智能矯姿服裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李 帥

(江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330201)

隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們的工作方式發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，日常體力活動(dòng)水平降低了60%～70%，坐姿顯然已經(jīng)成為職業(yè)人群最常采用的工作姿勢。工業(yè)化國家中有 3/4 的工作在坐式條件下執(zhí)行，約有 2/3 的工作時(shí)間處于久坐狀態(tài)。久坐行為被定義為清醒狀態(tài)下坐位時(shí)能量消耗≤1.5 METs(基礎(chǔ)代謝率的倍數(shù))的低能量消耗行為[1]。若長時(shí)間采用靜止姿勢進(jìn)行工作，即便是正確坐姿也會(huì)導(dǎo)致脊柱慢性疼痛。不良坐姿是指身體脊柱彎曲角度較大的弓背坐姿，或者身體重心向后的完全放松坐姿[2]。不良坐姿會(huì)引起包括肌肉、關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶和神經(jīng)在內(nèi)的肌肉骨路系統(tǒng)的損傷，以及一些肌肉疾患癥狀的形成。在工作環(huán)境中長時(shí)間保持姿態(tài)不良的靜坐行為，會(huì)對(duì)人體身體健康造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了一款關(guān)于人體不良坐姿識(shí)別的久坐計(jì)時(shí)提醒智能服裝。智能矯姿服裝系統(tǒng)以電子紡織品設(shè)計(jì)方法的開發(fā)為基礎(chǔ)，在日常工作中，量化靜止坐姿工作時(shí)長和保持健康坐姿，對(duì)于職業(yè)人群預(yù)防慢性疾病有著重要的意義。

1 智能矯姿服裝的性能架構(gòu)

智能服裝是傳統(tǒng)的紡織服裝工藝、纖維成型加工工藝、信息傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能和生物技術(shù)等諸多科學(xué)領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合[3]。它不僅能感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化，而且能通過反饋機(jī)制實(shí)時(shí)地對(duì)這種變化做出反應(yīng)[4]。智能服裝的設(shè)計(jì)不僅需要在系統(tǒng)功能上探索設(shè)計(jì)參數(shù)，還需要在日常穿著要求上探索設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，智能矯姿服裝的性能架構(gòu)需要考慮系統(tǒng)功能和服用性能2個(gè)方面。

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)首先通過傳感器對(duì)人體的加速度信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)身體不同動(dòng)作產(chǎn)生的不同信號(hào)可以判斷出人體正在進(jìn)行何種動(dòng)作，如坐下或起身。當(dāng)檢測到用戶完成坐下的動(dòng)作信號(hào)后，系統(tǒng)中的計(jì)時(shí)元件開始對(duì)用戶靜坐時(shí)長進(jìn)行計(jì)時(shí)工作，若用戶靜坐行為超過預(yù)先設(shè)定的時(shí)間閾值，微控制器則通過蜂鳴器聲音提醒的方式督促用戶解除靜坐行為，起身進(jìn)行舒展活動(dòng)。若用戶在系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間閾值內(nèi)起身進(jìn)行其他行為，在一定時(shí)間內(nèi)用戶沒有返回靜坐姿態(tài)，系統(tǒng)判定用戶沒有進(jìn)入靜坐狀態(tài)，計(jì)時(shí)元件終止久坐計(jì)時(shí)。而用戶在一定時(shí)間內(nèi)返回靜坐姿態(tài)，系統(tǒng)則會(huì)繼續(xù)計(jì)時(shí)。系統(tǒng)除了監(jiān)測久坐時(shí)間，還對(duì)坐姿姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。在各種坐姿的變化過程中，人體脊柱姿態(tài)的變化最為明顯。比如身體前傾的坐姿會(huì)使向前凸出的腰椎拉直,導(dǎo)致其向后彎曲，這會(huì)影響胸椎和頸椎的正常曲度[5]。而身體后傾的坐姿會(huì)產(chǎn)生很大的脊柱扭曲力，對(duì)腰椎產(chǎn)生不良作用。在智能矯姿服裝系統(tǒng)中，若用戶的脊柱曲度超過預(yù)設(shè)的目標(biāo)值時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)姿態(tài)監(jiān)測裝置的振動(dòng)提示功能，通過這種智能的方式能以輔助用戶實(shí)現(xiàn)姿態(tài)矯正的目的。

1.2 服用性能

在設(shè)計(jì)智能矯姿服裝時(shí)，除了考慮電子硬件和軟件外，服用性能也是一個(gè)關(guān)鍵問題，主要涉及服裝的舒適性、透氣性、吸濕性、尺寸穩(wěn)定性等。智能服裝融合了服裝材料與電子元件，由于電子元件的材質(zhì)較硬，易造成服裝舒適體驗(yàn)感下降，在系統(tǒng)中為了避免此類問題的發(fā)生，選擇較小尺寸的電子元件，減少與用戶身體的接觸面積。同樣，電子元件的體積小，對(duì)于服裝的透氣性、吸濕性、質(zhì)量的影響也會(huì)減少。紡織材料和電子元件材質(zhì)之間還需要考慮一定力學(xué)性能，服裝材料太過輕薄或是彈力過大、易于變形等，會(huì)影響電子元件的后期數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。電子元件主要放置在服裝的背部位置，對(duì)于服裝穿脫、活動(dòng)的靈活性并不會(huì)造成影響。至于服裝的可水洗性，在系統(tǒng)中將電子元件設(shè)計(jì)為可拆卸的部分，當(dāng)用戶需要清洗服裝時(shí)，將電子設(shè)備拆除即可；另外，服裝尺寸與電子設(shè)備尺寸二者之間的適應(yīng)性和穩(wěn)定性、以及服裝的安全性，如電子元件和服裝材料對(duì)人體無害、信息保密性等，也是服裝系統(tǒng)中需要考慮的因素[6]。

2 智能矯姿服裝概念模型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

智能矯姿服裝系統(tǒng)主要由服裝、姿態(tài)監(jiān)測模塊、提示報(bào)警模塊和能源供給模塊構(gòu)成。服裝為整個(gè)系統(tǒng)提供了物理固定支撐，提升了智能服裝系統(tǒng)的舒適性、易于穿戴、耐磨損等性能。姿態(tài)監(jiān)測模塊由多個(gè)傳感器協(xié)同工作，對(duì)人體脊柱曲度的變化和靜坐時(shí)長進(jìn)行監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的通信接口傳輸?shù)轿⒖刂破鳎缓髮?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析處理。提示報(bào)警模塊針對(duì)姿態(tài)監(jiān)測的結(jié)果，利用貼片電動(dòng)機(jī)和蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和聲音提示用戶的目的。能源供給模塊部分包括電源開關(guān)、發(fā)光二極管、Micro USB接口等，給整個(gè)系統(tǒng)提供能源。

在智能矯姿服裝系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)主要分為2個(gè)模塊。模塊1由MPU6050傳感器1(深圳維特智能科技有限公司)和0827型貼片電動(dòng)機(jī)1(深圳特加特科技有限公司)組成，模塊2由Micro USB充電電源組合、STM32微控制器(深圳優(yōu)信電子科技有限公司)、MPU6050傳感器2、貼片電動(dòng)機(jī)2和有源蜂鳴器組成(常州博豐智能科技有限公司)，2個(gè)模塊之間相互配合實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件框架圖如圖1所示。系統(tǒng)中傳感器需要檢測包括人體姿態(tài)和脊柱曲度2種數(shù)據(jù)，所以傳感器1和傳感器2的放置位置需要考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另外傳感器的位置對(duì)于其反應(yīng)的靈敏性和人體的舒適性等都應(yīng)有所考量。相關(guān)研究表明坐姿時(shí)人體的支撐結(jié)構(gòu)為脊柱、骨盆、腿和腳，其中脊柱最為關(guān)鍵[7]。所以該系統(tǒng)將脊柱曲度變化列為主要觀察對(duì)象。脊柱彎曲主要有頸椎前凸、胸椎后凸、腰椎前凸3個(gè)部分，人體脊柱彎曲部分會(huì)隨著坐姿的改變而改變。頸椎與頭部、胸椎相連，活動(dòng)幅度較大，頸椎曲度長時(shí)間處在不良角度，易造成脊柱損傷、鈣化，甚至影響視力等問題。胸椎位于脊柱的中上部位，對(duì)于身體上半部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有參與。腰椎位于脊柱的中下部位，由于工作環(huán)境中腰椎曲度變化較小，可能導(dǎo)致傳感器對(duì)于某些動(dòng)作感應(yīng)不靈敏。所以選擇頸椎和胸椎位置放置傳感器，如圖2 (a) 所示。從側(cè)面觀察人體脊柱有7節(jié)頸椎(C1-C7) 、12節(jié)胸椎(T1-T12)，其中傳感器1放置在脊柱C7的位置，傳感器2放置在胸椎曲度變化較大的T8位置，傳感器對(duì)應(yīng)人體脊柱的放置位置如圖2 (b) 所示。人體脊柱不同位置的曲度變化會(huì)造成不同的不良坐姿形態(tài)，為了提示用戶，在系統(tǒng)中安排2個(gè)貼片電動(dòng)機(jī)與傳感器放置在相近位置，對(duì)頸椎和胸椎分別進(jìn)行振動(dòng)提醒。確定傳感器和執(zhí)行器的位置后，還需要規(guī)劃微控制器和電源組合、蜂鳴器的位置。考慮到電路和電阻的限制，微控制器和電源組合應(yīng)該盡可能地靠近。此外，微控制器放置時(shí)應(yīng)注意，它所在的位置需能夠從傳感器收集所有模擬輸出并將輸入發(fā)射到執(zhí)行器沒有任何重疊的區(qū)域。因此，將微控制器和電源組合放置在胸椎位置。蜂鳴器根據(jù)傳感器2檢測的靜坐時(shí)間對(duì)用戶進(jìn)行提醒，所以也將它放置在傳感器2附近。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖Fig.1 System hardware framework diagram

圖2 傳感器分布圖Fig.2 Sensor distribution map. (a)Sensor body distribution map; (b) Sensor spine location map

2.2 智能矯姿服裝電路

系統(tǒng)中主要的電子元件包括STM32微控制器、MPU6050慣性傳感器、貼片電動(dòng)機(jī)、蜂鳴器等。其中微控制器通過集成電路總線IIC實(shí)現(xiàn)與多個(gè)傳感器相連，另外與貼片電動(dòng)機(jī)、蜂鳴器等通過輸入/輸出(input/output,I/O)引腳連接。根據(jù)硬件系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的電路原理。

2.2.1 微控制器電路原理

微控制器選用了STM32F103CT86單片機(jī)，尺寸為7 mm×7 mm。集成高性能32位Cortex-M3的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，擁有4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)脈沖寬度調(diào)制PWM定時(shí)器[8]。該單片機(jī)有數(shù)據(jù)處理速度快、功率損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于系統(tǒng)中涉及的大量關(guān)于姿態(tài)解算的數(shù)學(xué)運(yùn)算，也能快速地處理完成。在微控制器電路設(shè)計(jì)中相互連接的引腳有RESET_SW1、PA0_TX、PA1_RX、PA2_RX、PA3_TX、BOOT0/BOOT1_Header、PB12_S9013、PB13_Q9013、PB15_IN4、PA8_IN3、PB9_IN2、PB10_IN1、PA11_D-、PA12_D+、VCC3V3_VCC3V3，系統(tǒng)中STM32微控制器的引腳設(shè)計(jì)如圖3所示，微控制器通過不同功能的引腳與慣性傳感器、蜂鳴器、貼片電動(dòng)機(jī)、Micro USB等系統(tǒng)其他電子元件相連接。

圖3 微控制器電路原理圖Fig.3 Microcontroller circuit schematic

2.2.2 慣性傳感器電路原理

傳感器尺寸為15.24 mm×15.24 mm。該傳感器集成了三軸陀螺儀與三軸加速度計(jì)，提供了IIC接口可掛載不同種類的傳感器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，還集成了可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP減少復(fù)雜融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷[9]。MPU6050傳感器對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別使用了3個(gè)16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量[10]。傳感器完成ADC轉(zhuǎn)換后，微控制器可以速讀最新的采樣數(shù)據(jù)，并快速響應(yīng)姿態(tài)的變化。系統(tǒng)中傳感器與微控制器通過IIC接口連接，同時(shí)傳感器的中斷引腳與微控制器的I0引腳相連。傳感器1的引腳TX、RX分別與STM32微控制器的引腳PA0、PA1連接，傳感器2的TX、RX分別與STM32微控制器的引腳PA3、PA2連接，如圖4所示。

圖4 慣性傳感器電路原理圖Fig.4 Inertial sensor circuit schematic

2.2.3 貼片電動(dòng)機(jī)電路原理

采用圓形的0872貼片電動(dòng)機(jī)，尺寸為直徑8 mm、高度2.75 mm。貼片電動(dòng)機(jī)的GND引腳與電路的GND引腳相連，VCC引腳與微控制器VCC輸出連接，如圖5所示。貼片電動(dòng)機(jī)1與貼片電動(dòng)機(jī)2分別根據(jù)微控制器讀取的傳感器1與傳感器2的數(shù)據(jù)進(jìn)行提示工作。

圖5 貼片電動(dòng)機(jī)電路原理圖Fig.5 Chip motor circuit schematic

2.2.4 蜂鳴器電路原理

采用直徑為6 mm，高度為3.5 mm的無源蜂鳴器。它由外殼、振動(dòng)膜片、磁鐵、電磁線圈及振蕩器組成[11]。系統(tǒng)的電源接通后，電流通過蜂鳴器的電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動(dòng)膜片在磁鐵與電磁線圈的相互作用下發(fā)出音頻[12]。由于STM32微控制器I/O引腳輸出的晶體管—晶體管邏輯電平TTL電平無法驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)能使電流放大的電路。如圖6所示，控制蜂鳴器通過改變PB12引腳的高低電平來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)蜂鳴器引腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出音頻，當(dāng)蜂鳴器引腳為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出音頻。

圖6 蜂鳴器電路原理圖Fig.6 Buzzer circuit schematic

2.2.5 充電電路原理

采用Micro USB接口進(jìn)行充電。Micro USB接口中有5條線，輸出端D+、D-分別連接微控制器的PA12、PA11引腳，地線(GND)、ID線引腳接地，如圖7所示。Micro USB接口在安全范圍內(nèi)的最大承載電流為2 A，支持OTG功能，系統(tǒng)可以直接使用手機(jī)充電器來做輸入給鋰電池充電。

圖7 充電電路原理圖Fig.7 Charging circuit schematic

2.3 服裝樣衣結(jié)構(gòu)

服裝樣衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了應(yīng)滿足職業(yè)人群對(duì)于服裝穿著性能的基本要求外，還需注意傳感器的靈敏性、貼片電動(dòng)機(jī)發(fā)出提示時(shí)人體感應(yīng)程度等其他因素。根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)了一款背部收腰貼合人體結(jié)構(gòu)的職業(yè)西裝外套(160/84A)，如圖10所示。圖10(a)為服裝的正面款式圖，圖10(b)為服裝的背面款式圖,系統(tǒng)模塊主要裝置在服裝的背面。頸椎位置為模塊1，胸椎位置的為模塊2。模塊1和模塊2分別位于服裝的肩部中點(diǎn)、從肩部中點(diǎn)直線下移22 cm左右的2個(gè)位置。為了將模塊1和模塊2集成到服裝結(jié)構(gòu)中以及在結(jié)構(gòu)中形成電路，使用線性電阻小于50 Ω/m并且紗線線密度為321 dtex/34f×4的鍍銀錦綸紗線，織物是雙層結(jié)構(gòu)，并將導(dǎo)電紗線放置在結(jié)構(gòu)的中間層，防止織物基電路短路[13]。模塊1中的慣性傳感器1的TX、RX分別連接模塊2中的STM32微控制器PA0、PA1引腳，貼片電動(dòng)機(jī)的GND與電路的GND相連，VCC引腳與STM32微控制器的數(shù)字輸出連接，模塊電路原理圖如圖10(c)所示。胸椎處的模塊1與頸椎處的模塊2設(shè)計(jì)成為以暗扣的方式與服裝連接的可拆卸附件，當(dāng)可拆卸部件從主體結(jié)構(gòu)上拆卸下來時(shí)可以對(duì)服裝進(jìn)行清洗。并將這些模塊隱藏在服裝內(nèi)部，使服裝既能夠檢測坐姿時(shí)長和避免不良坐姿，同時(shí)又兼具操作簡單，輕便易攜帶、時(shí)尚美觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 智能矯姿服裝款式圖Fig.8 Smart posture correction clothing style map. (a)Front; (b) Back;(c) Schematic diagram of module circuit

3 智能矯姿服裝系統(tǒng)算法

3.1 矯姿算法

在智能矯姿服裝系統(tǒng)中需要對(duì)用戶的靜坐姿態(tài)和起身活動(dòng)區(qū)別開來，并進(jìn)行標(biāo)記。當(dāng)用戶在所設(shè)的時(shí)間閾值內(nèi)起身，則中止對(duì)靜坐行為的計(jì)時(shí)。圖9為建立的人體姿態(tài)坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為檢測裝置 MPU6050傳感器2所安放的胸椎位置。前后方向?yàn)閄軸，左右方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸。靜坐狀態(tài)轉(zhuǎn)為起身活動(dòng)是身體軀干沿X軸向前傾斜，然后沿Z軸向上運(yùn)動(dòng)的一個(gè)過程。靜坐與起身的區(qū)別在于人體在靜坐時(shí)只在垂直方向受到重力加速度作用，而起身行為產(chǎn)生了較大的Z軸傾角變化和突然站立行為產(chǎn)生的加速度，通過這兩點(diǎn)來進(jìn)行人體姿態(tài)的判別。因此X、Y、Z軸的加速度幅度值(SVM)是進(jìn)行姿態(tài)識(shí)別的重要指標(biāo)。設(shè)X軸方向的加速度為ax，Y軸方向的加速度為ay，Z軸方向的加速度為az，則合加速度為a=ax+ay+az，其定義為：

(1)

式中：SVM表示人體加速度向量幅值，m/s2。

SVM是區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參數(shù)SVM越小，人體運(yùn)動(dòng)越平緩，SVM越大，人體運(yùn)動(dòng)越激烈[14]。當(dāng)人體起身或是坐下時(shí)，人體和椅面接觸有一個(gè)撞擊階段，此時(shí)加速度的值會(huì)增加，比靜坐的行為更加明顯，因此可以用閾值法來判斷人體姿態(tài)的變化。研究表明靜坐的加速度一般保持在10 m/s2左右，坐下起立的合加速度最大不超過20 m/s2，系統(tǒng)中關(guān)于人體姿態(tài)識(shí)別的加速度閾值可以設(shè)定為SVM>10 m/s2。

圖9 人體坐標(biāo)系Fig.9 Human body coordinate system

系統(tǒng)監(jiān)測坐姿模塊觸發(fā)內(nèi)部ADC采樣時(shí)，由于受到電壓、溫度等因素的影響不可避免地產(chǎn)生噪聲。為了提高數(shù)據(jù)的精度，選擇在一定時(shí)間窗口內(nèi)對(duì)監(jiān)測到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，再使用降噪處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)身體處于靜坐與起身運(yùn)動(dòng)交叉狀態(tài)下，在一定的時(shí)間窗內(nèi)，SVM的離散程度變大，變異指數(shù)CV也越高。變異指數(shù)CV定義如下：

(2)

(3)

(4)

人體脊柱曲率會(huì)在X、Y軸發(fā)生變化，因此引入Z軸傾斜角度變化θ來反映坐姿狀態(tài)中頸椎和胸椎角度變化的范圍，分別用θx和θy表示在X軸和Y軸上的彎曲角度。身體彎曲強(qiáng)度越大，則θ值越大，同時(shí)說明人體在Z軸方向的變化角度也越大，因此姿態(tài)角θ同樣也可作為判斷人體姿態(tài)的參量。其定義為:

(5)

相關(guān)研究表明，當(dāng)人體處于靜坐狀態(tài)時(shí)，人體與椅面處于水平狀態(tài)，所以Z軸的加速度為0。當(dāng)坐姿狀態(tài)人體向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體X、Y軸角度發(fā)生變化，這個(gè)正常閾值應(yīng)在±20°之內(nèi)浮動(dòng)。所以在設(shè)計(jì)中斷對(duì)靜坐行為的計(jì)時(shí)時(shí)，把閾值設(shè)定在20°。另外，如果人體在X、Y軸角度變化超出預(yù)設(shè)閾值，設(shè)定3 s為了一個(gè)判斷時(shí)間，如果3 s內(nèi)角度值都超出20°，則觸發(fā)報(bào)警提示功能。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

MPU6050傳感器模塊采集人體的加速度值，通過IIC接口傳送到STM32微控制器中，微控制器接收到加速度數(shù)據(jù)后，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)算和判斷。如果判斷出行為的變化發(fā)生就產(chǎn)生1個(gè)中斷，該中斷函數(shù)激活貼片電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，以提示用戶及時(shí)改變靜坐狀態(tài)。

檢測人體的加速度幅度值SVM是否大于預(yù)設(shè)閾值10 m/s2，若SVM小于10 m/s2，則繼續(xù)進(jìn)行采用測量，若SVM大于10 m/s2，則認(rèn)定為疑似起身活動(dòng)。若檢測到疑似起身活動(dòng)，延時(shí)3 s，進(jìn)入二次判斷，若在3 s內(nèi)SVM保持小于10 m/s2范圍，則判斷用戶進(jìn)入靜坐狀態(tài)，計(jì)時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)人體靜坐時(shí)間超過設(shè)定的閾值20 min，蜂鳴器發(fā)出聲音提示。當(dāng)人再次起身超過3 s則蜂鳴器停止工作。

在靜坐過程中，傳感器同時(shí)檢測脊柱曲度是否在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)。若人體頸椎或胸椎彎曲的角度小于20°，則繼續(xù)檢測工作，若彎曲的角度大于20°，則疑似用戶此刻的坐姿不良，延遲3 s，進(jìn)入二次判斷，若用戶3 s內(nèi)彎曲角度依舊保持在大于20°，則根據(jù)具體超過角度設(shè)定閾值的位置，通過該處的貼片電動(dòng)機(jī)發(fā)出振動(dòng)提示。用戶身體感應(yīng)到到振動(dòng)提醒后，及時(shí)調(diào)整脊柱彎曲角度，貼片電動(dòng)機(jī)停止工作。

如果系統(tǒng)檢測到人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同時(shí)滿足以上2個(gè)條件，此時(shí)蜂鳴器和貼片電動(dòng)機(jī)同時(shí)發(fā)出聲音提示和振動(dòng)提示，提醒用戶及時(shí)調(diào)整坐姿和改變久坐狀態(tài)，姿態(tài)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)流程如圖10所示。

圖10 矯姿算法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.10 Flowchart of the implementation of the alignment algorithm

4 結(jié) 論

本文針對(duì)職場人群的久坐和不良坐姿易對(duì)身體造成損害的問題進(jìn)行了智能矯姿服裝系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)融合電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)、服裝設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科的技術(shù)，集合了姿態(tài)檢測、提示報(bào)警、能源供給等電子元件。通過慣性傳感器的陀螺儀對(duì)人體坐姿進(jìn)行脊柱曲度閾值判定和加速度計(jì)識(shí)別人體動(dòng)作的計(jì)時(shí)中斷設(shè)計(jì)提出計(jì)算方法。系統(tǒng)不僅能夠感知人體加速度和姿態(tài)角的變化，而且能通過微控制器反饋機(jī)制實(shí)時(shí)地進(jìn)行反應(yīng)和調(diào)節(jié)。該智能矯姿服裝實(shí)用性強(qiáng)，能有效輔助職業(yè)人群在工作環(huán)境中對(duì)于久坐和坐姿不良行為的糾正。但為了能滿足產(chǎn)品市場的多元需求，在未來還需要進(jìn)行更深入的研究以繼續(xù)完善產(chǎn)品。