基于柔性传感技术的压力监测运动裤设计

金佳勤，于 淼，王 侠，张春明，孙亚宁

(青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071)

跑步是一项周期性有氧运动，由于跑步时长时间重复同一动作，极易造成膝关节的过度使用性损伤[1-4]。为了减少运动损伤，科研人员潜心于各种紧身型运动裤的开发。随着人工智能技术的发展，以柔性压力传感器为代表的可穿戴设备已成为健康监测领域的研究热点。压阻式压力传感器具有种类丰富、器件单一、导出机制简单、能耗低等特点，是目前最受欢迎的压力传感器之一[5]。现阶段针对紧身运动服的研究集中于人体压力舒适性、服装压对人体生理机能的影响以及服装压的影响因子等方面[6-7]，将智能可穿戴技术与紧身运动服相结合，对服装压进行实时监测的研究较少[8]。

文中结合现有技术和市场需求，将柔软性、延展性、轻便性、安全性、功能性和可拆卸性作为膝关节压力监测运动裤的设计目标，使运动裤在满足膝关节运动要求的同时，实现对膝关节立体受力情况的实时监测，以期在自身健康监测、远程医疗诊断及康复检测方面取得更好的效果[9]。

1 实验部分

1.1 材料

1.1.1原料 经编弹性针织面料(1#，2#)，广州偉卓布行有限公司提供；Coolmax®纤维针织面料，美国杜邦公司生产。面料规格参数见表1。

1.1.2仪器 YG(B)606G型纺织品热阻和湿阻测试仪，温州大荣纺织仪器有限公司制造；YG461E-III型全自动透气量仪，宁波纺织仪器厂制造；YG(B)216-II型织物透湿量仪，温州际高检测仪器有限公司制造；KES-F织物风格仪，上海罗中科技发展有限公司制造；YG065H-250型电子织物强力仪，莱州电子仪器有限公司制造。

表1 面料规格

1.2 方法

1.2.1热湿舒适性测试 根据GB/T 11048—2018《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定(蒸发热板法)》[10]，采用织物保温仪测试面料(1#，2#)的传导系数。每组实验测3次，取平均值(下同)。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5) %，静置24 h。

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》[11]，采用透气量仪对面料(1#，2#)的透气性进行测试；依据GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》[12]，采用织物透湿量仪对面料(1#，2#)的透湿率进行测试。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5) %。

1.2.2接触舒适性能测试 运用织物风格仪测试面料(1#，2#)的弯曲刚度、弯曲滞后矩、动摩擦平均系数、摩擦系数平均偏差、表面粗糙度。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5) %。

1.2.3拉伸弹性性能测试 参照ASTMD3107— 2007《弹力纱机织物拉伸性能的标准试验方法》[13]，采用织物强力仪对面料(1#，2#)的伸长率和形变率进行测试。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5) %。

1.3 结果与讨论

1.3.1热湿舒适性 面料的热湿舒适性测试结果见表2。

表2 面料热湿舒适性测试结果

由表2可以看出，面料2#热阻值比1#的小，说明面料2#热传递效率高，且其透气率、透湿率比1#大。因此，面料2#热湿舒适性更好，能够满足人体在正常运动强度下的透气、透湿及散热等需求，适合作为运动裤的主面料。

1.3.2接触舒适性 面料的接触舒适性测试结果见表3。

表3 面料接触舒适性测试结果

由表3可以看出，两种面料的弯曲滞后矩均较低，产生弯曲变形后易恢复，而面料2#的抗弯刚度更低，手感更佳，适合作为样裤的主体面料。两种面料经向的摩擦系数和粗糙度比纬向的小，其中面料1#表面更为粗糙，适合局部配伍，以减少与下肢的接触面积。

1.3.3拉伸弹性性能 面料的拉伸弹性性能测试结果见表4。

表4 面料拉伸弹性性能测试结果

由表4可以看出，面料1#的定负荷伸长率明显小于面料2#的，且面料1#的定负荷急弹性变形率大于面料2#的，故面料1#在外力作用下不易产生形变且形变后易恢复，说明其拉伸弹性、形变回复能力良好，更适合分配在膝关节等活动较为频繁、形变程度较大的部位，从而有效增大服装压，提高防护功能。

2 样裤设计

2.1 运动裤设计

根据人体运动自由度与人体各区域温度及出汗分布情况，采用区域分割的方法进行运动裤设计：①跑步过程中，人体会产生很多热量和汗液，运动服极易被浸湿，因此选取具有透湿、透气、速干以及降温功效的运动服面料；②跑步过程中，人体后腰中部是热量和汗液聚集的部位，选用Coolmax®面料[14-15]，因其具有许多毛细血管效应强的细小芯吸管道，且纤维的比表面积大，能够使织物表面的汗液快速蒸发，保持皮肤干爽，提高主观舒适性；③在运动过程中，体表皮肤会根据运动趋势在纵、横向上发生不同程度的拉伸形变，膝关节外侧皮肤的拉伸形变大于膝关节内侧皮肤的[16]，且均为纵向拉伸形变量大于横向拉伸形变量，因此膝关节采用上下不对称式外长里短的圆弧形设计，搭配弹性较大的面料1#，满足膝关节的压力舒适性需求，并对膝关节起一定的保护作用；④除膝关节和后腰中部，剩余区域选取热湿舒适性、接触舒适性良好的面料2#；⑤为提高视觉效果，臀部运用心形设计，以提升翘点、改善臀型，臀部两侧与后腰中部为一体式设计，可拉长腿部弱化胯宽，达到增高显瘦的效果[9]。

在此基础上得到研究所需运动裤基础样板，具体如图 1所示。

紧身裤规格尺寸为：160/68A。裤长90 cm，腰围65 cm，臀围84 cm，裤口宽12 cm。在运动裤膝关节前片对应位置的反面缝制略大于柔性压力监测传感器尺寸的椭圆形内贴口袋，内贴口袋只缝合3/4，上部1/4不缝合作为袋口，便于柔性压力监测传感器的放置与取出。

2.2 柔性压力监测传感器设计

利用电阻应变原理设计具有良好柔韧性、伸缩性、贴合度以及舒适性的立体柔性压力监测传感器，间接测量跑步运动过程中膝关节压力变化。

2.2.1柔性压力监测传感器 在跑步运动过程中，膝部是人体承受压力最大且使用最频繁的部位之一，也是损伤概率最高的部位之一。膝关节损伤主要表现为运动后的区域性疼痛，主要分布如图2所示。

图2 膝关节损伤及疼痛区域分布Fig.2 Distribution of knee injury and pain area

文中根据膝关节损伤情况及疼痛发生区域分布进行膝关节柔性压力监测传感器设计，具体如图 3所示。膝关节柔性压力监测传感器及其内部的压力监测元件设计和制作均自行完成。

图3 膝关节柔性压力监测传感器示意 Fig.3 Schematic diagram of flexible pressure monitoring sensor for knee joint

压力监测元件以强弹性化纤面料为基底，保证监测元件的延展性，表面涂覆纳米级的导电涂层(导电涂层厚度由电脑根据膝关节压力值范围模拟计算所得)。

柔性导体置于化纤面料和压力监测元件之间，以“+”字设计将柔性导体的所有监测元件连接起来，每一块压力监测元件下方有两根柔性导线，一根连接外部线路，一根连接其他压力监测元件。压力监测元件下柔性导体排列如图 4所示。图4中置于压力监测元件下的柔性导体以两个交叉的“F”形排列，监测元件与柔性导体充分接触以确保所测压力数据准确。

图4 压力监测元件下柔性导体排列示意Fig.4 Schematic diagram of flexible conductor arrangement under pressure monitoring element

柔性导体和压力监测元件均固定于长直径为15.6 cm、短直径为15.2 cm的椭圆形化纤面料之上，化纤面料、压力监测元件和柔性导体共同构成膝关节柔性压力监测传感器。椭圆形化纤面料上均匀设有4个长5 cm、宽0.9 cm的省道，以提升膝关节柔性压力监测传感器的贴体度，减小测量误差。

2.2.2微控制元件 微控制元件包含具有16 KB～1 MB Flash、多种控制外设、USB全速接口和CAN的微控制器STM32F103以及4 cm×6 cm的22402A-18电路板，通过上下焊接方式组合在一起。微型控制元件利用柔性导线与传感元件相连接，为传感器提供驱动电阻的同时，接收、放大传感器所感知的外界压力，并将传感器内部产生的电阻信号转换成可被电脑识别的数字信号，传输到电脑终端，最后完成压力数值的实时记录与导出。

自行设计运动裤两条，一条运动裤内贴袋中放置膝关节柔性压力监测传感器，另一条作为参照组。

3 样裤性能测试和评价

3.1 实验对象

选取6名年龄为(24±2)岁、身体健康、有跑步运动经历且无膝关节损伤的女大学生作为实验对象，其腿型相似，平时均穿M码裤子。受试者具体信息见表5。

表5 受试者基本信息

3.2 实验仪器

膝关节柔性压力监测传感器，自制；气囊式接触压力测试仪，北京力泰友联科技有限公司制造；Moxy近红外光实时无线无创肌氧监测仪，世纪天鸿国际集团股份有限公司制造；MSR145W温湿度传感器，广州虹科电子科技有限公司制造。

3.3 实验方法

3.3.1压力测试 采用气囊式接触压力测试仪和膝关节柔性压力监测传感器对穿着样裤受试者的膝关节压力进行测试。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5)%。

3.3.2肌氧测试 采用近红外光实时无线无创肌氧监测仪对受试者穿着样衣运动过程中腓肠肌、股内侧肌、股外侧肌的肌氧饱和度和总血红蛋白变化情况进行监测。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5)%。

3.3.3热湿度测试 采用温湿度传感器对受试者穿着样裤运动过程中腓肠肌、股内侧肌、股外侧肌的温度变化情况进行监测。实验环境：温度(25±5) ℃，相对湿度(65±5) %。

3.4 效果评估

3.4.1压力评估 为了检验膝关节柔性压力监测传感器测试数据的准确性，在受试者穿着样裤静止站立状态下[9]，分别采用气囊式接触压力测试仪和膝关节柔性压力监测传感器对膝关节5个监测点进行压力测试，记为方法1和方法2，具体结果见表6。

表6 静止站立时膝关节压力测试结果比较

由表6可知，与气囊式接触压力测试仪测试数据相比，膝关节柔性压力监测传感器所测人体膝关节受压数值存在一定的误差。究其原因：①膝关节立体弯曲结构导致传感器不能完全贴合体表；②传感器置于运动裤内贴袋中，未与皮肤直接接触，该误差由运动裤和人体共同导致。运用t检验验证柔性压力传感器所测数据的有效性[9]，结果见表7。

由表 7可知，左右膝关节F值相伴概率均大于显著水平0.05，说明自制膝关节柔性压力监测传感器监测结果可靠；当方差相等时，T统计量的相伴概率均大于显著水平0.05，不能拒绝方差相等的假设，即自制膝关节柔性压力监测传感器与气囊式接触压力测试仪所测得的压力平均值不存在显著差异。从样本均值差的95%置信区间看，区间跨0，说明膝关节柔性压力监测传感器监测结果可靠。

3.4.2肌氧评估 受试者穿着样裤运动过程中肌氧测试结果如图 5所示。

表7 左右膝关节受压独立样本t检验输出结果

图5 肌氧测试结果Fig.5 Muscle oxygen test results

由图5可以看出，肌氧饱和度和总血红蛋白的曲线变化趋势相似，监测的3个部位的曲线变化趋势也相似。前15 min，血氧饱和度和总血红蛋白随着跑步速度的增加而减少；15 min时，其值下降到最低；15～40 min，随着时间的推移，又逐渐回升至相对稳定状态；后10 min，逐步恢复到稳定水平。这是由于前期加速，肌肉突然收缩，血管受到压迫，肌肉血流量减少，肌氧饱和度和总血红蛋白降低；随着运动状态的稳定，人体逐渐适应，各器官重新分配血流量，肌氧饱和度和总血红蛋白恢复至稳定水平；恢复期其含量均高于初始水平，说明运动裤具有一定的缓解肌肉疲劳的作用[14]。

3.4.3温湿度评估 受试者穿着样裤运动过程中热湿测试结果如图6所示。

图6 平均体表温度变化Fig.6 Average body surface temperature variation graph

由图6可以看出，在跑步过程中，3个区域的肌肉温度变化较平稳，维持在31～34 ℃之间，人体的热感觉舒适性较好，没有出现突然升温或降温的现象。前25 min，随着运动负荷和人体代谢活动的增强，人体心率逐渐加快，产热增加，毛细血管扩张[17]，体温有所增加；25 min后，人体适应运动强度，其内循环稳定，人体产热和出汗率保持相对稳定，体温也应保持相对稳定，但此处数据显示体温有所下降，说明运动裤透湿排湿性能良好，吸收体表部分热量，达到降温作用。

3.4.4主观评估 文中运用5等分量表法对样裤进行主观评价。-2代表差，-1代表较差，0代表一般，1代表较好，2代表好[9]。

在跑步测试方案结束后，对受试者穿着样裤的自身真实舒适感受进行问卷调查，具体包括束缚感、闷热感、黏体感、潮湿感、柔软感、压迫感、运动便利性以及综合穿着舒适感等指标，评价并打出相应分值，取平均值。样裤的主观舒适性评估分析结果如图7所示。

由图7可以看出，样裤满足人体基本穿着舒适性要求。静止站立时的穿着舒适性最好(跑步前大于跑步后)，其次是开始跑步的第2阶段，再次是递减负荷的第4阶段，最后才是递增负荷的第3阶段。第2阶段，运动裤产生形变使服装压增大，束缚感、压迫感增加；第3阶段，随着运动强度的增加，运动裤产生的服装压增大，束缚感和压迫感增加更为明显；第4阶段，运动强度逐渐减弱，压迫感减弱明显，但运动时间长，闷热感增加明显。随着运动强度和时间的增加，人体新陈代谢加快，会有大量汗液排出，导致闷热感、潮湿感、黏体感等增加，尤其在第3阶段和第4阶段，随着运动强度和时间的增加，舒适性不断下降；在整个实验过程，样裤的运动便利性始终良好。运动过程中，样裤客观评价结果均保持在1.5评分以上，整体舒适性稳定，变化小，说明样裤的款式结构设计较合理。

图7 主观评估结果Fig.7 Subjective assessment result

4 结 语

随着跑步运动的兴起与流行，消费者对紧身运动服的需求逐渐提升，在满足基本穿着功能的同时期望获取更多的附加功能。文中设计的智能运动裤能够有效地获取膝关节压力值，结合步态分析系统，判断运动姿势的准确性，通过反馈的数据及时调整训练计划，改变运动方式，降低损伤风险；将监测元件微型化并与服装有效的结合，实现人体生理健康参数的实时监测与传输。