CN106690487B - 可穿戴服装和包括可穿戴服装的系统 - Google Patents

Abstract

可穿戴服装和包括可穿戴服装的系统。一种可穿戴的服装(1)，其包括至少一个冲击吸收垫(2)，所述冲击吸收垫(2)具有面向穿戴者身体的内表面和相反的外表面。压力传感器(14)在所述冲击吸收垫的面对所述冲击吸收垫的所述内表面的侧面上，并且该压力传感器被定位成在所述外表面上的冲击的一部分被所述冲击吸收垫吸收之后测量所述冲击在所述内表面上的作用。

Description

可穿戴服装和包括可穿戴服装的系统

技术领域

本发明涉及一种包括至少一个冲击吸收垫的可穿戴的服装。

背景技术

带有冲击吸收垫的可穿戴的服装在许多应用中是已知的。特别地，它们被广泛地用于穿戴者的身体可能会经受到冲击的运动中。例如，在橄榄球、足球(美式)、拳击、骑马和板球项目中。另外，在诸如摩托车和自行车的活动中，冲击吸收垫被构建在头盔、夹克和裤子中，其为用户的身体提供一定程度的保护。

与本发明相关的还有“智能服装”领域的许多发展。智能服装的示例包括内置在服装中的计步器、陀螺仪和心率监测器。这些通常用于测量诸如行走距离、速度、加速度和心率的参数。这些可以用于向用户提供各种参数的指示，例如消耗的能量、行走的距离等。

与本发明特别相关的是在冲击检测领域中的智能服装的发展。申请人知道许多被设计为间接测量对身体的冲击的系统。这些包括X2 Biosystems制造的xPatch。这是一种贴片，其被设计为贴在用户的耳后，并且提供六轴加速度测量。由Reebok制造的Checklight包括内置在无沿便帽中的加速度计和陀螺仪。该无沿便帽具有红色、黄色和绿色的灯，其根据检测到的冲击的严重程度被点亮。来自i1的Shockbox提供了一种类似的设备。此外，由Blackbox Biometrix制造的爆破压力计系统是一种传感器系统，其监测压力和加速度以确定在军事环境中是否暴露在爆炸冲击下。

我们还知道一种被称为Sensoglove(RTM)的高尔夫球手套，其具有内置的压力传感器以为训练者提供用于确定用户如何用力地抓握球杆的分析工具。

US2015/0059494公开了一种用于监测和测量施加到个体的冲击力的系统。其具有可以被结合到衣物中的多层板。朝向板的外表面设置传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供对以上设备的改进。

以这种方式使用压力传感器是独特的。如上所述，大多数设备依赖于可选地与陀螺仪组合的加速度计。Blackbox设备具有压力传感器，但是其旨在利用由加速度计测量到的冲击力来测量爆破压力。

在高尔夫球手套的情况下，没有公开冲击吸收垫并且不期望测量冲击力。在US2015/0059494中，传感器被定位成朝向板的外表面。如此，传感器无法测量冲击吸收垫的有效性，因为传感器位于大多数垫的错误侧上。

通过测量实际通过冲击吸收垫传递的压力并且通过利用压力传感器进行此测量，与现有技术当前可能做到的相比，本发明能够更准确地确定身体实际经受的力。

本发明仅直接测量冲击吸收垫下游的压力。该服装可以可选地包括邻近所述垫的外表面的第二传感器，以直接测量冲击力。然而，优选地，所述服装还包括基于在内表面测得的力来计算冲击吸收垫的外表面上的冲击力的装置。该装置可以采用控制系统的形式，该控制系统用与材料的冲击吸收能力相关的填充阻尼因子编程。该因子被确定为给定力的传递力(transmitted force)与入射力(incident force)的比率。这样的值优选地通过测试材料样本的实验来确定。

实际上，所述垫的外表面上的入射力可能不垂直于垫的表面。另一方面，压力传感器仅能够测量传递的力的法向分量。在目前和接下来的描述中，入射力是指在垫的外表面上的冲击力。传递的力是指在垫的相反侧上的力。

大致上，可以仅依赖于测量该法向分量，这是基于法向分量是对穿用者最有害的力。因此，以相对较高的入射角度(相对于法线方向)施加的相对较大的力实际上表示对用户的“侧击”，使得确定该力的法向分量就足够了。

然而，优选地，可穿戴服装还包括加速度计和陀螺仪以测量由于冲撞造成的速度(大小和方向)的变化。该信息与上面提到的填充阻尼因子相结合使得能够通过使用动量定律和能量守恒求解运动方程来计算入射力的方向和大小。

冲击吸收垫是设计成通过吸收一部分所施加的力为用户提供合理程度的缓冲的垫。吸收的力的比例可以根据冲击的峰值力在一定程度上变化，并且因此冲击吸收垫的性质可以基于在选定的力7kN下的阻尼因子来描述。优选地，冲击吸收垫在7kN下具有大于10％，优选大于50％且最优选地大于85％的阻尼因子。通过使材料经受不同大小的多个入射力并且在材料的相反侧上测量传递的力来确定特定材料的阻尼因子。然后从这些测量值获得校准曲线以用于这样的计算。例如，7kN处的阻尼因子大于10％，表示所述垫将吸收10％的入射力。

在最广泛的意义上，本发明仅需要两个层，即冲击吸收垫和压力传感器。

传感器本身可以在其内表面上进行处理，使得其具有对皮肤舒适的层。然而，优选地，提供覆盖压力传感器的内表面的内纤维层以在与用户身体的接触面处提供增强的舒适性、透气性和吸汗特性。

可以提供覆盖垫的外表面的外纤维层。这将增强服装的外观，因为垫不会暴露在服装的外表面。

第一纤维层和第二纤维层可以是多层的以为穿戴者提供增强的舒适性能。在垫、传感器和纤维层之间可以有另外的层。

压力传感器本身可以是能够测量一个特定位置处的压力的单个传感器。这样的传感器将适用于仅需要在相对小的区域中检测力的服装。另选地，可以在更宽的区域上提供这样的垫和传感器的阵列。

然而，优选地，压力传感器是矩阵阵列的形式，其能够检测横跨冲击吸收垫的宽度的大部分的压力变化。

传感器可以是电容传感器(例如，如US2013167663中所描述的)或应变仪。优选地为电阻传感器，例如被构造成将施加的力转换为电阻的模拟电阻传感器。

冲击吸收垫的性质(特别是当其具有冲击消散层时)如下：入射力将会散布在相对较宽广的区域上。可以跨越该区域获得矩阵阵列传感器，该矩阵阵列传感器将测量跨越整个这样的区域的力增加和来自传感器的平均值。另选地，可以测量冲击的“力分布”，其中测量在各个位置的力。在任一情况下，传感器将测量力和施加力的面积，从而计算压力。

当使用这样的阵列时，期望将所检测的力分布在尽可能宽的区域上。

因此，优选地，具有比冲击吸收垫高的抗弯刚度的冲击消散层被嵌入在冲击吸收垫内，以将入射力分散到身体的更宽的区域。

在其最简单的形式中，所述服装可以包括单个垫和传感器。该传感器可以包括记录可以在以后被访问的感测数据的一些设备。

然而，优选地，可穿戴服装还包括与压力传感器电连接的控制模块。对于较大的服装，例如被设计成穿在上身的上衣，可以存在多个冲击吸收垫，每个冲击吸收垫都具有其自己的压力传感器，并且每个冲击吸收垫均连接到控制模块。

如果所述服装包括如上文所述的加速度计和陀螺仪，则这些加速度计和陀螺仪优选地被容纳在控制模块中。

控制模块还优选地包括处理单元，该处理单元用于接收感测的数据，并且执行入射力的任何所需的计算并根据需要来控制数据的传输。

控制模块还优选地包括能够无线地发送和接收数据的收发器。这可以是任何已知类型的无线通信，诸如蜂窝电话、蓝牙、Wi-Fi、Sub 1GHz无线电或无线电。所述服装还可以结合GPS技术以使得能够确定穿戴者的位置。

控制模块优选地还包括诸如锂陶瓷电池的电池。这由于其安全性而特别适用于这样的应用。

控制模块优选地还包括接通/截断开关。控制模块还可以包括一个或更多个发光二极管(LED)以提供接通/截断状态、充电状态和/或冲击力的大小的指示。

控制模块还可以设置有存储器，以便存储所检测到的数据。另选地，控制模块可以无线地实时传输以便外部存储。控制设备传输数据的频度将根据需要而定。一方面，数据可以立即被传输出去。另一方面，数据可以简单地全部存储在控制模块上，并且一旦用户已经停止穿戴所述服装，就在稍后的日期下载。否则，可以每隔几秒或几分钟定期发送数据。

控制模块可以完全封装在防水壳体内，使得其可以与服装一起洗涤。另选地，控制模块是可移除的。类似地，所述压力传感器或每个压力传感器可以根据需要被封装或可移除。

所讨论的服装可以是从包含T恤、长袖衫、夹克、铠甲(harness)、头盔、绑腿、短裤、手套(例如拳击手套或板球手套)、或可附接到身体的单独的垫式物品(诸如大腿垫、护胸、护胫、板球垫和颈托)的组中选择的一个或更多个。所述服装可以是“骨架”类型的服装，其不一定形成完整的服装，而是设计成在另一件服装下穿戴。

本发明还涉及一种系统，其包括根据本发明的第一方面的可穿戴的服装，该系统与被布置为从压力传感器接收信息的数据处理和显示设备相结合。该数据处理和显示设备可以是计算机或移动通信设备，例如智能电话或平板电脑。

这样的设备可以从控制模块和与控制模块相关联的附加传感器接收数据。所述系统还可以包括附加的传感器，例如计步器、心率监测器等等，其可以或可以不与服装成一体。

如果处理和显示设备仅用于个人使用，则其可以被布置为从单个服装接收数据。

另选地，其可以被布置为从多个服装接收数据。这可能是有用的，例如，用于团队教练来监视团队的所有成员的信息。另选地，对于医疗从业人员来说，从各种各样的用户收集数据可能是有用的，以便对特定类别的用户及对冲击对他们的影响进行全局评估。所述数据还可以用作例如在电视体育广播或在社交媒体上的信息，以使得能够进行互动

附图说明

现在将参照附图来描述根据本发明的服装的示例，在附图中：

图1A是根据本发明的服装的前视图；

图1B是图1A的服装的后视图；

图1C是图1A和图1B的服装的透视图；

图1D是前述附图的服装的顶视图；

图2是穿过垫、传感器和服装的不同层的示意性横截面；

图3A是压力传感器的分解透视图；

图3B是同一传感器的组装平面图；

图4示出了控制模块的布局；以及

图5是示出系统的一般操作的流程图，示出了智能装甲-算法定义。

具体实施方式

图1A至图1D示出了加垫上衣，其是旨在供橄榄球运动员使用的一种加垫衬层。如本申请中其它地方所述的，本发明可应用于通常需要冲击保护的可穿戴服装。同时，虽然图1A至图1D示出的上衣被用作说明，但容易理解的是，对于其它这样的衣服，冲击吸收垫被放置在最可能接受冲击的区域中。

如图1A至图1C所示，服装1包括五个冲击吸收垫2，所述五个冲击吸收垫2包括一对肩垫、一对上臂垫以及胸垫。朝向服装1的背部的上部的是控制模块3。该控制模块3被柔软的层4包围，以为穿戴服装的人以及冲击他们的任何人提供舒适感。控制模块3通过导电线5与每个冲击吸收垫2连接。线5可以仅为保持在服装的层之间的线，使得其不会妨碍穿戴者。

垫的数量和定位仅作为一个示例提供。可以有更少的垫，例如仅肩垫，或者存在附加的垫，例如保护肋骨的垫。

图2更加详细地示出了冲击吸收垫2的结构。垫被夹在外纤维层10和内纤维层11之间。所述垫由冲击吸收层12组成。其可以由诸如泡沫弹性体、热塑弹性体、泡沫热塑弹性体的材料或任何适合的复合材料制成。冲击吸收层12的厚度通常小于100mm，更优选地小于50mm，并且最优选地小于20mm。在冲击吸收层12内是冲击消散层13。其是可选的层。其可以在制造时嵌入到冲击吸收材料中。另选地，冲击吸收层12可由在冲击消散层13周围夹住冲击消散层13的两部分形成。冲击消散层13可以是高冲击工程聚合物(例如聚碳酸酯或尼龙)、玻璃或碳纤维复合物、双轴取向膜或提供高抗弯强度、高抗穿刺性和柔性的任何其它材料。

冲击吸收层12与内纤维层11之间是压力传感器14。该传感器在图3A和图3B中被更加详细地示出。在US2014/0083207中示出了另一种适合的传感器。

压力传感器14包括两个基底层14a、14b，在两个基底层之间设置间隔体层14c以及可选的一个或更多个介电层14d、14e。基底层14a、14b的相对的表面可以承载印刷于其上的已知电阻的导电迹线，使得当接触基底层14a、14b时提供取决于接触力的可变电阻。优选地，这样的力感测电阻元件的阵列以网格图案布置在基底层14a、14b上。传感器可以被设计成具有布置在其内的有效感测网格的任何期望的图案(网格图案不必是规则的图案)。

图4中示出了控制模块3的布局。

该模块包括以下部件。

加速度计(例如ADXL375)，它是一个三轴加速度计，适用于高g应用。其将测量正常运动期间穿戴者的加速度，并且测量受冲击时的突然变化。

陀螺仪51(例如ADXRS290)。它可以是2或3轴陀螺仪，其能够检测穿戴者的运动的角取向以及任何发生的冲击。

处理器53(例如ARM Cortex M3)，其将从加速度计50和陀螺仪51接收来自压力传感器14的读数，并且执行各种计算并输出如下所述的诊断信息。

连接器54，用于连接到矩阵传感器。

电源管理集成电路55。

收发器56，例如蓝牙设备。

插座57，电池可以经由该插座充电。

LED 58，其优选为多色设备，以提供设备状态的指示，例如接通/截断、低电量、充电等。其还可以用于根据冲击的大小提供可视输出。

用于激活所述设备的接通/截断开关59。

用于附接到电池(诸如锂陶瓷电池)的电池连接件60，其以相对小的体积提供相对大的电源。尽管示出为单独的连接，但电池优选地是控制模块3的一部分。

现在将参照图5描述本发明的操作。处理器53接收如下所述的多个输入，以评估冲击的性质并且执行各种计算及提供有用的输出。

某些信息由用户在首次穿戴所述服装之前提供。这可以通过提供用户界面70来方便地实现，例如当用户首次使用所述服装时可以访问的应用或网站。需要关于用户特定的多个参数的信息，例如他们的体重、身高和尺寸，例如胸部和腰部测量值。这些都被用于确定冲击的性质。还可以输入年龄，以使得软件能够确定什么可以被认为是可接收的冲击水平。

所述软件预先安装关于被认为是可接受的峰值压力和冲力(impulse)的阈值水平的数据71。这些将包括各冲击的值以及关于累积的冲击的数据。这些值可以基于冲击的安全水平的现有医学研究来设定。软件的这方面是可更新的，以使得能够从最新的医学研究收集新的信息。

来自所述压力传感器14的输入由数字72表示。所感测的值是所传递的力的法向分量。压力传感器14提供冲击力F_N的指示以及该力被施加的区域A_pad。

来自加速度计50和陀螺仪51的输入由数字73表示。填充阻尼因子74基于材料的校准被编程到所述软件中。

这可以如同向垫施加已知大小的冲击并测量传递的力一样简单。可以通过向垫施加不同大小的冲击来执行更复杂的校准。

所有这些信息随后由处理器53接收，处理器53可以计算用户感觉到的冲力。这通过将压力传感器14检测到的力对时间积分来获得。

使用这些数据，连同个人用户数据、加速度计和陀螺仪数据以及填充阻尼因子一起，算法能够通过使用动量和能量守恒定律来求解运动方程来计算入射力F_i。

输出值可以包括在垫的外侧感觉到的冲力和峰值压力以及传递给用户的峰值压力、以及伤害风险的指示和填充的有效性的指示。

Claims (18)

1.一种可穿戴服装，该可穿戴服装包括至少一个冲击吸收垫，所述冲击吸收垫具有面向穿戴者身体的内表面和相反的外表面以及压力传感器，该压力传感器在所述冲击吸收垫的面对所述冲击吸收垫的所述内表面的侧面上，并且所述压力传感器被定位成在所述外表面上的冲击的一部分被所述冲击吸收垫吸收之后测量所述冲击在所述内表面上的作用，其中，在所述冲击吸收垫内嵌入具有比所述冲击吸收垫高的抗弯刚度的冲击消散层，以将入射力分散到所述压力传感器的更宽的区域上。

2.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，所述可穿戴服装还包括基于在所述内表面处测得的力来计算所述冲击吸收垫的所述外表面上的冲击力的装置。

3.根据权利要求2所述的可穿戴服装，其中，用于计算所述冲击力的所述装置包括控制系统，利用与材料的冲击吸收能力相关的填充阻尼因子对所述控制系统进行编程。

4.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴服装，该可穿戴服装还包括用于测量由于所述冲击而造成的速度的大小和方向的变化的加速度计和陀螺仪。

5.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，所述冲击吸收垫的阻尼因子大于10％。

6.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，所述冲击吸收垫的阻尼因子大于50％。

7.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，所述冲击吸收垫的阻尼因子大于85％。

8.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，提供覆盖所述压力传感器的所述内表面的内纤维层。

9.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，提供覆盖所述冲击吸收垫的所述外表面的外纤维层。

10.根据权利要求1所述的可穿戴服装，其中，所述压力传感器采用能够检测横跨所述冲击吸收垫的宽度的大部分的压力变化的矩阵阵列的形式。

11.根据权利要求1所述的可穿戴服装，该可穿戴服装还包括具有与所述压力传感器的电连接的控制模块。

12.根据权利要求11所述的可穿戴服装，该可穿戴服装包括多个冲击吸收垫，各个冲击吸收垫都具有自己的压力传感器，并且各个冲击吸收垫都与所述控制模块相连接。

13.根据权利要求11所述的可穿戴服装，其中，所述控制模块还包括处理单元，该处理单元用于接收感测数据、执行所述入射力的任何所需计算并根据需要控制数据的传输。

14.根据权利要求13所述的可穿戴服装，其中，所述处理单元通过将所检测到的力对时间积分来计算所接收到的冲力。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的可穿戴服装，其中，所述控制模块还包括收发器，该收发器能够无线地传输数据。

16.根据权利要求11所述的可穿戴服装，其中，所述控制模块包括锂陶瓷电池。

17.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴服装的系统，该可穿戴服装与被布置成从所述压力传感器接收信息的数据处理和显示设备相结合。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述数据处理和显示设备被布置成从多个服装接收数据。