CN116127548A - 一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，包括将柔性传感纱线集成于服装的自锁缝纫针法、智能服装的设计以及传感信号采集、传输与显示系统。本发明开发了一种将人体活动通过服装面料高效传递至柔性传感纱线的自锁缝纫针法；在服装内侧缝合内衬形成布线通道，在外侧嵌入松紧带，内置口袋；通过上述缝纫针法将柔性传感纱线缝纫于肘部、腹部、腕部和胸部等位置的内衬布料内，布线通道内穿入柔性导电纱线将柔性传感纱线与口袋中多通道信号采集器对应的接口相连接；多通道信号采集器同时采集和处理多处柔性传感纱线的信号并无线传输至智能终端。该方法实现了一种人体运动和生理数据协同监测的智能服装设计。

Description

一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法

技术领域

本发明属于柔性导电传感器材料技术领域，具体涉及一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法。

背景技术

智能可穿戴设备可以帮助用户实时获取自身的运动和健康数据，提升锻炼质量和生活品质。目前，智能手表、手环和腕带等电子产品仅实现了可戴，而对使用更方便的可穿产品研究相对较少。服装的体表覆盖率高，更适合作为传感元件的载体开发智能可穿产品。

目前，智能服装中使用的传感元件主要为硬质传感器、惯性测量单元和心电电极贴片。例如，CN115192005A将多个集成电容耦合电极和加速度传感器的印刷线路板布置在服装外侧采集心电和心震信号；CN112353372A将多种硬件传感器封装在服装中测量温度、湿度和心率；CN111067163A将包括金属箔在内的多种硬质电子元件嵌入服装中监测血压、呼吸和心电。这些附着在服装上的刚性硬件在信号测量方面表现成熟，但严重影响用户的穿着舒适性和美观性，且仅单一地对运动或生理活动进行监测，存在较大的局限性。

为了提高穿着舒适性，研究人员通过纺织加工技术在服装中集成传感元件，如：CN113752637A通过三维机织法将光纤布拉格光栅传感器植入服装中监测温度；CN110522101A采用针织工艺将基于塑料光纤的传感器嵌入织物中监测形变；CN110522101A将由导电纱线和普通纱线编织而成的织物嵌入服装中用作触控传感器。与纺织加工技术相比，操作简单的缝纫技术能灵活地将功能纱线集成到成品服装的任意部位，减少智能服装的生产步骤和成本。由于低模、高弹的应变传感纱线无法通过缝纫机缝入织物中，所以需要开发一种适用于将应变传感纱线集成到服装布料的方法。

发明内容

本发明目的是提供一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法。

本发明的技术方案是：

一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，包括如下步骤：

(1)在服装的内侧缝合用于放置多通道信号采集器的口袋；

(2)在所述服装的内侧缝合内衬，形成用于安装柔性传感纱线和布置柔性导电纱线的布线通道，所述布线通道连接各处柔性传感纱线和放置多通道信号采集器的口袋；

(3)在所述服装的外侧嵌入多条可调节的松紧带；

(4)通过自锁缝纫针法将所述柔性传感纱线缝纫于肘部、腹部、腕部和胸部位置的内衬布料内；

(5)将所述柔性导电纱线穿入所述布线通道内，利用所述柔性导电纱线将所述柔性传感纱线与所述多通道信号采集器对应的接口相连接，并对接口封装处理；

(6)所述多通道信号采集器与智能终端通过无线信号连接，使得所述多通道信号采集器采集和处理多处柔性传感纱线的信号并无线传输至智能终端。

进一步的，步骤(1)中，所述服装为弹性紧身款，为长袖、短袖和背心中的任意一种。

进一步的，步骤(2)中，所述布线通道的宽度为1～3cm。

进一步的，步骤(3)中，所述松紧带的嵌入位置与对应柔性传感纱线的缝纫位置处于同一平面。

进一步的，步骤(4)中，所述自锁缝纫针法为在平针的每个针眼处添加一个回针锁定所述柔性传感纱线。

进一步的，步骤(4)中，所述自锁缝纫针法使用的手缝针为尖头绒针，针孔最粗处小于2mm，在自锁针线迹中的平针针距为0.25～1cm，回针长度为1～3个横列线圈，线迹长度的调整范围为1～40cm。

进一步的，步骤(4)中，所述柔性传感纱线是导电材料和弹性聚合物的复合纱线，复合方式包括共混型或包覆型中的任意一种。

进一步的，步骤(4)中，所述内衬布料使用单层弹性针织面料。

进一步的，在步骤(4)之后，还包括：对所述柔性传感纱线的缝纫区域进行疏水处理。

进一步的，步骤(6)中，所述无线信号涉及的无线传输技术包括WiFi、蓝牙或蜂窝中的任意一种或多种，所述智能终端包括电脑、手机或手表中的任意一种或多种。

本发明提供了一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，将应变传感纱线作为柔性可拉伸的传感元件，以自锁缝纫针法集成在服装中，通过服装设计开发穿着舒适、美观、可洗涤的智能服装，实现对人体运动和生理信号的协同监测，对提高智能服装的穿着体验感，开拓智能服装的市场具有巨大价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法示意图；

图2为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法中的缝纫针法示意图；

图3为平针和自锁针缝纫的传感纱线的应变传感性能图；

图4为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法所制得的智能服装版型图；

图5为传感纱线、导电纱线和信号采集器的连接示意图；

图6为不同缝纫长度的传感纱线在10％应变下的相对电阻变化图；

图7为手机APP显示界面图。

具体实施方式

本发明提供了一种可拉伸的基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，包括将柔性传感纱线集成于纺织品的缝纫针法、智能服装的设计以及传感信号采集、传输与显示系统。具体为：将人体活动通过服装面料高效传递至柔性传感纱线的自锁缝纫针法；在服装内侧缝合内衬形成布线通道用于安装柔性传感纱线和布置柔性导电纱线，在外侧嵌入松紧带保证柔性传感纱线与人体的良好贴合，内置口袋放置多通道信号采集器；通过上述缝纫针法将柔性传感纱线缝纫于肘部、腹部、腕部和胸部等位置的内衬布料内，利用上述柔性导电纱线将柔性传感纱线与多通道信号采集器对应的接口相连接；上述多通道信号采集器可同时采集和处理多处柔性传感纱线的信号并无线传输至智能终端。该方法实现了一种穿着舒适、美观、可洗涤的多信号协同监测智能服装设计，设计的智能服装能实时采集人体运动和生理数据，如关节运动频率、心率和呼吸频率等，满足用户对运动辅助和健康监测的需求。

其中，柔性应变传感纱线为导电材料和弹性聚合物的复合纱线，复合方式包括但不限于共混型和包覆型，如镀银尼龙纱、金属丝包芯纱等。所述纱线中导电材料构建的可拉伸导电网络在受到形变时产生电阻变化。缝纫针法为一种自锁针，即在平针的每个针眼处添加一个回针锁定柔性传感纱线。平针是最基本、最简单的手缝针法，但缝纫在服装布料上传感纱线会发生不稳定的滑移。回针是最牢固的手缝针法，但服装布料正反两面的线迹间会产生不稳定的接触电阻。使用自锁针将传感纱线缝入服装布料解决了平针和回针的问题，最大程度地将形变从服装布料传递至传感纱线，使传感纱线输出稳定、灵敏的信号。使用的手缝针为尖头绒针，针孔最粗处小于2mm。自锁针线迹中的平针针距(浮线长)为0.25～1cm，针眼尺寸(回针长度)为1～3个横列线圈。智能服装为弹性紧身款，可以应用于长袖、短袖和背心等。在智能服装内侧缝合内衬形成布线通道，布线通道连接各处柔性传感纱线和放置多通道信号采集器的口袋，通道内部布置柔性导电纱线。内衬布料使用单层弹性针织面料，布线通道宽度为1～3cm。利用上述缝纫针法将柔性传感纱线缝纫于内衬布料。缝纫线迹位于布线通道内，避免柔性传感纱线与皮肤接触或暴露在环境中，导致不可控的干扰和损伤。线迹长度根据缝纫位置和用户体型调整为1～40cm，以精确覆盖形变区域。缝纫位置有关节、心脏、脉搏和腹部等。其中，各关节处的传感纱线用于探测人体运动信号；心脏和脉搏处的传感纱线用于协同探测人体心跳信号，以解决心跳信号易受呼吸和运动形变干扰的问题；腹部的传感纱线用于探测人体呼吸信号，避免胸部心跳信号的干扰。对传感纱线缝纫区域进行疏水处理，防止人体汗液对输出信号的干扰。在智能服装表面嵌入多条可调节的松紧带，保证缝纫柔性传感纱线处的服装面料与人体完全贴合，在人体活动过程中不发生褶皱和滑移。松紧带的嵌入位置与对应传感纱线的缝纫位置处于同一平面。将柔性导电纱线穿入布线通道内，用于连接柔性传感纱线与多通道信号采集器对应的接口。柔性导电纱线通过导电胶和柔性传感纱线连接，通过微型插栓和信号采集器连接，并对接口封装处理。柔性导电纱线应具有极低的电阻且表面绝缘，在形变过程中保持稳定的电性能。多通道信号采集器为一个可拆卸、可充电的集成模块，能够同时采集、降噪处理和向智能终端无线传输多个柔性传感纱线的信号。无线传输技术可以是WiFi、蓝牙和蜂窝等。智能终端可以是电脑、手机和手表等。智能终端的功能包括实时显示心率、呼吸速率和关节运动频率等数据，输出心跳、呼吸和关节运动等的信号波形，记录历史测试时间和结果，提示信号采集器的无线连接和电池电量情况，以及控制智能服装监测工作的开始和结束等。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

实施例1

一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，请参阅图1，图1为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法示意图。如图1所示，放置在智能长袖口袋内的信号采集器先通过漆包镀银腈纶纱线采集缝纫在内衬上的传感纱线的输出信号，再通过蓝牙技术将降噪后的信号无线传输至手机APP。柔性传感纱线以自锁针缝纫在长袖内衬面料上。请参阅图2，图2为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法中的缝纫针法示意图示意图。如图2所示，自锁缝纫针法是以平针为基础，在每个针眼处施加一个回针进行固定。内衬面料为含95％棉和5％氨纶的纬平针织物，自锁缝的针距为0.5cm，针眼大小为2个线圈横列。请参阅图3，图3为平针和自锁针缝纫的传感纱线的应变传感性能图。如图3所示，相较于使用平针，使用自锁针缝纫在织物上的柔性传感纱线的灵敏度从1.91提升到4.08，线性度从0.655提升到0.900。

请参阅图4，图4为基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法所制得的智能服装版型图。如图4所示，智能长袖为一款经过特殊设计的紧身针织长袖。智能长袖内侧缝合内衬形成2cm宽的布线通道，穿入漆包镀银腈纶纱线连接柔性传感纱线和信号采集器。请参阅图5，图5为传感纱线、导电纱线和信号采集器的连接示意图。如图5所示，使用导电银胶将漆包镀银锦纶纱和传感纱线黏连，使用排针插销将漆包镀银锦纶纱固定入信号采集接口，使用无影胶对接口封装处理。放置信号采集器的拉链口袋位于智能长袖右肋处，布线通道与口袋连通。

柔性传感纱线的缝纫位置和功能分别为：心脏处沿水平缝纫，双腕脉搏处沿手臂方向缝纫，用于协同探测心率；腹部沿水平缝纫，用于探测呼吸速率；肘关节处沿手臂方面缝纫，用于探测关节运动频率。请参阅图6，图6为不同缝纫长度的传感纱线在10％应变下的相对电阻变化图。如图6所示，对于肘围26cm、腰围88cm、下胸围90cm的用户，柔性传感纱线的最佳缝纫长度为：肘关节5cm、腹部30cm、心脏3cm、手腕1cm。通过喷涂织物防水剂对传感纱线的缝纫区域进行疏水处理。

智能长袖外侧嵌有四根可调节的松紧带，后片上的两根松紧带的位置分别平行于前片心脏处的柔性传感纱线和沿腰围，袖片上的松紧带沿袖口。

信号采集器为一个壳体，能够同时采集和降噪处理三处柔性传感纱线的信号，并使用蓝牙技术向手机APP无线传输信号。信号采集器的具体技术参数如下表1所示：

表1

请参阅图7，图7为手机APP显示界面图。如图7所示，包括主页、实时、记录和设备界面。主页界面显示即时(近5s)和每分钟(近1min)的心率、呼吸速率和关节运动频率；实时界面显示心跳、呼吸和关节运动的标准波形和信号波形；记录界面显示历史测试时间和数据结果；设备界面显示信号采集器的蓝牙连接和电池电量情况，以及控制智能长袖监测的开始和结束。其中，实时界面的标准波形根据数据结果绘制，信号波形为柔性传感纱线的电阻变化，电阻的纵坐标可根据变化程度自动调整合适的坐标范围，使得电阻变化清晰显示。记录界面可记录并存储近一个月的运动和生理信号数据，并具有删除某一段记录的功能。

用户使用智能长袖时可参考以下步骤：1.从口袋中取出信号采集器，打开开关，此时指示灯1显示红色，指示灯2为闪烁蓝灯；2.打开手机APP设备界面连接蓝牙，成功连接后指示灯2为常亮蓝灯；3.将信号采集器放回口袋；4.穿上智能长袖，调整松紧带使柔性传感纱线所在部位与人体紧密贴合；5.在手机APP设备界面上点击开始后，即可开始日常活动，可在主页和实时界面获取实时的运动和生理数据，可在设备界面获取设备电量；6.活动结束后，在手机APP设备界面点击结束，可在记录界面获取该次监测结果；7.脱下智能长袖，关闭信号采集器开关。智能长袖的人体活动监测结果如下表2所示：

表2

实施例2

智能短袖为一款经过特殊设计的紧身针织短袖。对于腰围75cm、下胸围82cm的用户，柔性传感纱线的缝纫位置、长度和功能分别为：心脏处长度为4cm，用于探测心率；肚脐处长度为25cm，用于探测呼吸速率；肩关节处长度为6cm，用于探测关节运动频率。其他同实施例1。智能短袖的人体活动监测结果如下表3所示：

表3

实施例3

智能背心为一款经过特殊设计的紧身针织背心。对于腰围67cm、下胸围74cm的用户，柔性传感纱线的缝纫位置、长度和功能分别为：心脏处长度为2cm，用于探测心率；肚脐处长度为20cm，用于探测呼吸速率；背部中心处长度为30cm，用于探测背部弯曲频率。智能背心后片外侧嵌有两根可调节的松紧带，位置分别为平行于前片心脏处的柔性传感纱线和沿腰围处。其他同实例1。智能背心的人体活动监测结果如下表4所示：

表4

综上所述，本发明所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，实现了柔性传感纱线、柔性导电纱线和多通道信号采集器在智能服装上的无痕集成，解决现有智能服装穿着舒适性和美观性差、操作复杂和探测信号类型单一等问题，设计了一种穿着舒适、外形美观、功能设计性强的多信号协同监测智能服装，这种智能服装能实时采集人体运动和生理信号、数据呈现清晰、续航长、可洗涤，可满足用户对运动辅助和健康监测的需求。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在服装的内侧缝合用于放置多通道信号采集器的口袋；

(2)在所述服装的内侧缝合内衬，形成用于安装柔性传感纱线和布置柔性导电纱线的布线通道，所述布线通道连接各处柔性传感纱线和放置多通道信号采集器的口袋；

(3)在所述服装的外侧嵌入多条可调节的松紧带；

(4)通过自锁缝纫针法将所述柔性传感纱线缝纫于肘部、腹部、腕部和胸部位置的内衬布料内；

(5)将所述柔性导电纱线穿入所述布线通道内，利用所述柔性导电纱线将所述柔性传感纱线与所述多通道信号采集器对应的接口相连接，并对接口封装处理；

(6)所述多通道信号采集器与智能终端通过无线信号连接，使得所述多通道信号采集器采集和处理多处柔性传感纱线的信号并无线传输至智能终端。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(1)中，所述服装为弹性紧身款，为长袖、短袖和背心中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述布线通道的宽度为1～3cm。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(3)中，所述松紧带的嵌入位置与对应柔性传感纱线的缝纫位置处于同一平面。

5.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(4)中，所述自锁缝纫针法为在平针的每个针眼处添加一个回针锁定所述柔性传感纱线。

6.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(4)中，所述自锁缝纫针法使用的手缝针为尖头绒针，针孔最粗处小于2mm，在自锁针线迹中的平针针距为0.25～1cm，回针长度为1～3个横列线圈，线迹长度的调整范围为1～40cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(4)中，所述柔性传感纱线是导电材料和弹性聚合物的复合纱线，复合方式包括共混型或包覆型中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(4)中，所述内衬布料使用单层弹性针织面料。

9.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于，在步骤(4)之后，还包括：对所述柔性传感纱线的缝纫区域进行疏水处理。

10.根据权利要求1所述的一种基于柔性应变传感纱线多信号协同监测的智能服装设计方法，其特征在于：步骤(6)中，所述无线信号涉及的无线传输技术包括WiFi、蓝牙或蜂窝中的任意一种或多种，所述智能终端包括电脑、手机或手表中的任意一种或多种。

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