基于电子织物应变特性的人体运动检测研究(附件)【字数：10571】
指导教师 吴剑锋 摘 要随着通讯纺织材料科学、电子科学技术以及生物技术的快速进步与发展，电子织物领域慢慢吸引了越来越多研究人员的关注。由于电子织物具有体积小、可洗涤、安全舒适等其他金属传感器所不具有的优良特性，所以对于可穿戴电子织物的研究领域正成为研究的热潮。人体关节的运动状态测试在康复医学、体育运动等领域都有着重要的应用。 本文主要对当前可穿戴的柔性电子织物的可拉伸传感元件的需求，研究导电弹力织物用于人体运动的运动频率和运动幅度的可行性。为此，以富含银离子的纤维为传感元件，制作人体运动检测织物传感器，进行人体运动频率和幅度的测试。 本文用惠斯通电桥电路设计了一种测量电子织物电阻变化的方案，并且在Multisim2014中进行模拟仿真。在实验过程中，具体运用手臂关节从自然垂落变成最大弯曲状态和膝部关节的弯曲状态检测电阻变化。通过电子织物弯曲运动准静态测试表明，电子织物拉伸变形时，电阻变化的方向性差异可以用于表征人体上肢的不同运动状态。并且利用柔性电子织物传感器能够实时呈现人体关节的运动幅度及运动次数。此外，通过观测电子织物的拉伸电阻变化及其不同的方向差异，可以准确反映人体上肢的旋转、弯曲和复合运动。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2柔性应变电子织物传感器的分类和特性 2
1.2.1以导电涂层改性为基础的柔性应变电子织物传感器 2
1.2.2以导电纱线为基础的柔性应变电子织物传感器 2
1.3电子织物的发展和现状 3
1.4课题研究的主要内容 3
第二章 人体运动检测原型系统的设计 5
2.1柔性应变织物传感器的选用 5
2.2具体方案的设计 6
2.2.1惠斯通电桥测试电路 6
2.2.2利用仪用放大器的放大测试电路 7
2.3本章总结 9
第三章 硬件和软件的设计 10
3.1 HX711A/D转换器芯片介绍 10
3.2读取电子织物电阻变化的软件程序 10
3.3电子织物应变特性的软件仿真 11
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3.3.1NI Multisim 14.0仿真软件的概述 11
3.4.本章总结 13
第四章 人体运动监测实验 14
4.1实验装置 14
4.2人体关节运动的测试方法 15
4.2.1肘部关节运动的测试 15
4.2.2膝部关节运动的测试 16
4.3结果与讨论 16
4.3.1肘部关节运动的测试结果 16
4.3.2膝部关节运动的测试结果 17
4.4本章总结 19
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和意义
人体运动姿势测试在体育运动、康复医学等领域都有着重要的应用。例如，在康复医疗领域，病人的康复过程可由关节的运动信号展现出来。在体育运动领域中，从运动员的关节运动信号中可以矫正运动员的姿势并分析出训练中的不足，从而有针对性地指导后期训练。在过去的研究中，由加速计、柔性电测角计、摄像机组成的运动捕捉系统已被用于人体运动的检测[1]。虽然这样的运动捕捉系统已经能够比较准确地检测人体运动的状态了，但是它有着非常显著地缺点，比如携带的方便性和隐藏性差，不方便使用。与此同时，构成这个运动检测系统的配件大多是硬性或者没有弹力的材料，如果被放置在衣服中会对人们穿着的舒适性会产生很大的影响。另外，人体的关节在运动过程中其处的皮肤会有不同程度的伸长，为了保证穿着的舒适性，放置在关节附近的机织物也需要有一定程度的伸长[2]。因此，研究出一种能用于人体运动检测且不影响穿着舒适度的可穿戴系统就显得尤为重要。
电子织物，又称智能布块，不仅具备可穿戴和外观柔顺等常规性质，而且能够监测环境事件、执行计算任务并具备无线通信能力[3]。在人体运动检测系统的开发中已经采用了不同的传感原理和传感材料制作技术，国内外也已经有很多学者对电子织物的应变特性做了研究。在2006年，Paceli的研究小组在织物基底上用导电的弹性材料制备了压电织物应变传感器[4]。从信息和系统两者的区别和联系来看，电子织物是一个相对完整的信息系统，其中至关重要的一步则是信息的获取，传感器就为实现智能服装的信息获取功能提供了可能。用于制作智能服装的传感器要求具有可以弯折、耐洗涤、可以折叠等特点，只有这样才可以像普通衣物一样符合人们的穿着舒适性的要求。但是，传统的传感器并不能满足服装的要求。在这样的背景下，柔性电子织物传感器应运而生。柔性电子织物的体积很小、方便洗涤、穿着时舒适安全等优良特点是其他导电传感器所不具备的，因此可以和服装完美的融合在一起[5]。将不具备导电性的纱线表面镀银后，与其他的没有导电能力的纺织线交织制备成实验所用的电子织物，对此织物进行拉伸测试，可表现出很好的导电性能。随着传感器和芯片价格的下降、制作工艺的进步和设计的超微型化发展，可穿戴计算的普遍传播逐渐成为可能。现阶段主要有3种比较典型的可穿戴织物的设计与制作方法：第一种是柔性丝网印刷法；第二种是编织和针织；第三种是缝合，即利用导电防线将电路板或传感器缝合在衣物上[6]。在本文中，采用了第二种方法，用富含银离子的银纤维编织成布块，作为研究的导电织物。另外，可以通过综合分析导电织物在不同方向的拉力作用下的电阻变化来判断人体肢体的旋转和弯曲运动姿态。这种测试方案为表征人体运动提供了一种可行的方法[7]。但是由于电子织物自身存在的滞后性，在研究过程中需要考虑其塑性变形并减小其对电阻响应滞后性的影响。
虽然电子织物研究领域正成为研究的热潮并取得了一定的成果，但是，距离“织物即为计算机”理念的真正实现还有很长的一段时间，急需多个领域的协同研究和各个层面取得突破性进展[8]。电子织物由于其可变的电学特征及其可织造性和可裁剪性，是构建穿戴系统的理想载体，在人体运动、康复医疗等领域有着重要的作用。
1.2柔性应变电子织物传感器的分类和特性
电子织物，又被称为智能布块，不仅具备可穿戴和外观柔顺等常规性质，而且能够监测环境事件、执行计算任务并且具备无线通信的能力。电子织物的内在组成部分包括计算、电池、通信和连接部件。这些部件被隐藏于电子织物之中，电子织物系统借助传感器收集信息并且通过无线通道将采集到的信息传送到外部网络，进而开展新的计算处理[9]。传感器是智能织物的重要组成部分。其中，应变传感器通常是测量物体因受力而变形所产生应变的一类传感器。与传统的采用刚性材料制成的传感器相比，电子织物应变传感器是采用了柔性纺织材料制成的，具有伸拉性好，可以自由弯曲甚至折叠的特性，具有更为广泛的应用前景。
现阶段，柔性电子织物应变传感器吸引了越来越多研究人员的关注，并取得了一定的研究成果，以织物为基础的柔性应变传感器，大体可以分为2种：第一种，利用编织技术将导电纱线编织到织物中。第二种，直接对织物进行导电涂层整理制备柔性织物应变传感器。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2柔性应变电子织物传感器的分类和特性 2
1.2.1以导电涂层改性为基础的柔性应变电子织物传感器 2
1.2.2以导电纱线为基础的柔性应变电子织物传感器 2
1.3电子织物的发展和现状 3
1.4课题研究的主要内容 3
第二章 人体运动检测原型系统的设计 5
2.1柔性应变织物传感器的选用 5
2.2具体方案的设计 6
2.2.1惠斯通电桥测试电路 6
2.2.2利用仪用放大器的放大测试电路 7
2.3本章总结 9
第三章 硬件和软件的设计 10
3.1 HX711A/D转换器芯片介绍 10
3.2读取电子织物电阻变化的软件程序 10
3.3电子织物应变特性的软件仿真 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.3.1NI Multisim 14.0仿真软件的概述 11
3.4.本章总结 13
第四章 人体运动监测实验 14
4.1实验装置 14
4.2人体关节运动的测试方法 15
4.2.1肘部关节运动的测试 15
4.2.2膝部关节运动的测试 16
4.3结果与讨论 16
4.3.1肘部关节运动的测试结果 16
4.3.2膝部关节运动的测试结果 17
4.4本章总结 19
结束语 20
致 谢 21
参考文献 22
附录 23
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和意义
人体运动姿势测试在体育运动、康复医学等领域都有着重要的应用。例如，在康复医疗领域，病人的康复过程可由关节的运动信号展现出来。在体育运动领域中，从运动员的关节运动信号中可以矫正运动员的姿势并分析出训练中的不足，从而有针对性地指导后期训练。在过去的研究中，由加速计、柔性电测角计、摄像机组成的运动捕捉系统已被用于人体运动的检测[1]。虽然这样的运动捕捉系统已经能够比较准确地检测人体运动的状态了，但是它有着非常显著地缺点，比如携带的方便性和隐藏性差，不方便使用。与此同时，构成这个运动检测系统的配件大多是硬性或者没有弹力的材料，如果被放置在衣服中会对人们穿着的舒适性会产生很大的影响。另外，人体的关节在运动过程中其处的皮肤会有不同程度的伸长，为了保证穿着的舒适性，放置在关节附近的机织物也需要有一定程度的伸长[2]。因此，研究出一种能用于人体运动检测且不影响穿着舒适度的可穿戴系统就显得尤为重要。
电子织物，又称智能布块，不仅具备可穿戴和外观柔顺等常规性质，而且能够监测环境事件、执行计算任务并具备无线通信能力[3]。在人体运动检测系统的开发中已经采用了不同的传感原理和传感材料制作技术，国内外也已经有很多学者对电子织物的应变特性做了研究。在2006年，Paceli的研究小组在织物基底上用导电的弹性材料制备了压电织物应变传感器[4]。从信息和系统两者的区别和联系来看，电子织物是一个相对完整的信息系统，其中至关重要的一步则是信息的获取，传感器就为实现智能服装的信息获取功能提供了可能。用于制作智能服装的传感器要求具有可以弯折、耐洗涤、可以折叠等特点，只有这样才可以像普通衣物一样符合人们的穿着舒适性的要求。但是，传统的传感器并不能满足服装的要求。在这样的背景下，柔性电子织物传感器应运而生。柔性电子织物的体积很小、方便洗涤、穿着时舒适安全等优良特点是其他导电传感器所不具备的，因此可以和服装完美的融合在一起[5]。将不具备导电性的纱线表面镀银后，与其他的没有导电能力的纺织线交织制备成实验所用的电子织物，对此织物进行拉伸测试，可表现出很好的导电性能。随着传感器和芯片价格的下降、制作工艺的进步和设计的超微型化发展，可穿戴计算的普遍传播逐渐成为可能。现阶段主要有3种比较典型的可穿戴织物的设计与制作方法：第一种是柔性丝网印刷法；第二种是编织和针织；第三种是缝合，即利用导电防线将电路板或传感器缝合在衣物上[6]。在本文中，采用了第二种方法，用富含银离子的银纤维编织成布块，作为研究的导电织物。另外，可以通过综合分析导电织物在不同方向的拉力作用下的电阻变化来判断人体肢体的旋转和弯曲运动姿态。这种测试方案为表征人体运动提供了一种可行的方法[7]。但是由于电子织物自身存在的滞后性，在研究过程中需要考虑其塑性变形并减小其对电阻响应滞后性的影响。
虽然电子织物研究领域正成为研究的热潮并取得了一定的成果，但是，距离“织物即为计算机”理念的真正实现还有很长的一段时间，急需多个领域的协同研究和各个层面取得突破性进展[8]。电子织物由于其可变的电学特征及其可织造性和可裁剪性，是构建穿戴系统的理想载体，在人体运动、康复医疗等领域有着重要的作用。
1.2柔性应变电子织物传感器的分类和特性
电子织物，又被称为智能布块，不仅具备可穿戴和外观柔顺等常规性质，而且能够监测环境事件、执行计算任务并且具备无线通信的能力。电子织物的内在组成部分包括计算、电池、通信和连接部件。这些部件被隐藏于电子织物之中，电子织物系统借助传感器收集信息并且通过无线通道将采集到的信息传送到外部网络，进而开展新的计算处理[9]。传感器是智能织物的重要组成部分。其中，应变传感器通常是测量物体因受力而变形所产生应变的一类传感器。与传统的采用刚性材料制成的传感器相比，电子织物应变传感器是采用了柔性纺织材料制成的，具有伸拉性好，可以自由弯曲甚至折叠的特性，具有更为广泛的应用前景。
现阶段，柔性电子织物应变传感器吸引了越来越多研究人员的关注，并取得了一定的研究成果，以织物为基础的柔性应变传感器，大体可以分为2种：第一种，利用编织技术将导电纱线编织到织物中。第二种，直接对织物进行导电涂层整理制备柔性织物应变传感器。
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