基于纺织品的可穿戴平衡腰带

原创于 2025-10-17 00:44:08 发布 · 432 阅读

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#可穿戴设备 # 平衡腰带 # 触觉反馈 # 纺织品集成 # 惯性测量单元

基于纺织品的可穿戴平衡腰带的设计与实现

1 背景

老年患者以及因头晕或平衡障碍导致慢性损伤的患者跌倒风险高且治疗成本高昂，这凸显了对一种有效平衡假体的需求，即用于减轻前庭功能异常患者失衡和头晕症状的装置 [1]。这一需求促使人们研究两类主要的平衡假体：可植入和不可植入型。由于可植入设备存在手术风险，因此迫切需要进一步开发不可植入设备。研究表明，能够提供关于平衡的感官反馈的可穿戴设备在补偿前庭功能障碍方面是有效的[2]。

然而，为了使可穿戴设备在患者的日常生活中达到与可植入设备相当的效果，其设计必须适合长期使用：舒适、不显眼且外观美观。

我们此前开发了一款以腰带形式呈现的可穿戴平衡假体，该假体采用振动触觉反馈作为感官替代。该假体已显示出积极效果，能够降低重症患者的跌倒风险以及中度患者躯干摇摆的程度[2]。尽管该技术已被证明有效，但其形态仍需进一步改进。在当前作为临床设备的版本中，其舒适性和贴合度使其不适合普通消费者长期使用。本文介绍了开发一款柔软、低轮廓且符合消费级审美的消费者原型设备的过程。此外，我们还讨论了面向可制造性的开发方法。

2 方法

在设计我们可穿戴平衡带的消费级原型时，所采用的方法侧重于解决将必要硬件和布线集成到柔软织物腰带中的挑战。该可穿戴平衡带通过在腰部周围背部、腹部及侧位放置的四个触觉反馈器（EAI C‐2）提供振动触觉反馈来工作。一个包含三轴加速度计和陀螺仪的惯性测量单元（IMU）被置于背部腰部，用于感知身体位置和晃动。当检测到用户的身体位置超出可接受范围时，腰带将振动，提示用户进行自我纠正。

为了支持这一过程，腰带除了触觉反馈器和惯性测量单元外，还需要一个主印刷电路板（PCB）上的微处理器和电子元件、电池以及用户界面（包含两个开关），使用户能够重置腰带并打开或关闭电源。两块锂离子电池可支持10小时的使用时间。

为了便于维修和设备组装，硬件和布线必须是可拆卸的。

腰带硬件组件及其物理尺寸（每个方向的最大尺寸）如表1所示。

表1 设备硬件

组件	长度（英寸）	宽度（英寸）	高度（英寸）
主处理PCB	6.75	3.25	0.375
IMU	0.8	0.8	0.8
电池(×2)	2.75	2.5	0.3
触觉反馈器(×4)	1.125	1.125	0.375
用户界面	1.25	1.5	0.625

示意图0

我们的以用户为中心的设计要求包括：

平滑表面轮廓
符合人体工程学的部件布局，可最大限度地减少外部可见性且不影响活动性
可调节性，以适应8英寸范围内的腰围尺寸
柔软透气材料
美学设计符合运动型和功能性可穿戴产品

组件布局

我们的组件布局方法遵循了与Gemperle等人相似的流程[3]，综合考虑了身体可用空间以及我们各组件的尺寸。最大的组件（主处理PCB）采用刚性背板以增强耐用性，并放置在背部腰部，即身体最大平面区域的位置（图1）。电池组通过柔性织物接头进行分段，并放置在中央处理单元旁边，以尽量缩短所需布线长度并充分利用背部腰部空间。用户界面则置于腰带前中心左侧，便于操作。

织物层压与材料

该腰带设计包含一系列层结构——即层压结构。在设计层压结构时，需考虑两个关键变量：硬件保护（以及防止硬件的刚性边角对穿戴者造成不适）和实现平滑表面轮廓。此外，在材料选择上还需考虑用户舒适性，包括手感、触感和湿气管理。为了保护硬件并使设备组件表面几何更加平滑，采用三维针织间隔织物裁剪成相应形状进行分层填充，以填补组件表面的空隙，并对刚性组件提供缓冲。间隔织物经过特殊设计，具有较低的体密度和开放式针织结构，可提供缓冲性能和空气流通。

这些层被包裹在氨纶针织面料的外壳内，提供了延展性和舒适性。最后，应用了一层带有弹性包边的吸湿排汗莱卡针织面料作为表面层，以实现湿气管理并形成渐细边缘。示意图1 展示了整个纺织品层压结构。

组件和布线集成

通过机械稳定将组件附着到织物层压结构上，在缝制的口袋内。织物层之间的缝线形成了“口袋”空间，而莱卡针织内层设计的重叠部分可使组件及其保护间隔层被插入和取出。

对于触觉反馈器，为了确保在不同用户腰围尺寸范围内触觉致动器的准确定位，必须具备可调节性。此外，为了防止触觉致动器的运动被织物外壳阻尼，需要在间隔层与触觉致动器之间设置支撑隔离。触觉致动器被放置在间隔层的开口内，并通过钩环固定装置固定。吸湿外层上的弹性罗纹开口允许用户接触每个触觉致动器以进行调节（示意图2 ）。

为了实现布线的插入和移除，在莱卡内层通过在纺织结构的上边缘选择性地缝合重叠部分，创建了一个导线通道（示意图3 ）。

贴合性与美观性

为了适应更广泛的腰围尺寸，该腰带具有可延伸性和可调节性。尽管刚性组件不会拉伸，但其间的织物可实现4英寸的延伸。所有集成布线均采用弹性导体（iStretch，明尼苏达电线公司，明尼苏达州圣保罗市）。最后，腰带闭合装置采用定制扣具和可调节的钩环闭合装置（示意图4 ），可提供额外4英寸的可调节范围，使得每个腰带尺察能够有效适应8英寸范围内的腰部围度。

最后，整体设计的外观参考了运动装备和功能性可穿戴设备。在腰带背面集成了造型线条，为用户提供关于设备放置和方向的指引。

3 结果

示意图5 和展示了使用前述方法创建的平衡腰带的最终原型。

4 解读

与临床设备相比，最终产品提供了更贴近消费者的平衡腰带版本（）。组件被安置在完全由纺织品制成的柔软、透气结构中。当前的原型设计便于硬件组件的集成和拆卸，使得设备硬件和纺织支撑腰带可分开生产，并在生产的最后阶段进行整合。此外，可拆卸外层可清洗，便于维护。下一步包括增加附加尺寸以适应人群的极端体型，并通过用户测试评估腰带性能。