LV14920B - Tekstila pārveidošanas ierīce (TPI) stiepes un spiedes mērījumiem, no TPI veidotu ierīču sistēma ādas un muskuļu kontrolei un stimulēšanai un TPI ražošanas metode, izmantojot strāvu vadošus pjezorezistīvus diegus un plūksnoto vai frotē pinumu - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz pārveidotājiem, konkrēti uz tekstila pārveidošanas ierīcēm (TPI), kas ir paredzētas integrēšanai vairāku formu un funkcionālo pielietojumu tekstilizstrādājumos, un to izmantošanu datu iegūšanas un stimulācijas sistēmās.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Kontroles sistēmas, kas iekļauj TPI, t.i. lokanus, no auduma ar strāvu vadošo diegu iekļaušanu izgatavotus jutīgus elementus, arvien plašāk tiek izmantotas kā medicīnā, tā arī ikdienas dzīvē cilvēka fizioloģiskā un fiziskā stāvokļa novērošanai, savlaicīgai slimību diagnostikai un rehabilitācijai pēc slimībām, kas ir saistītas ar kustību traucējumiem. Tas ir saistīts ar iespēju integrēt minētas sistēmas tieši pacienta ikdienas apģērbā. TPI sistēmu darbības pamatā ir tekstila auduma ar integrētiem strāvu vadošiem diegiem spēja mainīt elektriskus parametrus, audumam deformējoties.

Viens no minēto sistēmu attīstības virzieniem ir efektīvu jutīgo teksilelementu, konkrēti tādu, kas reaģē uz spiedes piepūli (turpmāk spiediena devējs), izstrāde. Ir zināms spiediena devējs [1], kas satur divus strāvu vadošo tekstilauduma slāņus un izolējošo slāni starp tiem. Izolējošā slāņa konstrukcija nodrošina strāvu vadošo slāņu saslēgšanu spiedes iedarbībā. Dotais devējs ir pietiekami sarežģīts un netehnoloģisks, lai to integrētu tekstilizstrādājumos.

Ir zināms spiediena devējs [2], kas iekļauj daudzslāņu diegu ar spiedienu jutīgo slāni, strāvu vadošo slāni un strāvu vadošo diegu, šis devējs var būt integrēts tekstilizstrādājumā, tomēr tam ir nepieciešamas papildus tehnoloģiskās operācijas. Šis devējs nevar būt izgatavots paša tekstilizstrādājuma izgatavošanas procesā, piemēram, trikotāža auduma adīšanas laikā.

Piedāvātam izgudrojumam vistuvākā ir TPI, kas satur no strāvu vadošiem un nevadošiem diegiem ar aušanas metodi izgatavotu spiediena devēju sistēmu [3]. Jutīgās zonas atbilst strāvu vadošo pamata un audu diegu krustojuma zonām. Saspiešanas rezultāta mainās sprauga starp pamata un audu diegiem un līdz ar to arī jutīgas zonas kapacitāte. Dotajai TPI piemīt mazs biezums un tā var būt izgatavota, izmantojot standarta aušanas aprīkojumu. Tomēr kapacitatīvais darbības princips ir saistīts ar zemo trokšņnoturību un līdz ar to zemo jutīgumu. Tas ierobežo dēvēja pielietošanas jomas. Turklāt, devējs ļauj noteikt tikai spiedes spēku un to nevar izmantot deformācijas mērīšanai.

Izgudrojuma mērķis un TPI būtības detalizēts izklāsts

Izgudrojuma mērķis ir TPI jutīguma palielināšana un izmantošanas iespēju paplašināšana, tajā skaitā integrējot TPI apģērbā un citos tekstilizstrādājumos. TPI ir tekstila drāna ar vismaz vienu jutīgo zonu, kura savukārt ir izveidota no vadošiem un nevadošiem diegiem un satur vismaz divas strāvu vadošās līnijas jutīgās zonas pretējās malās, pie tam jutīgā zona tiek izgatavota, izmantojot plūksnojumu vai frotē pinumu, un kalpo gan kā spiedes, gan stiepes lineāro deformāciju pārveidotājs, gan kā stimulācijas elektrods.

Izgudrojuma būtību ilustrē šādi grafiskie materiāli:

Attēli la un lb -	TPI ar vienpusēju plūksnotu drānu un tās veidošanas shēma;
Attēli 2a un 2b -	TPI ar vienpusēju frotē drānu un tās veidošanas shēma;
Attēls 3 -	TPI ar divpusēju plūksnotu vai frotē drānu veidošanas shēma;
Attēli 4a līdz 4d -	TPI jutīgas zonas darbības princips un elektriskais modelis spiedes iedarbībā;
Attēli 5a un 5b -	TPI jutīgas zonas darbības princips un elektriskais modelis stiepes iedarbībā;
Attēli 6a līdz 6c -	TPI konstrukciju piemērs un tās pretestības atkarība no jutīgajai zonai pieliktā spiedes spēka un jutīgās zonas relatīvā pagarinājuma;
Attēls 7 -	TPI jutīgo zonu piemēri dažu ģeometrisko figūru formā;
Attēls 8 -	TPI jutīgo zonu piemērs (tīkla forma);
Attēls 9 -	TPI ar jutīgās zonas aizsargpārklājumu;
Attēls 10 -	TPI cauruļveida elementa formā;
Attēls 11 -	TPI cauruļveida elementa formā ar vienu aizvērto galu;
Attēls 12-	tekstilizstrādājums, kas satur integrētu mērīšanas un stimulācijas sistēmu;

Piedāvātās TPI, kas definēta no 1. līdz 9. pretenzijai, uzbuve iekļauj: tekstila drānu, kurā ir iestrādātas: 1) vismaz viena jutīgā zona, kas satur elektrisko strāvu vadošus un nevadošus diegus un kuras deformācija izraisa tās elektrisko raksturojumu izmaiņas, 2) vismaz divas strāvu vadošās līnijas jutīgo zonu pretējās malās. Jutīgā zona tika izgatavota, izmantojot plūksnojumu vai frotē pinumu, un kalpo gan kā spiedes un stiepes lineāro deformāciju mērpārveidotājs, gan kā stimulācijas elektrods. TPI var būt izgatavota gan ar aušanu, gan ar adīšanas, mašīnām. Par elektriskiem kontaktiem var kalpot kā paši jutīgās zonas sastāvā esošie vadošie diegi, tā arī papildus elektriskie vadītāji, kas ir nodiegti vai noādīti gar zonas malām.

Plūksnojums vai frotē pinums var būt vienpusīgs, kad plūksnas vai frotē cilpas ir izvietotas vienā drānas pusē un otrā puse atstāta gluda, un divpusīgs, kad plūksnas/cilpas ir izvietotas abās drānas pusēs. Att. la līdz Att.3 ir parādīti TPI piemēri ar vienpusīgo un divpusīgo plūksnojumu vai frotē drānām, kuros 1 ir strāvu vadošie diegi, 2 ir strāvu nevadošie diegi, 3 ir elektriskus kontaktus veidojošās līnijas.

TPI var būt izgatavotas, izmantojot arī papildu elastomēru diegus, kas palielina TPI drānas elastīgumu un formas noturību.

Vienpusīgā plūksnojuma pinuma TPI darbības principi ir ilustrēti Att.4 un Att.5, pie kam Att.4 ir parādīts TPI darbības princips spiedes iedarbībā un attiecīgās elektriski ekvivalentās shēmas. Ja TPI ir brīvi izvietota uz atbalsta virsmas 1 un jutīgā zona 2 nav noslogota (skat. Att.4a), tad no vadošā diega izgatavotās plūksniņas ir iztaisnotas un tikai dažas no tām kontaktē savā starpā. Šīm stāvoklim atbilstošā ekvivalentā shēma ir parādīta Att.4b, kurā R_e ir jutīgās zonas ekvivalentā pretestība, R ir jutīgās zonas posma pretestība starp plūksniņām, 3 ir vadītāji plūksniņu ekvivalenti.

Pieliekot jutīgajai zonai spiediena spēku P (skat. Att.4c), plūksniņas salocās un to pārkrustojumu skaits, spēkam P pieaugot, palielinās (skat. Att.4d). Attiecīgi samazinās ekvivalentā pretestība Re. Līdz ar to jutīgā zona darbojas kā spiediena devējs.

Att.5a shematiski ir attēlota jutīgā zona stiepes gadījumā, bet Att.5b ir attēlota attiecīgā ekvivalentā shēma. Jutīgas zonas stiepšanas dēļ savā starpā kontaktējošo plūksniņu skaits sākumā samazinās (skat. Att.4a un Att.5a). Attiecīgi samazinās pretestības R šuntējošo savienojumu skaits (skat. Att.5b), un jutīgās zonas ekvivalentā pretestība Re palielinās. Šajā gadījumā jutīgā zona darbojas kā lineāras stiepes deformācijas un spēka devējs.

Att.6a ir parādīta TPI shēma ar jutīgo zonu, kas sastāv no divām līnijām, kas ir sadalītas, izmantojot vienpusīgo frotē pinumu (attēlā 1 ir jutīgā zona, 2 ir strāvu vadošā līnija). Minētā TPI tika izgatavota uz 14. klases zeķu automāta Lonatti, izmantojot strāvu vadošo diegu Shieldex, nevadošo kokvilnas diegu Nm 40/1 un elastāna diegu 20/22dtex. Konkrētā gadījumā TPI pretestības atkarība no spiedes spēka P un relatīvas deformācijas AL/L ir pievesta attiecīgi Att.6b un Att.6c. Stiepes slodze tika pielikta līnijas 1 garumā. Grafiki ilustrē, ka, uzspiežot uz jutīgo zonu, Re samazinās, bet, stiepjot jutīgo zonu, Re palielinās.

TPI parametri, tās jutīgums normālai un stiepes slodzei ir atkarīgs no izejmateriālu īpašībām, tekstildrānas pinuma struktūras, plūksnojuma garuma, jutīgas zonas konfigurācijas. Mainot šos parametrus, mainās arī TPI jutīgums un pārējie parametri. Izgudrojumā definētā TPI var kalpot ne tikai kā jutīgais elements, bet aiī ka stimulējošais elektrods, kas iedarbojas uz kontrolējamo zonu, piemēram, ar siltumu vai ar elektrodzirksteles izlādi. Pēdēja iedarbība ir iespējama, tieši pateicoties plūksnotai (frotē) TPI jutīgās zonas struktūrai.

TPI izgatavošanai izmantotie strāvu vadošie diegi var būt jebkurā tipa: ar metālisko pārklājumu, metāliskie diegi utt. ar dažādiem elektriskiem raksturojumiem.

TPI izgatavošanai izmantojami strāvu nevadošie diegi var būt jebkādi no naturālo, mākslīgo vai sintētisko diegu grupām. Elastomēru diegs var būt jebkāds no elastomēru diegu grupas: likra, elastāns, dorlostāns u.c.

TPI jutīgās zonas plūksnotais vai frotē pinums var būt izpildīts no strāvu vadošiem diegiem pilnībā vai daļēji. Pie tam jutīgās zonas var būt izveidotas vienas vai vairāku līniju, kvadrātu, apļu un citu ģeometrisko figūru formā. Šādu TPI piemēri ir parādīti Att.6a, Att.7a un Att.7b. Strāvu vadošie diegi drānas jutīgajā zonā var būt izvietoti tīkla veidā (skat. Att.8). Pie tam drānas dažādos fragmentos jutīgās zonas var būt izveidotas no diegiem ar dažādiem raksturojumiem.

Ja TPI tiek izgatavota ar adīšanu, var izmantot platinēto pinumu ar elastomēra pamatpavedienu. Tas palielina TPI elastīgumu un uzlabo tās ārējo izskatu TPI integrēšanai apģērbā.

TPI ar vienpusīgu plūksnoto vai frotē pinumu ilgizturības palielināšanai drānas gludā puse var būt pārklāta ar elastīgu aizsargkārtiņu: elastīgu laminējošo plēvi, silikona pārklājumu utt. Att.9 ir parādīts tāds TPI piemērs, kurā 1 ir jutīgā zona, 2 ir elastīgs pārklājums.

TPI var būt izveidota plakana elementa (skat. Att.6a, Att.7 un Att.8) formā, no abām pusēm atvērta cilindra (cauruļveida) formā (skat. Att. 10a un Att. 10b), kur 1 ir TPI, 2 ir jutīgās zonas), vai no viena puses aizvērtā cauruļveida formā. TPI atvērtā cauruļveida formā var būt izmantotas, piemēram, kā jutīgie elementi bandāžām ar saspiešanas spēka kontroli un ar jutīgās zonas aktīvo stimulāciju, kā arī ar vadības spiedpogu/potenciometru integrēšanai apģērba piedurknēs. TPI aizvērtā cauruļveida formā var būt izmantoti, piemēram, zeķu izstrādājumos kustības kontrolei un pēdu muskuļu stimulācijai

Datu iegūšanas sistēma un stimulācijas sistēma saskaņā ar izgudrojumu

Izgudrojumā ir piedāvāta ari datu iegūšanas un stimulācijas sistēmas (skat. 10. un 11. pretenzijas), kas sastāv no TPI ar vismaz vienu jutīgo zonu, enerģijas avota, kas nodrošina elektrisko signālu pievadīšanu jutīgajai zonai, datu iegūšanas un vadības ierīces, kas nodrošina signāla iegūšanu, apstrādi un pārraidi no jutīgas zonas uz ārējo vadības ierīci un atpakaļ, kā arī satur strāvu vadošās līnijas un kontaktu sistēmas, kas savieno enerģijas avotu un datu iegūšanas un vadības ierīci ar jutīgo zonu. Pie tam strāvu vadošās līnijas var būt integrētas tieši TPI.

Att. 12 ir parādīts piedāvātās kontroles un stimulācijas sistēmas realizācijas piemērs. Sistēma ir integrēta cauruļveida izstrādājumā zeķes formā. Izstrādājums ir zeķe 1 (skat. Att. 12), kurā tika izadīta kabata 2 enerģijas avota 3 un izstrādājuma elektroniskas shēmas izvietošanai. Kontaktu grupa 5 ir paredzēta datu iegūšanas un vadības ierīces pievienošanai TPI. TPI, kas ir adīta ar frotē pinumu, ir ieadīta zeķē tā, lai jutīgās zonas 6 līdz 13 būtu izvietotas pēdā. Jutīgās zonas tika adītas no strāvu vadošiem diegiem taisnu līniju formā. Strāvu vadošas līnijas (vadītāji 4) arī tika adīti no strāvu vadošiem diegiem tā, lai katras līnija ar vienu galu būtu savienota ar kontroles sistēmas kontaktiem 5, bet ar otro galu ar attiecīgās TPI jutīgās zonas (6 līdz 13) malu. Enerģijas avots 3 un datu iegūšanas un vadības ierīce 14 tika ievietoti zeķes kabatā 2 un savienoti ar kontaktu sistēmas 5 attiecīgajiem kontaktiem.

Piedāvātās datu iegūšanas sistēmas un stimulācijas sistēmas darbība

Kontroles etapā pēdas spiede pret atbalsta plakni deformē vienu vai vairākus jutīgās zonas 6 līdz 13 atkarībā no spiedes zonas laukuma un attiecīgi mainās zonu elektriskie parametri. Parametru izmaiņas reģistrē datu iegūšanas un vadības ierīce 14, kura apstrādā un analizē signālus un pārraida datus uz jebkuru ārējo ierīci, piemēram, viedtālruni vai datoru.

Stimulācijas etapā stimulācijas iedarbība tika ieslēgta pēc ārējās ierīces komandas, kas tika pārsūtīta uz datu iegūšanas un vadības ierīci, kura savukārt nodrošināja attiecīgo stimulējošo iedarbību - piemēram, jutīgo zonu uzkarsēšanu vai elektrodzirksteles iedarbību.

Piedāvātā tekstilizstrādājumu ražošanas metode.

Izgudrojumā ir piedāvāta arī tekstilizstrādājumu saskaņā ar 12. un 13. pretenzijām ražošanas metode (skat. 14. un 15. pretenzijas). Metode iekļauj ar TPI aprīkota izstrādājuma izgatavošanu, pie tam TPI satur vismaz vienu jutīgo zonu un izgatavošanas procesā tiek izmantoti gan strāvu vadošie, gan nevadošie diegi. Piedāvātā metode ir raksturīga ar to, ka izstrādājums tiek izgatavots ar adīšanu, pie tam jutīgajā zonā strāvu vadošie diegi tiek ieadīti ar plūksnoto vai frotē pinumu, bet ārpus jutīgās zonas tiek ieadītas vismaz divas strāvu vadošas līnijas, kuras ar vienu no galam tiek savienotas ar jutīgās zonas pretējām malām. Metodes realizācijas piemērs ir parādīts Att.6a.

Informācijās avoti:

1. E-Textile Pressure Sensor Based on Conductive Fiber and its Structure; patent application US 2007141939 Al;

2. European Patent application EP 2591723 Al;

3. Enokibory Y., Suzuki A., Mizuno H. et.al. in: Proceedings of the 2013 ACM UbiComp’13, September 8 - 12, Zurihc, Switzerland, p.207-210.

Claims (15)

1. Pretenzijas

   1. Tekstila pārveidošanas ierīce (TPI), kas izveidota no tekstila drānas, kas satur vismaz vienu jutīgo zonu, kas sastāv no strāvu vadošiem un strāvu nevadošiem diegiem un kuras deformācija izraisa tās elektrisko īpašību izmaiņas, un vismaz divas strāvu vadošas līnijas, kas ar vienu galu kontaktē ar jutīgas zonas pretējām malām, un kas atšķiras ar to, ka jutīgā zona tika izgatavota, izmantojot vienpusīgo vai divpusīgo plūksnoto vai frotē pinumu, tās elektriskās īpašības mainās gan tās saspiešanas, gan izstiepšanas gadījumā, un kas kalpo vienlaicīgi kā spiedes un lineāro deformāciju mērīšanai, tā arī kā stimulējošais elektrods.
2. 2. Ierīce saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tā ir izgatavota vai nu ar adīšanu, vai uz trikotāžas mašīnas, vai ar aušanu.
3. 3. Ierīce saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka jutīgās zonas plūksnotais vai frotē pinums ir izveidots gan no strāvu vadošiem diegiem, gan no strāvu nevadošiem diegiem vai tikai no vadošiem diegiem.
4. 4. Ierīce saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka jutīgās zonas forma sastāv no viena vai vairākiem kvadrātiem, apļiem, taisnstūriem vai citām ģeometriskām figūrām vai ir veidota tīkla formā.
5. 5. Ierīce saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 4. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka strāvu vadošiem diegiem dažādās tekstila drānas posmos ir dažādas elektriskās īpašības.
6. 6. Ierīce saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 5. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka tekstila drāna ir izgatavota, izmantojot elastomēru diegus.
7. 7. Ierīce saskaņā ar 6. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tekstila drāna ir izgatavota, izmantojot platinēto pinumu, kurā par pamatpavedienu kalpo strāvu nevadošais elastomēra diegs.
8. 8. Ierīce saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 7. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka jutīgā zona ir izgatavota, izmantojot vienpusīgo plūksnoto vai frotē pinumu, un tās gludā puse ir pārklāta ar elastīgu aizsargslāni.
9. 9. Ierīce saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 8. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka tā ir izgatavota plakana vai cauruļveida elementa formā, pie tam cauruļveida elementam ir vismaz viens atvērtais gals.
10. 10. Datu iegūšanas un stimulācijas sistēma, kas satur: tekstila pārveidošanas ierīci (TPI) saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 9. pretenzijai ar vismaz vienu jutīgo zonu; enerģijas avotu elektrisko signālu pārraidei uz un no jutīgās zonas; datu iegūšanas un vadības ierici, kas nodrošina gan jutīgās zonas signāla iegūšanu (TPI rādījumu nolasīšanu), apstrādi un pārraidīšanu uz ārējo ierīci, gan stimulācijas signāla pievadīšanu jutīgajai zonai lietotāja audu (ādas, muskuļu, nervu) elektriskai stimulācijai; strāvu vadošas līnijas; kontaktu sistēmu jutīgās zonas savienošanai ar datu iegūšanas un vadības ierīci.
11. 11. Sistēma saskaņā ar 10. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka strāvu vadošās līnijas ir ieadītas vai ieaustas tieši TPI.
12. 12. Tekstilizstrādājums, kurā ir integrēta datu iegūšanas un stimulācijas sistēma saskaņā ar 10. vai 11. pretenziju.
13. 13. Tekstilizstrādājums saskaņa ar 12. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka tas ir izveidots adītas zeķes formā, kura uz apakšstilba daļas satur izadītu kabatu enerģijas avota, datu iegūšanas un vadības sistēmas un kontaktu sistēmas izvietošanai, pie tam TPI ir ieadītas tā, lai jutīgās zonas būtu izvietotas pēdās pusē, bet strāvu vadošas līnijas savieno jutīgās zonas ar kontaktu sistēmu zeķes kabatā.
14. 14. Tekstilizstrādājuma saskaņā ar 12. vai 13. pretenziju ražošanas metode, kas satur izstrādājuma izgatavošanu ar TPI, kas satur vismaz vienu jutīgo zonu, pie tam tiek izmantoti gan strāvu vadošie, gan nevadošie diegi, kas atšķiras ar to, ka izstrādājums tiek izgatavots ar adīšanu, pie tam jutīgajā zonā strāvu vadošos diegus ieada, izmantojot plūksnoto vai frotē pinumu, bet āipus jutīgās zonas ieada vismaz divas strāvu vadošās līnijas, kuras ar vienu galu ir savienotas ar jutīgās zonas pretējām malām.
15. 15. Metode saskaņā ar 14. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka izstrādājums tiek adīts vai nu uz plakanadīšanas trikotāžas mašīnas, vai uz apaļadīšanas trikotāžas mašīnas.