應用D2027型柔性壓力傳感器的運動服裝設計

楊曉紅,韓志清,胡雪睿,張 敏

(西南大學 紡織服裝學院,重慶400715)

在全民運動的大環境下,人們對身體健康的要求更加具體和迫切。從2014年開始,中國運動服飾市場規模逐年上升,服裝智能化應用成為研究熱點。緊身運動服在著裝過程中有助于維持運動能力,增強運動效果,成為人們運動中的常用服裝。文中將緊身運動服與柔性壓力傳感器結合,通過壓力傳感、信號轉換和數據處理等技術設計出智能運動服,使其在滿足運動需求的基本前提下實現對人體運動情況的智能監測。

1 緊身智能運動服發展現狀

隨著全民運動趨勢的不斷發展,人們在運動方面的認識和投入不斷增加。作為運動專業性裝備的運動服市場也整體呈現出服裝細分化、專業化和智能化三大趨勢。在一些登山服和滑雪服等專業性功能服裝方面,俱樂部、線上應用和協會成為更專業的平臺。中國運動服裝市場份額在不斷上升,但人均消費數額與全球相比仍有較大發展空間。

據統計,從2014年開始,中國運動服飾市場規模逐年上升,2018年達到五年來市場最高規模401億美元,與2017年同期相比增長了19.5%,預計未來五年行業的平均增速將超過10%(見圖1)。

在中國運動服市場規模不斷擴大的情況下,智能化服裝應用也擁有較大的潛力和市場空間。通過調研國內主流購物平臺,可以看出,市場中已有的智能運動服產品主要集中在智能溫度控制、心率監測、快速干燥等方面。其中智能溫控是采用碳納米管薄膜電加熱技術來實現控溫、安全、舒適的穿著目的;心率監測是在服裝袖口安裝心率檢測芯片并配合智能APP 實時監測運動者的心率情況;快速干燥主要是從面料方面進行設計改造。

圖1 2014-2023年中國運動服飾市場規模情況(圖源:前瞻數據產業研究院)

圖2 天貓智能運動服搜索結果

以天貓搜索智能運動服結果為例(見圖2),默認排序前100件商品中,無關商品12件,在其余88件商品中,智能溫控服裝占統計總量的82%,其主要是通過USB連接充電寶進行電量輸送,進而進行溫度調控;速干智能服裝占統計總量的5%,其主要是通過服裝材料和結構實現其功能性;智能心率監測服裝占統計總量的1%,是通過安裝智能芯片,搭載移動端APP實現運動者心率情況的實時監測,為健康保駕護航。

市場中已有的智能服裝主要集中在溫度控制方面,還不能滿足人們運動中的多樣化需求。提高運動服裝功能性可以更好地監測和保護人體健康。壓力傳感器是可穿戴裝備的必要部件之一[1],將柔性壓力傳感器和運動服裝結合,設計出基于壓力傳感的緊身運動服裝,可以使穿著者更客觀地了解自己的運動狀態,及時調整自己的運動計劃和目標,達到健康運動的目的。

2 柔性壓力感應系統設計

D2027型柔性壓力傳感器是由薄膜接收人體壓力而產生形變,進而影響可變電阻電阻值,在電路中通過電阻值變化影響輸出電壓的變化,通過無線傳感系統將電壓變化傳輸到數據處理系統,再通過特定算法將電壓變化值轉化為直觀可讀的人體變化數據,最后通過終端顯示設備呈現給用戶的[2]。

2.1 柔性壓力傳感器

GB/T 7665-2005中將傳感器定義為“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是對外界信息進行捕捉的裝置,其通常與測量電路共同構成將被測物理量轉換成電參數的裝置,然后將信息傳輸到與之對應的單片機,實時進行信息的進一步處理。壓阻式壓力傳感器利用具有較強過壓能力的半導體材料制成,因半導體材料高強度、反應快等優異的機械性能,壓阻式壓力傳感器感應更加靈敏和精確。

隨著電子元器件的小型化,薄而柔性傳感器的出現,使得這些新型電子元器件與傳統紡織品相組合呈現新的可能性,其也可以與功能纖維及其紡織品相結合[3]。除了傳統的把服裝表面或內部作為支撐結構,將纖維狀導電材料或傳感元件嵌入其中外,改變服裝材料本身即使用導電材料涂層織物,使織物具有導電能力也成為一種新的方式。

文中采用D2027壓阻式柔性薄膜壓力傳感器,其長度小于8 c m,可根據用途縮短使用,寬2.7 c m,是柔性壓力傳感器中的一種,根據其結構特點可適用于運動、健康、安全監控、工業檢測等方面。其抗電磁干擾和靜電屬性良好,可將傳感器安裝在服裝特定部位,如肘關節、膝關節、臀部等處用于監測人體運動過程中具體部位的壓力分布和變化。以下是D2027壓阻式柔性薄膜壓力傳感器具體尺寸(見圖3)和使用參數(見表1)。

圖3 傳感器尺寸

表1 D2027柔性壓力傳感器使用參數

2.2 傳感系統流程設計

緊身運動服傳感流程設計聯合應用了傳感器系統、無線通信、處理軟件開發等技術,通過移動端和電腦端顯示設備,使用戶可以實時了解人體運動情況,實現自我健康監測和調整運動計劃。

智能傳感系統將傳感器采集的數據通過轉換處理器轉化為可傳輸的數據,結合無線通信技術將接收的電信號變化發送至上位機,實現壓力數據的收集和傳遞;當數據傳輸到上位機后會通過固定算法對數據進行處理和存儲;最后將處理結果傳輸至終端顯示設備,實現人機單向交互的目的[4](見圖4)。其中上位機系統會設定提醒范圍值,在進行數據處理傳輸到終端顯示設備的同時,若數值超過預設定范圍,會觸動預警系統,達到對人體運動的監測及警示作用。

傳感模塊整體是將在運動過程中由于人體動作變化對柔性壓力傳感器產生不同的壓力轉化為不同的電阻變化值RS,在接通電源VT的基礎上,通過傳感電路將其輸入電阻變化值RS轉換成輸出電壓變化值VOUT,即可傳輸的電信號數據V(見圖5)。

圖4 傳感系統流程

圖5 傳感模塊內部結構

以此傳感電路為基礎,結合無線通信技術將電壓變化數據V傳送至具有特定算法的上位機中,經過預設程序得出人體運動狀況。最終在移動端顯示設備中進行結果顯示,當使用者收到信息后會更加了解自身的運動狀態,并進行適當地調整,完成人機交互的最終目的。

3 智能緊身運動服裝設計

緊身運動服裝以身體為模型設計,其與人體貼合穿著的結構特點,可以更準確直觀地感受人體運動的形態變化;將柔性壓力傳感器置于服裝中,可以實現運動過程中對人體健康狀況的實時監測。

在軟件系統和硬件設施已經完善的基礎上,通過文獻調研統計在運動過程中容易受傷的人體部位,結合D2027型柔性壓力傳感器的物理特征,從結構和面料方面出發,設計出適合運動者穿著,可以更好監測運動狀況的運動裝備。緊身運動服整體造型展示如圖6所示。

圖6 緊身運動服整體設計

3.1 感應部位分析

運動損傷中膝關節損傷率可達到25%～30%,約占人體損傷的四分之一[5-10]。膝關節是運動過程中的主要穩定關節,其主要生理活動為屈伸,范圍為0°～180°[11],在彎曲的過程中會與服裝表面產生一定的壓力作用。在日常運動中,由于膝關節運動量和運動頻率較大,易出現運動性損傷[12]。加強膝關節運動強度的監測,對保護膝關節和防止運動損傷有積極意義。

肘關節是將上臂和前臂連接,并保證可以自由伸屈 (40°～180°)和旋轉 (140°)的重要關節[13],也是運動過程中,保證手部用力及運動水平的重要關節之一。只有保持肘關節功能完整健康,手和手臂才能良好發揮其功能。在骨科臨床中肘關節損傷是常見的關節損傷疾病,任躍兵[14]指出45 000例骨傷病例中肘關節損傷占14%,占所有骨關節損傷的首位。由于肘關節解剖特性,如果造成功能性損傷,需要很長時間恢復。通過在運動服裝中安裝柔性壓力傳感系統,可以有效進行預防和監測訓練強度,避免關節的局部負荷過重,有效減少損傷的發生。

人體由關節連接在一起,在運動中與服裝表面產生明顯的壓力作用多集中在肘、膝蓋、臀等活動量較大的部位。結合文獻研究結果并基于運動動作的普遍性和智能服裝運動監測的適用性,選擇將柔性壓力傳感器安裝在上身肘關節尺骨末端表面和下身膝蓋髕骨表面(見圖7)。

圖7 感應部位

3.2 運動服裝結構設計

結合緊身服裝特點和運動舒適性需求進行服裝整體結構設計。與其他運動服相比,緊身運動服更突出人體特點,在設計中以身體為模型進行設計。由于面料的高彈力特性,在設計中通過分割和面料差異來滿足其造型需求。

3.2.1 領、袖部位

服裝領部在運動中要滿足各種動作的服裝貼體度,為了保障運動過程中的舒適感和無束縛感,設計為圓領造型,在保障運動舒適安全性基礎上,盡可能提高服裝美化形體的程度。在運動過程中會進行大范圍的肢體舒展,袖窿結構會極大地影響運動幅度,在服裝設計中既要保障最大程度的運動幅度,又要保證在正常行走過程中的適體性,故選擇插肩袖,袖口設計露指環形袖(圖8)。貼體類服裝環形袖能保持穿著活動中衣袖平整,并減少手部在運動中的摩擦傷害。

圖8 運動服上衣設計

3.2.2 衣身

緊身運動服裝要根據身體濕度分布、運動幅度和功能美觀性來進行設計。運動中人體高濕度分布區域為前胸和后背中縫部位,雖然后背肩胛骨部分溫度很高,但其汗液一般會積聚,然后凝結在后中縫[15]。針對后中縫和前胸高濕度分布區域,使用排濕透氣性良好的網眼面料進行拼接設計(圖8)。下裝襠部和臀下處也有部分汗液積聚現象,但這些部位為人體隱私部位,要注意面料厚薄和整體美觀性,采取同種顏色密度高透氣的聚氨酯類面料進行隱形分割設計。在運動幅度較小的側縫設計標識和反光面料,擴展服裝適用環境,達到增強服裝辨識性和運動安全性的功能。

3.2.3 傳感部位

在運動過程中膝部和肘部不屬于人體高濕度分布區域,運動中產生的汗液蒸發會帶走身體的熱量,故在膝關節、肘關節處進行分割設計,應用雙層面料達到防低溫保暖功能,將柔性傳感系統置于聚氨酯面料之間(圖9),在穿著過程中運動服與人體緊密貼合,可以隨時感知膝蓋和肘部的運動情況。

3.3 運動服面料

緊身運動服貼合人體穿著,面料舒適性是選擇時必須要考慮的因素。面料要滿足針織運動服面料國家標準GB/T 22853-2019[16],且人體不同部位對面料的敏感程度不同,在進行面料選取時要具體分析,以保障人體穿著舒適性。在服裝設計中要綜合舒適的服裝觸感、良好的吸濕排汗功能和優異的彈性這3點需求。

圖9 傳感器與服裝結合示意圖

人體在劇烈運動時,體內產生熱量導致出汗,良好的運動服裝面料應能及時將汗液吸收或排出,為人體營造干燥的運動環境。該設計服裝主體選用以滌綸、錦綸和丙綸等濕傳遞較好的面料交織氨綸彈性纖維;在前胸及后背中縫等人體高濕度分布區域,選用輕薄、透氣性好、易洗快干的網眼新型面料。這可以滿足緊身運動服延展性能良好且排汗快干性能優異的需求。

4 結語

隨著服裝智能化的發展,應用柔性壓力傳感器的功能性服裝成為研究熱點。通過查閱中國服裝市場發展大數據,結合當前主流購物平臺中已有的智能服裝種類,得出智能運動服發展存在需求日益增加和市場空缺之間的矛盾。結合D2027柔性壓力傳感器具體使用參數和應用電路進行整體傳感模塊設計,綜合考慮傳感器物理特性及其與服裝的結合方式,將柔性壓力傳感器置于緊身運動服膝蓋和肘關節處,從結構和面料方面出發進行緊身運動服設計,在滿足服裝穿著舒適性的前提下實現對人體運動時間、強度、狀態的實時監測,以達到防止過度運動,長期健康運動的目的。