CN113033050A - 智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，解决了现有压力模拟难以接近真实人体数据，存在测试可靠性问题的弊端，其技术方案要点是通过CT扫描人体局部部位并通过逆向工程建立人体骨骼、软组织模型，通过有限元建模建立人服装模型并与人体模型进行装配，骨骼设置为各向同性线弹性体、软组织设置为线性粘弹性材料、服装设置为线性弹性体，通过远端位移模拟运动，计算出运动状态下服装压力分布位移云图与应力云图，本发明的智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，进行动态下服装压力的分布模拟，能便捷、可靠进行运动状态下可靠性的评价。

Description

智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法

技术领域

本发明涉及评价方法，特别涉及智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法。

背景技术

随着科技的发展进步，智能服装也逐渐走进人们的视野。智能服装通常是将智能纤维或电子器件嵌入服装表面，实现人体生理信号数据的实时监测及采集。由于人体大部分时间处于运动状态，在着装状态下，服装与人体之间产生的碰撞摩擦变形、人体生理与心理的变化、以及智能服装的穿着环境与穿着次数等，都有可能会对数据采集系统的稳定性与可靠性造成影响。

目前在服装与人体动态接触压力的相关研究还处于探索发展阶段，多采用实验法或数值模拟法。由于实验法受实验对象以及设备线路牵绊等影响，在测试人体运动状态下的服装压时容易造成实验误差。数值模拟法是利用计算机技术对服装与人体之间的动态接触状况进行仿真模拟计算。到目前为止发表的相关研究中，通过建立有限元模型对服装压力进行预测已经被广泛证明是有效的。但大多数研究还集中于静态服装压力分布的模拟，与真实人体还有一定差距。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，进行动态下服装压力的分布模拟，能便捷、可靠进行运动状态下可靠性的评价。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，包括有以下步骤：

S1、通过CT扫描所需人体局部部位，通过逆向工程建立人体骨骼、软组织轮廓模型，在有限元软件中建立服装模型，将服装模型与人体骨骼、软组织轮廓模型进行装配；

S2、对所建立模型进行参数设置，骨骼设置为各向同性线弹性体、软组织设置为线性粘弹性体、服装设置为线性弹性体；

S3、进行局部坐标系设置，确定骨骼关节旋转位置及方向；

S4、进行服装内壁与软组织外侧、骨骼与软组织之间的接触设置；

S5、对各层模型进行网格划分处理，并对模型进行边界条件设置；

S6、固定人体骨骼模型一端，服装与软组织过盈配合进行装配，通过远端位移进行模型模拟关节运动，计算获取运动状态下服装与人体的动态服装压力可视化分布位移云图与应力云图，对比应力云图与真实柔性传感器测量所得动态压力值以进行分析。

作为优选，几何建模的设置具体为：

利用CT切片通过Mimics软件分别建立人体软组织及骨骼三角片格式的三维模型，并将模型导出；

结合逆向工程建模思路，将三维模型导入Geomagic软件中进行平滑处理转化为曲面模型，将其导出后继续导入Solidworks软件中进行装配；

保存导出后再次导入到ANSYS WORKBENCH内置的建模软件Spaceclaim中，在骨骼与软组织接触区域中建立球体空腔，利用布尔操作绘制骨骼与软组织中的缝隙；在solidworks中对软组织向内抽壳，建立套筒型服装模型。

作为优选，局部坐标系的设置具体为：

在ANSYS Workbench Static静力学中的Mechanical模块中建立局部笛卡尔坐标系，坐标系原点为关节轴旋转中心原点，Z轴方向为关节旋转轴。

作为优选，接触设置具体为：

固定人体模型一端，服装模型与软组织之间设置过盈接触，建立服装内壁与软组织外侧之间为有摩擦接触，摩擦系数为0.2，Offset设置为1mm；骨骼与软组织之间为绑定接触，关节与软组织内壁球体空腔、关节相对接触面之间设置为为无摩擦滑动接触。

作为优选，网格划分及边界条件设置具体为：

将各层模型选择单元类型为四面体单元Solid187，设置为不按照拓扑线划分网格，最大网格尺寸为5mm，最小网格尺寸为2mm；

关节处添加远端位移载荷，设定转动角度或转动速度，使一侧骨头绕轴旋转以模拟关节的运动工况。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

利用CT扫描并通过逆向工程建模，可实现人体骨骼、软组织与服装之间状态模拟，通过建模实验模拟的方式可获取应力云图，进而方便对比应力云图与真实柔性传感器测量所得动态压力值以进行分析；

本发明将骨骼设置为各向同性线弹性体、软组设置为线性粘弹性体、服装设置为线性弹性体，更加接近现实的人体材料，从而进一步提高模型的计算精度；

通过模型模拟，不仅实现了静态人体着装状态下的压力分布仿真模拟，更可进一步计算出人体局部关节或躯体以一定速度或一定角度运动的状态下，着装后的动态压力分布可视化应力云图，可为柔性传感器连续监测皮肤表面压力信号的数据提供参考，可用于评价此柔性传感器测试数据的可靠性。

附图说明

图1为本方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

根据一个或多个实施例，公开了一种智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，如图1所示，包括有以下步骤：

S1、通过CT扫描所需人体局部部位，通过逆向工程建立人体骨骼、软组织轮廓模型，在有限元软件中建立服装模型，将服装模型与人体骨骼、软组织轮廓模型进行装配；

S2、对所建立模型进行参数设置，骨骼设置为各向同性线弹性体、软组织设置为线性粘弹性体、服装设置为线性弹性体；

S3、进行局部坐标系设置，确定骨骼关节旋转位置及方向；

S4、进行服装内壁与软组织外侧、骨骼与软组织之间的接触设置；

S5、对各层模型进行网格划分处理，并对模型进行边界条件设置；

S6、固定人体骨骼模型一端，对系统设置重力加速度载荷，服装与软组织接触面设置0.1的offset值进行过盈配合装配，在软件中输入关节转动角度，通过远端位移进行模型模拟关节运动，获取运动状态下服装与人体的动态服装压力分布位移云图与应力云图，取人体特征点半径2.5mm圆圈范围内的平均压力值，与柔性传感器在特征点部位测得的压力值，运用统计学软件进行数据间的差异性分析。

基于ANSYS软件建立人体着装下的动态有限元数值模型，得到人体运动状态下的动态服装压力可视化分布计算结果，其中包括模型前处理模块、计算模块和后处理模块进行各步骤的操作处理；

前处理模块包括几何建模和模型处理、材料参数设置、坐标系设置、接触设置、网格划分与处理和边界条件设置；

计算模块，包括载荷步设置和计算参数设置；

后处理模块，可导出可视化动态应力、应变和位移云图；

几何建模模块，利用CT切片通过Mimics软件分别建立人体软组织及骨骼三角片格式的三维模型，将模型导出为.STL格式；

模型处理模块，结合逆向工程建模思路，将所述几何建模模块中的三维模型导入Geomagic软件中进行平滑处理转化为曲面模型，将其导出为.IGES格式后继续导入Solidworks软件中进行装配，将装配体保存为.x_t格式，再次导入到ANSYS WORKBENCH内置的建模软件Spaceclaim中，在骨骼与软组织接触区域中建立球体，利用布尔操作绘制骨骼与软组织中的缝隙；在solidworks中对软组织向内抽壳，建立套筒型服装几何模型；

材料参数设置模块,在ANSYS WORKBENCH Engineering Data模块新增骨骼、软组织、服装材料参数，其中骨骼设置为各向同性线弹性体、软组设置为各向同性线性粘弹性体、服装设置为线性弹性体。

坐标系设置，在ANSYS WORKBENCH MECHANICAL中建立局部笛卡尔坐标系，以定位关节旋转轴；

接触设置，建立服装内壁与皮肤外侧之间为有摩擦接触，摩擦系数为0.2，Offset设置为1mm；骨骼-软组织之间为绑定接触，关节与软组织内壁球形空腔、关节相对接触面之间设置为为无摩擦滑动接触；

网格划分与处理，将各层模型选择单元类型为四面体单元Solid187，设置为不按照拓扑线划分网格，最大网格尺寸为5mm，最小网格尺寸为2mm。

网格划分与处理模块，将各层模型选择单元类型为四面体单元Solid187，保证计算准确的前提下分别设定不同的网格尺寸，以保证计算的准确性；

边界条件设置，对模型进行过盈配合计算后，将结果导入新的静力学分析项目；固定人体模型一端，在关节处添加远端位移载荷，设定转动角度或转动速度，使一侧骨头绕轴旋转，可模拟关节的运动工况。

为表述清楚，现举一实例，以手肘为例说明所述一种基于有限元理论获取可视化动态服装压力分布情况的方法，但不作为对本发明的限定。

选择一位健康男性手臂作为研究对象，阐述本发明获取动态服装压力有限元建模方法的具体实施过程。

A.人体手臂骨骼、软组织轮廓的获取，即通过选取人体手肘部位进行CT扫描，利用CT扫描切片导入Mimics软件中获取人体手臂骨骼、软组织轮廓模型，将其保存为.STL格式，导入Geomagic软件中进行平滑处理，再将其转化为曲面模型，并导出为.IGES格式后继续导入Solidworks软件中进行装配，在solidworks软件中向内抽取软组织1.5mm，将其视为筒状服装模型。将上述装配体保存为.x_t格式，再次导入到ANSYS WORKBENCH内置的建模软件Spaceclaim中。在骨骼与软组织接触区域中建立球体，利用布尔操作绘制骨骼与软组织中的缝隙；

B.在ANSYS Engineering模块中添加材料参数，其中人体骨骼弹性模量为10000Mpa，泊松比为0.3；软组织弹性模量为0.02Mpa，泊松比为0.48，粘弹性的部分在Matlab软件中从猪肉软组织纤维应力松弛测试获得的数据拟合曲线，确定Prony函数系数；面料弹性模量为0.18Mpa，泊松比为0.3；

C.将处理好后的模型导入ANSYS mechanical Static静力学分析模块。建立局部坐标系，以定义肘关节旋转轴位置。根据文献显示，手臂肘关节屈曲轴穿过外侧副韧带起始处的结节。在肱骨远端内侧，旋转轴正好位于内上髁的前面和下面。由于人体骨骼模型已在Geomagic软件中进行平滑处理，与真实骨骼有一定差距，旋转轴中心点的位置需调试几次以达到合适位置，使骨骼旋转保证平滑不发生接触。

D.在Contact模块中定义几何体间的接触。将服装内部与皮肤外部设置为摩擦接触，摩擦系数为0.2，Offset设置为1mm；软组织-骨骼设置为绑定接触，关节摩擦面之间设置为无摩擦接触，骨骼与关节处的球体空腔内壁设置为无摩擦接触。

E.网格划分，将各层模型选择单元类型为四面体单元Solid187，设置为不按照拓扑线划分网格，最大网格尺寸为5mm，最小网格尺寸为2mm。

F.固定骨骼一端，对系统设置重力加速度载荷，根据服装与软组织Offset值1mm，进行服装与肘关节软组织过盈配合，通过以上施加的边界条件，能够获得穿套完成后静止的人体手臂受到的应力云图。

G.将F项目中的solution节点导入新的Static静力学分析model工程项目，对肘关节面施加远端位移，旋转轴的方向参考之前设置的局部参考坐标系，设置关节旋转角度为60度，匀速，旋转时间为2s，通过以上边界条件能够获得等效应力与等效位移数据。

H.求解可得出可视化的肘关节着装状态后运动时的位移云图，并求得应力云图，能够与真实柔性传感器测得的动态压力值进行对比。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，其特征是，包括有以下步骤：

S1、通过CT扫描所需人体局部部位，通过逆向工程建立人体骨骼、软组织轮廓模型，在有限元软件中建立服装模型，将服装模型与人体骨骼、软组织轮廓模型进行装配；

S2、对所建立模型进行参数设置，骨骼设置为各向同性线弹性体、软组织设置为线性粘弹性体、服装设置为线性弹性体；

S3、进行局部坐标系设置，确定骨骼关节旋转位置及方向；

S4、进行服装内壁与软组织外侧、骨骼与软组织之间的接触设置；

S5、对各层模型进行网格划分处理，并对模型进行边界条件设置；

S6、固定人体骨骼模型一端，服装与软组织过盈配合进行装配，通过远端位移进行模型模拟关节运动，计算获取运动状态下服装与人体的动态服装压力可视化分布位移云图与应力云图，对比应力云图与真实柔性传感器测量所得动态压力值以进行分析。

2.根据权利要求1所述的智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，其特征是，几何建模的设置具体为：

利用CT切片通过Mimics软件分别建立人体软组织及骨骼三角片格式的三维模型，并将模型导出；

结合逆向工程建模思路，将三维模型导入Geomagic软件中进行平滑处理转化为曲面模型，将其导出后继续导入Solidworks软件中进行装配；

保存导出后再次导入到ANSYS WORKBENCH内置的建模软件Spaceclaim中，在骨骼与软组织接触区域中建立球体空腔，利用布尔操作绘制骨骼与软组织中的缝隙；在solidworks中对软组织向内抽壳，建立套筒型服装模型。

3.根据权利要求2所述的智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，其特征是，局部坐标系的设置具体为：

在ANSYS Workbench Static静力学中的Mechanical模块中建立局部笛卡尔坐标系，坐标系原点为关节轴旋转中心原点，Z轴方向为关节旋转轴。

4.根据权利要求3所述的智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，其特征是，接触设置具体为：

固定人体模型一端，服装模型与软组织之间设置过盈接触，建立服装内壁与软组织外侧之间为有摩擦接触，摩擦系数为0.2，Offset设置为1mm；骨骼与软组织之间为绑定接触，关节与软组织内壁球体空腔、关节相对接触面之间设置为为无摩擦滑动接触。

5.根据权利要求1所述的智能服装柔性压力传感器着装测试数据的可靠性评价方法，其特征是，网格划分及边界条件设置具体为：

将各层模型选择单元类型为四面体单元Solid187，设置为不按照拓扑线划分网格，最大网格尺寸为5mm，最小网格尺寸为2mm；

关节处添加远端位移载荷，设定转动角度或转动速度，使一侧骨头绕轴旋转以模拟关节的运动工况。

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