一种基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤

技术领域：

本发明属于服装领域，具体涉及一种基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤，通过优化 功能性结构设计提升运动裤的穿着舒适性的同时提高运动裤的功能性，同时柔性传感器实时 监测膝关节在跑步过程中的受压情况以防护膝关节损伤。

背景技术：

运动裤是人们在做运动时经常穿的，由于其良好的排汗性和拉伸性，使得人们在运动过 程中减少了肌肉的拉伤，为人们运动时带来了良好的保护作用。例如中国专利CN201410589589.3公开了一种3D成型女子适体保健运动裤，根据人体工学原理，在需要具有较强运动机能的部位采用具有较大弹性的组织与纱线组合，全片编织一次3D立体成型，该 运动裤的腰部采用双层罗纹；腹部、后侧腰部和膝盖处采用具有弹性的添纱组织；裆部、臀 部周围一圈及罗口处采用抽条组织，臀部周围也采用抽条组织，能够适应臀部突起的状态； 大腿内侧采用集圈组织；臀部及其他部位采用纬平组织；用无缝针织机进行全片3D编织，罗 口处没有接缝，可达到无缝贴身的3D合体效果；运动裤采用多种组织，适应人体3D凹凸体 型，增加弹性及弹性回复力，起到保形作用；中国专利CN201820127543.3公开了一种辅助登 山运动裤，包括裤腰和裤腿，所述裤腿的膝盖以上和裆部以下部分的前后分别设有第一裤袢 和第二裤袢，所述辅助登山运动裤还包括腰带和绑带，所述腰带设置在裤腰，所述绑带环绕 穿过所述两条裤腿的第一裤袢和第二裤袢，通过挂钩挂在腰带上，穿着者依靠腰部与臀部肌 肉的配合，在臀部运动过程中，腰部也能分担一部分，从而减少人体对膝盖的压力，帮助穿 着者减轻双腿负担以及膝盖磨损的程度。

消费者对服装附加功能的要求增加和智能信息技术的发展推动智能服装的发展。纺织品 嵌入电子设备功能单一且体积较大，主要运用于医疗、军事、航空航天和其他特殊领域，朝 着良好的延展性、柔韧性发展。将柔性传感器戴在身上或附着在皮肤上，检测人体血压、血 糖、脉搏和其他生理参数，并将数据传输到智能设备中，进行分析提取，为医生提供诊断参 考。可穿戴技术在运动检测与健康防护实际应用中具有广阔的前景。现有的运动裤没有进行 功能式设计，也没有设置监测膝关节受力的机构，现急需一种既能够监测膝关节受力，又有 功能性区域划分且美观的运动裤。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，设计一种既能够监测膝关节受力，又有功能性 区域划分且美观的运动裤，适用于运动员和中老年人实时监测膝关节受力情况。

为达到上述目的，本发明涉及一种基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤，包括裤体和 设置于裤体上的监测单元，监测单元包括柔性传感器和数据传输模块，裤体的臀部区域采用 心形弧线设计，有提升翘点改善臀型的作用；腰部及腰部两侧区域为一片式设计，有拉长腿 部视觉，弱化胯部宽度，显瘦的视觉效果；裤腰区域与腰部及腰部两侧区域和裤腿上前片缝 纫连接；膝盖区域顶端边沿为由内侧膝线往上5-9cm处至外侧膝线往上19-23cm处的顺滑弧线， 底端边沿为由内侧膝线往下3.5-7.5cm处至外侧膝线往下8-12cm处的顺滑弧线，膝盖区域的前 顶端与裤腿上前片缝纫连接，膝盖区域的后顶端与臀部区域的底端缝纫连接，膝盖区域的底 端与裤腿下缝纫连接；膝盖区域的前端内侧还设置有内贴袋，内贴袋的外沿与膝盖区域前端 缝纫连接；柔性传感器可拆卸式固定于内贴袋与膝盖区域的前端之间，用于监测人体在运动 状态下，膝关节上的压力分布，柔性传感器由附有导电涂层的强弹性化纤导电面料、引线和 椭圆形布片组成，引线位于椭圆形布片和强弹性化纤导电面料之间，引线与强弹性化纤导电 面料的附有导电涂层的一侧连接，引线与椭圆形布片固定连接，强弹性化纤导电面料与椭圆 形布片固定连接；柔性传感器与数据传输模块通过引线电信息连接；数据传输模块为有线或 无线传输模块，用于将柔性传感器测得的阻力值发送到手机或电脑终端。

本发明涉及的强弹性化纤导电面料为5个，分别分布在椭圆形布片的中间和四周位置，引 线为柔性导线，引线包括分别与5个强弹性化纤导电面料的附有导电涂层的一侧接触连接的相 互独立的柔性导线和将5个强弹性化纤导电面料连接起来的共用柔性导线。

本发明涉及的腰部及腰部两侧区域采用吸汗速干的CoolMax面料；裤腰区域、裤腿上前片、 裤腿下和臀部区域采用高弹性易透气吸汗的含有88％聚酯纤维和12％氨纶的面料；膝盖区域 采用弹性较大的含有86％锦纶和14％氨纶的面料。

本发明涉及的内贴袋为带4个省设计的中间鼓起的椭圆形布料，内贴袋与膝盖区域前端之 间留1/4的开口，便于放入和取出柔性传感器。

本发明还包括手机或电脑终端，手机或电脑终端上有数据处理程序，能够通过无线或有 线传输方式接收柔性传感器检测的数据并处理分析出压力值。

本发明涉及的监测单元还包括微型电源，微型电源与数据传输模块电连接，为数据传输 模块12和柔性传感器提供电源。

本发明涉及的数据传输模块和微型电源通过现有技术的布袋或壳体可拆卸式固定在裤体 上。

本发明与现有技术相比，通过内贴袋的结构设计能够实现人体在跑步运动时的膝关节立 体弯曲结构与柔性传感器的良好贴合，提高了监测数据的准确性；通过优化功能性结构设计 提升运动裤的穿着舒适性的同时提高运动裤的功能性，其穿着舒适、透气性好、适于运动时 穿着，市场前景广阔，应用环境友好。

附图说明：

图1为本发明涉及的运动裤的整体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的运动裤的后视结构原理示意图。

图3为本发明涉及的柔性传感器的结构原理示意图。

图4为本发明涉及的实施例1的监测单元各结构之间连接原理示意图。

图5为本发明涉及的实施例2的监测单元各结构之间连接原理示意图。

图6为本发明涉及的实施例3的股外侧肌肌氧测试实验结果折线图。

图7本发明涉及的实施例3的股内侧肌肌氧测试实验结果折线图。

图8为本发明涉及的实施例3的腓肠肌肌氧测试实验结果折线图。

图9为本发明涉及的实施例3的温湿度测试实验结果折线图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤，包括裤体1和设置于裤体1上的 监测单元，监测单元包括柔性传感器10和数据传输模块12，裤体1的臀部区域7采用心形弧线 设计，有提升翘点改善臀型的作用；腰部及腰部两侧区域4为一片式设计，采用吸汗速干的 CoolMax面料，有拉长腿部视觉，弱化胯部宽度，显瘦的视觉效果；裤腰区域2与腰部及腰部 两侧区域4和裤腿上前片5缝纫连接，采用高弹性易透气吸汗的面料(面料成分为88％聚酯纤 维，12％氨纶)；膝盖区域3顶端边沿采用由内侧膝线往上7cm处至外侧膝线往上21cm处的顺滑 弧线连接设计，底端边沿采用由内侧膝线往下5.5cm处至外侧膝线往下10cm处的顺滑弧线连接 设计，膝盖区域3采用弹性较大的面料一(86％锦纶，14％氨纶)，膝盖区域3的前顶端与裤腿上 前片5缝纫连接，膝盖区域3的后顶端与臀部区域7的底端缝纫连接，膝盖区域3的底端与裤腿 下6缝纫连接；膝盖区域3的前端内侧还设置有内贴袋8，内贴袋8为带4个省设计的中间鼓起的 椭圆形布料，内贴袋8的外沿与膝盖区域3前端缝纫连接并在上方留1/4的开口，便于放入和取 出柔性传感器10；柔性传感器10可拆卸式缝纫固定于内贴袋8与膝盖区域3的前端之间，用于 监测人体在运动状态下，膝关节上的压力分布，柔性传感器10由5个附有导电涂层的强弹性化 纤导电面料16、引线11和1个椭圆形布片15组成，5个强弹性化纤导电面料16分布在椭圆形布 片15的中间和四周位置，引线11为柔性导线，引线11包括分别与5个强弹性化纤导电面料16 的附有导电涂层的一侧接触连接的相互独立的柔性导线和将5个强弹性化纤导电面料16连接 起来的共用柔性导线，引线11位于椭圆形布片15和强弹性化纤导电面料16之间，引线11与椭 圆形布片15缝纫连接，5个强弹性化纤导电面料16分别与椭圆形布片15缝纫连接；柔性传感器 10与数据传输模块12通过引线11电信息连接；数据传输模块12为有线或无线传输模块，用于 将柔性传感器10测得的阻力值发送到手机或电脑终端。

本实施例还包括手机或电脑终端，手机或电脑终端上有数据处理程序，能够通过无线或 有线传输方式接收柔性传感器10检测的数据并处理分析出压力值，用户可随时通过手机或电 脑查看膝盖受压情况。

本实施例的监测单元还包括微型电源13，微型电源13与数据传输模块12电连接，为数据 传输模块12和柔性传感器10提供电源。

本实施例涉及的数据传输模块12和微型电源13通过现有技术的布袋或壳体可拆卸式固定 在裤体1上。

本实施例涉及的内贴袋8的椭圆形尺寸为长轴15.6厘米，短轴15.2厘米。

本实施例涉及的椭圆形布片15为带省的椭圆形布料，其大小及形状与内贴袋8的形状及大 小相同，椭圆形布片15的省17的尺寸为宽0.9cm，深5cm。

本实施例涉及的柔性传感器10能够测量膝盖正前方和膝盖四周共5个部位的压力值。

本实施例涉及的导电涂层为市售的导电金属层或其他导电材料涂层，涂层厚度为纳米级 别。

本实施例将运动裤结构进行功能性分区划分，设计合理的分割线，在肌肉振动较大的区 域(裤腿上前片5、裤腿下6、臀部区域7)利用高弹性易透气吸汗的面料(88％聚酯纤维，12％ 氨纶)，提高穿着者的运动爆发力和自由度；结构设计还确保运动裤良好的热湿综合性能，除 了严格要求面料的纤维成分具备良好吸湿和易排汗、速干吸湿特性外,划分出在跑步运动状态 中的人体下肢热湿运动专区(腰部区域2和腰部及腰部两侧区域4)。

本实施例涉及的CoolMax面料，具有许多毛细管效应强的细小芯吸管道，并且这种纤维的 比表面积大，也能将织物表面的汗水快速蒸发。可以将人体运动时所排出的汗液快速排至服 装最外层挥发，保证皮肤干爽，增加人体的舒适感。适合用来制作运动类服装。

本实施例涉及的膝盖区域3的线体设计原理为：在跑步过程中，膝盖外侧区域比内缝区域 的皮肤拉伸量大，呈拉伸状态，外侧缝尤为明显；综合考虑，前迈和后摆对腿部皮肤造成的 形变虽然方向不同，但对比观察其拉伸变化幅度还是比较相近的，整体膝关节部位皮肤纵向 拉伸形变大于横向拉伸形变；所以结合膝关节结构特点，对运动裤膝部区域3进行了针对性的 线条设计，具有一定的护膝作用，同时根据膝关节舒适压迫阈值，利用弹性较大的面料一(面 料一的成分为86％锦纶，14％氨纶)，并与裤腿上下缝纫连接。

本实施例基于下肢运动拉伸量和热湿分布进行的结构设计，防护膝关节损伤柔性传感两 个部分，在结构上，运用心形弧线设计，有提升翘点改善臀型的作用；腰部与腰部两侧为一 体的拼接设计(腰部与腰部两侧是一体设计，与裤子其他部位进行拼接)，有拉长腿部视觉， 弱化宽胯，显瘦的视觉效果；结合膝关节结构特点，对运动裤膝部结构进行了针对性的线条 设计；在面料分配上，考虑到后腰中央区是汗液聚集的主要区域之一，为了及时排出汗液， 此区域运用了吸汗速干的Coolmax面料。防护膝关节损伤柔性传感部分以柔性压力传感装置为 核心，以运动裤膝关节部位内侧口袋为载体，用于检测膝关节在不同跑步状态时受压情况。

本实施例涉及的柔性传感器安装在膝关节被监测部位，在外力作用下其弹性面料产生弹 性变形，使固定在其表面的柔性传感器也随之变形，柔性传感器变形后，其阻值将增大或减 小，最终转化为数字量，通过单位推算得到压力值。

本实施例涉及的基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤可以对特殊群体(运动员、中老 年人群)起到监护作用，通过膝关节弯曲程度引起的不同压力值，对用户者行走状态和中老 年人群中非常常见的膝关节劳损问题进行实时监测。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是监测单元还包括微处理器14，柔性传感器10与微处理器14 通过柔性导线电信息连接，微处理器14与数据传输模块12电信息连接，微处理器14与微型电 源13电连接；柔性传感器10测得的电阻值发送给微处理器14，微处理器14将电阻值转换成压 力值并通过数据传输模块12发送到手机或电脑终端，用户能够在手机或电脑端查看压力值。

实施例3：

本实施例为实施例1的基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤的系统性评价实验，选择六 名体型相似的年轻女性作为被试者。气囊式压力传感器的使用为了验证本发明柔性传感器的 数据准确性，通过测量人体膝关节重要测量点的服装压力数据来实现；肌氧监测、温湿传感 器测量分别来评价样衣的缓解疲劳和防护性、散热透气性。

1、实验样品：

实验用运动裤有两条，其中一条为实施例1的基于柔性传感的膝关节受力监测运动裤，在 膝关节部位带有柔性传感器，清洗时易拆卸，另一条为不带柔性传感器的运动裤，两条运动 裤的裤体结构和尺寸均相同，具体尺寸见表1。

表1试验样裤尺寸表

2、实验对象：

选取6名年轻女性，平均年龄为24±2岁，身体健康，体型和腿型相近。受试者基本信息 如表2所示。实验前让受试者了解实验方案的设计，熟知测试方法及流程，明确测试的指标及 要完成的任务。

表2受试者基本信息表

3、实验方法及结果

3.1压力测试

测试方法为：步骤一：受试者先穿着带柔性传感器的运动裤，数据传输模块为带USB接口 的输出模块，通过USB接口与电脑端连接，受试者完成相关动作，得出各部位压力值，测试时， 运动裤上的柔性传感器通过柔性导线连接至输出模块，输出模块与电脑通过USB接口连接，电 脑内置两个与输出模块相匹配的程序，分别是firmwave和gui，firmwave是输出模块的驱动与 接受程序，gui是数据输出程序；步骤二：受试者穿着不带柔性传感器的运动裤，完成与步骤 一相同的动作，运动裤膝盖部位(与步骤一柔性传感器相同部位处)连接AMI3037-5S气囊式 压力测试仪，测得膝盖部位的压力值，用于校验柔性传感器测试数据的准确性。记录两项压 力数据并整理得到表3。

表3压力测试数据校验结果

可知，柔性传感器所测人体膝关节受压数值与AMI3037-5S气囊式压力测试仪所测压力数 值两组数据接近，说明柔性传感器具有较高的准确性。

3.2肌氧测试

在实验运动过程中，用Moxy对六名实验对象穿着样衣时特定肌肉的肌氧饱和度(SmO2) 和总血红蛋白(THb)的变化情况进行了实时监测(Moxy是一款小巧、轻便、无线的肌肉组织 有氧代谢实时监测设备，Moxy肌氧监测仪的工作原理是用近红外光照射皮肤，然后会检测到 进入肌肉组织后返回表面皮肤的光线，来测量肌肉中的氧含量。)；实验运动过程分为静止站 立阶段(在跑步机上静止站立5分钟，使实验对象调整实验状态)、第二阶段(以5km/h速度进 行5分钟，加速至8km/h进行30分钟)，第三阶段(从8km/h减速至5km/h进行5分钟)和第四阶 段(保持静止站立5分钟)四个状态，其中肌氧饱和度(SmO2)主要是指部分肌肉组织中氧气与 血红蛋白的浓度所占的比率，它能反映肌肉内的氧浓度，其变化在一定程度上可反映人体局 部肌肉的氧供应和氧利用的平衡。肌氧变化可作为增加训练强度、减少疲劳和改进训练效果 的一个评定依据。总血红蛋白(THb)表示循环血液中血红蛋白的总质量，单位常用g，它能 够较好地反映血液携氧能力。最后对数据进行了计算与整理，得到最终结果，如图4-6所示。

由图4-6可以看出，肌氧饱和度(SmO2)和总血红蛋白(THb)的变化情况相似，并且监 测的三个部位变化趋势也相似，其中，腓肠肌的肌氧饱和度和总血红蛋白浓度最高。在静止 站立时，两者基本没有变化；在递增负荷运动中，肌氧含量和总血红蛋白浓度会随着跑步速 度增加而呈下降趋势，但下降到一定程度后将不再继续下降，而是出现逐渐回升的趋势，并 且会恢复到相对稳定的状态；在第三阶段减速和第四阶段静止站立时，两者迅速回升，随后 逐渐恢复到一定水平；同时可以发现，监测的三个部位，运动结束后的肌氧饱和度与总血红 蛋白的浓度均高于运动前的水平。所以，说明肌氧随运动负荷的增加而下降，这是由于肌肉 的突然收缩导致血管的压迫，肌内血流量瞬间减少，此时局部动静脉氧差会加大，提供运动 肌的氧耗。随后各器官血流量重新分配，心脏和运动肌的血流量明显增加，供氧增加，肌组 织氧饱和度升高，使氧供和氧耗保持平衡。运动恢复阶段，肌红蛋白重新氧合，肌氧开始回 升，从图3可以看出恢复速度很快，表明样裤缓解疲劳性能良好。

3.3温湿度测试

利用MSR145对运动过程中的各部位体表温湿度进行测试，MSR145使一个小型通用数据 记录器，用于测量和记录不同的物理测量参数。它包括温度传感器、具有集成温度的湿度传 感器、压力传感器和三轴加速度计。测量参数可以在数据记录完成后或在数据记录过程中传 送到PC机，MSR PC程序允许用户根据自己的要求定制MSR145测量和记录数据的方式。测试 结果如图7所示(三个区域的肌肉在整个运动过程中，表面温度的变化很平稳，从温度数值 可以看出热感觉舒适性较好，没有出现突然过热或者过冷的现象。在跑步过程前期，随着运 动负荷逐渐增加，人体代谢活动开始加强，人体心率逐渐加快，产热增加，毛细血管扩张， 温度升高温度会有所增加；当达到一定的时间后由于出汗湿度增加较快,汗液的蒸发及面料的 吸湿排汗会带走一部分热量,温度值开始下降；最后跑步结束阶段，心率没有恢复平静仍继续 产热,人体体表温度有温度上升的趋势。运动后半段人体出汗量较大时，图7显示温度有明显 的下降，说明样裤透湿排湿性能良好，将大量热散发到空气当中。