面向人體上肢運(yùn)動監(jiān)測的聚吡咯涂層機(jī)織物機(jī)電性能評價(jià).pdf

1、肢體運(yùn)動測試在康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育運(yùn)動等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。目前，臨床上用來測試肢體運(yùn)動的裝置基本上都是以加速計(jì)、柔性電測角計(jì)、攝像機(jī)組成的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)。雖然這樣的系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量人體的動作，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彈性材料，如被固定在服裝上會影響人們穿著的舒適性。鑒于這些問題，可穿戴的肢體運(yùn)動測試系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注，特別是以柔性導(dǎo)電織物為傳感元件的應(yīng)變傳感器系統(tǒng)。目前，由于針織物大變形的特性，織物應(yīng)變傳感器

2、所用的織物結(jié)構(gòu)大部分都是針織物。然而，由于針織物的易卷邊性以及易脫散性，會使得針織結(jié)構(gòu)的織物傳感器在使用過程中的信號穩(wěn)定性相對較差。而機(jī)織結(jié)構(gòu)比針織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以致它們傳輸信號更加穩(wěn)定。
　　本文為了兼顧良好的變形和信號的準(zhǔn)確性，以彈力機(jī)織物——棉氨平紋機(jī)織物作為基質(zhì)材料，以吡咯單體作為原材料，通過原位聚合法制備了聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物，研究其電阻性能、機(jī)電性能、電阻抗性能，以及該織物應(yīng)用于上肢運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測的實(shí)測性能，并論證了這類導(dǎo)電機(jī)織

3、物的電阻變化機(jī)理。具體來說，研究了以下內(nèi)容：
　?。?）采用原位化學(xué)聚合工藝制備聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物，并表征其電阻特性及電阻穩(wěn)定性。結(jié)果證實(shí)，聚吡咯導(dǎo)電織物的電阻在大氣環(huán)境中隨暴露時(shí)間增加而增加，但聚吡咯與織物具有很好的附著強(qiáng)度，耐洗滌性能好。
　　將聚吡咯導(dǎo)電織物置于大氣環(huán)境中，33天內(nèi)每隔48小時(shí)對電阻進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，33天后織物的電阻增加了40％左右。參考GB/T3921-2008《紡織品色牢度耐皂洗色牢度》和GB

4、/T12490-2014《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)图彝ズ蜕虡I(yè)洗滌色牢度》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了聚吡咯導(dǎo)電織物電阻耐洗性測試方案。測試結(jié)果表明，聚吡咯與織物具有很好的附著強(qiáng)度，經(jīng)過4h洗滌后沒有發(fā)現(xiàn)聚吡咯明顯脫落。但是洗滌過程中溶劑與聚吡咯發(fā)生脫摻雜反應(yīng)，使得織物在洗滌之后電阻增加。
　　（2）針對應(yīng)變敏感材料的基本屬性，對聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物在單軸拉伸下的機(jī)電性能及電阻抗性能進(jìn)行測試及表征。結(jié)果表明，電阻隨織物在一定范圍的拉伸應(yīng)變呈反比例變化，且拉

5、伸應(yīng)變速度增加將引起應(yīng)變敏感性降低及滯后性誤差增加，沒有明顯的感抗效應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)重復(fù)性好。
　　采用織物反復(fù)拉伸儀對聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物在1mm/s的速度下進(jìn)行反復(fù)拉伸，安捷倫39470數(shù)據(jù)采集卡連續(xù)采集織物的電阻。通過測試發(fā)現(xiàn)，聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物（無論長絲織物還是短纖紗織物）的電阻在拉伸過程中減小，而在回復(fù)過程中增大。
　　改變拉伸儀的拉伸速度，測試不同拉伸速度下的機(jī)電性質(zhì)。測試結(jié)果表明：聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物在10%應(yīng)變率、拉伸速度

6、為1mm/s的條件下應(yīng)變敏感性達(dá)到3.711，拉伸過程中的重復(fù)性誤差為8.7%，滯后性誤差為9.5%，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9741。并且，隨著拉伸速度的增加，應(yīng)變敏感性降低，拉伸過程中的重復(fù)性誤差降低，滯后性誤差增加，線性相關(guān)系數(shù)無明顯變化。
　　采用電化學(xué)工作站對聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織在單軸拉伸下的阻抗特性進(jìn)行測試，其在整個(gè)拉伸回復(fù)過程中呈現(xiàn)純電阻的性質(zhì)，幾乎不受掃描頻率以及機(jī)械拉伸頻率的影響，保證了信號的準(zhǔn)確性。
　　（3）針對

7、化學(xué)聚合聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物的拉伸、彎曲變形模式，采用組裝法逐步論證了聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物的電阻變化機(jī)理。結(jié)果表明聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物的電阻主要源自經(jīng)、緯紗線的接觸電阻。
　　為了得到聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物電阻的拉伸變化機(jī)理，對影響聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物電阻拉伸變化的三種可能因素，即紗線電阻、經(jīng)/緯紗線交織的接觸電阻和相鄰平行排列紗線之間的接觸,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)逐一論證分析，結(jié)果表明以上三種因素都會影響導(dǎo)電織物的電阻變化，但經(jīng)/緯紗交織的接觸電阻主導(dǎo)聚吡咯導(dǎo)電機(jī)

8、織物電阻的拉伸變化。
　?。?）探究聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物作為傳感元件監(jiān)測上肢運(yùn)動狀態(tài)的可行性及測試方法。結(jié)果顯示聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物可作為核心傳感元件監(jiān)測上肢功能運(yùn)動狀態(tài)，測試時(shí)采用縫制方式裝配導(dǎo)電織物。
　　以聚吡咯導(dǎo)電機(jī)織物作為核心傳感元件，無線藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)上肢運(yùn)動測試傳感系統(tǒng)，對上肢的準(zhǔn)靜態(tài)以及動態(tài)運(yùn)動進(jìn)行了測試，并驗(yàn)證不同裝配方式對監(jiān)測結(jié)果的影響。測試結(jié)果表明，該測試方法能夠很好的反映手臂的彎曲角

9、度，手臂彎曲角度與電阻變化幾乎成線性變化，其中R2=0.95，且能夠很好地反映上肢的動態(tài)運(yùn)動，如上肢的運(yùn)動趨勢、運(yùn)動頻率，包括彎曲運(yùn)動以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。重復(fù)性驗(yàn)證表明，導(dǎo)電織物與服裝縫合集成的過程中會影響測試的可重復(fù)性，在同一縫合方式下，不同時(shí)間對上肢運(yùn)動的測試結(jié)果幾乎沒有變化，但是隨著縫合次數(shù)的增加會使得敏感性降低。
　　綜上所述，本文研究證明，聚吡咯彈力導(dǎo)電機(jī)織物作為應(yīng)變傳感器測試人體功能運(yùn)動是可行的。但是，化學(xué)聚合聚吡咯導(dǎo)電織物