可穿戴技术中的舒适度和压力测量

sensors-online-logo-press-release.jpg传感器

消费者对服装的要求越来越高，不仅仅是对合身性的要求，而且是对功能性的要求。毕竟，舒适感在决定一个人是否喜欢某个产品方面起着重要作用。

现在，形式和合身的问题已经远远超出了传统服装的范畴，延伸到更专业的产品，如胸罩、手套、塑形鞋、压缩长袜、尿布和眼镜等，进入了新兴的可穿戴技术市场，其健身带、智能手表和耳机可收集生物特征信息或与移动设备交互。

在如此大的风险下，可穿戴设备制造商正越来越多地投资于复杂的压力映射研究，以优化产品设计，创造舒适度和贴合度，从而获得最大的市场份额。

测量压力

对于长时间接触身体或接触特别敏感区域的可穿戴设备，在特定位置施加的压力量是首要考虑因素。然而，测量压力的大小可能很困难，因为大多数人通常很难确定静态压力。也就是说，人体对变化的压力比恒定的负荷更敏感。相反，通过将电容传感器技术集成到测试和开发中，可穿戴制造商可以捕捉和量化用户在穿着设计时感受到的压力，以优化贴合度和功能。

电容式触觉传感器技术

电容式触觉传感器包括由可压缩介质结构隔开的两个电极。当施加压力时，间隙减小，电容增大。与电阻技术不同，这两个电极从不接触。因此，电容式传感器即使承受多个重复荷载也不易磨损或失效。

与电阻式传感器相比，电容式传感器技术还有几个额外的优势，包括在重复性和耐久性方面更高的稳定性，以及能够精确测量极低水平的压力。这可能是一个重要的考虑，当衣服合身可能涉及微妙的，低水平的压力。使用电容式传感器，可以使用精密阵列测量压力，这些阵列可以测量数千个力点，以创建高分辨率地图，也可以使用微型力传感器测量离散点的压力。

开发可穿戴设备的主要挑战之一是人体当然不是平坦的。它有轮廓和曲线，用于此目的的任何传感器必须符合曲面，同时提供准确的压力测量。幸运的是，来自领先的传感器制造商的触觉阵列选项可以与各种柔软的、柔性的和一致的材料集成。出于研究目的，传感器可以嵌入人体模型中，也可以缝在衣服和人体模型或人体测试仪之间的带子中。

例如，考虑一下胸罩，这是一个很关键的合适部位。一个配备触觉压力传感器的人体模型可能是公司改善文胸设计的一个解决方案。

触觉压力传感技术的另一个合乎逻辑的用途是Shapewer，一种设计用来固定身体各部分的服装，其方式可以修改和表面上改善穿着者的外观。量化压力将是创建shapewer的一个关键因素，shapewer在正确的位置足够紧密，以创建所需的效果，而不会过度收缩。

触觉压力传感器技术也有助于开发具有医学应用的服装，如用于治疗和预防深静脉血栓形成的压缩袜，这种并发症通常涉及小腿和小腿可能形成严重的血栓。头戴式耳机和其他头盔是其他潜在的应用，可以受益于压力映射。

对于头盔来说，舒适性通常和功能性一样重要。由于很难区分不同品牌的消声耳机在噪声衰减方面的差异，因此舒适度和舒适度在决定购买什么产品时可以发挥重要作用。

职业体育

在职业体育运动中，可穿戴技术在运动员的监控和实时性能反馈方面也有着广泛的应用。在能量饮料公司红牛（Red Bull），运动研究的局限性正通过红牛高性能集团（redbull High Performance group）来推动。该小组与红牛赞助的运动员社区和科学家社区合作进行研究，旨在探索精英表现的特点和特点，以扩大对人类潜能真正能力的集体理解。“一种方法是利用最先进的技术从地球上最伟大的运动员那里收集信息，不仅可以洞察他们的表现，还可以将任何核心知识应用到更广泛的社区中，使每个人的生活都变得更好，”红牛高绩效的技术专家布兰登·拉森说。拉森是一名机械工程师，曾在美国宇航局和波音公司从事研发工作。

拉尔森领导了冲浪科学项目，该项目旨在推进冲浪时收集数据的技术，以提供见解和探索性能改进。最初的研究集中在确定冲浪者的脚的压力是如何转移到冲浪板上来控制它的。为了实现这一目标，需要利用冲浪靴鞋垫中的传感器进行高分辨率压力测绘。

红牛冲浪传感器正在工作。

红牛冲浪传感器正在工作。

然而，获取足部压力信息是一项挑战性的任务，即使是休闲鞋，由于不断的冲击和压力的鞋垫除了广泛的力量被应用。除了苛刻的要求外，冲浪应用还意味着设计能够承受潮湿、腐蚀性、高湿度环境和一系列温度的压力测绘传感器和电子设备。

由于水对信号的干扰，船上无线数据采集也是不可能的。在仔细审查了市场上的可用选项后，拉森找到了压力剖面系统（PPS），这是一家提供电容式触觉传感解决方案的世界领先公司。

聚苯硫醚传感器不同于传统的电容式设计，这种设计要求手指或触笔与单个电极相互作用。取而代之的是，传感器是由两个内置电极设计的，电极之间由一个专有的可压缩介质矩阵隔开，介质矩阵的作用就像弹簧一样。

为了构建其触觉阵列传感器，PPS将电极布置成正交的重叠条。在电极重叠的每个点形成一个不同的电容器。通过有选择地扫描一行和一列，测量该位置的电容，从而测量局部压力。

TactArray传感器具有高达8192个集成传感元件，同时测量0.01 psi至700 psi的压力。

对于不需要阵列的应用，PPS公司刚刚开发了新的单元件、可穿戴的单触点力传感器，能够可靠地量化低至1克的力。由可拉伸导电布材料制成的20毫米可穿戴单点力传感器，具有柔软、可拉伸和符合多曲面的特点，不影响数据质量，可用于人体。

可穿戴单触点传感器是一个完整的交钥匙解决方案，带有模拟输出接口板。OpenSourceArduino和DAQ软件也可供希望开发传感器或将传感器集成到其产品或项目中的设计师使用。

为了满足冲浪的要求，同时保持高质量的压力数据，PPS与红牛工程师合作，经历了多次设计迭代。

与大多数电容式触摸传感器不同，PPS传感器不受湿度影响。然而，它们不防水，所以公司提供了护套，以保护触觉阵列。

双方的工程师还合作为数据采集计算机创建了一个小型的3D打印防水外壳。为了便于安置住房，红牛高性能组直接与RIP Curl，一个主要冲浪战利品制造商，创建一个定制口袋正好低于踝关节屈曲点，以免干扰冲浪的技术。

在整个过程中，拉森对压力剖面系统采用的测试程序及其制造能力印象尤为深刻。

拉森说：“压力剖面图有一个我经历过的更严格的测试程序，这意味着很多来自美国宇航局和波音公司这样的地方。”。“看到将这种精密度和工艺水平投入到测量冲浪者足部压力的传感器中，令人印象深刻。”

PPS传感器已经在红牛赞助的冲浪者在墨西哥的冲浪科学技术营地和世界冠军米克-范宁在低矮栈桥的一次会议上投入使用。该系统成功地捕捉并存储了数小时的冲浪数据，为世界级精英冲浪者如何用脚控制冲浪板提供了独特的视角。

拉森设想，下一步该项目的发展是与PPS合作，将触觉阵列传感器嵌入冲浪板甲板，不仅收集脚的压力分布，还收集位置。到目前为止，冲浪者的脚位置只通过不太精确的视频观看来评估。

冲浪板的足底压力传感器。

压脚器红牛高性能团队考虑的触觉阵列技术的其他应用包括：将其融入到翼装中，以便更好地了解空气动力蒙皮上的气流和气压分布；山地自行车运动员手套或手柄，以确定抓地力、制动时间和硬度；以及在滑板的甲板上确定滑冰运动员在进行特定技巧和动作时的压力分布。

“能够在这些应用程序中看到压力信号是一种改变游戏规则的教育工具，”拉尔森说。“有了传感器阵列的能力，你的大脑可以游荡，你开始意识到当遇到压力时，几乎没有什么东西是它无法测量的。”

足底压力数据采集软件。

足底压力数据采集软件