基于FSR的人体压力分布测试技术开发

李彦达，代成栋，郭斌斌，范晨光

(西南交通大学 力学与工程学院， 成都 610031)

基于FSR的人体压力分布测试技术开发

李彦达，代成栋，郭斌斌，范晨光

(西南交通大学 力学与工程学院， 成都 610031)

利用FSR压力传感器对记忆绵床垫、乳胶床垫及棕垫床垫进行压力分布对比测试，制作了可移动的FSR传感器“床单”。基于FSR传感器与UCAM多点静态采集系统构建了人体多点压力分布测试系统。运用Matlab对测量的数据进行可视化处理，对实验结果进行3次样条插值，分别得到各种情况下的压力分布的二维、三维云图，然后对3种床垫的数据进行横向比较。实验结果表明：记忆绵床垫的最大压力在3种床垫中最小，并且压力分布最均匀；记忆绵床垫的抗干扰性比乳胶床垫和棕垫床垫要好。

FSR压力传感器；人体压力分布；床垫；记忆绵

人生1/3的时间是在床上度过的，坐卧时,人体局部长期受压过大会引发褥疮、坐疮等疾病,每年用于该类疾病的治疗费用高达64亿美元[1]。国外流行病学研究表明：15%～35%的成人存在睡眠质量问题。影响睡眠质量的因素包括环境、心理、健康状况、作息规律等。国内外研究表明：床垫作为睡眠的平台，其类型及物理特性对睡眠质量有着重要的影响[2]。因此，研究床垫的人体压力分布从而制造更舒适的床垫势在必行。

对于人体压力分布测量技术，国外已经有了长达40年的研究历史,市场上也充满了各式各样的产品。按所用压力传感器类型来分,大致可分为电容式、压阻式、应变式等，其中应用最为普遍的应属压阻式和电容式压力测试系统。如今，国内外研究床垫上的人体压力分布主要有以下几个方面：防压疮、增强睡眠质量等。2009年，Ioannis K.Angelidis[3]对在持续施加压力的情况下随着组织温度升高导致压疮发病的概率的变化进行了实验研究，得出的结论为：随着组织温度的升高，皮肤会因为新陈代谢的增加导致贫血，由此皮肤也容易受到破坏，产生压疮。国内对传感器压力测试的研发还处于起步阶段,研究面也较窄,主要是研究足底压力测量，如中国科技大学的人体步态分析系统[4]、四川大学的基于FSR的可穿戴式足底压力检测系统等[5]。国内在防压疮方面的研究也进行了很长时间。陈春丽等[6]通过对患者使用不同床垫进行观察，得到了气垫比传统海绵床垫对防止压疮病发有着更加显著的效果的结论。南京林业大学多名研究人员[7]通过体压分布测试、脑电实验和主观评价取得了袋簧床垫的材料特性与床垫体压分布。

本研究针对成都某厂家新生产的一种3层材料(主要组成为记忆绵)的新型床垫进行压力分布测试。记忆绵(memory foam)即慢回弹海绵，是一种具有开放式单元结构(open-cell)的聚氨酯高分子聚合物。这种材料分子对温度很敏感，所以又称为温感记忆绵[8]。本研究的主要任务则是将记忆绵与其他2种床垫进行对比，检测其减小受力的效果。实验的过程是制作一张可移动式“床单”铺在3种不同的床垫上，采集人以不同姿势躺在上面，测量床垫所受压力以得到记忆绵床垫人体受力分布情况，对得出数据进行比较[9]。

1 构建FSR人体压力分布测试系统

1.1 FSR压力传感器

1.1.1 FSR压力传感器介绍

FSR(force sensing resistor)压力传感器具有质量轻、体积小、感测精度高等特点。其利用半导体材料受到应力作用时电阻率会发生明显变化的压阻效应，将被测量的压力转换为电量输出。当压力传感器感应面施加的压力增大时，其阻抗减小，从而取得压力数据。该传感器可用于机械手的末端夹持器感测夹持物品的有无、仿生机器人足下行走地面感测、哺乳类动物咬力测试生物实验等，应用范围极其广泛。

本次实验使用的FSR传感器是由艾动科技提供的FSR IM-S1-C40压敏传感器(如图1所示)，传感器的参数：传感器有效区域为直径40 mm的圆形区域；量程为50 g～20 kg；传感器尺寸为120 mm×5 mm；引线宽度为120 mm；材质为PET。

图1 FSR IM-S1-C40压敏传感器

1.1.2 FSR传感器的标定

表1 传感器标定数据

图2 FSR标定曲线

1.2 UCAM-60B-AC数据采集分析系统

采用2套UCAM-60B-AC数据采集分析系统进行传感器信号测试及分析(图2)。该系统是一种静态采集器，参数如下：

1) 最小分辨率：0.1×10-6应变量。

2) 最高精度：±(表示值的0.05%+0.3)×10-6应变量。

3) 最大测量范围：±500 000×10-6应变量。

4) 工作环境：温度0～50 ℃，湿度20%～85%。

5) 输入信号为应变传感器信号，可进行相应的应变、电压、温度、重力的测量，可以对应120、240、350 Ω的阻值，可以1/4桥、半桥和全桥连接。

6) 扫描速度：50 ms/通道，自动扫描。

7) 外接采集扫描箱：50通道。

1.3 实验电路

根据传感器特征和UCAM采集系统，为本次试验设计如下测试系统(模拟电路见图4)。

经过计算，采用UCAM输出2 V标准直流电压，并采用如图5所示电路进行电压采集。

图3 2组UCAM-60B-AC数据采集分析系统

图4 模拟电路

图5 传感器电路设计

图5中：FSR代表FSR传感器；V+与V-为对传感器供给电压正负两端；Vout+与Vout-为采集电压正负两端；R1为12 kΩ标准电阻；R2为180 Ω标准电阻。

(1)

图6 传感器电路-载荷曲线

2 FSR人体压力分布测试实验数据采集

2.1 零点值与真实测量值

2.1.1 零点值的确定

由于应变片胶层有气泡或杂质、应变片本身性能不稳定、电路中有虚焊点、弹性体的应力释放不完全等原因都会导致传感器的零点值发生偏移，所以为了选定零点值，取2组仪器空载时的零值的平均值作为真实的零点值，以降低零点误差。

(2)

2.1.2 真实测量值

真实测量值与实际测量值之间同样存在误差。多次测量可以有效地减小偶然误差，所以本次实验的真实测量值定为2次实际测量值的平均值，再减去真实零点值。

(3)

2.2 实验步骤

第1步摆放记忆绵床垫，将分布传感器平铺在床垫上接通仪器电源，调通各通道。

第2步预测试2组数据，测试传感器零点示值。

第3步人体仰卧于分布传感器中间部位，等待1 min，采集各通道数据，采集2次，每次采集间隔0.5 min。

第4步卸载，人体离开床垫，等待2 min，测试2组回零示值。

第5步测试2组零点示值，人体侧卧加载，等待1 min，采集各通道数据，采集2次，每次采集间隔0.5 min。

第6步卸载，人体离开床垫，等待2 min，测试2组回零示值。

第7步测试2组零点示值，人体仰卧加载，等待1 min，采集各通道数据，采集2次，在外侧再加载1个人，采集2次，每次采集间隔0.5 min。

第8步卸载，人体离开床垫，等待2 min，测试2组回零示值。

对于棕垫床垫与乳胶床垫的实验，为了方便对比，实验步骤与慢回弹床垫完全相同，在此不再进行赘述。

3 数据后处理

3.1 床垫载荷分布图

移动式“床单”上13×9个FSR压力传感器为均匀分布。为了方便制作受力图，将其转换成一个平面二维直角坐标系。因其间距相等，所以二维直角坐标系如图7所示。

图7 FSR传感器的二维直角坐标分布

由此，只需读出数据采集器对应通道与坐标的关系便可通过可视化处理制作出床垫的载荷分布图。以记忆绵床垫仰卧数据(图8)为例说明数据处理方法。将每个通道所代表的传感器的分布位置对应在相应的坐标上。用前后2次采集的实验数据平均值作为采集力值，以初始测试与回零值平均值作为零点，以采集力值与零点值之差作为实验力值。实验数据表明：初始测试值与回零值在零附近，是否减去回零值对实验数据影响不大，但为了实验严谨性，还是减去回零值。通过采集，获取各个分布点的单点力值。同理可以得出记忆绵床垫侧卧的载荷分布图以及棕垫床垫与乳胶床垫的载荷分布图。

3.2 床垫压力分布云图

通过对FSR传感器点的数据测量可以获得床垫的载荷分布图，然而床垫之上还有许多传感器无法测量的点，对于这些点，采用Matlab对其进行插值即可得到较为理想的连续的压力云图。

采用该方法得到的记忆绵床垫压力云图、乳胶床垫压力云图和棕垫床垫压力云图，对比情况如表2所示。图9为压力分布云图的说明。

图8 记忆绵床垫仰卧状态载荷分布

记忆棉床垫乳胶床垫棕垫床垫仰卧方式加载三维云图仰卧方式加载二维云图侧卧方式加载三维云图侧卧方式加载二维云图

图9 记忆绵床垫仰卧方式加载二维云图说明

3.3 抗干扰性试验

对抗干扰性试验，先在分布传感器上加载1人，测试数据，再在床垫一侧加载1人，测试数据。

记忆绵床垫，乳胶床垫、棕垫床垫1人加载在床垫上的二维云图与附加1人于床垫一侧的二维云图比较如表3所示。

表3 3种床垫抗干扰实验云图对比

4 结论

通过对3种不同床垫的压力分布测试可以得到其最大压强值以及各测点的压强分布的离差系数，如表4所示。

由表4可见：记忆绵床垫仰卧时的最大压强明显小于棕垫床垫，与乳胶床垫接近；侧卧时的最大压强约为棕垫床垫的61%，约为乳胶床垫的55%。在仰卧和侧卧时，记忆绵床垫的压强分布离差系数都要明显小于棕垫和乳胶床垫，说明记忆绵床垫的压力分布更加均匀。

通过比较3种床垫在仰卧状态和侧卧状态下的载荷分布，得出记忆绵床垫有比乳胶床垫和棕垫床垫更多的受力点，除肩部和臀部这2个主要受力部位以外，还有身体其他部位受力，分担压力，从而使整个身体受力相对更加均衡。

表4 最大压强值及其各测点数据离差系数

通过对比3种床垫的抗干扰性实验的压力云图可以得知：记忆绵床垫的抗干扰性优于乳胶床垫和棕垫床垫。

[1] 庄燕子，蔡萍，周志锋，等.人体压力分布测量及其传感技术[J].传感技术学报，2005，6(2)：313-317.

[2] 孙燕.多种类型弹簧结构床垫的体压分布特性及个性化设计研究[D].南京：南京林业大学，2012，6.

[3] IOANNIS K，ANGELIDIS，DIS LIDMAN,et al.Decubitus ulcer development:pressure alone increases tissue temperature[J].Eur Plast Surg，2009，32:241-244.

[4] 韦启航，陆文莲，傅祖芸，等.人体步态分析系统足底压力测量系统的研制[J].中国生物医学工程学报，2000，19(1)：32-40.

[5] 邓翔，佃松宜，翁桃.基于FSR的可穿戴式足底压力检测系统[J].传感器与微系统，2013，32(2)：81-86.

[6] 陈春丽，曾柳芳.GS1波动式防治褥疮床垫在预防褥疮中的应用[J].齐齐哈尔医学院学报，2001,22(11)：1315.

[7] 朱玉锭.袋簧床垫的材料特性与床垫体压分布的关系研究[D].南京：南京林业大学，2009.

[8] 杨忠敏.聚氨酯软泡产业的发展前景乐观[J].聚氨酯，2013(9)：38-43.

[9] 张玉杰，魏召侠.PVDF足底压力传感器及其测量系统的设计[J].压电与声光，2011(1):61-63.

(责任编辑林 芳)

TechnologyDevelopmentofHumanBodyPressureDistributionMeasurementBasedonFSR

LI Yanda， DAI Chengdong， GUO Binbin， FAN Chenguang

(School of Mechanics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

The FSR pressure sensor system is used to measure the pressure on memory foam mattress, latex mattress and palm mattress, just as a mobile FSR “sheet”. A multi-point distribution measure system combined with the FSR system and UCAM multi-static test system, test the distributions of pressure for these three mattresses measured by lying supinely or laterally. Using cubic spline interpolation, the test results are visualizedby Matlab. The two-dimensional, three-dimensional pressure cloud map of the cases above-mentioned are respectively compared with each other. Experimental results show that, the maximum pressure of memory foam mattress is the smallest of the three ones, and it also has the most uniform pressure distribution. The anti-interfere ability of memory foam mattress is better than latex mattress and palm mattress.

FSR pressure sensor; human body pressure distribution; mattresses; memory foam

2017-06-09

国家自然科学基金资助项目(11302181)

李彦达(1994—)，男，硕士，主要从事力学研究，E-mail:kikoyang@live.cn。

李彦达，代成栋，郭斌斌，等.基于FSR的人体压力分布测试技术开发[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(10):78-83，113.

formatLI Yanda，DAI Chengdong，GUO Binbin，et al.Technology Development of Human Body Pressure Distribution Measurement Based on FSR[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(10):78-83，113.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.10.013

TP212

A

1674-8425(2017)10-0078-06