CN113358248B - 一种织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物，包括织物坯布、传感阵列构成方法和阵列驱动方法；所述织物坯布为两类：坯布A由两种区域组成，区域一为高导电率纱线和不导电纱线分别构成织物的正反面，并每隔设定距离翻转；区域二为不导电纱线；坯布B为低导电率纱线和不导电纱线依次间隔不交叉编制；传感阵列由一块坯布A(驱动坯布)、一块坯布B和另一块坯布A(读出坯布)依次叠加构成。驱动坯布上的高电导率纱线构成的导电条连接控制器，读出坯布的高导电条接电阻下拉到低电平，电阻与传感阵列相连处接模数转换器。本发明的传感部分为纯织物，可附着在物体和人体表面长期使用。阵列驱动方式大量降低连线数量，使用便捷。

Description

一种织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物
技术领域
本发明涉及织物型拉力传感技术领域，具体涉及一种织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物。
背景技术
以织物形式构成的传感器具有柔软、舒适、贴身等特点，适合用在与人相关的测量中。以弹性导电纱线或弹性导电结构构成的拉力传感器可用来测量人类或机器人关节打开程度、身体姿态等。
现有测量中，以多个传感器单独安装至衣物内，每个传感器需要至少两根连线，如需测量某个面上的详细拉力（或称剪切力）分布，则需要的连线数量与传感器数量成正比，为达到高空间精度测量，需要附载大量连线，限制系统的日常使用。
发明内容
本发明提出的一种织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物，可解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种织物型拉力传感器阵列，包括织物坯布；
所述织物坯布包括坯布A和坯布B，坯布A有两块，坯布B放置在两块坯布A之间；
所述坯布A采用高电导率纱线和不导电纱线依次间隔编制，构成两种区域，区域一和区域二；
其中，区域一为高电导率纱线和不导电纱线重叠部分，即高导电率纱线和不导电纱线分别构成织物的正反面，并每隔设定距离翻转；
区域二为使用不导电纱线，可为单层、双层或多层结构；
坯布B为单层、双层或多层结构，为低导电率纱线和不导电纱线依次间隔不交叉编制；
其中，高电导率纱线的导电率在0.1-1000欧姆／10厘米；低电导率纱线的导电率在102-1010欧姆／10厘米；不导电纱线的导电率低于低导电率纱线，高于106欧姆／10厘米；
将一块坯布A即坯布A1和一块坯布B按照平行方式重叠，保证坯布A1的高导电率纱线和坯布B的低导电率纱线重叠部分接触，再将另一块坯布A即坯布A2放在坯布B下方，保证两块坯布A的导电条方向不平行，且上下两块坯布A与中间坯布B的低导电率纱线重叠部分不相重叠；
使用一块坯布A作为驱动坯布，另一块坯布A作为读出坯布，将驱动坯布上的高导电条即高电导率纱线构成的导电条连接控制器，读出坯布的高导电条接电阻下拉到低电平，电阻与传感阵列相连处接模数转换器。
进一步的，定义：d[x]-[y]为坯布的尺寸参数，其中：
下标x代表两种距离：
x=1, 坯布A的区域一高导电率纱线和不导电纱线每隔一段翻转，即d1为相邻两次翻转之间的中心到中心距离；
x=2,对坯布A，d2为两个导电区域一之间的中心到中心距离；对坯布B，d2为相邻两片由低导电率纱线编织的区域的中心到中心距离；
下标y为坯布编号；
则满足d1-A1 = d2-A2，d2-A1 = d2-B = d1-A2；
坯布A1的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A2含高导电率纱线的条带方向平行；
或者坯布A2的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A1含高导电率纱线的条带方向平行,此时需满足：d1-A2 = d2-A1，d2-A2 = d2-B = d1-A1。
进一步的，所述坯布A2采取与坯布A1相同或不同的参数；所述参数包括导电纱线和不导电纱线材料、导电条宽度、翻转距离、导电条间距。
进一步的，所述坯布结构使用横机和圆机实现，所述圆机包括大圆机、小圆机、内衣机、袜机。
进一步的，所述坯布结构为方形和筒形坯布时，直接由横机和圆机编织完成，其它形状使用横机编织成型或圆机坯布裁剪的方式获得，或采用经编方式实现。
进一步的，所述高电导率纱线通过混纺实现，包括不锈钢纤维与棉、化纤普通织物纤维混纺，或镀层实现，包括化纤表层镀银、镀铜或合金；
所述低电导率纱线由化纤掺杂导电颗粒制成原丝，再通过混纺、多股丝并线、多股纱并线，或多股丝纱并线方式获得强度满足要求的纱线；
所述不导电纱线为常用纺织用纱线。
进一步的，所述坯布结构通过在弹性底布上用刺绣或缝纫方式实现，使用人字车方法走线；
或直接使用弹性纱线如包芯纱通过设定花样以梭织方式实现。
另一方面，本发明还公开一种的织物型拉力传感器阵列的驱动方法，包括以下步骤：
将驱动坯布的一条高导电条接高电平，其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；
接着将驱动坯布的第二条高导电条接高电平，其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；
重复以上直到所有驱动坯布的高导电条均被置高过，将此过程中读出的所有模数转换器数值拼接成矩阵，即对应拉力阵列传感器的电阻值。
同时，本发明还公开一种的织物型拉力传感器阵列的驱动方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
采取每次拉高驱动坯布的一根导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法，或采用每次拉高若干导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法；
或将驱动电平从高电平改为低电平，此时对应的剩余导电条需拉高或悬空；
读出坯布所接电阻拉到高电平，或拉到低电平，保证与驱动电平高低相反；
驱动和读出坯布的高低电平标准相同或不同；
驱动坯布和读出坯布的功能可以互换。
进一步的，使用两块坯布A上的所有导电条，或间隔使用即不使用的导电条悬空或拉到某固定电平，或者将若干条导电条连到同一驱动信号上即驱动坯布或同一端接电阻读出坯布。
再一方面，本发明公开一种基于织物型拉力传感器阵列的智能物，基于上述的织物型拉力传感器阵列，覆盖在人体表面即成为压阻阵列型智能衣，若覆盖面积非全身，则成为智能帽、智能脖套、智能围巾、智能袖套、智能抹胸、智能绑带、智能袜、智能鞋垫；
或覆盖在家具表面即成为压阻阵列型智能家纺，包括智能桌布、智能椅套、智能床单、智能轮椅；
或覆盖在地面和墙面即成为压阻阵列型智能地毯、智能墙布。
由上述技术方案可知，本发明的织物型拉力传感器阵列、驱动方法及智能物包括织物坯布结构、传感阵列构成方法和阵列驱动方法；其中，所述织物坯布为两类：坯布A由两种区域组成，区域一为高导电率纱线和不导电纱线分别构成织物的正反面，并每隔设定距离翻转；区域二为不导电纱线；坯布B为低导电率纱线和不导电纱线依次间隔不交叉编制；传感阵列由一块坯布A（比如作为驱动坯布）、一块坯布B和另一块坯布A（比如作为读出坯布）依次叠加构成。驱动坯布上的高电导率纱线构成的导电条连接控制器，读出坯布的高导电条接电阻下拉到低电平，电阻与传感阵列相连处接模数转换器。
具体的说，本发明的织物型拉力传感器具有以下有益效果：本发明以阵列形式组织传感器，大量降低连线数量，以N+M根引出线控制和读出N*M个拉力传感器，且连线均在传感器阵列边缘引出，使用便捷。整个传感阵列以织物形式构成，传感区域中不含任何硬质传感器或导线，柔软、透气、可拉伸、可弯折，可以盖布、布套和衣物等形式附着在大部分物体和人体表面，长期使用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的织物型拉力传感器，由织物传感器阵列和驱动模块组成，其中织物阵列的核心部分由三块布重叠构成。
坯布基本结构：坯布分为两种（如附图1）。以高导电率纱线（纱线1）、低导电率纱线（纱线2）、不导电纱线（纱线3）为原料、采用纬编方式实现织物坯布。
坯布A为双层结构，由高电导率纱线（混纺或镀层）和不导电纱线间隔编制，区域一使用高导电率纱线和不导电纱线分别构成织物的正反面，并每隔一段距离翻转；区域二使用不导电纱线，可为单层、双层或多层结构。
坯布B为单层、双层或多层结构，最基本结构为低导电率纱线和不导电纱线间隔编制。
传感阵列基本结构：将一块坯布A和一块坯布B按照平行方式重叠，保证坯布A的高导电率纱线和坯布B的低导电率纱线重叠部分接触良好（可使用增加压力、缝合等方式），再将另一块坯布A（可采取与第一块坯布A相同或不同的参数，如导电纱线和不导电纱线材料、导电条宽度、翻转距离、导电条间距等均可与第一块坯布A不同）放在坯布B下方，保证两块坯布A的导电条方向不平行，且上下两块坯布A与中间坯布B的低导电率纱线重叠部分不相重叠。附图1中为一个3*3阵列，阵列最小可为1*1，不设上限，横列和纵列数目可以相同，也可以不同。
如图1所示，定义：d[x]-[y]为坯布的尺寸参数，其中：
下标x代表两种距离：
x=1, 坯布A的区域1高导电率纱线和不导电纱线每隔一段翻转，d1为相邻两次翻转之间的中心到中心距离。
x=2,对坯布A，d2为两个导电区域1之间的中心到中心距离；对坯布B，d2为相邻两片由低导电率纱线编织的区域的中心到中心距离。
下标y为坯布编号。
则满足d1-A1= d2-A2，d2-A1= d2-B = d1-A2;
坯布A1的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A2含高导电率纱线的条带方向平行。（或：坯布A2的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A1含高导电率纱线的条带方向平行。此时需满足：d1-A2= d2-A1，d2-A2= d2-B = d1-A1)。
驱动基本结构：使用一块坯布A作为驱动坯布，另一块坯布A作为读出坯布，将驱动坯布上的高导电条接控制器（如微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器和器件等），读出坯布的高导电条接电阻下拉到低电平，电阻与传感阵列相连处接模数转换器。首先将驱动坯布的一条高导电条接高电平（如控制器的IO管脚置高），其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；接着将驱动坯布的第二条高导电条接高电平，其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；重复以上直到所有驱动坯布的高导电条均被置高过，将此过程中读出的所有模数转换器数值拼接成矩阵，即对应拉力阵列传感器的电阻值。
使用方式：当传感器阵列的读出坯布导电条方向受到拉伸，受到拉伸部分的传感器电阻上升，对应的读出数值下降，因此模数转换器读出的矩阵与拉力传感器阵列上受到的局部拉力分布呈一对一对应关系，可表征其所在平面的拉力分布。
附加结构（可依据实际应用场景选用或不用）：
1)采取移针方法在面料上编织出通孔，便于后期的信号引出和坯布固定。
2)采用夹弹丝（如氨纶丝）或在织造前采用包缠、包芯等方式增加纱线弹性，获取更好的坯布弹性。
3)采用局部提花方式，控制高导电率和／或低导电率条带被引到或布坯布边缘。
基本实施例：
在具体实施中坯布结构可使用横机和圆机（含大圆机、小圆机、内衣机、袜机等）实现。方形和筒形坯布（如床单、桌布等应用）可直接由横机和圆机编织完成，其它形状可使用横机编织成型或圆机坯布裁剪的方式获得。在追求编织速度时，也可以采用经编方式实现。
高电导率纱线可由混纺实现，如不锈钢纤维与棉、化纤等普通织物纤维混纺；也可由镀层实现，如化纤表层镀银、镀铜或合金。导电率在0.1-1000欧姆／10厘米。
低电导率纱线可由化纤掺杂导电颗粒制成原丝，在通过混纺、多股丝并线、多股纱并线，或多股丝纱并线等方式获得强度足够的纱线，导电率需要低于高电导率纱线，在102-1010欧姆／10厘米。
不导电纱线为常用纺织用纱线，要求导电率低于低导电率纱线，高于106欧姆／10厘米。
坯布成型后按图1构成传感器阵列并加装测量模块，即可测量所在表面的拉力分布，覆盖在人体表面即可成为压阻阵列型智能衣，如覆盖面积非全身，也可以成为智能帽、智能脖套、智能围巾、智能袖套、智能抹胸、智能绑带、智能袜、智能鞋垫等；覆盖在家具表面即可成为压阻阵列型智能家纺，如智能桌布、智能椅套、智能床单、智能轮椅等；覆盖在地面和墙面即可成为压阻阵列型智能地毯、智能墙布等。
本发明实施例相关替代方案如下：
坯布制造替代方案：坯布A和坯布B的结构也可以通过以下方式：
a)在弹性底布上用刺绣或缝纫方式实现，使用人字车方法走线以维持底布弹性；
b)直接使用弹性纱线（例如包芯纱）通过设计花样以梭织方式实现；
坯布A和坯布B的导电条可以等间距（统一空间分辨率阵列），也可以非等间距（非统一空间分辨率阵列）。
传感器阵列构造方案：可以使用两块坯布A上的所有导电条，也可间隔使用（不使用的导电条悬空或拉到某固定电平），或者将若干条导电条连到同一驱动信号上（驱动坯布）或同一端接电阻（读出坯布）。
阵列驱动代替方法：扫描方式可采取每次拉高驱动坯布的一根导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法，也可采用每次拉高若干导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法。也可以将驱动电平从高电平改为低电平，此时对应的剩余导电条需拉高或悬空。读出坯布所接电阻可以拉到高电平，也可以拉到低电平。驱动和读出坯布的高低电平标准可相同，也可不同。驱动坯布和读出坯布的功能可互换（即：图1中的坯布A1为驱动坯布，A2为读出坯布，中间层坯布B与A1平行，端接电路在A2上；在同样的重叠方式下，也可将A1作为读出坯布，A2作为驱动坯布，此时中间层仍与A1平行，但端接电阻和ADC将换到A1上，驱动IO管脚换到A2上。）
综上所述，本发明以阵列形式组织传感器，大量降低连线数量，以N+M根引出线控制和读出N*M个拉力传感器，且连线均在传感器阵列边缘引出，使用便捷。整个传感阵列以织物形式构成，传感区域中不含任何硬质传感器或导线，柔软、透气、可拉伸、可弯折，可以盖布、布套和衣物等形式附着在大部分物体和人体表面，长期使用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种织物型拉力传感器阵列，其特征在于：包括织物坯布；
所述织物坯布包括坯布A和坯布B，坯布A有两块，坯布B放置在两块坯布A之间；
所述坯布A采用高电导率纱线和不导电纱线依次间隔编制，构成两种区域，区域一和区域二；
其中，区域一为高电导率纱线和不导电纱线重叠部分，即高导电率纱线和不导电纱线分别构成织物的正反面，并每隔设定距离翻转；即在一定距离内正面为高导电率纱线，背面为不导电纱线，翻转后正面为不导电纱线，背面为高导电纱线；
区域二为使用不导电纱线，可为单层、双层或多层结构；
坯布B为单层、双层或多层结构，为低导电率纱线和不导电纱线依次间隔不交叉编制；
其中，高电导率纱线的导电率在0.1-1000欧姆／10厘米；低电导率纱线的导电率在102-1010欧姆／10厘米；不导电纱线的导电率低于低导电率纱线，高于106欧姆／10厘米；
将一块坯布A即坯布A1和一块坯布B按照平行方式重叠，保证坯布A1的高导电率纱线和坯布B的低导电率纱线重叠部分接触，再将另一块坯布A即坯布A2放在坯布B下方，保证两块坯布A的导电条方向不平行，且保证坯布A2的高导电率纱线和坯布B的低导电率纱线重叠部分接触，且坯布A1和坯布B重叠的部分与坯布A2和坯布B重叠的部分在坯布B上不重叠；
使用一块坯布A作为驱动坯布，另一块坯布A作为读出坯布，将驱动坯布上的高导电条即高电导率纱线构成的导电条连接控制器，读出坯布的高导电条接电阻下拉到低电平，电阻与传感阵列相连处接模数转换器；
定义：d[x]-[y]为坯布的尺寸参数，其中：
下标x代表两种距离：
x=1, 坯布A的区域一高导电率纱线和不导电纱线每隔一段翻转，即d1为相邻两次翻转之间的中心到中心距离；
x=2,对坯布A，d2为两个导电区域一之间的中心到中心距离；对坯布B，d2为相邻两片由低导电率纱线编织的区域的中心到中心距离；
下标y为坯布编号；
则满足d1-A1= d2-A2，d2-A1= d2-B = d1-A2；
坯布A1的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A2含高导电率纱线的条带方向平行；
或者坯布A2的含高导电率纱线的条带方向与坯布B的含低导电率纱线条带方向一致，且此方向不能与坯布A1含高导电率纱线的条带方向平行,此时需满足：d1-A2= d2-A1，d2-A2=d2-B = d1-A1。
2.根据权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：所述坯布A2采取与坯布A1相同或不同的参数；所述参数包括导电纱线和不导电纱线材料、导电条宽度、翻转距离、导电条间距。
3.根据权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：所述坯布结构使用横机和圆机实现，所述圆机包括大圆机、小圆机、内衣机、袜机；
所述坯布结构为方形和筒形坯布时，直接由横机和圆机编织完成，其它形状使用横机编织成型或圆机坯布裁剪的方式获得，或采用经编方式实现。
4.根据权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：
所述高电导率纱线通过混纺实现，包括不锈钢纤维与棉、化纤普通织物纤维混纺，或镀层实现，包括化纤表层镀银、镀铜或合金；
所述低电导率纱线由化纤掺杂导电颗粒制成原丝，再通过混纺、多股丝并线、多股纱并线，或多股丝纱并线方式获得强度满足要求的纱线；
所述不导电纱线为常用纺织用纱线。
5.根据权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：
所述坯布结构通过在弹性底布上用刺绣或缝纫方式实现，使用人字车方法走线；
或直接使用弹性纱线如包芯纱通过设定花样以梭织方式实现。
6.一种织物型拉力传感器阵列的驱动方法，采用权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：包括以下步骤：
将驱动坯布的一条高导电条接高电平，其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；
接着将驱动坯布的第二条高导电条接高电平，其余接低电平或者悬空，读出此时的模数转换器数值；
重复以上直到所有驱动坯布的高导电条均被置高过，将此过程中读出的所有模数转换器数值拼接成矩阵，即对应拉力阵列传感器的电阻值。
7.一种织物型拉力传感器阵列的驱动方法，采用权利要求1所述的织物型拉力传感器阵列，其特征在于：包括以下步骤：
采取每次拉高驱动坯布的一根导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法，或采用每次拉高若干导电条、并拉低或悬空剩余导电条的方法；
或将驱动电平从高电平改为低电平，此时对应的剩余导电条需拉高或悬空；
读出坯布所接电阻拉到高电平，或拉到低电平，保证与驱动电平高低相反；
驱动和读出坯布的高低电平标准相同或不同；
驱动坯布和读出坯布的功能可以互换。
8.根据权利要求6或7所述的一种织物型拉力传感器阵列的驱动方法，其特征在于：使用两块坯布A上的所有导电条，或间隔使用即不使用的导电条悬空或拉到某固定电平，或者将若干条导电条连到同一驱动信号上即驱动坯布或同一端接电阻读出坯布。
9.一种基于织物型拉力传感器阵列的智能物，其特征在于：基于权利要求1-5任意一项所述的织物型拉力传感器阵列 ，覆盖在人体表面即成为压阻阵列型智能衣，若覆盖面积非全身，则成为智能帽、智能脖套、智能围巾、智能袖套、智能抹胸、智能绑带、智能袜、智能鞋垫；
或覆盖在家具表面即成为压阻阵列型智能家纺，包括智能桌布、智能椅套、智能床单、智能轮椅；
或覆盖在地面和墙面即成为压阻阵列型智能地毯、智能墙布。
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