Designing and evaluating knitted strain sensors for measuring joint motion
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Biosensing and Bioelectronics
Mcode
ELEC3045
Degree programme
LST - Master's Programme in Life Science Technologies (TS2013)
Language
en
Pages
59
Series
Abstract
The upsurge of the smart clothing field has resulted in clothes being considered a solution for various applications in sports, entertainment, and health care. Smart garments can transmit data through embedded sensors and offer ad-vantages such as wearability, comfort, larger sensing area, and patient ac-ceptance. Incorporating textile-based knitted strain sensors is proposed as a primary method for motion tracking for smart garments in health care, particu-larly for monitoring daily patient activities or assisting in movement rehabilita-tion. However, due to the field's novelty, a consensus has not been reached re-garding the best methods, materials, and knitting parameters for motion-tracking applications. Some materials and methods explored may not be afford-able, readily available, or suitable for everyday use. For example, many studies use silver-based yarns, which can lead to corrosion and cost issues. To address these issues, this thesis aims to evaluate how the design of knitted strain sensors affects sensor performance and which knitting parameters would perform better in joint motion measurements. The goal was to propose a sleeve design for tracking joint motion. The evaluation assessed sensor properties like value drift, gauge factor, and hysteresis. The samples were created with a Silver Reed sk840 knitting machine. TA.XTplusC texture analyzer, Braccio robot arm, and an Arduino-Python circuit setup were used to conduct the experiments. The results indicate that the best-performing knitted strain sensors used denser stitch size, at least 30 rows, plain weft pattern over double-ribbed structure, and a wale-oriented primary stress direction. While the stainless steel blended mate-rial recognized incremental motion and stretching to some extent, the value drift and deformation issues made it unsuitable for applications where move-ment can cause the material to deform quickly. The applicability of polymerized carbon-based yarn was explored and found to show potential for joint move-ment applications. Preliminary sleeves with this material were manufactured, and the new material is suggested to be used with the previous parameter find-ings for future studies.Älyvaatteita on viime vuosikymmenellä harkittu ratkaisuksi moniin eri käyttö-tarkoituksiin. Älykkäät vaatteet välittävät informaatiota sisäänrakennettujen antureiden kautta, ja niiden etuja ovat muun muassa puettavuus, käyttömuka-vuus, laaja aistinalue sekä potilasmyönteisyys. Yksi potentiaalinen käyttökohde älyvaatteille on liikkeenseuranta terveydenhuollossa, missä vaatteet voisivat erityisesti avustaa potilaan päivittäisen toiminnan seurannassa tai liikekuntou-tuksen avustamisessa. Koska älyvaatteet ovat kohtalaisen uusi ala, ei alalla ole päästy yksimielisyyteen parhaista menetelmistä, materiaaleista ja tekstiilipara-metreista liikkeenseurantasovelluksiin. Jotkut tutkimuksissa käytetyistä materi-aaleista ja menetelmistä eivät välttämättä ole edullisia, helposti saatavilla tai päivittäiseen käyttöön sopivia. Monissa tutkimuksissa käytetään esimerkiksi hopeapohjaisia lankoja, jotka voivat johtaa korroosio-ongelmiin ja korkeisiin tuotantokustannuksiin. Ratkaisun kehittämiseksi tässä diplomityössä pyrittiin arvioimaan, kuinka ruos-tumaton teräs -pohjaisesta langasta valmistettujen neulottujen venymäanturien suunnittelu vaikuttaa anturin suorituskykyyn ja mitkä neulontaparametrien arvot toimivat parhaiten nivelten liikemittauksissa. Tavoitteena oli muodostaa ehdotus hihasta, jota voitaisiin käyttää nivelten liikkeiden seuraamiseen. Antu-reiden ominaisuuksia arvioitiin muun muassa arvojen poikkeaman, visuaalisen observaation, ja hystereesin avulla. Näytteet luotiin Silver Reed sk840 -neulekoneella ja kokeiden suorittamiseen käytettiin TA.XTplusC-tekstuurianalysaattoria, Braccio-robottivartta sekä Arduino-Python-piirikokoonpanoa. Työn tulokset osoittavat, että parhaiten toimivat neulotut jännitysanturit käytti-vät tiheämpää ommelkokoa, vähintään 30 rivin pituutta, sileää kudekuviota kaksoisribbirakenteen sijasta sekä pystysuoraa venytyssuuntaa. Vaikka ruostu-matonta terästä sisältävä materiaali tunnisti inkrementaalisesti kasvavaa liiket-tä ja venymistä jossain määrin, antureiden arvojen ajautuminen neuloksen vä-syessä teki siitä sopimattoman sovelluksiin, joissa liikkuminen väsyttää materi-aalia nopeasti. Polymeroidun hiilipohjaisen langan soveltuvuutta tutkittiin, ja se havaittiin potentiaaliseksi ratkaisuksi nivelten liikkeentunnistustarkoitukseen. Tästä materiaalista valmistettiin alustavat hihat, ja uutta materiaalia ehdote-taan käytettäväksi aiempien parametrilöydösten kanssa tulevia tutkimuksia var-ten.Description
Supervisor
Xiao, YuThesis advisor
Gowrishankar, RamyahKeywords
knitted sensor, motion tracking, strain sensor, smart clothing