基于柔性傳感技術的壓力監(jiān)測運動褲設計

金佳勤，于 淼，王 俠，張春明，孫亞寧

(青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071)

跑步是一項周期性有氧運動，由于跑步時長時間重復同一動作，極易造成膝關節(jié)的過度使用性損傷[1-4]。為了減少運動損傷，科研人員潛心于各種緊身型運動褲的開發(fā)。隨著人工智能技術的發(fā)展，以柔性壓力傳感器為代表的可穿戴設備已成為健康監(jiān)測領域的研究熱點。壓阻式壓力傳感器具有種類豐富、器件單一、導出機制簡單、能耗低等特點，是目前最受歡迎的壓力傳感器之一[5]?，F(xiàn)階段針對緊身運動服的研究集中于人體壓力舒適性、服裝壓對人體生理機能的影響以及服裝壓的影響因子等方面[6-7]，將智能可穿戴技術與緊身運動服相結合，對服裝壓進行實時監(jiān)測的研究較少[8]。

文中結合現(xiàn)有技術和市場需求，將柔軟性、延展性、輕便性、安全性、功能性和可拆卸性作為膝關節(jié)壓力監(jiān)測運動褲的設計目標，使運動褲在滿足膝關節(jié)運動要求的同時，實現(xiàn)對膝關節(jié)立體受力情況的實時監(jiān)測，以期在自身健康監(jiān)測、遠程醫(yī)療診斷及康復檢測方面取得更好的效果[9]。

1 實驗部分

1.1 材料

1.1.1原料 經編彈性針織面料(1#，2#)，廣州偉卓布行有限公司提供；Coolmax?纖維針織面料，美國杜邦公司生產。面料規(guī)格參數(shù)見表1。

1.1.2儀器 YG(B)606G型紡織品熱阻和濕阻測試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司制造；YG461E-III型全自動透氣量儀，寧波紡織儀器廠制造；YG(B)216-II型織物透濕量儀，溫州際高檢測儀器有限公司制造；KES-F織物風格儀，上海羅中科技發(fā)展有限公司制造；YG065H-250型電子織物強力儀，萊州電子儀器有限公司制造。

表1 面料規(guī)格

1.2 方法

1.2.1熱濕舒適性測試 根據(jù)GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定(蒸發(fā)熱板法)》[10]，采用織物保溫儀測試面料(1#，2#)的傳導系數(shù)。每組實驗測3次，取平均值(下同)。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %，靜置24 h。

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》[11]，采用透氣量儀對面料(1#，2#)的透氣性進行測試；依據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》[12]，采用織物透濕量儀對面料(1#，2#)的透濕率進行測試。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.2.2接觸舒適性能測試 運用織物風格儀測試面料(1#，2#)的彎曲剛度、彎曲滯后矩、動摩擦平均系數(shù)、摩擦系數(shù)平均偏差、表面粗糙度。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.2.3拉伸彈性性能測試 參照ASTMD3107— 2007《彈力紗機織物拉伸性能的標準試驗方法》[13]，采用織物強力儀對面料(1#，2#)的伸長率和形變率進行測試。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.3 結果與討論

1.3.1熱濕舒適性 面料的熱濕舒適性測試結果見表2。

表2 面料熱濕舒適性測試結果

由表2可以看出，面料2#熱阻值比1#的小，說明面料2#熱傳遞效率高，且其透氣率、透濕率比1#大。因此，面料2#熱濕舒適性更好，能夠滿足人體在正常運動強度下的透氣、透濕及散熱等需求，適合作為運動褲的主面料。

1.3.2接觸舒適性 面料的接觸舒適性測試結果見表3。

表3 面料接觸舒適性測試結果

由表3可以看出，兩種面料的彎曲滯后矩均較低，產生彎曲變形后易恢復，而面料2#的抗彎剛度更低，手感更佳，適合作為樣褲的主體面料。兩種面料經向的摩擦系數(shù)和粗糙度比緯向的小，其中面料1#表面更為粗糙，適合局部配伍，以減少與下肢的接觸面積。

1.3.3拉伸彈性性能 面料的拉伸彈性性能測試結果見表4。

表4 面料拉伸彈性性能測試結果

由表4可以看出，面料1#的定負荷伸長率明顯小于面料2#的，且面料1#的定負荷急彈性變形率大于面料2#的，故面料1#在外力作用下不易產生形變且形變后易恢復，說明其拉伸彈性、形變回復能力良好，更適合分配在膝關節(jié)等活動較為頻繁、形變程度較大的部位，從而有效增大服裝壓，提高防護功能。

2 樣褲設計

2.1 運動褲設計

根據(jù)人體運動自由度與人體各區(qū)域溫度及出汗分布情況，采用區(qū)域分割的方法進行運動褲設計：①跑步過程中，人體會產生很多熱量和汗液，運動服極易被浸濕，因此選取具有透濕、透氣、速干以及降溫功效的運動服面料；②跑步過程中，人體后腰中部是熱量和汗液聚集的部位，選用Coolmax?面料[14-15]，因其具有許多毛細血管效應強的細小芯吸管道，且纖維的比表面積大，能夠使織物表面的汗液快速蒸發(fā)，保持皮膚干爽，提高主觀舒適性；③在運動過程中，體表皮膚會根據(jù)運動趨勢在縱、橫向上發(fā)生不同程度的拉伸形變，膝關節(jié)外側皮膚的拉伸形變大于膝關節(jié)內側皮膚的[16]，且均為縱向拉伸形變量大于橫向拉伸形變量，因此膝關節(jié)采用上下不對稱式外長里短的圓弧形設計，搭配彈性較大的面料1#，滿足膝關節(jié)的壓力舒適性需求，并對膝關節(jié)起一定的保護作用；④除膝關節(jié)和后腰中部，剩余區(qū)域選取熱濕舒適性、接觸舒適性良好的面料2#；⑤為提高視覺效果，臀部運用心形設計，以提升翹點、改善臀型，臀部兩側與后腰中部為一體式設計，可拉長腿部弱化胯寬，達到增高顯瘦的效果[9]。

在此基礎上得到研究所需運動褲基礎樣板，具體如圖 1所示。

緊身褲規(guī)格尺寸為：160/68A。褲長90 cm，腰圍65 cm，臀圍84 cm，褲口寬12 cm。在運動褲膝關節(jié)前片對應位置的反面縫制略大于柔性壓力監(jiān)測傳感器尺寸的橢圓形內貼口袋，內貼口袋只縫合3/4，上部1/4不縫合作為袋口，便于柔性壓力監(jiān)測傳感器的放置與取出。

2.2 柔性壓力監(jiān)測傳感器設計

利用電阻應變原理設計具有良好柔韌性、伸縮性、貼合度以及舒適性的立體柔性壓力監(jiān)測傳感器，間接測量跑步運動過程中膝關節(jié)壓力變化。

2.2.1柔性壓力監(jiān)測傳感器 在跑步運動過程中，膝部是人體承受壓力最大且使用最頻繁的部位之一，也是損傷概率最高的部位之一。膝關節(jié)損傷主要表現(xiàn)為運動后的區(qū)域性疼痛，主要分布如圖2所示。

圖2 膝關節(jié)損傷及疼痛區(qū)域分布Fig.2 Distribution of knee injury and pain area

文中根據(jù)膝關節(jié)損傷情況及疼痛發(fā)生區(qū)域分布進行膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器設計，具體如圖 3所示。膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器及其內部的壓力監(jiān)測元件設計和制作均自行完成。

圖3 膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器示意 Fig.3 Schematic diagram of flexible pressure monitoring sensor for knee joint

壓力監(jiān)測元件以強彈性化纖面料為基底，保證監(jiān)測元件的延展性，表面涂覆納米級的導電涂層(導電涂層厚度由電腦根據(jù)膝關節(jié)壓力值范圍模擬計算所得)。

柔性導體置于化纖面料和壓力監(jiān)測元件之間，以“+”字設計將柔性導體的所有監(jiān)測元件連接起來，每一塊壓力監(jiān)測元件下方有兩根柔性導線，一根連接外部線路，一根連接其他壓力監(jiān)測元件。壓力監(jiān)測元件下柔性導體排列如圖 4所示。圖4中置于壓力監(jiān)測元件下的柔性導體以兩個交叉的“F”形排列，監(jiān)測元件與柔性導體充分接觸以確保所測壓力數(shù)據(jù)準確。

圖4 壓力監(jiān)測元件下柔性導體排列示意Fig.4 Schematic diagram of flexible conductor arrangement under pressure monitoring element

柔性導體和壓力監(jiān)測元件均固定于長直徑為15.6 cm、短直徑為15.2 cm的橢圓形化纖面料之上，化纖面料、壓力監(jiān)測元件和柔性導體共同構成膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器。橢圓形化纖面料上均勻設有4個長5 cm、寬0.9 cm的省道，以提升膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器的貼體度，減小測量誤差。

2.2.2微控制元件 微控制元件包含具有16 KB～1 MB Flash、多種控制外設、USB全速接口和CAN的微控制器STM32F103以及4 cm×6 cm的22402A-18電路板，通過上下焊接方式組合在一起。微型控制元件利用柔性導線與傳感元件相連接，為傳感器提供驅動電阻的同時，接收、放大傳感器所感知的外界壓力，并將傳感器內部產生的電阻信號轉換成可被電腦識別的數(shù)字信號，傳輸?shù)诫娔X終端，最后完成壓力數(shù)值的實時記錄與導出。

自行設計運動褲兩條，一條運動褲內貼袋中放置膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器，另一條作為參照組。

3 樣褲性能測試和評價

3.1 實驗對象

選取6名年齡為(24±2)歲、身體健康、有跑步運動經歷且無膝關節(jié)損傷的女大學生作為實驗對象，其腿型相似，平時均穿M碼褲子。受試者具體信息見表5。

表5 受試者基本信息

3.2 實驗儀器

膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器，自制；氣囊式接觸壓力測試儀，北京力泰友聯(lián)科技有限公司制造；Moxy近紅外光實時無線無創(chuàng)肌氧監(jiān)測儀，世紀天鴻國際集團股份有限公司制造；MSR145W溫濕度傳感器，廣州虹科電子科技有限公司制造。

3.3 實驗方法

3.3.1壓力測試 采用氣囊式接觸壓力測試儀和膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器對穿著樣褲受試者的膝關節(jié)壓力進行測試。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

3.3.2肌氧測試 采用近紅外光實時無線無創(chuàng)肌氧監(jiān)測儀對受試者穿著樣衣運動過程中腓腸肌、股內側肌、股外側肌的肌氧飽和度和總血紅蛋白變化情況進行監(jiān)測。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

3.3.3熱濕度測試 采用溫濕度傳感器對受試者穿著樣褲運動過程中腓腸肌、股內側肌、股外側肌的溫度變化情況進行監(jiān)測。實驗環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

3.4 效果評估

3.4.1壓力評估 為了檢驗膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器測試數(shù)據(jù)的準確性，在受試者穿著樣褲靜止站立狀態(tài)下[9]，分別采用氣囊式接觸壓力測試儀和膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器對膝關節(jié)5個監(jiān)測點進行壓力測試，記為方法1和方法2，具體結果見表6。

表6 靜止站立時膝關節(jié)壓力測試結果比較

由表6可知，與氣囊式接觸壓力測試儀測試數(shù)據(jù)相比，膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器所測人體膝關節(jié)受壓數(shù)值存在一定的誤差。究其原因：①膝關節(jié)立體彎曲結構導致傳感器不能完全貼合體表；②傳感器置于運動褲內貼袋中，未與皮膚直接接觸，該誤差由運動褲和人體共同導致。運用t檢驗驗證柔性壓力傳感器所測數(shù)據(jù)的有效性[9]，結果見表7。

由表 7可知，左右膝關節(jié)F值相伴概率均大于顯著水平0.05，說明自制膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器監(jiān)測結果可靠；當方差相等時，T統(tǒng)計量的相伴概率均大于顯著水平0.05，不能拒絕方差相等的假設，即自制膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器與氣囊式接觸壓力測試儀所測得的壓力平均值不存在顯著差異。從樣本均值差的95%置信區(qū)間看，區(qū)間跨0，說明膝關節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器監(jiān)測結果可靠。

3.4.2肌氧評估 受試者穿著樣褲運動過程中肌氧測試結果如圖 5所示。

表7 左右膝關節(jié)受壓獨立樣本t檢驗輸出結果

圖5 肌氧測試結果Fig.5 Muscle oxygen test results

由圖5可以看出，肌氧飽和度和總血紅蛋白的曲線變化趨勢相似，監(jiān)測的3個部位的曲線變化趨勢也相似。前15 min，血氧飽和度和總血紅蛋白隨著跑步速度的增加而減少；15 min時，其值下降到最低；15～40 min，隨著時間的推移，又逐漸回升至相對穩(wěn)定狀態(tài)；后10 min，逐步恢復到穩(wěn)定水平。這是由于前期加速，肌肉突然收縮，血管受到壓迫，肌肉血流量減少，肌氧飽和度和總血紅蛋白降低；隨著運動狀態(tài)的穩(wěn)定，人體逐漸適應，各器官重新分配血流量，肌氧飽和度和總血紅蛋白恢復至穩(wěn)定水平；恢復期其含量均高于初始水平，說明運動褲具有一定的緩解肌肉疲勞的作用[14]。

3.4.3溫濕度評估 受試者穿著樣褲運動過程中熱濕測試結果如圖6所示。

圖6 平均體表溫度變化Fig.6 Average body surface temperature variation graph

由圖6可以看出，在跑步過程中，3個區(qū)域的肌肉溫度變化較平穩(wěn)，維持在31～34 ℃之間，人體的熱感覺舒適性較好，沒有出現(xiàn)突然升溫或降溫的現(xiàn)象。前25 min，隨著運動負荷和人體代謝活動的增強，人體心率逐漸加快，產熱增加，毛細血管擴張[17]，體溫有所增加；25 min后，人體適應運動強度，其內循環(huán)穩(wěn)定，人體產熱和出汗率保持相對穩(wěn)定，體溫也應保持相對穩(wěn)定，但此處數(shù)據(jù)顯示體溫有所下降，說明運動褲透濕排濕性能良好，吸收體表部分熱量，達到降溫作用。

3.4.4主觀評估 文中運用5等分量表法對樣褲進行主觀評價。-2代表差，-1代表較差，0代表一般，1代表較好，2代表好[9]。

在跑步測試方案結束后，對受試者穿著樣褲的自身真實舒適感受進行問卷調查，具體包括束縛感、悶熱感、黏體感、潮濕感、柔軟感、壓迫感、運動便利性以及綜合穿著舒適感等指標，評價并打出相應分值，取平均值。樣褲的主觀舒適性評估分析結果如圖7所示。

由圖7可以看出，樣褲滿足人體基本穿著舒適性要求。靜止站立時的穿著舒適性最好(跑步前大于跑步后)，其次是開始跑步的第2階段，再次是遞減負荷的第4階段，最后才是遞增負荷的第3階段。第2階段，運動褲產生形變使服裝壓增大，束縛感、壓迫感增加；第3階段，隨著運動強度的增加，運動褲產生的服裝壓增大，束縛感和壓迫感增加更為明顯；第4階段，運動強度逐漸減弱，壓迫感減弱明顯，但運動時間長，悶熱感增加明顯。隨著運動強度和時間的增加，人體新陳代謝加快，會有大量汗液排出，導致悶熱感、潮濕感、黏體感等增加，尤其在第3階段和第4階段，隨著運動強度和時間的增加，舒適性不斷下降；在整個實驗過程，樣褲的運動便利性始終良好。運動過程中，樣褲客觀評價結果均保持在1.5評分以上，整體舒適性穩(wěn)定，變化小，說明樣褲的款式結構設計較合理。

圖7 主觀評估結果Fig.7 Subjective assessment result

4 結 語

隨著跑步運動的興起與流行，消費者對緊身運動服的需求逐漸提升，在滿足基本穿著功能的同時期望獲取更多的附加功能。文中設計的智能運動褲能夠有效地獲取膝關節(jié)壓力值，結合步態(tài)分析系統(tǒng)，判斷運動姿勢的準確性，通過反饋的數(shù)據(jù)及時調整訓練計劃，改變運動方式，降低損傷風險；將監(jiān)測元件微型化并與服裝有效的結合，實現(xiàn)人體生理健康參數(shù)的實時監(jiān)測與傳輸。