蓋）運動（折疊和旋轉）的“全織物高伸縮結構”，分析了固定在膝關節上的脊柱關節在預定的運動角度上的步態，以及佩戴者進行折疊和旋轉運動時的步態。2016年，張曉峰[8]研究了人體上肢監測的聚吡咯涂層機織物的機電性能，分析了導電織物在7種不同應變條件下反復拉伸時的動態電阻變化情況，同時考慮到最終應用于肢體的監測上不同頻率的肢體運動會對織物造成不同速度的拉伸，因此改變拉伸速度分析了在不同拉伸速度下機電性能的差異，相當于手臂從慢速到快速彎曲時織物尺度的變化率。最后測試了上肢彎曲角度與織物電阻的關系，從而得出導電織物電阻變化對手臂彎曲角度的敏感性。

本文采用由德國Tecmath公司與法國Lectra公司專門為服裝行業研發的Scan WorkX三維人體測量系統進行掃描，通過VITUS SMART系統全方位獲得皮膚拉伸數據[9]。首先測試了手臂彎曲過程中拉伸變形較顯著的區域，然后選擇鍍銀導電紗作為原料，制備不同組織結構和不同橫列數的導電織物，探討在縱向拉伸狀態下導電紗電阻的變化，選擇應變電阻傳感性能最好的工藝來編織針織柔性傳感器，最后設計出一款通過針織柔性傳感器電阻的變化可以檢測人體手臂運動的無縫上衣，從而為在肘關節處帶有針織柔性傳感器的服裝結構設計提供參考。

1手臂彎曲過程皮膚伸長率測試

1.1實驗方案

為了明確人體手臂從完全伸直到完全彎曲的過程中，手臂某一區域范圍內的伸長率最大且變化規律最明顯，本文以女性為研究對象，選擇身高162～167cm，體重50～58kg的50位女性為實驗樣本。測試步驟如下：

1）要求被測者自然站立并保持呼吸均勻，首先測試實驗對象的同一側手臂長度（定義整條手臂的長度為肩峰到腕骨的距離），為保證測試的準確性，軟尺在人體表面進行測試松緊度適量并盡量保持一致，讀數時視線應垂直刻度線不可斜視，每個人每個部位數據測試3次取平均值。

2）用角度測試儀測試手臂能彎曲的最大角度為140°。3）測量手臂長度縱向把整條手臂3等分，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個區域，橫向選擇在肱二頭肌前側，肘關節后側和小臂處3個截面，如圖1中3，2，1三個黑色區域所示，在測試位置貼上標記點以便在VITUS SMART系統中讀取相應位置之間的距離。測試隨著手臂外側從完全伸直——完全彎曲，以20°為增量每一對應角度下縱向3個區域長度和橫向3個截面寬度分別對應的伸長量然后轉化為其伸長率，伸長率結果為50個被測者的平均值，手臂的彎曲角度θ以肩關節和肘關節連接線為基點（圖2），從水平線處開始測量。

1.2測試結果與分析

通過測試發現，隨著手臂的逐漸彎曲，不同角度下不同區域皮膚縱橫向的伸長率及誤差范圍如圖3所示。

從圖3可知，測試者的身高、體重、手臂長度不同時，手臂在逐漸彎曲過程中皮膚的伸長率變化不大，即5個區域測試不同樣本時個體性誤差并不明顯，所以接下來的實驗中可以忽略個體差異性對實驗的影響。縱向手臂從完全伸直到完全彎曲的過程中，第I區域皮膚無伸長始終呈現收縮趨勢且變化無規律，第II區域皮膚伸長隨角度的增大逐漸增大，第III區域隨著彎曲角度的增加皮膚雖然處于伸長狀態，但始終處于0～10%的伸長率，無太大波動且呈現的規律不明顯，因此在手臂彎曲的過程中縱向皮膚伸長最顯著且規律最明顯的區域是第II區域。橫向手臂皮膚在第1區域伸長率幾乎無變化，在Ⅲ區域伸長變形小且無規律，而在第Ⅱ區域皮膚在0～40°處于伸長率逐漸增加，在40°～140°伸長率逐漸減小，所以橫向皮膚伸長最顯著且最有規律的是第Ⅱ區域。而圖1中可見，在手臂彎曲的過程中，縱橫向皮膚伸長最顯著且最有規律的為肘關節處，所以選擇把導電織物織在肘關節處。

2導電織物應變電阻傳感性能測試

2.1導電織物的制備

實驗樣品選擇在E28筒徑15 inch的SM8TOP2MP2無縫針織機（意大利Santoni公司）上進行制作，本文選擇44 dtex/12f鍍銀紗線（蘇州秦克銀纖維有限公司）來編織導電區域，鍍銀紗線在Cino Capture數碼顯微鏡及掃描電鏡（麥克奧迪實業集團有限公司）下的實物如圖4所示，選擇83.33 dtex/24f的錦氨包覆紗編織非導電區域。為了探究組織結構和橫列數對導電織物應變電阻傳感性能的影響，制備了6種不同工藝的織物，如表1所示。

2.2實驗方案

在YG0260DG型多功能電子織物強力儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）與VICTOR4105A型低電阻測試儀（深圳勝利儀器有限公司）配合測試導電織物應變與電阻之間的關系。將織物強力儀的2個夾頭分別夾在導電織物的兩端，采用定伸長拉伸的方式分別記錄導電織物縱向分別拉伸至10%、20%、30%、40%、50%時的電阻值，按上述步驟每種規格的導電織物分別測試5次，取平均值。

2.3傳感性能的表征

根據以上實驗測試結果，做出應變電阻圖，然后在Origin軟件中對函數進行線性擬合，得出相應的線性擬合相關系數R2，其數值越大說明擬合的函數線性越好。在擬合的過程中，其擬合度在0.99以上可以認為導電織物應變電阻傳感性能呈現線性相關。傳感器的靈敏度是傳感器在穩態下電阻的變化量對應變的變化量的比值，通常用擬合直線的斜率表示系統的平均靈敏度[1011]。斜率越大說明導電織物在縱向拉伸過程中所引起的電阻改變越大。

2.4測試結果與分析

6種導電織物在縱向拉伸過程中其應變電阻之間的關系分別如圖5和表2所示。

從圖5可以直觀看出，沿導電織物縱向測試其電阻時，在縱行數和組織結構相同的條件下，其電阻隨著橫列數的增大而增大;從表2可以得到，在導電織物縱行數和組織結構相同時，靈敏度隨著橫列數的增加呈現出增大的趨勢。在縱行數和橫列數相同、組織結構不同的情況下，從圖5可以看出，平針添紗組織的應變電阻之間的關系可以分為2個階段，在應變小于40%時，電阻隨著應變的增加呈現出較均勻的增大趨勢，當應變大于40%時，電阻隨著應變的增加其變化幅度明顯增大;而假羅紋結構在整個應變拉伸范圍內始終處于較均勻的增大趨勢。從表2可以看出，假羅紋結構的線性擬合度R2相比于平針添紗結構較好，這主要是因為在縱向拉伸時，圈弧長度減少，圈柱長度增加紗線由圈弧向圈柱轉移，平針添紗結構的導電織物相比于假羅紋結構的導電織物而言，平針添紗組織存在圈弧且長度較短而假羅紋結構除了存在圈弧以外還存在較長的浮線，所以在縱向拉伸的過程中假羅紋結構的圈弧和浮線都可以轉移成圈柱的長度。假羅紋結構相比于平針添紗結構較穩定，因為假羅紋結構在拉伸過程中賦予線圈接觸點處更大的摩擦力和抗彎剛度。對比表2中6塊試樣發現，試樣3和6的線性擬合和靈敏度相對較好，因此選擇橫列數縱行數分別為250、80的平針添紗組織和2+2假羅紋結構作為針織柔性傳感器的工藝。

3手臂彎曲監測傳感器的設計與驗證

3.1感測系統的構建

人體運動識別感測系統硬件的設計，基于服裝、柔性傳感器、導電電路、中央處理器、顯示器等結構單元，針織柔性傳感器織入服裝內，通過導線和中央處理器相連接，并將處理后的信號數據傳輸到顯示器上。人體運動狀態下，將藍牙控制系統接入服裝中，構建手臂彎曲監測服的輸入端。根據測試要求本文開發了實時測試系統來測試手臂的彎曲狀態，如圖6所示。由于人體手臂彎曲運動時，肘關節處的針織柔性傳感器隨之發生形變而引起電學信號的變化，并將其發送到小黑盒處理器，模擬后的數據經放大、濾波、去噪等處理后，再經應用程序轉換為相應的數據。

3.2手臂彎曲傳感器實用性驗證

根據上述2個實驗結果，選擇在手臂的肘關節處分別采用橫列數250縱行數80的平針添紗組織和2+2假羅紋組織的工藝，來編織可以測試手臂彎曲變化的針織柔性傳感器。然后采用本文開發的實時測試系統來測試手臂的彎曲狀態。實時測試系統分別測試了隨著手臂完全伸直到完全彎曲其平針添紗組織和2+2假羅紋組織2種針織柔性傳感器的電阻值隨時間變化情況，如圖7（a）（b）所示。

從圖7（a）（b）可以看出，置于肘關節處的傳感器電阻值隨著手臂的彎曲變化呈現出相應的變化，手臂彎曲時，針織柔性傳感器的傳感單元發生形變，被拉伸使得導電織物線圈的圈柱被拉長，從而導致電阻值的增大，產生波峰;在手臂回到水平狀態的瞬間，發生細微形變的導電織物線圈之間的狀態回到初始狀態，使得電阻值又接近于初始值。圖7（a）中平針添紗組織的針織柔性傳感器電阻值隨著手臂彎曲角度的變化其電阻變化紊亂，平針添紗組織的傳感器靈敏度高達45。由于人體手臂彎曲屬于大應變范圍，對傳感器靈敏度要求并沒用于脈搏波動、聲帶震動等小應變的靈敏度高，反而較高的靈敏度用于較大的應變測試所受到的外界干擾更大。通過測試結果發現，平針添紗組織在測試過程中其靈敏度太大反而會受到外界較大的干擾，并且其所測得手臂彎曲過程中電阻隨時間的變化曲線圖規律不顯著;而2+2假羅紋組織從0～400s的時間段內約有6個波峰，說明在400s內手臂彎曲了6次。實測結果表明，該實驗對象在測試過程中手臂從完全伸直到完全彎曲了6次與實時測試系統測得的彎曲頻率一致，所以最終選擇橫列數和縱行數分別為250、80的2+2假羅紋組織來編織手臂彎曲傳感器。

為了更近一步說明橫列數250縱行數80的2+2假羅紋組織作為針織柔性傳感器的實用性，本文使用實時測試系統對手臂穿著針織柔性傳感器彎曲到不同角度和重復彎曲進行了測試，從圖7（c）可以看出，手臂處于不同的彎曲角度，實時測試系統所測得電阻值會顯示出不同，當電阻值在2～6Ω時。手臂彎曲角度在0～45°，電阻值在2～12Ω時手臂彎曲角度在0～90°，電阻值在0～15Ω時手臂彎曲角度在0～140°，所以實時測試系統可以通過電阻值的大小來反映手臂大致處于某個彎曲角度。從圖7（d）可以看出，手臂從完全伸直到完全彎曲反復循環了1000次，修改稿試樣的電阻值沒有明顯的波動，均處于0～15Ω，其重復性能夠滿足作為傳感器的基本要求。通過以上實驗，驗證了此工藝制備的導電織物能夠作為傳感器來監測手臂的彎曲。

4結論

根據手臂彎曲過程中皮膚伸長率測試結果，將導電織物設計在肘關節處。通過感測系統的構建，最后設計出一款手臂彎曲監測傳感器。實驗結果表明：橫列數250縱行數80的2+2假羅紋組織編織的手臂彎曲傳感器可以很好地顯示手臂彎曲過程中時間電阻之間的關系，并且實時監測到的手臂彎曲頻率與實際彎曲頻率接近。通過電阻值的大小可以判斷手臂彎曲大致處于某一角度范圍內，在反復彎曲1000次以后傳感器的電阻值始終處于0～15Ω，實驗得出2+2假羅紋結構編織的針織柔性傳感器能夠滿足作為傳感器的基本要求。

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收稿日期： 20190327; 修回日期： 20191215

基金項目： 國家自然科學基金項目（61602212）;無錫市針織科技服務平臺項目（WX0307D030402170006）;泰山產業領軍人才項目（tscy20180224）

作者簡介： 劉嬋嬋（1993），女，碩士研究生，研究方向為針織產品設計與開發。通信作者：繆旭紅，教授，miaoxuhong@163.com。