基于FSR的人體壓力分布測(cè)試技術(shù)開發(fā)

李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，范晨光

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

基于FSR的人體壓力分布測(cè)試技術(shù)開發(fā)

李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，范晨光

(西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610031)

利用FSR壓力傳感器對(duì)記憶綿床墊、乳膠床墊及棕墊床墊進(jìn)行壓力分布對(duì)比測(cè)試，制作了可移動(dòng)的FSR傳感器“床單”?；贔SR傳感器與UCAM多點(diǎn)靜態(tài)采集系統(tǒng)構(gòu)建了人體多點(diǎn)壓力分布測(cè)試系統(tǒng)。運(yùn)用Matlab對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行3次樣條插值，分別得到各種情況下的壓力分布的二維、三維云圖，然后對(duì)3種床墊的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：記憶綿床墊的最大壓力在3種床墊中最小，并且壓力分布最均勻；記憶綿床墊的抗干擾性比乳膠床墊和棕墊床墊要好。

FSR壓力傳感器；人體壓力分布；床墊；記憶綿

人生1/3的時(shí)間是在床上度過(guò)的，坐臥時(shí),人體局部長(zhǎng)期受壓過(guò)大會(huì)引發(fā)褥瘡、坐瘡等疾病,每年用于該類疾病的治療費(fèi)用高達(dá)64億美元[1]。國(guó)外流行病學(xué)研究表明：15%～35%的成人存在睡眠質(zhì)量問(wèn)題。影響睡眠質(zhì)量的因素包括環(huán)境、心理、健康狀況、作息規(guī)律等。國(guó)內(nèi)外研究表明：床墊作為睡眠的平臺(tái)，其類型及物理特性對(duì)睡眠質(zhì)量有著重要的影響[2]。因此，研究床墊的人體壓力分布從而制造更舒適的床墊勢(shì)在必行。

對(duì)于人體壓力分布測(cè)量技術(shù)，國(guó)外已經(jīng)有了長(zhǎng)達(dá)40年的研究歷史,市場(chǎng)上也充滿了各式各樣的產(chǎn)品。按所用壓力傳感器類型來(lái)分,大致可分為電容式、壓阻式、應(yīng)變式等，其中應(yīng)用最為普遍的應(yīng)屬壓阻式和電容式壓力測(cè)試系統(tǒng)。如今，國(guó)內(nèi)外研究床墊上的人體壓力分布主要有以下幾個(gè)方面：防壓瘡、增強(qiáng)睡眠質(zhì)量等。2009年，Ioannis K.Angelidis[3]對(duì)在持續(xù)施加壓力的情況下隨著組織溫度升高導(dǎo)致壓瘡發(fā)病的概率的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出的結(jié)論為：隨著組織溫度的升高，皮膚會(huì)因?yàn)樾玛惔x的增加導(dǎo)致貧血，由此皮膚也容易受到破壞，產(chǎn)生壓瘡。國(guó)內(nèi)對(duì)傳感器壓力測(cè)試的研發(fā)還處于起步階段,研究面也較窄,主要是研究足底壓力測(cè)量，如中國(guó)科技大學(xué)的人體步態(tài)分析系統(tǒng)[4]、四川大學(xué)的基于FSR的可穿戴式足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)等[5]。國(guó)內(nèi)在防壓瘡方面的研究也進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間。陳春麗等[6]通過(guò)對(duì)患者使用不同床墊進(jìn)行觀察，得到了氣墊比傳統(tǒng)海綿床墊對(duì)防止壓瘡病發(fā)有著更加顯著的效果的結(jié)論。南京林業(yè)大學(xué)多名研究人員[7]通過(guò)體壓分布測(cè)試、腦電實(shí)驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià)取得了袋簧床墊的材料特性與床墊體壓分布。

本研究針對(duì)成都某廠家新生產(chǎn)的一種3層材料(主要組成為記憶綿)的新型床墊進(jìn)行壓力分布測(cè)試。記憶綿(memory foam)即慢回彈海綿，是一種具有開放式單元結(jié)構(gòu)(open-cell)的聚氨酯高分子聚合物。這種材料分子對(duì)溫度很敏感，所以又稱為溫感記憶綿[8]。本研究的主要任務(wù)則是將記憶綿與其他2種床墊進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)其減小受力的效果。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是制作一張可移動(dòng)式“床單”鋪在3種不同的床墊上，采集人以不同姿勢(shì)躺在上面，測(cè)量床墊所受壓力以得到記憶綿床墊人體受力分布情況，對(duì)得出數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[9]。

1 構(gòu)建FSR人體壓力分布測(cè)試系統(tǒng)

1.1 FSR壓力傳感器

1.1.1 FSR壓力傳感器介紹

FSR(force sensing resistor)壓力傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、感測(cè)精度高等特點(diǎn)。其利用半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生明顯變化的壓阻效應(yīng)，將被測(cè)量的壓力轉(zhuǎn)換為電量輸出。當(dāng)壓力傳感器感應(yīng)面施加的壓力增大時(shí)，其阻抗減小，從而取得壓力數(shù)據(jù)。該傳感器可用于機(jī)械手的末端夾持器感測(cè)夾持物品的有無(wú)、仿生機(jī)器人足下行走地面感測(cè)、哺乳類動(dòng)物咬力測(cè)試生物實(shí)驗(yàn)等，應(yīng)用范圍極其廣泛。

本次實(shí)驗(yàn)使用的FSR傳感器是由艾動(dòng)科技提供的FSR IM-S1-C40壓敏傳感器(如圖1所示)，傳感器的參數(shù)：傳感器有效區(qū)域?yàn)橹睆?0 mm的圓形區(qū)域；量程為50 g～20 kg；傳感器尺寸為120 mm×5 mm；引線寬度為120 mm；材質(zhì)為PET。

圖1 FSR IM-S1-C40壓敏傳感器

1.1.2 FSR傳感器的標(biāo)定

表1 傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖2 FSR標(biāo)定曲線

1.2 UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

采用2套UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行傳感器信號(hào)測(cè)試及分析(圖2)。該系統(tǒng)是一種靜態(tài)采集器，參數(shù)如下：

1) 最小分辨率：0.1×10-6應(yīng)變量。

2) 最高精度：±(表示值的0.05%+0.3)×10-6應(yīng)變量。

3) 最大測(cè)量范圍：±500 000×10-6應(yīng)變量。

4) 工作環(huán)境：溫度0～50 ℃，濕度20%～85%。

5) 輸入信號(hào)為應(yīng)變傳感器信號(hào)，可進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)變、電壓、溫度、重力的測(cè)量，可以對(duì)應(yīng)120、240、350 Ω的阻值，可以1/4橋、半橋和全橋連接。

6) 掃描速度：50 ms/通道，自動(dòng)掃描。

7) 外接采集掃描箱：50通道。

1.3 實(shí)驗(yàn)電路

根據(jù)傳感器特征和UCAM采集系統(tǒng)，為本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下測(cè)試系統(tǒng)(模擬電路見圖4)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用UCAM輸出2 V標(biāo)準(zhǔn)直流電壓，并采用如圖5所示電路進(jìn)行電壓采集。

圖3 2組UCAM-60B-AC數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

圖4 模擬電路

圖5 傳感器電路設(shè)計(jì)

圖5中：FSR代表FSR傳感器；V+與V-為對(duì)傳感器供給電壓正負(fù)兩端；Vout+與Vout-為采集電壓正負(fù)兩端；R1為12 kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻；R2為180 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻。

(1)

圖6 傳感器電路-載荷曲線

2 FSR人體壓力分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

2.1 零點(diǎn)值與真實(shí)測(cè)量值

2.1.1 零點(diǎn)值的確定

由于應(yīng)變片膠層有氣泡或雜質(zhì)、應(yīng)變片本身性能不穩(wěn)定、電路中有虛焊點(diǎn)、彈性體的應(yīng)力釋放不完全等原因都會(huì)導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)值發(fā)生偏移，所以為了選定零點(diǎn)值，取2組儀器空載時(shí)的零值的平均值作為真實(shí)的零點(diǎn)值，以降低零點(diǎn)誤差。

(2)

2.1.2 真實(shí)測(cè)量值

真實(shí)測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值之間同樣存在誤差。多次測(cè)量可以有效地減小偶然誤差，所以本次實(shí)驗(yàn)的真實(shí)測(cè)量值定為2次實(shí)際測(cè)量值的平均值，再減去真實(shí)零點(diǎn)值。

(3)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

第1步擺放記憶綿床墊，將分布傳感器平鋪在床墊上接通儀器電源，調(diào)通各通道。

第2步預(yù)測(cè)試2組數(shù)據(jù)，測(cè)試傳感器零點(diǎn)示值。

第3步人體仰臥于分布傳感器中間部位，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第4步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測(cè)試2組回零示值。

第5步測(cè)試2組零點(diǎn)示值，人體側(cè)臥加載，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第6步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測(cè)試2組回零示值。

第7步測(cè)試2組零點(diǎn)示值，人體仰臥加載，等待1 min，采集各通道數(shù)據(jù)，采集2次，在外側(cè)再加載1個(gè)人，采集2次，每次采集間隔0.5 min。

第8步卸載，人體離開床墊，等待2 min，測(cè)試2組回零示值。

對(duì)于棕墊床墊與乳膠床墊的實(shí)驗(yàn)，為了方便對(duì)比，實(shí)驗(yàn)步驟與慢回彈床墊完全相同，在此不再進(jìn)行贅述。

3 數(shù)據(jù)后處理

3.1 床墊載荷分布圖

移動(dòng)式“床單”上13×9個(gè)FSR壓力傳感器為均勻分布。為了方便制作受力圖，將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)平面二維直角坐標(biāo)系。因其間距相等，所以二維直角坐標(biāo)系如圖7所示。

圖7 FSR傳感器的二維直角坐標(biāo)分布

由此，只需讀出數(shù)據(jù)采集器對(duì)應(yīng)通道與坐標(biāo)的關(guān)系便可通過(guò)可視化處理制作出床墊的載荷分布圖。以記憶綿床墊仰臥數(shù)據(jù)(圖8)為例說(shuō)明數(shù)據(jù)處理方法。將每個(gè)通道所代表的傳感器的分布位置對(duì)應(yīng)在相應(yīng)的坐標(biāo)上。用前后2次采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值作為采集力值，以初始測(cè)試與回零值平均值作為零點(diǎn)，以采集力值與零點(diǎn)值之差作為實(shí)驗(yàn)力值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：初始測(cè)試值與回零值在零附近，是否減去回零值對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)影響不大，但為了實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性，還是減去回零值。通過(guò)采集，獲取各個(gè)分布點(diǎn)的單點(diǎn)力值。同理可以得出記憶綿床墊側(cè)臥的載荷分布圖以及棕墊床墊與乳膠床墊的載荷分布圖。

3.2 床墊壓力分布云圖

通過(guò)對(duì)FSR傳感器點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量可以獲得床墊的載荷分布圖，然而床墊之上還有許多傳感器無(wú)法測(cè)量的點(diǎn)，對(duì)于這些點(diǎn)，采用Matlab對(duì)其進(jìn)行插值即可得到較為理想的連續(xù)的壓力云圖。

采用該方法得到的記憶綿床墊壓力云圖、乳膠床墊壓力云圖和棕墊床墊壓力云圖，對(duì)比情況如表2所示。圖9為壓力分布云圖的說(shuō)明。

圖8 記憶綿床墊仰臥狀態(tài)載荷分布

記憶棉床墊乳膠床墊棕墊床墊仰臥方式加載三維云圖仰臥方式加載二維云圖側(cè)臥方式加載三維云圖側(cè)臥方式加載二維云圖

圖9 記憶綿床墊仰臥方式加載二維云圖說(shuō)明

3.3 抗干擾性試驗(yàn)

對(duì)抗干擾性試驗(yàn)，先在分布傳感器上加載1人，測(cè)試數(shù)據(jù)，再在床墊一側(cè)加載1人，測(cè)試數(shù)據(jù)。

記憶綿床墊，乳膠床墊、棕墊床墊1人加載在床墊上的二維云圖與附加1人于床墊一側(cè)的二維云圖比較如表3所示。

表3 3種床墊抗干擾實(shí)驗(yàn)云圖對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3種不同床墊的壓力分布測(cè)試可以得到其最大壓強(qiáng)值以及各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)分布的離差系數(shù)，如表4所示。

由表4可見：記憶綿床墊仰臥時(shí)的最大壓強(qiáng)明顯小于棕墊床墊，與乳膠床墊接近；側(cè)臥時(shí)的最大壓強(qiáng)約為棕墊床墊的61%，約為乳膠床墊的55%。在仰臥和側(cè)臥時(shí)，記憶綿床墊的壓強(qiáng)分布離差系數(shù)都要明顯小于棕墊和乳膠床墊，說(shuō)明記憶綿床墊的壓力分布更加均勻。

通過(guò)比較3種床墊在仰臥狀態(tài)和側(cè)臥狀態(tài)下的載荷分布，得出記憶綿床墊有比乳膠床墊和棕墊床墊更多的受力點(diǎn)，除肩部和臀部這2個(gè)主要受力部位以外，還有身體其他部位受力，分擔(dān)壓力，從而使整個(gè)身體受力相對(duì)更加均衡。

表4 最大壓強(qiáng)值及其各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)離差系數(shù)

通過(guò)對(duì)比3種床墊的抗干擾性實(shí)驗(yàn)的壓力云圖可以得知：記憶綿床墊的抗干擾性優(yōu)于乳膠床墊和棕墊床墊。

[1] 莊燕子，蔡萍，周志鋒，等.人體壓力分布測(cè)量及其傳感技術(shù)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，6(2)：313-317.

[2] 孫燕.多種類型彈簧結(jié)構(gòu)床墊的體壓分布特性及個(gè)性化設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012，6.

[3] IOANNIS K，ANGELIDIS，DIS LIDMAN,et al.Decubitus ulcer development:pressure alone increases tissue temperature[J].Eur Plast Surg，2009，32:241-244.

[4] 韋啟航，陸文蓮，傅祖蕓，等.人體步態(tài)分析系統(tǒng)足底壓力測(cè)量系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2000，19(1)：32-40.

[5] 鄧翔，佃松宜，翁桃.基于FSR的可穿戴式足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32(2)：81-86.

[6] 陳春麗，曾柳芳.GS1波動(dòng)式防治褥瘡床墊在預(yù)防褥瘡中的應(yīng)用[J].齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,22(11)：1315.

[7] 朱玉錠.袋簧床墊的材料特性與床墊體壓分布的關(guān)系研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2009.

[8] 楊忠敏.聚氨酯軟泡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景樂(lè)觀[J].聚氨酯，2013(9)：38-43.

[9] 張玉杰，魏召俠.PVDF足底壓力傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2011(1):61-63.

(責(zé)任編輯林 芳)

TechnologyDevelopmentofHumanBodyPressureDistributionMeasurementBasedonFSR

LI Yanda， DAI Chengdong， GUO Binbin， FAN Chenguang

(School of Mechanics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The FSR pressure sensor system is used to measure the pressure on memory foam mattress, latex mattress and palm mattress, just as a mobile FSR “sheet”. A multi-point distribution measure system combined with the FSR system and UCAM multi-static test system, test the distributions of pressure for these three mattresses measured by lying supinely or laterally. Using cubic spline interpolation, the test results are visualizedby Matlab. The two-dimensional, three-dimensional pressure cloud map of the cases above-mentioned are respectively compared with each other. Experimental results show that, the maximum pressure of memory foam mattress is the smallest of the three ones, and it also has the most uniform pressure distribution. The anti-interfere ability of memory foam mattress is better than latex mattress and palm mattress.

FSR pressure sensor; human body pressure distribution; mattresses; memory foam

2017-06-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11302181)

李彥達(dá)(1994—)，男，碩士，主要從事力學(xué)研究，E-mail:kikoyang@live.cn。

李彥達(dá)，代成棟，郭斌斌，等.基于FSR的人體壓力分布測(cè)試技術(shù)開發(fā)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(10):78-83，113.

formatLI Yanda，DAI Chengdong，GUO Binbin，et al.Technology Development of Human Body Pressure Distribution Measurement Based on FSR[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):78-83，113.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.013

TP212

A

1674-8425(2017)10-0078-06