CN115012107A - 可穿戴柔性传感元件的编织方法、装备及计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涉及可穿戴柔性传感元件的编织方法、装备及计数方法，属于智能织物制造技术领域。所述柔性传感元件包括敏感区域与非敏感区域；所述敏感区域由第一纱线针织而成，用于检测力学信号并转换为电信号；所述非敏感区域由第二纱线编织形成，用于形成除所述敏感区域以外的其他区域的结构设计；所述第一纱线至少包含导电纱线；所述敏感区域与非敏感区域通过全成形针织连接而成。本发明提供的全成形编织而成的柔性传感元件，可以实现传感器与纺织品无缝融合，进一步既能符合穿戴的柔性要求，又能解决电路的性能可靠问题；可穿戴计数装备，更适宜应用于瞬时接触状态下的信号记录，应用场景广泛，如计步、物体计数、姿态矫正等。

Description

可穿戴柔性传感元件的编织方法、装备及计数方法

技术领域

本发明涉及智能织物制造技术领域，特别涉及一种可穿戴柔性传感元件编织方法、装备及计数方法。

背景技术

随着通讯技术、网络和数据库技术迅猛发展，信息化与数字化时代已然来临，可穿戴设备也日渐渗透发展到科技、医疗、生活等与人们生活息息相关的应用领域。其中，可穿戴计数设备被广泛应用于计步、零件计数、运动计数等场景中。常见的计数手段有扫描标签计数、光电感应计数、重力感应计数等方法。

目前相关研究技术中开发的可穿戴智能计数设备，大多属于外部入侵式设备，例如，通过在穿戴服饰上外加传感零件来实现计数功能，或者在穿戴服饰外部黏贴或缝纫柔性导电片等方式实现智能计数功能。相关技术中的可穿戴计数设备均存在与身体接触生硬、监测范围局限、使用寿命短等缺点。

因此如何开发出一种更加贴合人体、穿着舒适的柔性智能传感纺织品成为可穿戴技术发展的关键目标之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴柔性传感元件、计数方法及介质，以解决上述相关技术存在的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种可穿戴柔性传感元件的编织方法，所述柔性传感元件包括敏感区域与非敏感区域；

所述敏感区域由第一纱线针织而成，用于检测力学信号并转换为电信号；所述非敏感区域由第二纱线编织形成，用于形成除所述敏感区域以外的其他区域的结构设计；所述第一纱线至少包含导电纱线；

所述敏感区域和/或非敏感区域分别包括空间上位置相对的至少两个表层；所述至少两个表层通过间隔丝编织形成间隔层相连接；

所述敏感区域与非敏感区域通过全成形针织连接而成，具体包括：

使用第二纱线采用成圈、集圈的方式编织非敏感区域的至少两个表层，再使用间隔丝以间隔集圈的方式编织非敏感区域间隔层连接非敏感区域至少两个表层；

当编织到敏感区域横列时，引入第一纱线采用集圈、成圈的方式编织敏感区域的至少两个表层，再使用间隔丝以间隔集圈的方式编织敏感区域间隔层连接敏感区域两个表层。

可选地，所述柔性传感元件具有一个或多个敏感区域，所述每个敏感区域形成导电通路。

可选地，所述第一纱线包括表面镀金属长丝纱线、金属长丝纱线、碳纤维长丝纱线中的至少一种；所述第二纱线包括天然短纤维纱线、化纤长丝、吸湿抗菌纱线中的至少一种；所述间隔丝包括涤纶、丙纶、锦纶长丝中的至少一种。

一种可穿戴计数装备，包含上述任意一所述编织方法形成的可穿戴柔性传感元件，以及微控制器模块和无线通信模块，所述可穿戴柔性传感元件与所述微控制器模块电连接；

所述微控制器模块与无线通信模块电连接；

所述无线通信模块用于与智能终端进行无线通信。

一种上述可穿戴计数装备的计数方法，所述可穿戴柔性传感元件将外部应力信号转换为电信号；

所述微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，并将所述后处理数据信息传输至无线通信模块；

所述无线通信模块将后处理数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示计数情况。

可选地，所述电信号为电容变化信号。

可选地，所述微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，包括：若电信号大于设定阈值时，则开始计数；根据电信号连续出现的脉冲信号个数记录数量；若所述电信号小于设定阈值时，则停止计数。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的可穿戴柔性传感元件的编织方法，利用全成形针织技术编织而成，实现传感器与纺织品的无缝融合，进一步既能符合柔性传感要求，又解决电路的性能可靠问题。

2.本发明的可穿戴柔性传感元件，非敏感区域可以根据穿戴需求进行任意结构设计，能够以更灵活的编织手段获得所需产品，比方可以设计成鞋垫、表带、护腕、头巾等产品，能够满足对舒适性、延伸性、透气性、可穿戴性和可洗性等各方面要求，更适于应用于可穿戴智能织物中。

3.本发明的可穿戴计数设备应用场景广泛，如计步、物体计数、姿态矫正等。通过可穿戴柔性传感元件将外部应力信号转换为电信号，输入给微控制器模块进行处理分析，得到后处理数据信息传输至蓝牙模块，再无线传送至智能终端，更适宜应用于瞬时接触状态下的信号记录。

附图说明

图1为本发明一个示例性实施例1提供的可穿戴柔性传感元件织物结构及纱嘴运行轨迹；

图2本发明一个示例性实施例1提供的可穿戴柔性传感元件的三维网状结构示意图：(a)侧视图(省略间隔层)；(b)俯视图；(c)剖视图；

图3为本发明一个示例性实施例1提供的可穿戴柔性传感元件敏感区域的局部编织工艺示意图；

图4为本发明一个示例性实施例1提供的可穿戴柔性传感元件进行手部按压动作监测示意图；

图5为本发明一个示例性实施例1提供的可穿戴柔性传感元件进行物体数量称重监测示意图；

图6为本发明一个示例性实施例2提供的可穿戴柔性传感元件——计步鞋垫的结构示意图；

图中，足尖压力敏感区域1，足中压力敏感区域2，足跟压力敏感区域 3，非敏感区域4，导电纱线5。

图7为本发明一个示例性实施例2提供的计步鞋垫的收针成形工艺；

图8为本发明一个示例性实施例2提供的计步鞋垫的放针成形工艺；

图9为本发明一个示例性实施例2提供的计步鞋垫成品效果；

图10为本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的结构框图；

图11为本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的计数方法流程示意图；

图12为本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的另一种计数方法流程示意图；

图13为本发明一个示例性实施例3提供的压力鞋垫监测人体在站立状态下的压力分布云图；

图14为本发明一个示例性实施例3提供的压力鞋垫监测人体在抬脚/ 落脚状态下的步频测试图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

首先，对本申请实施例中涉及的名词进行简单的介绍：

敏感区域：由导电纱线编织而成的，当对该区域施加压力时，该区域的间隔距离发生变化，从而引起电信号变化的区域；

非敏感区域：由普通纱线编织而成的，当对该区域施加压力时，该区域的间隔距离发生变化，但不能够引起电信号变化的区域。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定中心的方向。

图1示出了本申请一个示例性实施例1提供的一种可穿戴柔性传感元件织物结构及纱嘴运行轨迹，具体地为一方形结构的可穿戴柔性传感元件，简称方形压力监测垫；

在本发明实施例中，可穿戴柔性传感元件为三维网络式结构，作为示例性的说明，如图2所示，由于制图限制，图2(a)省略了间隔层，图2 (c)可以清楚地展现该间隔层结构。可穿戴柔性传感元件包括敏感区域与非敏感区域；敏感区域由第一纱线针织而成，用于检测力学信号并转换为电信号；非敏感区域由第二纱线编织形成，用于形成除敏感区域以外的其他区域的结构设计；敏感区域与非敏感区域通过全成形针织连接而成；第一纱线至少包含导电纱线，作为举例说明，第一纱线包括表面镀金属长丝纱线、金属长丝纱线、碳纤维长丝纱线中的至少一种，可以是单独一种表面镀金属长丝纱线或金属长丝纱线或碳纤维长丝纱线；也可以是表面镀金属长丝纱线与金属长丝纱线的混纺；表面镀金属长丝纱线与碳纤维长丝纱线的混纺；金属长丝纱线与碳纤维长丝纱线的混纺等等。

在一些具体的实施例中，第二纱线包括天然短纤维纱线、化纤长丝、吸湿抗菌纱线中的至少一种，可以是单独一种天然短纤维纱线或化纤长丝或吸湿抗菌纱线；也可以是天然短纤维纱线与化纤长丝的混纺；化纤长丝与吸湿抗菌纱线的混纺；天然短纤维纱线与吸湿抗菌纱线的混纺；天然短纤维纱线、化纤长丝与吸湿抗菌纱线的混纺等等。

可选地，柔性传感元件具有一个或多个敏感区域，每个敏感区域形成导电通路。

在一些示例性的实施例中，穿戴柔性传感元件设计为如图6所示的计步鞋垫的结构，包括3个敏感区域：足尖压力敏感区域1，足中压力敏感区域2，足跟压力敏感区域3，非敏感区域4，导电纱线5；计步鞋垫实物的成品效果图参照图8。在一些情况中，3个敏感区域均由空间上位置相对的两个表层以及通过间隔丝编织形成的间隔层连接两个表层组成的三维多层结构，在另一些情况中，其中一个敏感区域由空间上位置相对的三个表层以及连接各个表层的间隔层组成的三维结构，其余敏感区域仍然由空间上位置相对的两个表层以及通过间隔丝编织形成的间隔层连接两个表层组成的三维多层结构，本发明的具体实施例中，间隔丝包括涤纶、丙纶、锦纶长丝中的至少一种

基于上述可穿戴柔性传感元件，图3示出了该可穿戴柔性传感元件的敏感区域的局部编织工艺示意图。在本发明示例性实施例中，可穿戴柔性传感元件的制备方法包括：使用第二纱线采用成圈、集圈的方式编织所述非敏感区域，当编织到敏感区域横列时，使用第一纱线采用成圈、集圈的方式编织所述敏感区域。

在一些情况中，可穿戴柔性传感元件的制备方法，包括：使用第二纱线采用集圈、成圈的方式编织非敏感区域的正反两个表层，再以间隔集圈的方式编织非敏感区域间隔层连接非敏感区域两个表层；当编织到敏感区域横列时，使用第一纱线采用集圈、成圈的方式编织敏感区域的正反两个表层，再以间隔集圈的方式编织敏感区域间隔层连接敏感区域两个表层。

在本发明实施例中，以方形结构的可穿戴柔性传感元件为例，更进一步展开说明上述可穿戴柔性传感元件的编织方法：

方形结构的可穿戴柔性传感元件的主要是在双/四针床全成形电脑横机上编织形成的，将非敏感区域和敏感区域的编织工艺分别做以下说明：

非敏感区域的编织工艺为：在横编机器的前下和后下针床编织间隔织物的正反两面的两个表层，同时将具有一定线密度的单丝以一定的规律性在前、后床的织针上间隔集圈，从而将两个表层连接起来。在非敏感区域编织时，前后表层层的面纱部分使用同一把纱嘴进行编织。为了保持织物的平衡，机头运转一个循环过程中，面纱纱嘴也随机头在前针床、后针床分别形成一个横列的线圈形成空气层结构。

敏感区域的编织工艺为：在进行敏感区域编织时每面的一个横列需要用到四个纱嘴。当编织到导电部分所在横列时，将穿有导电纱线的纱嘴引入敏感区域编织范围内，将原有的面纱纱嘴用于编织导电部分左侧的非敏感区域，同时引入第二把面纱纱嘴进入导电部分的右侧区域进行编织。编织过程中，纱嘴运动方向与机头运行方向一致，间隔单丝仍在织物中间进行前后集圈连接。其编织过程中纱嘴使用情况如图1所示，非敏感区域首先使用面纱纱嘴1循环编织，当编织到导电部分时引入导电纱纱嘴1、2和面纱纱嘴2。左右两把面纱纱嘴分别进行C型编织，两把导电纱纱嘴在前后片分别进行嵌花结构编织，形成方形敏感区域。

在另一种可选的实施例中，以计步鞋垫结构的可穿戴柔性传感元件为例，更进一步展开说明上述可穿戴柔性传感元件的制备方法：

计步鞋垫采用双针床或四针床全成形电脑横机进行编织。

导电纱线在主要工作部位形成敏感区域，在织物主体部分的单个横列/ 纵行进行成圈/集圈编织形成作为传导电信号的导线，敏感区域的局部编织示意图如图3所示：

当编织敏感区域的两个表层时，分别在横编机器的前下和后下针床编织间隔织物的正反两面的两个表层，导电纱线分别由两个不同纱嘴带到指定位置，同时喂入前后针床由机头带动单向编织，该行传感电路部分结束时，由定位纱嘴带动普通纱线继续编织，由此得到敏感区域完整的一个横列；同时将具有一定抗弯模量的单丝以一定的规律性在前、后床的织针上间隔集圈，从而将两个表层连接起来。

为了使鞋垫与脚型更加贴合，曲线间衔接更加顺畅，在工艺上通过逐行加/减针实现，通过加/减针数目控制加/减针的宽度，从而使织物的曲线弧度衔接更加流畅。其减针工艺如图7所示，后下针床编织一行线圈时，将布边4个线圈翻针至前上针床，随后前针床向右横移一个针距后将4个线圈翻回后下针床，此时后针床的第5根织针上持有重叠线圈，而后片横向减少1针，前片依次过程同样减少1针，由此实现了织物宽度减少1个线圈。

其加针工艺如图8所示，后下针床编织一行线圈时，在前上针床距布边3针处多编织1个线圈；其次将前床向右横移一个针距，把后针床布边3 个线圈翻至前上针床；随后前针床向左横移至原位并将前上针床线圈翻回后下针床，由过程使织物后片增加1针。同理，前片以此过程同样增加1 针，由此前后针床依次增加1针实现了宽度上增加1个线圈，此过程间隔纱线纱嘴暂停编织。

图10示出了本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的结构框图，包含上述可穿戴柔性传感元件、微控制器模块和无线通信模块，可穿戴柔性传感元件通过导电纱线与微控制器模块电连接，微控制器模块与无线通信模块电连接，可穿戴计数装备通过无线通信模块实现与智能终端的通信连接，作为示例性说明，本发明实施例的无线通信模块可以是采用蓝牙、WiFi网络、ZigBee等，以实现数据的可靠传输。

可选地，图4、图5示出了该可穿戴计数装备包含上述方形压力监测垫的可穿戴计数装备，对其进行手部按压、重物称重的监测。

图11示出了本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的计数方法流程示意图，包括步骤：

可穿戴柔性传感元件将外部应力信号转换为电信号；微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，并将所述后处理数据信息传输至蓝牙模块；所述蓝牙模块将后处理数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示计数情况。

在一些可选的实施例中，电信号可以是电压变化信号或电容变化信号。

图12示出了本发明一个示例性实施例提供的可穿戴计数装备的另一种计数方法流程示意图：

基于上述计数方法，微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，包括：若电信号大于设定阈值时，则开始计数；根据电信号连续出现的脉冲信号个数记录数量；若所述电信号小于设定阈值时，则停止计数。

在本发明的实施例中，以包含上述方形压力监测垫的可穿戴计数装备为例，具体说明该计数方法：

方形压力监测垫监测阀值设置为电容变化量ΔC/C₀＝0.5，当电容变化量在一个连续区间内数值均大于0.5时，计数器计数增加一次。

方形压力监测垫用于检测手部按压动作监测时，通过曲线波动频率与传感器电容变化峰值的特征可以还识别手部动作的按压频率、压力大小以及动作类型。

通过对本发明实施例中方形压力监测垫分别进行手指按压与拳头锤击动作，得到其电容变化情况如图4所示，其中(a)为手指按压，(b)为拳头锤击。由对电容变化量测量可以得到，图3(a)与图3(b)中均有5 段区间超过阀值，因此计数均为5次。

本发明实施中的方形压力监测垫还可用于识别手部按压动作类型，由图3可以直观地通过峰值特征看出，(a)峰值具有明显的平缓过渡，说明此时手部动作较为缓和轻柔，而(b)峰值尖锐无明显停顿，说明此时手部动作压力较为急促；通过波动幅度与波动频率可以看出，(a)电容变化的峰值整体较小，在0.7左右，压缩频率较平缓，每次动作的时间约为2s，而(b)电容变化峰值几乎都在0.8以上，每次动作时间小于1s，二者可以明显表现出手部动作的变化，通过差异分析可以识别手指点压动作与拳击动作。

本发明实施例中的方形压力监测垫还可用于物体数量称重监测，如图5 所示将其用作称重计，在轻重量检测范围内，在测量盒中增加砝码数量，电容变化能够快速响应，并通过变化高度反映数量增加多少。在检测到物体数量变化的同时压力监测垫还能检测到物体数量未发生变化的时间，在之后应用中还可以用做智能药盒等应用场景中。

在本发明的实施例中，以包含上述计步鞋垫结构的可穿戴计数装备为例，具体说明该计数方法：

柔性传感元件，即计步鞋垫对人体足部应力信号进行检测转换为电信号；微控制器模块获取计步鞋垫输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，并将所述后处理数据信息传输至蓝牙模块：蓝牙模块将后处理数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示计数情况。

在可选的实施例中，计步鞋垫工作流程：当人处于走路状态时，对鞋垫敏感区域产生挤压应力，使空间上位置相对的两个表层(也可称为两个感应极板)距离发生变化，引起柔性传感元件电容变化的电信号，其电信号通过导电纱线传输到微控制器模块，当两感应极板被压缩到一定程度时，电容变化情况超过标准阀值，开始计数，计数加一，根据电信号连续出现的脉冲信号个数记录总步数；当电容变化情况小于设定阈值时，则停止计数。

图13示出了计步鞋垫应用于监测站立状态足部压力分布时，站立状态下足部三个部位的压力分布云图。云图的峰值为当前压力状态下传感器的电容变化，三个传感器相互配合反映了在同一状态下受到压力的差异。

智能计步鞋垫应用于监测步态循环。以每6s为一个周期，在鞋垫上进行站立、抬脚的动作循环。图14示出了实时监测智能鞋垫三个部位的电容变化率曲线。当站立状态下足尖电容变化率的波峰最高，足中电容变化率的波峰最低，由此可得该受试者在站立状态下足尖受力最大。在循环运动过程中，计步鞋垫能够随着足部状态变化迅速响应，在维持站立/抬脚状态相应时间内，测量数值也能够维持在小范围内波动并稳定变化。

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 (7)

1.一种可穿戴柔性传感元件的编织方法，其特征在于，

所述柔性传感元件包括敏感区域与非敏感区域；

所述敏感区域由第一纱线针织而成，用于检测力学信号并转换为电信号；所述非敏感区域由第二纱线编织形成，用于形成除所述敏感区域以外的其他区域的结构设计；所述第一纱线至少包含导电纱线；

所述敏感区域和/或非敏感区域分别包括空间上位置相对的至少两个表层；所述至少两个表层通过间隔丝编织形成间隔层相连接；

所述敏感区域与非敏感区域通过全成形针织连接而成，具体包括：

使用第二纱线采用成圈、集圈的方式编织非敏感区域的至少两个表层，再使用间隔丝以间隔集圈的方式编织非敏感区域间隔层连接非敏感区域至少两个表层；

当编织到敏感区域横列时，引入第一纱线采用集圈、成圈的方式编织敏感区域的至少两个表层，再使用间隔丝以间隔集圈的方式编织敏感区域间隔层连接敏感区域两个表层。

2.如权利要求1所述的可穿戴柔性传感元件的编织方法，其特征在于，所述柔性传感元件具有一个或多个敏感区域，所述每个敏感区域形成导电通路。

3.如权利要求1所述的可穿戴柔性传感元件的编织方法，其特征在于，所述第一纱线包括表面镀金属长丝纱线、金属长丝纱线、碳纤维长丝纱线中的至少一种；所述第二纱线包括天然短纤维纱线、化纤长丝、吸湿抗菌纱线中的至少一种；所述间隔丝包括涤纶、丙纶、锦纶长丝中的至少一种。

4.一种可穿戴计数装备，其特征在于，

包含如权利要求1～3任一项所述编织方法形成的所述可穿戴柔性传感元件，以及微控制器模块和无线通信模块，

所述可穿戴柔性传感元件与所述微控制器模块电连接；

所述微控制器模块与无线通信模块电连接；

所述无线通信模块用于与智能终端进行无线通信。

5.一种如权利要求4所述的可穿戴计数装备的计数方法，其特征在于，

所述可穿戴柔性传感元件将外部应力信号转换为电信号；

所述微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，并将所述后处理数据信息传输至无线通信模块；

所述无线通信模块将后处理数据信息无线传送到智能终端，并在智能终端的显示设备上实时显示计数情况。

6.根据权利要求5所述的可穿戴计数装备的计数方法，其特征在于，所述电信号为电容变化信号。

7.根据权利要求5所述的可穿戴计数装备的计数方法，其特征在于，所述微控制器模块获取所述可穿戴柔性传感元件输出的电信号进行处理分析得到后处理数据信息，包括：

若电信号大于设定阈值时，则开始计数；根据电信号出现的脉冲信号个数记录数量；若所述电信号小于设定阈值时，则停止计数。

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