智能矯姿服裝系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

李 帥

(江西服裝學(xué)院 江西省現(xiàn)代服裝工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330201)

隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的進步，人們的工作方式發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，日常體力活動水平降低了60%～70%，坐姿顯然已經(jīng)成為職業(yè)人群最常采用的工作姿勢。工業(yè)化國家中有 3/4 的工作在坐式條件下執(zhí)行，約有 2/3 的工作時間處于久坐狀態(tài)。久坐行為被定義為清醒狀態(tài)下坐位時能量消耗≤1.5 METs(基礎(chǔ)代謝率的倍數(shù))的低能量消耗行為[1]。若長時間采用靜止姿勢進行工作，即便是正確坐姿也會導(dǎo)致脊柱慢性疼痛。不良坐姿是指身體脊柱彎曲角度較大的弓背坐姿，或者身體重心向后的完全放松坐姿[2]。不良坐姿會引起包括肌肉、關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶和神經(jīng)在內(nèi)的肌肉骨路系統(tǒng)的損傷，以及一些肌肉疾患癥狀的形成。在工作環(huán)境中長時間保持姿態(tài)不良的靜坐行為，會對人體身體健康造成嚴重的負面影響。針對這一問題設(shè)計了一款關(guān)于人體不良坐姿識別的久坐計時提醒智能服裝。智能矯姿服裝系統(tǒng)以電子紡織品設(shè)計方法的開發(fā)為基礎(chǔ)，在日常工作中，量化靜止坐姿工作時長和保持健康坐姿，對于職業(yè)人群預(yù)防慢性疾病有著重要的意義。

1 智能矯姿服裝的性能架構(gòu)

智能服裝是傳統(tǒng)的紡織服裝工藝、纖維成型加工工藝、信息傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能和生物技術(shù)等諸多科學(xué)領(lǐng)域的有機結(jié)合[3]。它不僅能感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化，而且能通過反饋機制實時地對這種變化做出反應(yīng)[4]。智能服裝的設(shè)計不僅需要在系統(tǒng)功能上探索設(shè)計參數(shù)，還需要在日常穿著要求上探索設(shè)計參數(shù)。因此，智能矯姿服裝的性能架構(gòu)需要考慮系統(tǒng)功能和服用性能2個方面。

1.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)首先通過傳感器對人體的加速度信號進行處理，根據(jù)身體不同動作產(chǎn)生的不同信號可以判斷出人體正在進行何種動作，如坐下或起身。當(dāng)檢測到用戶完成坐下的動作信號后，系統(tǒng)中的計時元件開始對用戶靜坐時長進行計時工作，若用戶靜坐行為超過預(yù)先設(shè)定的時間閾值，微控制器則通過蜂鳴器聲音提醒的方式督促用戶解除靜坐行為，起身進行舒展活動。若用戶在系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的時間閾值內(nèi)起身進行其他行為，在一定時間內(nèi)用戶沒有返回靜坐姿態(tài)，系統(tǒng)判定用戶沒有進入靜坐狀態(tài)，計時元件終止久坐計時。而用戶在一定時間內(nèi)返回靜坐姿態(tài)，系統(tǒng)則會繼續(xù)計時。系統(tǒng)除了監(jiān)測久坐時間，還對坐姿姿態(tài)進行監(jiān)測。在各種坐姿的變化過程中，人體脊柱姿態(tài)的變化最為明顯。比如身體前傾的坐姿會使向前凸出的腰椎拉直,導(dǎo)致其向后彎曲，這會影響胸椎和頸椎的正常曲度[5]。而身體后傾的坐姿會產(chǎn)生很大的脊柱扭曲力，對腰椎產(chǎn)生不良作用。在智能矯姿服裝系統(tǒng)中，若用戶的脊柱曲度超過預(yù)設(shè)的目標值時，會自動觸發(fā)姿態(tài)監(jiān)測裝置的振動提示功能，通過這種智能的方式能以輔助用戶實現(xiàn)姿態(tài)矯正的目的。

1.2 服用性能

在設(shè)計智能矯姿服裝時，除了考慮電子硬件和軟件外，服用性能也是一個關(guān)鍵問題，主要涉及服裝的舒適性、透氣性、吸濕性、尺寸穩(wěn)定性等。智能服裝融合了服裝材料與電子元件，由于電子元件的材質(zhì)較硬，易造成服裝舒適體驗感下降，在系統(tǒng)中為了避免此類問題的發(fā)生，選擇較小尺寸的電子元件，減少與用戶身體的接觸面積。同樣，電子元件的體積小，對于服裝的透氣性、吸濕性、質(zhì)量的影響也會減少。紡織材料和電子元件材質(zhì)之間還需要考慮一定力學(xué)性能，服裝材料太過輕薄或是彈力過大、易于變形等，會影響電子元件的后期數(shù)據(jù)采集的準確性。電子元件主要放置在服裝的背部位置，對于服裝穿脫、活動的靈活性并不會造成影響。至于服裝的可水洗性，在系統(tǒng)中將電子元件設(shè)計為可拆卸的部分，當(dāng)用戶需要清洗服裝時，將電子設(shè)備拆除即可；另外，服裝尺寸與電子設(shè)備尺寸二者之間的適應(yīng)性和穩(wěn)定性、以及服裝的安全性，如電子元件和服裝材料對人體無害、信息保密性等，也是服裝系統(tǒng)中需要考慮的因素[6]。

2 智能矯姿服裝概念模型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

智能矯姿服裝系統(tǒng)主要由服裝、姿態(tài)監(jiān)測模塊、提示報警模塊和能源供給模塊構(gòu)成。服裝為整個系統(tǒng)提供了物理固定支撐，提升了智能服裝系統(tǒng)的舒適性、易于穿戴、耐磨損等性能。姿態(tài)監(jiān)測模塊由多個傳感器協(xié)同工作，對人體脊柱曲度的變化和靜坐時長進行監(jiān)測，并將采集到的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的通信接口傳輸?shù)轿⒖刂破?，然后對?shù)據(jù)進行計算、分析處理。提示報警模塊針對姿態(tài)監(jiān)測的結(jié)果，利用貼片電動機和蜂鳴器來實現(xiàn)振動和聲音提示用戶的目的。能源供給模塊部分包括電源開關(guān)、發(fā)光二極管、Micro USB接口等，給整個系統(tǒng)提供能源。

在智能矯姿服裝系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)主要分為2個模塊。模塊1由MPU6050傳感器1(深圳維特智能科技有限公司)和0827型貼片電動機1(深圳特加特科技有限公司)組成，模塊2由Micro USB充電電源組合、STM32微控制器(深圳優(yōu)信電子科技有限公司)、MPU6050傳感器2、貼片電動機2和有源蜂鳴器組成(常州博豐智能科技有限公司)，2個模塊之間相互配合實現(xiàn)，系統(tǒng)硬件框架圖如圖1所示。系統(tǒng)中傳感器需要檢測包括人體姿態(tài)和脊柱曲度2種數(shù)據(jù)，所以傳感器1和傳感器2的放置位置需要考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，另外傳感器的位置對于其反應(yīng)的靈敏性和人體的舒適性等都應(yīng)有所考量。相關(guān)研究表明坐姿時人體的支撐結(jié)構(gòu)為脊柱、骨盆、腿和腳，其中脊柱最為關(guān)鍵[7]。所以該系統(tǒng)將脊柱曲度變化列為主要觀察對象。脊柱彎曲主要有頸椎前凸、胸椎后凸、腰椎前凸3個部分，人體脊柱彎曲部分會隨著坐姿的改變而改變。頸椎與頭部、胸椎相連，活動幅度較大，頸椎曲度長時間處在不良角度，易造成脊柱損傷、鈣化，甚至影響視力等問題。胸椎位于脊柱的中上部位，對于身體上半部分的運動狀態(tài)都有參與。腰椎位于脊柱的中下部位，由于工作環(huán)境中腰椎曲度變化較小，可能導(dǎo)致傳感器對于某些動作感應(yīng)不靈敏。所以選擇頸椎和胸椎位置放置傳感器，如圖2 (a) 所示。從側(cè)面觀察人體脊柱有7節(jié)頸椎(C1-C7) 、12節(jié)胸椎(T1-T12)，其中傳感器1放置在脊柱C7的位置，傳感器2放置在胸椎曲度變化較大的T8位置，傳感器對應(yīng)人體脊柱的放置位置如圖2 (b) 所示。人體脊柱不同位置的曲度變化會造成不同的不良坐姿形態(tài)，為了提示用戶，在系統(tǒng)中安排2個貼片電動機與傳感器放置在相近位置，對頸椎和胸椎分別進行振動提醒。確定傳感器和執(zhí)行器的位置后，還需要規(guī)劃微控制器和電源組合、蜂鳴器的位置?？紤]到電路和電阻的限制，微控制器和電源組合應(yīng)該盡可能地靠近。此外，微控制器放置時應(yīng)注意，它所在的位置需能夠從傳感器收集所有模擬輸出并將輸入發(fā)射到執(zhí)行器沒有任何重疊的區(qū)域。因此，將微控制器和電源組合放置在胸椎位置。蜂鳴器根據(jù)傳感器2檢測的靜坐時間對用戶進行提醒，所以也將它放置在傳感器2附近。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖Fig.1 System hardware framework diagram

圖2 傳感器分布圖Fig.2 Sensor distribution map. (a)Sensor body distribution map; (b) Sensor spine location map

2.2 智能矯姿服裝電路

系統(tǒng)中主要的電子元件包括STM32微控制器、MPU6050慣性傳感器、貼片電動機、蜂鳴器等。其中微控制器通過集成電路總線IIC實現(xiàn)與多個傳感器相連，另外與貼片電動機、蜂鳴器等通過輸入/輸出(input/output,I/O)引腳連接。根據(jù)硬件系統(tǒng)的布局設(shè)計了系統(tǒng)的電路原理。

2.2.1 微控制器電路原理

微控制器選用了STM32F103CT86單片機，尺寸為7 mm×7 mm。集成高性能32位Cortex-M3的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，擁有4個通用16位定時器、2個脈沖寬度調(diào)制PWM定時器[8]。該單片機有數(shù)據(jù)處理速度快、功率損耗較低等優(yōu)點，對于系統(tǒng)中涉及的大量關(guān)于姿態(tài)解算的數(shù)學(xué)運算，也能快速地處理完成。在微控制器電路設(shè)計中相互連接的引腳有RESET_SW1、PA0_TX、PA1_RX、PA2_RX、PA3_TX、BOOT0/BOOT1_Header、PB12_S9013、PB13_Q9013、PB15_IN4、PA8_IN3、PB9_IN2、PB10_IN1、PA11_D-、PA12_D+、VCC3V3_VCC3V3，系統(tǒng)中STM32微控制器的引腳設(shè)計如圖3所示，微控制器通過不同功能的引腳與慣性傳感器、蜂鳴器、貼片電動機、Micro USB等系統(tǒng)其他電子元件相連接。

圖3 微控制器電路原理圖Fig.3 Microcontroller circuit schematic

2.2.2 慣性傳感器電路原理

傳感器尺寸為15.24 mm×15.24 mm。該傳感器集成了三軸陀螺儀與三軸加速度計，提供了IIC接口可掛載不同種類的傳感器實現(xiàn)擴展，還集成了可擴展的數(shù)字運動處理器DMP減少復(fù)雜融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負荷[9]。MPU6050傳感器對陀螺儀和加速度計分別使用了3個16位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量[10]。傳感器完成ADC轉(zhuǎn)換后，微控制器可以速讀最新的采樣數(shù)據(jù)，并快速響應(yīng)姿態(tài)的變化。系統(tǒng)中傳感器與微控制器通過IIC接口連接，同時傳感器的中斷引腳與微控制器的I0引腳相連。傳感器1的引腳TX、RX分別與STM32微控制器的引腳PA0、PA1連接，傳感器2的TX、RX分別與STM32微控制器的引腳PA3、PA2連接，如圖4所示。

圖4 慣性傳感器電路原理圖Fig.4 Inertial sensor circuit schematic

2.2.3 貼片電動機電路原理

采用圓形的0872貼片電動機，尺寸為直徑8 mm、高度2.75 mm。貼片電動機的GND引腳與電路的GND引腳相連，VCC引腳與微控制器VCC輸出連接，如圖5所示。貼片電動機1與貼片電動機2分別根據(jù)微控制器讀取的傳感器1與傳感器2的數(shù)據(jù)進行提示工作。

圖5 貼片電動機電路原理圖Fig.5 Chip motor circuit schematic

2.2.4 蜂鳴器電路原理

采用直徑為6 mm，高度為3.5 mm的無源蜂鳴器。它由外殼、振動膜片、磁鐵、電磁線圈及振蕩器組成[11]。系統(tǒng)的電源接通后，電流通過蜂鳴器的電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在磁鐵與電磁線圈的相互作用下發(fā)出音頻[12]。由于STM32微控制器I/O引腳輸出的晶體管—晶體管邏輯電平TTL電平無法驅(qū)動蜂鳴器，因此需要設(shè)計一個能使電流放大的電路。如圖6所示，控制蜂鳴器通過改變PB12引腳的高低電平來實現(xiàn)。當(dāng)蜂鳴器引腳為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出音頻，當(dāng)蜂鳴器引腳為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出音頻。

圖6 蜂鳴器電路原理圖Fig.6 Buzzer circuit schematic

2.2.5 充電電路原理

采用Micro USB接口進行充電。Micro USB接口中有5條線，輸出端D+、D-分別連接微控制器的PA12、PA11引腳，地線(GND)、ID線引腳接地，如圖7所示。Micro USB接口在安全范圍內(nèi)的最大承載電流為2 A，支持OTG功能，系統(tǒng)可以直接使用手機充電器來做輸入給鋰電池充電。

圖7 充電電路原理圖Fig.7 Charging circuit schematic

2.3 服裝樣衣結(jié)構(gòu)

服裝樣衣結(jié)構(gòu)設(shè)計除了應(yīng)滿足職業(yè)人群對于服裝穿著性能的基本要求外，還需注意傳感器的靈敏性、貼片電動機發(fā)出提示時人體感應(yīng)程度等其他因素。根據(jù)上述要求，設(shè)計了一款背部收腰貼合人體結(jié)構(gòu)的職業(yè)西裝外套(160/84A)，如圖10所示。圖10(a)為服裝的正面款式圖，圖10(b)為服裝的背面款式圖,系統(tǒng)模塊主要裝置在服裝的背面。頸椎位置為模塊1，胸椎位置的為模塊2。模塊1和模塊2分別位于服裝的肩部中點、從肩部中點直線下移22 cm左右的2個位置。為了將模塊1和模塊2集成到服裝結(jié)構(gòu)中以及在結(jié)構(gòu)中形成電路，使用線性電阻小于50 Ω/m并且紗線線密度為321 dtex/34f×4的鍍銀錦綸紗線，織物是雙層結(jié)構(gòu)，并將導(dǎo)電紗線放置在結(jié)構(gòu)的中間層，防止織物基電路短路[13]。模塊1中的慣性傳感器1的TX、RX分別連接模塊2中的STM32微控制器PA0、PA1引腳，貼片電動機的GND與電路的GND相連，VCC引腳與STM32微控制器的數(shù)字輸出連接，模塊電路原理圖如圖10(c)所示。胸椎處的模塊1與頸椎處的模塊2設(shè)計成為以暗扣的方式與服裝連接的可拆卸附件，當(dāng)可拆卸部件從主體結(jié)構(gòu)上拆卸下來時可以對服裝進行清洗。并將這些模塊隱藏在服裝內(nèi)部，使服裝既能夠檢測坐姿時長和避免不良坐姿，同時又兼具操作簡單，輕便易攜帶、時尚美觀等優(yōu)點。

圖8 智能矯姿服裝款式圖Fig.8 Smart posture correction clothing style map. (a)Front; (b) Back;(c) Schematic diagram of module circuit

3 智能矯姿服裝系統(tǒng)算法

3.1 矯姿算法

在智能矯姿服裝系統(tǒng)中需要對用戶的靜坐姿態(tài)和起身活動區(qū)別開來，并進行標記。當(dāng)用戶在所設(shè)的時間閾值內(nèi)起身，則中止對靜坐行為的計時。圖9為建立的人體姿態(tài)坐標系，坐標原點為檢測裝置 MPU6050傳感器2所安放的胸椎位置。前后方向為X軸，左右方向為Y軸，豎直方向為Z軸。靜坐狀態(tài)轉(zhuǎn)為起身活動是身體軀干沿X軸向前傾斜，然后沿Z軸向上運動的一個過程。靜坐與起身的區(qū)別在于人體在靜坐時只在垂直方向受到重力加速度作用，而起身行為產(chǎn)生了較大的Z軸傾角變化和突然站立行為產(chǎn)生的加速度，通過這兩點來進行人體姿態(tài)的判別。因此X、Y、Z軸的加速度幅度值(SVM)是進行姿態(tài)識別的重要指標。設(shè)X軸方向的加速度為ax，Y軸方向的加速度為ay，Z軸方向的加速度為az，則合加速度為a=ax+ay+az，其定義為：

(1)

式中：SVM表示人體加速度向量幅值，m/s2。

SVM是區(qū)分人體運動狀態(tài)的重要參數(shù)SVM越小，人體運動越平緩，SVM越大，人體運動越激烈[14]。當(dāng)人體起身或是坐下時，人體和椅面接觸有一個撞擊階段，此時加速度的值會增加，比靜坐的行為更加明顯，因此可以用閾值法來判斷人體姿態(tài)的變化。研究表明靜坐的加速度一般保持在10 m/s2左右，坐下起立的合加速度最大不超過20 m/s2，系統(tǒng)中關(guān)于人體姿態(tài)識別的加速度閾值可以設(shè)定為SVM>10 m/s2。

圖9 人體坐標系Fig.9 Human body coordinate system

系統(tǒng)監(jiān)測坐姿模塊觸發(fā)內(nèi)部ADC采樣時，由于受到電壓、溫度等因素的影響不可避免地產(chǎn)生噪聲。為了提高數(shù)據(jù)的精度，選擇在一定時間窗口內(nèi)對監(jiān)測到的加速度數(shù)據(jù)進行降噪處理，再使用降噪處理后的數(shù)據(jù)進行計算。當(dāng)身體處于靜坐與起身運動交叉狀態(tài)下，在一定的時間窗內(nèi)，SVM的離散程度變大，變異指數(shù)CV也越高。變異指數(shù)CV定義如下：

(2)

(3)

(4)

人體脊柱曲率會在X、Y軸發(fā)生變化，因此引入Z軸傾斜角度變化θ來反映坐姿狀態(tài)中頸椎和胸椎角度變化的范圍，分別用θx和θy表示在X軸和Y軸上的彎曲角度。身體彎曲強度越大，則θ值越大，同時說明人體在Z軸方向的變化角度也越大，因此姿態(tài)角θ同樣也可作為判斷人體姿態(tài)的參量。其定義為:

(5)

相關(guān)研究表明，當(dāng)人體處于靜坐狀態(tài)時，人體與椅面處于水平狀態(tài)，所以Z軸的加速度為0。當(dāng)坐姿狀態(tài)人體向前或向后運動時，人體X、Y軸角度發(fā)生變化，這個正常閾值應(yīng)在±20°之內(nèi)浮動。所以在設(shè)計中斷對靜坐行為的計時時，把閾值設(shè)定在20°。另外，如果人體在X、Y軸角度變化超出預(yù)設(shè)閾值，設(shè)定3 s為了一個判斷時間，如果3 s內(nèi)角度值都超出20°，則觸發(fā)報警提示功能。

3.2 算法實現(xiàn)

MPU6050傳感器模塊采集人體的加速度值，通過IIC接口傳送到STM32微控制器中，微控制器接收到加速度數(shù)據(jù)后，對接收數(shù)據(jù)進行姿態(tài)運算和判斷。如果判斷出行為的變化發(fā)生就產(chǎn)生1個中斷，該中斷函數(shù)激活貼片電動機的振動，以提示用戶及時改變靜坐狀態(tài)。

檢測人體的加速度幅度值SVM是否大于預(yù)設(shè)閾值10 m/s2，若SVM小于10 m/s2，則繼續(xù)進行采用測量，若SVM大于10 m/s2，則認定為疑似起身活動。若檢測到疑似起身活動，延時3 s，進入二次判斷，若在3 s內(nèi)SVM保持小于10 m/s2范圍，則判斷用戶進入靜坐狀態(tài)，計時器繼續(xù)計時。當(dāng)人體靜坐時間超過設(shè)定的閾值20 min，蜂鳴器發(fā)出聲音提示。當(dāng)人再次起身超過3 s則蜂鳴器停止工作。

在靜坐過程中，傳感器同時檢測脊柱曲度是否在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)。若人體頸椎或胸椎彎曲的角度小于20°，則繼續(xù)檢測工作，若彎曲的角度大于20°，則疑似用戶此刻的坐姿不良，延遲3 s，進入二次判斷，若用戶3 s內(nèi)彎曲角度依舊保持在大于20°，則根據(jù)具體超過角度設(shè)定閾值的位置，通過該處的貼片電動機發(fā)出振動提示。用戶身體感應(yīng)到到振動提醒后，及時調(diào)整脊柱彎曲角度，貼片電動機停止工作。

如果系統(tǒng)檢測到人體運動狀態(tài)同時滿足以上2個條件，此時蜂鳴器和貼片電動機同時發(fā)出聲音提示和振動提示，提醒用戶及時調(diào)整坐姿和改變久坐狀態(tài)，姿態(tài)識別算法實現(xiàn)流程如圖10所示。

圖10 矯姿算法實現(xiàn)流程圖Fig.10 Flowchart of the implementation of the alignment algorithm

4 結(jié) 論

本文針對職場人群的久坐和不良坐姿易對身體造成損害的問題進行了智能矯姿服裝系統(tǒng)的研發(fā)，系統(tǒng)融合電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)、服裝設(shè)計等多個學(xué)科的技術(shù)，集合了姿態(tài)檢測、提示報警、能源供給等電子元件。通過慣性傳感器的陀螺儀對人體坐姿進行脊柱曲度閾值判定和加速度計識別人體動作的計時中斷設(shè)計提出計算方法。系統(tǒng)不僅能夠感知人體加速度和姿態(tài)角的變化，而且能通過微控制器反饋機制實時地進行反應(yīng)和調(diào)節(jié)。該智能矯姿服裝實用性強，能有效輔助職業(yè)人群在工作環(huán)境中對于久坐和坐姿不良行為的糾正。但為了能滿足產(chǎn)品市場的多元需求，在未來還需要進行更深入的研究以繼續(xù)完善產(chǎn)品。