張曉峰 李國(guó)豪 胡吉永 楊旭東 丁 辛

(東華大學(xué)紡織學(xué)院紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

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用于人體上肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)的聚吡咯導(dǎo)電織物的機(jī)電性能評(píng)價(jià)

張曉峰 李國(guó)豪 胡吉永*楊旭東 丁 辛

(東華大學(xué)紡織學(xué)院紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

針對(duì)當(dāng)前可穿戴電子產(chǎn)品對(duì)柔性可拉伸纖維基傳感元件的需求，探討導(dǎo)電彈力機(jī)織物用于監(jiān)測(cè)人體上肢復(fù)雜運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的可行性。為此，采用原位聚合法制備3種不同類(lèi)型的聚吡咯導(dǎo)電織物(棉/氨斜紋、棉/氨平紋和滌/氨平紋織物)，采用掃描電鏡(SEM)觀察聚合之后聚吡咯在織物中的分布狀態(tài)；分別以這3種導(dǎo)電織物為傳感元件，制作姿態(tài)監(jiān)測(cè)織物傳感器，進(jìn)行上肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試。掃描電鏡圖顯示，聚吡咯不僅吸附在織物表面，且被吸附在織物內(nèi)部的每一根纖維表面，可反映所制備導(dǎo)電織物作為傳感器敏感材料的穩(wěn)定性。準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)的測(cè)試結(jié)果表明，導(dǎo)電織物拉伸變形時(shí)，電阻變化的方向性差異能用于表征人體上肢的不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，且表征過(guò)程中3種織物的電阻變化無(wú)明顯差異。隨后的棉/氨平紋導(dǎo)電織物彎曲運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)試表明，聚吡咯導(dǎo)電織物能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度及運(yùn)動(dòng)次數(shù)。通過(guò)觀測(cè)聚吡咯導(dǎo)電織物的拉伸電阻變化及其方向性差異，可準(zhǔn)確反映上肢的彎曲、旋轉(zhuǎn)及其復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

彈力織物；電阻；上肢運(yùn)動(dòng)；彎曲；旋轉(zhuǎn)

引言

人體關(guān)節(jié)活動(dòng)狀態(tài)測(cè)試在康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。例如，在一些體育訓(xùn)練中，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)被用來(lái)識(shí)別運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中的不足，從而有目的地指導(dǎo)后期訓(xùn)練；在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)被用來(lái)檢測(cè)病人的康復(fù)過(guò)程。之前的研究中，加速計(jì)、柔性電測(cè)角計(jì)、攝像機(jī)組成的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)已被用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)[1]。雖然這樣的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量人體的動(dòng)作，但它的便攜性和隱蔽性差，不方便使用。同時(shí)，這些組件為剛性或無(wú)彈性材料，如被固定在服裝上會(huì)影響人們穿著的舒適性。另外，人體膝蓋縱向的皮膚在正常的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有40%左右的伸長(zhǎng)，為了確保舒適性，在關(guān)節(jié)周?chē)目椢镆惨笥?0%～30%的伸長(zhǎng)[2]。因此，開(kāi)發(fā)一種能用于人體運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)監(jiān)測(cè)且不影響穿著舒適性的可穿戴系統(tǒng)顯得非常必要。導(dǎo)電織物由于其可變的電學(xué)特征且能夠很好地與服裝集成，因此適合用于構(gòu)建這樣的可穿戴感應(yīng)系統(tǒng)。

不同的傳感原理和傳感材料制作技術(shù)已被應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)不同傳感材料的性能做了研究。在文獻(xiàn)[3]中，作者以導(dǎo)電紗線與絕緣紗線組合的機(jī)織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了并聯(lián)式與串聯(lián)式的應(yīng)變傳感器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果機(jī)織物中的導(dǎo)電紗線為并聯(lián)式, 理論上可用于任意尺寸物體的大應(yīng)變檢測(cè)；若為串聯(lián)式，則僅適用于較小尺寸物體的大應(yīng)變檢測(cè)。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了一種能夠連續(xù)長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，監(jiān)測(cè)原理是基于關(guān)節(jié)周?chē)钠つw以及彈性織物的拉伸；一根導(dǎo)電紗線貼附在織物上，隨著關(guān)節(jié)的彎曲導(dǎo)電紗線會(huì)伸長(zhǎng)，從而導(dǎo)致其電阻增加。在文獻(xiàn)[5]中，作者采用彈性紗線制作了彈性導(dǎo)電帶，基于彈性導(dǎo)電帶組裝了一個(gè)用于檢測(cè)人體手肘和膝蓋運(yùn)動(dòng)角度的檢測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠很好地反映手肘與膝蓋的運(yùn)動(dòng)角度，隨著運(yùn)動(dòng)角度的增加，導(dǎo)電彈性帶的電阻幾乎成線性增加。在文獻(xiàn)[6]中，作者提出采用聚吡咯萊卡織物作為一個(gè)動(dòng)態(tài)電路元件組成電路，長(zhǎng)條狀導(dǎo)電織物覆蓋在膝蓋上，導(dǎo)電織物電阻隨著膝蓋的彎曲發(fā)生變化。從以上這些研究可知，就目前采用導(dǎo)電織物的電阻變化來(lái)測(cè)試人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)而言，基本上都是研究織物在關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)中受到縱向拉伸時(shí)織物電阻的變化與關(guān)節(jié)的彎曲角度之間的關(guān)系，僅能反映人體關(guān)節(jié)的彎曲變化。然而，人體關(guān)節(jié)的日常運(yùn)動(dòng)除了彎曲以外，還有旋轉(zhuǎn)以及兩者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的同步測(cè)量才能有助于全面評(píng)價(jià)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前，很少研究利用柔性的導(dǎo)電織物來(lái)辨別人體關(guān)節(jié)的彎曲、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及肢體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

為了獲得滿足上述運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)要求的導(dǎo)電織物，比較成熟的工藝技術(shù)是利用導(dǎo)電聚合物制備。基于這類(lèi)織物的傳感器相對(duì)于其他傳感器而言，具有輕盈、良好的彈性、抗腐蝕、易制作等優(yōu)點(diǎn)[7]。在常用的導(dǎo)電聚合物(聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)以及聚噻吩(PTh))中，聚吡咯具有高導(dǎo)電性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、易合成、高黏附性、無(wú)毒等特點(diǎn)[8]，因此聚吡咯導(dǎo)電織物適合用于制作可穿戴的織物傳感器。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)，聚吡咯聚合尼龍/萊卡混紡導(dǎo)電平針織物的表面電阻在拉伸時(shí)表現(xiàn)出很高的靈敏度。Wu等研究了導(dǎo)電聚合物PPy涂層萊卡織物的應(yīng)變-電阻關(guān)系，應(yīng)變敏感系數(shù)約25[6]。因此，采用聚吡咯導(dǎo)電織物制作的傳感器集成到服裝中，其電阻值將隨著關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變，電阻值的方向性變化就能監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分量。同時(shí)，作為一個(gè)可穿戴的傳感元件，聚吡咯導(dǎo)電織物導(dǎo)電性能的穩(wěn)定性也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。Amol等研究了聚吡咯導(dǎo)電棉織物的導(dǎo)電穩(wěn)定性[10]，提出：聚吡咯導(dǎo)電棉織物的電阻隨著在空氣中暴露的時(shí)間增加而增大，而摻雜劑的加入使得電阻增大的速率大大減小，這是由于空氣中的氧氣破壞了聚吡咯大分子的共軛結(jié)構(gòu)，從而使電阻增大；同時(shí)，洗滌作用會(huì)使得電阻增大，干洗之后的電阻增加程度明顯小于濕洗之后，這是由于洗滌使聚吡咯上的摻雜離子脫落，并且水中的堿性離子會(huì)使得聚吡咯大分子發(fā)生脫摻雜反應(yīng)，從而使電阻增加。另外，Liang等采用標(biāo)準(zhǔn)膠帶測(cè)試法，對(duì)聚吡咯導(dǎo)電棉織物上聚吡咯對(duì)棉織物的機(jī)械附著強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)加入摻雜劑聚合得到的聚吡咯導(dǎo)電織物經(jīng)過(guò)100次測(cè)試循環(huán)之后，電阻幾乎沒(méi)有變化[11]。從當(dāng)前的研究來(lái)看，摻雜劑的加入使得聚吡咯導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性能穩(wěn)定，符合傳感器的設(shè)計(jì)要求。

從前面的敘述可知，采用到導(dǎo)電織物作為傳感元件時(shí)能反映肢體運(yùn)動(dòng)。因此，為了獲得導(dǎo)電性能穩(wěn)定的聚吡咯導(dǎo)電織物，本研究以三氯化鐵(FeCl3)為氧化劑、蒽醌磺酸鈉(AQSA)為摻雜劑，通過(guò)原位聚合法制備聚吡咯導(dǎo)電彈力機(jī)織物。從前面敘述還可知，目前采用導(dǎo)電織物作為傳感元件來(lái)監(jiān)測(cè)肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅關(guān)注肢體的彎曲運(yùn)動(dòng)。為了探索導(dǎo)電織物是否可用于表征上肢的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，采用正方形的聚吡咯導(dǎo)電彈力機(jī)織物貼附于人體肘關(guān)節(jié)，檢測(cè)該織物沿兩對(duì)角線上的電阻，通過(guò)在兩個(gè)方向上電阻值的差異來(lái)表征上肢的彎曲、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和手臂伸屈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 材料與方法

1.1 材料

化學(xué)試劑：吡咯，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)；三氯化鐵(FeCl3)，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)；蒽醌磺酸鈉(AQSA)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，上海試劑一廠。采用了3種織物試樣，其規(guī)格參數(shù)如表1所列。

表1 織物試樣的規(guī)格參數(shù)

1.2 原位聚合法制備聚吡咯導(dǎo)電織物

聚吡咯導(dǎo)電織物的主要制備工序依次分為兩步：堿減量處理和原位聚合。

1)堿減量處理：將織物沿著經(jīng)、緯紗方向剪成8 cm×8 cm的正方形試樣，然后放入濃度為1 mol/L的NaOH溶液浸泡1 h。取出后用大量清水沖洗，再用蒸餾水清洗，直至洗液呈中性。將清洗好的織物放入溫度80℃的烘箱中干燥20 min，使織物充分干燥。

2)原位聚合：將烘干好的織物放入吡咯與AQSA的混合溶液中，在溫度為0℃的冰浴中浸漬1 h，讓織物充分吸收吡咯。其中，吡咯的濃度為0.12 mol/L，AQSA的濃度為0.01 mol/L。然后，將濃度為0.18 mol/L的FeCl3溶液用滴定管滴入織物與吡咯的混合溶液中，再將這些混合溶液放入溫度為0℃的冰浴中充分反應(yīng)2 h。之后，將試樣取出用蒸餾水沖洗，直至蒸餾水中無(wú)黑色顆粒狀物質(zhì)，接著將試樣放入溫度80℃的烘箱中干燥20 min。

1.3 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)表征

通過(guò)測(cè)試導(dǎo)電織物電阻的變化來(lái)表征關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，為了測(cè)試導(dǎo)電織物多個(gè)方向上的動(dòng)靜態(tài)電阻，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)選擇一個(gè)能夠有效精確地測(cè)試電阻的惠斯通電橋測(cè)試電路，因?yàn)榛菟雇姌?見(jiàn)圖1(a))已經(jīng)被證明是一個(gè)最佳的選擇[12]。采用惠斯通電橋來(lái)測(cè)試織物電阻時(shí)，Rx可以采取如下計(jì)算：

當(dāng)電橋平衡時(shí)，Vg=0，有

(1)

當(dāng)Vg≠0時(shí)，有

(2)

恒定電壓Vs由吉時(shí)利2231A-30-3型三通道直流電源提供，Vg通過(guò)USB-M19289B12型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采集(采樣頻率為200 Hz)，整個(gè)測(cè)試示意如圖1(b)所示。其中，采用兩個(gè)電橋同時(shí)測(cè)試導(dǎo)電織物兩個(gè)對(duì)角線方向上的電壓，然后通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算得出兩個(gè)方向上的電阻。在測(cè)試時(shí)，采用直流電源的兩個(gè)通道對(duì)兩個(gè)電橋同時(shí)輸入10 V的電壓，即Vs=10 V，其中R1=R3=200 Ω，R2=100 Ω。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)。(a)惠斯通電橋電路;(b)測(cè)試示意Fig.1 Test system. (a) Wheatstone bridge circuit; (b) Schematic diagram of test procedure

1.3.1 關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)表征

在測(cè)試關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，將聚吡咯導(dǎo)電織物分別修剪成7 cm×7 cm大小的試樣，并將其縫在護(hù)肘上的相應(yīng)位置(見(jiàn)圖2，其中方向1為圖1中的AB向，方向2為CD向)，使織物的經(jīng)向沿著手臂方向，然后貼上電極，并將導(dǎo)線與電極固結(jié)相連，接入測(cè)試系統(tǒng)。然后，將護(hù)肘戴在測(cè)試者的手臂上，定位導(dǎo)電織物覆蓋肘關(guān)節(jié)，且按圖1(b)所示的方案連接好測(cè)試電路。為了在準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試過(guò)程中能夠控制肘關(guān)節(jié)的彎曲角度，自制了一個(gè)簡(jiǎn)易裝置進(jìn)行角度測(cè)量，如圖3所示。關(guān)節(jié)彎曲角度以20°為增量或減量，先從0°增大到120°，然后逐次減小，從120°回復(fù)到0°，測(cè)試5個(gè)循環(huán)，計(jì)算在5個(gè)循環(huán)下每個(gè)角度對(duì)應(yīng)電阻的平均值。

圖2 測(cè)試用護(hù)肘Fig.2 Elbow pad attached with sensing elements

圖3 自制角度測(cè)量?jī)xFig.3 Angle measuring instrument

1.3.2 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表征

測(cè)試旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)護(hù)肘的佩戴和固定同上一節(jié)，初始時(shí)關(guān)節(jié)應(yīng)屈成90°置于托板上，如圖4所示。定義從位置1→位置2旋轉(zhuǎn)手臂為內(nèi)旋，從位置2→位置1為外旋，一次內(nèi)旋與一次外旋為一個(gè)循環(huán)，旋轉(zhuǎn)時(shí)手臂不離開(kāi)托板。測(cè)試10個(gè)循環(huán)，觀察織物電阻隨著旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)變化。

圖4 手臂旋轉(zhuǎn)示意Fig.4 Diagram of human arm rotating direction

1.3.3 上肢伸屈運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)表征

上述分析都是將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)離散成幾個(gè)特征動(dòng)作，對(duì)每個(gè)特征動(dòng)作得出的電壓進(jìn)行測(cè)量，然后換算成電阻，通過(guò)電阻的變化來(lái)表征關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。而在現(xiàn)實(shí)生活中，人們關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是連續(xù)動(dòng)態(tài)的。如果能通過(guò)導(dǎo)電織物的電阻變化對(duì)關(guān)節(jié)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行表征，則對(duì)以后組裝成可穿戴的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。在測(cè)試時(shí)，按彎曲運(yùn)動(dòng)的表征方法，穿戴好縫上導(dǎo)電織物的護(hù)肘并連接好電路；手臂自然下垂，開(kāi)始測(cè)量后不停地重復(fù)伸屈動(dòng)作，用數(shù)據(jù)采集卡記錄下這段連續(xù)時(shí)間內(nèi)的電壓變化。測(cè)試時(shí)，測(cè)試者在規(guī)定的30 s時(shí)間內(nèi)完成20 次的伸屈運(yùn)動(dòng)，盡量保證每一次的運(yùn)動(dòng)速度一致。測(cè)試5個(gè)循環(huán)，取其平均值。

2 結(jié)果

2.1 導(dǎo)電織物形貌表征

采用掃描電鏡(SEM)觀察聚合之后的織物形貌，其SEM圖片如圖5所示，其中(a)系列為放大200倍的SEM圖，(b)系列為放大1 500倍之后的SEM圖。從圖5(a)中可以看出，在3塊織物表面上吸附了一層均勻的聚吡咯；從圖(b)中可以看出，聚吡咯不只是吸附在織物表面上，每根纖維表面也吸附上了一層聚吡咯。這使得織物在經(jīng)歷摩擦等機(jī)械作用后，只是織物表面上的聚吡咯有一定的脫落，而織物內(nèi)部纖維的聚吡咯層不會(huì)有太多影響。因此，導(dǎo)電織物的導(dǎo)電性能不會(huì)有明顯影響。

圖5 3種織物聚合之后在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖。(a) 200倍; (b) 1 500倍Fig.5 SEM micrograph of fabrics after polymerization with different maganification. (a) 200×; (b) 1500×

2.2 關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)表征

圖6為圖2所示織物在兩個(gè)方向上的電阻隨著關(guān)節(jié)彎曲角度變化而變化的趨勢(shì)?？梢钥闯?，3種織物的電阻均隨關(guān)節(jié)彎曲角度變化而變化，棉/氨斜紋織物的電阻在兩個(gè)方向的差異比其他種織物的?。幌鄬?duì)而言，棉/氨平紋織物的電阻變化一致性較好。總體來(lái)說(shuō)，3種織物的電阻變化趨勢(shì)及幅度無(wú)明顯差異：隨著彎曲角度的增加，在方向1上的電阻增大，方向2上的電阻減?。幌喾?，隨著彎曲角度的減小，方向1上的電阻減小，方向2上的電阻略微增加。這說(shuō)明在關(guān)節(jié)彎曲過(guò)程中，覆蓋在關(guān)節(jié)上的導(dǎo)電織物受到的拉伸力在織物兩個(gè)方向上并不是一樣的，沿方向2織物的受力大。這就導(dǎo)致在彎曲過(guò)程中織物沿方向2受到拉伸而伸直，而在方向1上織物有一定程度的彎曲、起拱。由于不同的織物變形機(jī)理，導(dǎo)致在相應(yīng)方向上電阻變化有差異。導(dǎo)電織物主要由紗線電阻以及經(jīng)、緯紗在交織處的接觸電阻構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于紗線電阻，織物受到拉伸時(shí)，受拉方向上的的紗線由于受到外力作用而伸直，使得紗線內(nèi)部的纖維之間接觸更加緊密，從而紗線內(nèi)部的導(dǎo)電通路增多，紗線電阻減??；對(duì)于接觸電阻，織物受到拉伸時(shí)，經(jīng)、緯紗線交織點(diǎn)接觸更加緊密，從而接觸電阻減小。當(dāng)織物在方向2受到拉伸時(shí)，該方向上的屈曲紗線被伸直、壓扁，形成紗線的纖維之間接觸更緊密，且經(jīng)、緯紗之間接觸面積更大，所以電阻減小；而此時(shí)在方向1上織物被彎曲起拱，經(jīng)、緯紗在交織處會(huì)有一定程度的分離，使接觸電阻增大，所以該方向上的電阻略微增大。

圖6 織物電阻與關(guān)節(jié)彎曲角度的關(guān)系。(a)棉/氨斜紋; (b)棉/氨平紋; (c)滌/氨平紋Fig.6 Relationship between fabric electrical resistance and joint bending angle. (a)C/SP plain; (b)C/SP twill; (c)T/SP plain

同時(shí)，從圖6中可以明顯看出，3種類(lèi)型的織物無(wú)論在方向1還是在方向2上，電阻變化在手臂的一個(gè)彎曲循環(huán)中都存在滯后性。這是因?yàn)?，織物在手臂彎曲過(guò)程中被拉伸，產(chǎn)生了不可回復(fù)的塑性變形。因此，織物在回復(fù)過(guò)程中相同位置的電阻值會(huì)產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生電阻變化的滯后性，并且方向2上的滯后性明顯比方向1上的要大。如前所述，手臂彎曲過(guò)程中織物在方向2上受到的拉伸作用大，所以織物在方向2上產(chǎn)生的塑性變形大，使得其滯后性增大。

2.3 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表征

圖8 上肢伸屈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試。(a)方向1；(b)方向2Fig.8 Real-time recording of upper limb flexion extension movement. (a) Direction 1; (b) Direction 2

圖7所示為織物電阻隨著關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)而變化的趨勢(shì)，其中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為人體手臂旋轉(zhuǎn)10次循環(huán)中各次導(dǎo)電織物的電阻變化。可以看出，3種織物的電阻均隨手臂周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)而周期性地變化，且棉/氨斜紋織物和滌/氨平紋織物在方向2上的電阻隨循環(huán)次數(shù)的增加而略微下降。相對(duì)而言，棉/氨平紋織物的電阻變化在周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中比較穩(wěn)定，但3種導(dǎo)電織物在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電阻變化無(wú)明顯差異。在每一次的旋轉(zhuǎn)循環(huán)的內(nèi)旋階段，即由位置1旋轉(zhuǎn)至位置2(見(jiàn)圖4)時(shí)，電阻都是在方向1上增大，在方向2上減小，而在外旋階段與之相反。這是因?yàn)?，關(guān)節(jié)每一次的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，都使得導(dǎo)電織物在方向2上拉伸，而在方向1上會(huì)相應(yīng)彎曲起拱。由前述彎曲運(yùn)動(dòng)的分析可知，導(dǎo)電織物在方向2上被拉伸，所以電阻減小；相反，方向1上的電阻增大。故綜合兩個(gè)方向上的電阻變化信息可知，當(dāng)方向1的電阻增大而方向2的電阻減小時(shí)，手臂內(nèi)旋；當(dāng)方向1的電阻減小而方向2的電阻增大時(shí)，手臂外旋。同時(shí)，從圖7中可以看出數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)性。產(chǎn)生這種波動(dòng)性的原因與在彎曲運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生滯后性的原因一樣：織物在手臂的多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中被反復(fù)拉伸，從而使織物產(chǎn)生了不可逆的塑性變形，使得織物在同一位置的電阻產(chǎn)生差異。

2.4 上肢伸屈運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)表征

從前面準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試的結(jié)果可知，3種導(dǎo)電織物在表征人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中電阻的變化沒(méi)有明顯差異，故在進(jìn)行上肢伸屈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)表征時(shí)，選取棉/氨平紋導(dǎo)電織物為例進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖8)。

圖7 織物電阻與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。(a)棉/氨斜紋; (b)棉/氨平紋; (c)滌/氨平紋Fig.7 Dependence of fabric resistance on joint rotation extent. (a)C/SP plain; (b)C/SP twill; (c)T/SP plain

圖8所示為該織物兩端的電壓在手臂不停地做伸屈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化，其中的數(shù)據(jù)點(diǎn)為經(jīng)過(guò)低通濾波處理得到的5次測(cè)試的平均值，每一個(gè)完整的波形代表手臂的一次伸屈運(yùn)動(dòng)?？梢钥闯?，兩個(gè)方向的測(cè)試結(jié)果在30 s時(shí)間內(nèi)都有20個(gè)波形，這與測(cè)試者的運(yùn)動(dòng)次數(shù)相同。兩圖中的波形有高有低，這是因?yàn)槭直墼谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一次下垂和上抬的力度都不一樣，導(dǎo)致每一次織物的變形不同，所以電阻的變化不一致，故電壓的變化也不一致。

3 討論和結(jié)論

3種不同類(lèi)型的聚吡咯導(dǎo)電織物作為傳感元件，在表征上肢關(guān)節(jié)的準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)電阻變化沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明它們均能用于表征上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。但是，測(cè)試結(jié)果顯示，在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)電織物的響應(yīng)均具有滯后性及波動(dòng)性，這是由于織物在拉伸作用下產(chǎn)生的塑性變形所致，為拉伸電阻式織物傳感器的內(nèi)在缺陷。電阻式織物傳感器本質(zhì)上是源于織物的紗線交織狀態(tài)和紗線中纖維交叉狀態(tài)的變化，也就是織物在不同尺度下的構(gòu)成單元間接觸狀態(tài)變化引起織物電阻變化。接觸狀態(tài)變化反映了紗線及纖維之間的相對(duì)滑移和變形，因它們之間的滑移摩擦作用導(dǎo)致發(fā)生的滑移和變形具有一定程度的塑性變形，表現(xiàn)為拉伸電阻式織物傳感器的響應(yīng)滯后性和響應(yīng)重復(fù)性。但是，織物的這種塑性變形在同一批次中具有統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。在進(jìn)行基于織物拉伸電阻變化的傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于同一批次的導(dǎo)電織物可以進(jìn)行多次測(cè)量，確定這種滯后性隨著拉伸次數(shù)增加的變化規(guī)律，這樣可在傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)中增加補(bǔ)償量，以減小甚至消除這種滯后性。

聚吡咯導(dǎo)電織物適用于開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)人體上肢肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的柔性傳感器，且本研究證實(shí)：通過(guò)綜合導(dǎo)電織物在兩個(gè)方向上電阻變化的方向性差異，可判斷上肢的彎曲以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為上肢功能運(yùn)動(dòng)表征提供了一種便捷的方法。當(dāng)然，由于織物本身存在的滯后性，在以后的研究中需要確定其塑性變形對(duì)電阻響應(yīng)滯后性的影響規(guī)律，以便定義傳感器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，進(jìn)一步提高測(cè)試精度。除此之外，筆者沒(méi)有對(duì)聚吡咯導(dǎo)電織物因摩擦、洗滌等機(jī)械作用而產(chǎn)生的電阻不穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行探討，改進(jìn)的方法之一是采用透氣導(dǎo)濕膜對(duì)導(dǎo)電織物進(jìn)行封裝，這在后續(xù)研究中將給予驗(yàn)證。

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Mechanic-Electrical Property Characterization of PPy-Coated Conductive Woven Fabric for Human Upper Limb Motion Monitoring

Zhang Xiaofeng Li Guohao Hu Jiyong*Yang Xudong Ding Xin

(KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

The emerging wearable electronics require a kind of fiber-based flexible and stretchable sensing elements. It is studied for the capability of conductive woven stretch fabric in sensing human upper limb motion behavior as well as its sensing mechanism. This article proposed three types of polypyrrole (PPy)-coated woven fabrics by in-situ polymerization, i.e. C/SP plain fabric, C/SP twill fabric and T/SP plain fabric. The scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the distribution of polypyrrole on fabric as well as fibers. Each of three PPy-coated fabrics was considered as the sensing element to test the quasi-static bending and rotation motion. From the scanning electron microscopy (SEM) of the fabric after polymerization, it can be seen that the PPy was not only adsorbed on the surface of the fabric but on the every fiber inside of the fabric, which represented the resistance against mechanical abrasion. The results of the quasi-static test showed that all of the three fabrics can reflect the human limb motion, and the change of their resistances had no observable difference. And then, the C/SP plain fabric was taken an example to test the real-time bending motion of limb motion. The results of the real-time test showed the PPy-coated woven fabrics can reflect real-time motion amplitude and numbers of the motion. It is concluded that the directional differences of the resistance of the PPy-coated woven fabrics can reflect the bending and rotatory movement of the human upper limbs.

stretch fabric; electrical resistance; upper limb movement; bent; rotatory

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.005

2015-05-15， 錄用日期:2015-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(51405079)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M570307)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金

R318

A

0258-8021(2015) 06-0670-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: hujy@dhu.edu.cn