基于微机电系统惯性传感器的智能服装研究进展

姚之杰,朱达辉

(东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051)

随着时代科技的快速发展以及工业数字化的转型升级,智能服装受到越来越多人的关注。智能服装是多学科、多领域交叉的产物,其集成了先进技术与前沿纺织材料,通过置入各类微型化、柔性化的电子元器件,智能服装满足了人们除日常服用需求以外的多种功能性需求,因此在运动健身、医疗保健、军事安全、特殊作业等众多领域被广泛应用与研究[1-2]。智能服装的基本构成包括服装本体、传感器、处理器、执行器及电子单元等,其中传感器作为核心组件决定了智能服装的功能特点。

惯性传感器是常见的智能传感器之一,主要应用在游戏设备、平板电脑以及智能手表、智能手环等可穿戴设备中。随着近几年微机电系统(Micro-electro-mechanical system, MEMS)技术的快速发展,基于MEMS技术的惯性传感器因具有体积小、质量轻、低功耗、高灵敏等优势[3]而受到关注。MEMS惯性传感器的出现一方面推动了多元传感器的集成化发展,同时使其与智能服装的结合在多个领域具有广阔的应用空间。

本文主要总结了MEMS惯性传感器的发展状况,对其构成元件及工作原理进行说明,同时分析了MEMS惯性传感器在运动健身、医疗健康、安全防护等智能服装领域中的应用现状与技术特点。在此基础上指出当前MEMS惯性传感器在智能服装领域应用中所面临的问题,并对其未来发展趋势进行展望。

1 MEMS惯性传感器的研究现状

与传统惯性传感器不同,MEMS惯性传感器最早由半导体晶片制造工艺演变而来[4],并随着MEMS技术、集成电路技术和加工工艺的进步,以其轻便、低能耗、高精度、易集成等特点在消费电子产品、汽车导航、航空航天、移动应用等多个领域受到青睐,有着良好的应用前景。MEMS惯性传感器主要包括MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、MEMS磁力计[5],在实际使用中也会将其中的二者或三者组合为MEMS惯性测量单元(MEMS-IMU)来提高测量精确性。

1.1 MEMS加速度计

加速度计是测量运动物体加速度的主要传感器件,也是重要的惯性敏感元器件。加速度计的原理主要依据牛顿第二定律,在运动过程中物体产生加速度,导致在加速度计的阻尼系统中,由弹簧牵引的质量块受惯性做出反向位移,进而产生电压信号变化,以此来测得外界的加速度值。近年来,微机电系统技术的出现推动了MEMS加速度计的快速发展。MEMS加速度计按传感方式可分为压阻式、电容式、压电式、热敏式等多种类型;按照加工工艺又可分为表面工艺与体硅工艺2种[6]。不同类型的MEMS加速度计在灵敏度、稳定性等方面各有优缺点,其对比分析如表1。

表1 不同类型MEMS加速度计的对比分析Tab.1 Comparative analysis of different types of MEMS accelerometers

随着微电子技术与微制造技术的发展,尤其基于腔光力系统技术的发展,国内外对MEMS加速度计的研究正不断深入,研发了诸如微光机电系统(Micro Optical Electro Mechanical System,MOEMS)加速度计等更高精度、高性能和高度集成的加速度计以满足未来更多需求[7-8]。

1.2 MEMS陀螺仪

陀螺仪是用于测量物体角速度与角位置的器件,由于加速度计在运动状态下各轴向会产生含重力的加速度值,因而需要配合陀螺仪进行运动状态下的姿态角解算。与传统陀螺仪相比,MEMS陀螺仪以哥式效应(Coriolis)即科里奥利力为基础[9],通过内部电容变化来测算角速度值。图1所示为ADXRS645型微陀螺仪(美国亚德诺(ADI)公司)外形图,其没有旋转部件与轴承,更近似固态器件的结构,所以MEMS陀螺仪具有鲜明特点:抗震、抗冲击性能强、尺寸小、质量轻、功耗低、成本低且易于批量生产,无论是在商用还是民用领域都拥有广阔的市场前景[10],如在智能手机中加入MEMS陀螺仪可以增强拍照防抖,实现定位导航、计步等功能[11]。但由于现代技术的局限性,MEMS陀螺仪也存在一定缺陷,在使用过程中会产生较大漂移和噪音导致精度下降。目前针对MEMS陀螺仪的误差补偿研究主要采用Allan方差、自回归滑动平均模型(Auto-Regression and Moving Average Model)、小波阈值法(Wavelet Thresholding)、人工神经网络(Artificial Neural Network)等方法[12-13],均取得了优异的补偿效果,为未来更高要求的场合应用提供了可能性。

图1 ADXRS645微陀螺仪外形图Fig.1 ADXRS645 micro gyroscope form factor

1.3 MEMS磁力计

磁力计是用于测量磁场强度和定位方向的传感器。MEMS加速度计与陀螺仪在使用过程中存在姿态发散[14]问题导致精度差、定位时间短,依靠磁力计可以更好测算出载体方位角信息,解决姿态发散问题从而提高数据准确性。基于微机电系统技术的MEMS磁力计体积小、成本低,并且无磁滞或磁饱和现象、稳定性强[15],是目前最具应用潜力的磁传感器之一,满足了未来设备微型化、低成本的需求。尽管MEMS磁力计具备上述优势,但其精度易受外界干扰,因此利用新技术、新材料对磁力计进行误差补偿校正是当前研究的重点方向[16]。

1.4 MEMS惯性测量单元

惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)是用于测量物体三轴姿态角及加速度的装置,一般由加速度计和陀螺仪组合而成,有的也会加入磁力计。随着MEMS加速度计与MEMS陀螺仪的快速发展,1994年Draper实验室成功研制出由3个MEMS加速度计和3个MEMS陀螺仪组成的微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)[17]。尽管MEMS-IMU在精度与性能参数上逊色于光纤IMU与激光IMU[18],但其继承了MEMS惯性传感器高集成、小体积、低功耗、低成本等优势,因此在众多领域具有良好适用性。目前较为先进、成熟的商用MEMS惯性测量单元产品多为欧美等发达国家所研发,包括意大利意法半导体(ST)公司的LSM6DSM,德国博世(BOSCH)有限公司的BMI260,日本TDK集团的ICM-42688-P等,如图2所示,而国内针对MEMS-IMU的研究起步较晚,目前仍具有一定差距。

图2 代表性MEMS-IMU产品Fig.2 Representative MEMS-IMU products

随着国内外对传感器的材料、工艺技术、误差补偿方法的深入研究,未来MEMS惯性传感器的数据采集准确性将得到进一步提升,并能适用于不同场景,为其在智能服装中的应用提供支持。

2 MEMS在智能服装领域中的应用现状

嵌入MEMS惯性传感器的智能服装在运动健身、医疗健康以及安全防护等领域的应用是当下的研究热点之一,主要体现在对穿着者的姿态检测、跌倒识别和动作捕捉等方面。

2.1 运动健身领域

基于MEMS惯性传感器的运动健身类智能服装在运动姿态分析、运动负荷监测、锻炼效果评估等方面发挥着重要作用。由惯性测量单元组成的可穿戴传感系统相较视频动作捕捉系统或光学运动捕捉系统更为便捷、可靠和高效,能够适应不同环境及运动状态进行实时数据采集[19-20]。洪文进等[21]设计了一款以MEMS微传感主控模块为核心的智能运动内衣系统,置入了基于MPU6050模块的JY61型号MEMS惯性传感器作为信号采集模块,通过设定20 Hz和100 Hz 2种频射阈值来判断穿着者运动状态,实时记录人体原始运动数据从而保证运动安全。图3所示为由BAX-U公司推出的BAX-U智能高尔夫运动衣,是一款嵌入包含MEMS惯性传感器等多元传感模块的智能运动服。BAX-U智能运动衣在肩部、背部、盆骨及臀部添加传感器来实现360°捕捉用户日常生活及高尔夫运动过程中的姿态,同时配合APP进行动画还原,帮助用户减少在运动过程中因姿势不当导致的运动损伤以提高其运动表现。

图3 智能高尔夫运动衣BAX-UFig.3 Smart golf sportswear BAX-IU

除了针对智能运动服装本体的研究以外,随着物联网技术与无线通信技术的发展,国内外学者开始研发能够长期实现运动监测及数据反馈的智能服装系统。在王玉祥[22]开发的面向体育训练与康护的智能服装系统中,其结合了基于BMX160九轴运动传感器的可穿戴智能服装和基于Pyqt5程序开发库的软件上位机,实现了对人体关节运动姿态的信息采集、反馈以及数据的三维可视化,辅助用户进行运动健康管理的同时提升了人机交互的体验感。Chen等[23]采用意法半导体(ST)公司的STM32L151微传感芯片开发了一套针对艺术体操运动的可视化系统,通过MEMS惯性传感器结合低通滤波精准捕捉运动员的体操姿势,实现全面的运动信息分析,便于评估运动损伤并提供专业运动指导。

由此可见,MEMS惯性传感器在智能运动服装的功能表现中发挥了重要作用。随着近年来大健康产业的蓬勃发展,基于MEMS惯性传感器的智能运动服装受到市场青睐,其使用场景也将进一步扩大。

2.2 医疗健康领域

在医疗健康领域,国内外学者依靠MEMS惯性传感器对加速度、角速度的测算开发了拥有诸如步态监测、姿态矫正等功能的智能服装产品。李帅[24]针对职业人群长期久坐导致不良坐姿的健康问题设计了多传感器协同的智能矫姿服装系统。该系统将MPU6050惯性传感器与贴片电动机、蜂鸣器等元件组合,分别放置于人体颈椎C7与胸椎T8位置来监测脊椎曲度变化和静坐时长。当MEMS微传感器监测到加速度幅值持续20 min小于10 m/s2或姿态角持续6 s大于20°时,贴片电动机与蜂鸣器会发出震动及声音提示,以此避免穿着者长时间久坐以及时纠正不良坐姿。高远航[25]将柔性惯性传感器集成在弹力运动裤中,利用九轴MEMS惯性传感器BWT901CL建立肢体坐标系,通过卡尔曼滤波测算角速度获得膝关节角度,从而对穿戴者的异常步姿进行监测,为病情评估提供量化数据。

新型冠状病毒(Covid-19)爆发以来,基于MEMS微传感器的可穿戴智能服装及相关产品也为远程智慧医疗服务带来了新的解决方案[26]。Armands等[27]开发了一款用于医疗保健的可穿戴传感器服装。图4所示为用于医疗保健的可穿戴传感器服装,该服装利用Ohmate弹性电线将多个BNO055型号MEMS微传感器连接,并为电子元件及电池模块设计了可拆卸的3D打印塑料外壳以保证服装的可水洗性。通过传感器能够远程对用户进行生理活动监测,尤其针对身体虚弱、具有运动障碍的患者能够进行远程监督和病情评估,及时进行治疗干预,为后续医疗方案制定提供依据。

图4 用于医疗保健的可穿戴传感器服装Fig.4 Wearable sensor clothing for healthcare

2.3 安全防护领域

采用MEMS惯性传感器开发的智能防护服装在特殊作业、极限运动以及弱势群体等防护领域中具有广泛的应用价值,如在老年人防摔服中嵌入MEMS惯性传感器,能够实现跌倒识别和预警,及时将数据反馈至亲属或远程医疗机构从而保证老人的安全[28-30]。李子丹等[31]设计的一款老年人智能化防摔马甲中,基于MEMS微传感器对老人人体加速度与位移距离进行阈值设定。当摔倒发生时,人体加速度阈值异常即会触发警报系统并通过GPS发送信息至指定联系人,同时自动引爆在腰部的安全气囊装置提供缓冲,避免老人摔倒后产生二次伤害。

基于MEMS惯性传感器的气囊启动装置也被用于高坠防护服、摩托车防护服、马术防护服等智能安全防护服中[32-33]。杜子文等[34]在为高空作业人员开发的3款智能安全气囊高坠防护空调服中,利用由微传感器叠加滤波器组成高精密度跌落识别装置。该装置通过陀螺仪测算人体姿态旋转状态,通过重力及线性加速度计测量加速度值,从而精准判别工人危险情况并触发气囊装置,实验证实该款智能服装对坠落人员的髋关节、颈椎部位具有良好防护效果。2015年,瑞士安全生产商POC与法国In&Motion公司联合开发了滑雪智能气囊背心Spine VPD 2.0,见图5。Spine VPD 2.0使用一系列集成式传感器检测运动员冲击水平,通过内部算法判定是正常飞跃、降落还是发生意外危险情况。利用惯性传感器的监测数据能够及时开启气囊,对运动员的脖颈、脊椎、臀部等重要人体部位提供缓冲防护,保障运动员生命安全。

图5 滑雪智能气囊背心Fig.5 Ski smart airbag vest

综上所述,智能服装利用MEMS惯性传感器对人体的加速度值、位移距离及姿态角进行数据采集,并借助无线通信技术、物联网技术、虚拟现实技术等新兴科技实现健康监测、姿态矫正、运动防护等功能,满足了不同穿着者在不同使用场景中的多样化需求。

3 MEMS在智能服装中的应用问题分析

MEMS惯性传感器与智能服装的结合在服装本体与电子元器件的开发上均面临挑战。基于MEMS惯性传感器的智能服装需要确保采集数据的准确性及安全性,同时服装本体的舒适性和美观性问题应当予以重视。为了实现智能服装的可持续化发展,还需通过新材料与加工工艺解决此类服装的耐水洗性和耐久性问题。

3.1 数据准确性

微加速度计与微陀螺仪在实际使用中因自身安装、信息传输或外界干扰易产生零点漂移、温度漂移等误差问题,导致传感精度下降,采集数据不准确。因此,针对智能服装中的传感元件在硬件和软件层面的误差补偿亟待解决,如使用新材料、改进加工工艺或基于神经网络[35]等补偿算法来提高姿态检测精度,保障数据准确性。

3.2 服用安全性

嵌入MEMS惯性传感器件的智能服装目前存在物理安全与信息安全问题[36]。一方面,电子元件本身在材质、加工工艺等方面存在安全隐患;另一方面,基于无线通信技术的个人信息存储、传输和反馈需得到数据的保护及监管,建立标准体系保证“E安全”[37],防止由微传感器采集到的隐私数据产生泄露或非法使用问题。

3.3 舒适性与美观性

MEMS惯性传感器常被安装在人体躯干关节部位以此来检测活动姿态,而传统刚性材料与服装本体的结合会导致服装的穿着舒适性及耐久性大大降低。并且,当前针对智能服装的研究往往侧重于传感器等电子元件及相关技术的功能性开发,而忽略了穿着者的审美需求,智能服装的美观性亦有待提高。

3.4 耐水洗性与耐久性

智能服装的日常水洗及保养问题一直以来备受关注。现有智能服装产品主要依靠模块化的可拆卸设计实现日常洗涤,而惯性微传感元件与电路系统本身的防水性、耐水洗性[38]仍需增强,如使用新材料或工艺从而提高智能服装的使用寿命。此外,微传感器在日常使用中存在摩擦、拉伸变形等情况,智能服装的耐久性问题同样面临挑战。

4 未来趋势与展望

依托微电子技术、传感技术及通信技术等高新科技的发展,微型MEMS惯性传感器与智能服装的结合在诸如智慧医疗、智慧养老、智慧健身等领域具有良好的市场前景和发展潜力。基于MEMS惯性传感器的智能服装开发需要充分考虑服用性能、服装本体及电子元件材质、消费者需求、生产技术等多重因素,并朝着集成化、智能化、人性化方向不断发展。

4.1 多功能集成化

面对用户多样化、个性化需求的增多以及对数字化生活的不断深入探索,仅具备单一功能的智能服装不足以满足未来的市场需求。基于MEMS惯性传感器的智能服装应结合互联网技术、物联网技术、人工智能技术等多种前沿科技,打造多功能集成化的智能服装系统。如黄东锋等[39]将MEMS惯性传感器与虚拟现实技术结合开发了下肢康复用的可穿戴设备系统,通过技术融合实现医疗康复的步态监测、3D交互式的游戏娱乐与远程医疗服务等多重功能。

4.2 柔性化与微型化

柔性传感器与柔性织物的开发为MEMS惯性传感器与智能服装的结合提供了新思路。采用聚合物材料、薄膜材料及纺织材料等柔性基底材料与传感材料融合[40-41],开发柔性化的传感器、电池和导线,从而提升智能服装的服用舒适性。同时,纳米技术与集成技术的发展也推动MEMS惯性传感器进一步微型化,为多元件集成提供可能。

4.3 可兼容与可循环

在万物互联的时代,智能服装的兼容性受到关注。MEMS惯性传感器采集的人体数据除了搭配服装产品自身的APP使用外,可考虑与用户所使用的多个平台进行信息系统兼容,实现数据的共享和及时同步[42]。此外,应关注智能服装的绿色化、可持续化发展,通过材料、工艺或功能的创新提高其使用价值,增强其循环使用能力。

5 结束语

本文主要从微机电系统(Micro-electro-mechanical system, MEMS)惯性传感器的发展现状入手,分析了MEMS惯性传感器在运动健身、医疗健康、安全防护等不同智能服装中的应用,明确了当前此类智能服装发展所面临的问题与未来趋向。国内对于MEMS惯性传感器的研究尚处于起步阶段,基于MEMS惯性传感器的智能服装需在硬件与软件上不断优化,保障传感器在数据采集方面的准确性与安全性。同时应重视智能服装本体的舒适美观问题与可持续发展问题。针对现有问题及市场需求,未来的研究应重点关注智能服装的多功能集成化发展,基于新材料与技术开发柔性、微型的传感元件,并提高服装的兼容性和循环性。通过MEMS惯性传感器结合前沿科技,搭建更为智能化的服装系统,推动智能服装集成化、互联化、人性化、绿色化发展。