TWI719381B - 動作感測裝置及具有動作感測裝置的智慧型服飾 - Google Patents

Abstract

一種動作感測裝置，包括彈性膜、第一應變感測器、第二應變感測器以及第三應變感測器。彈性膜具有彈性及防水性，並包括彈性膜本體以及自彈性膜本體分別沿著第一方向、第二方向及第三方向向外延伸的第一延伸部、第二延伸部及第三延伸部，其中第二方向與第三方向之間的夾角為銳角。第一應變感測器配置在第一延伸部上，以量測第一方向上的應變量。第二應變感測器配置在第二延伸部上，以量測第二方向上的應變量。第三應變感測器配置在第三延伸部上，以量測第三方向上的應變量。

Description

動作感測裝置及具有動作感測裝置的智慧 型服飾

本發明是有關於一種動作感測裝置及具有動作感測裝置的智慧型服飾。

近年來，隨著穿戴式裝置的發展，許多電子裝置已經被設計成可以配戴的樣式，例如智慧型手錶、穿戴式計步器、智慧型手環等。再者，搭配現今智慧型產品的盛行風潮，這些穿戴式電子裝置也已成為消費性市場的主流商品。另一方面，由於這些穿戴式電子裝置於消費性市場造成巨大迴響，結合電子裝置與穿著服飾的產品也陸續問世。在這些結合電子裝置與穿著服飾的產品中，配合電子裝置，可由電性訊號記錄穿戴者的動作或姿勢，並發揮出更多的功能，因此，以織物為主體的機能性電子產品的發展性備受看好。

本發明的一實施方式提供一種動作感測裝置，包括彈性膜、第一應變感測器、第二應變感測器以及第三應變感 測器。彈性膜具有彈性及防水性，並包括彈性膜本體以及自彈性膜本體分別沿著第一方向、第二方向及第三方向向外延伸的第一延伸部、第二延伸部及第三延伸部，其中第二方向與第三方向之間的夾角為銳角。第一應變感測器配置在第一延伸部上，以量測第一方向上的應變量。第二應變感測器配置在第二延伸部上，以量測第二方向上的應變量。第三應變感測器配置在第三延伸部上，以量測第三方向上的應變量。

於部分實施方式中，第一應變感測器、第二應變感測器及第三應變感測器各自包括導電銀層及導電碳層，且導電碳層及導電銀層由彈性膜依序往上排列。

於部分實施方式中，動作感測裝置更包括導電線路。導電線路配置在彈性膜本體及第一延伸部上，其中導電線路具有導電接點，導電接點配置在第一延伸部相對於彈性膜本體的末端。

於部分實施方式中，第一應變感測器、第二應變感測器及第三應變感測器各自具有與導電線路連接的接地端，接地端位在彈性膜本體上。

於部分實施方式中，第一延伸部的寬度大於第二延伸部的寬度及第三延伸部的寬度。

於部分實施方式中，第二方向與第三方向之間的夾角為50~70度，而第一方向與第三方向之間的夾角與第一方向與第二方向之間的夾角相同。

於部分實施方式中，動作感測裝置更包括多個第四應變感測器，自彈性膜本體向外延伸，且述第二應變感測 器、第三應變感測器與第四應變感測器配置以呈線對稱分佈。

本發明的一實施方式提供一種智慧型服飾，包括服飾本體、動作感測裝置以及控制器。動作感測裝置配置在服飾本體上，其中第一延伸部覆蓋服飾本體的肩線，第二延伸部覆蓋服飾本體的前肩區塊，第三延伸部覆蓋服飾本體的後肩區塊。控制器電性連接第一應變感測器、第二應變感測器及第三應變感測器。

於部分實施方式中，控制器包含發射器，用以將第一應變感測器、第二應變感測器及第三應變感測器的感測結果以無線通訊的方式輸出。

於部分實施方式中，動作感測裝置更包括對位圖案。對位圖案位在彈性膜本體的中心點，且對位圖案與服飾本體的旋轉肌區塊重疊。

100、300‧‧‧動作感測裝置

108‧‧‧對位圖案

110‧‧‧彈性膜

112‧‧‧彈性膜本體

114‧‧‧第一延伸部

116‧‧‧第二延伸部

118‧‧‧第三延伸部

119A、119B、119C、119D‧‧‧第四延伸部

120‧‧‧第一應變感測器

122‧‧‧導電碳層

124‧‧‧導電銀層

126‧‧‧矩形圖案

130‧‧‧第二應變感測器

140‧‧‧第三應變感測器

150‧‧‧導電線路

152‧‧‧導電接點

160A、160B、160C、160D‧‧‧第四應變感測器

200‧‧‧智慧型服飾

210‧‧‧服飾本體

220‧‧‧控制器

230‧‧‧導線

240‧‧‧右肩

A1‧‧‧肩線區塊

A2‧‧‧前肩區塊

A3‧‧‧後肩區塊

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

N1、N2、N3‧‧‧接地端

R1、R2、R3、R4‧‧‧範圍

SR‧‧‧右肩區塊

SL‧‧‧左肩區塊

W1、W2、W3‧‧‧寬度

θ₂₃、θ₁₃、θ₁₂‧‧‧夾角

第1圖依據本揭露內容的第一實施方式繪示動作感測裝置的上視示意圖。

第2圖繪示第1圖的第一應變感測器的立體分解圖。

第3圖繪示將第1圖的動作感測裝置應用於智慧型服飾的正視示意圖。

第4圖繪示第3圖的智慧型服飾的後視示意圖。

第5A圖、第5B圖及第5C圖分別為肩膀的三維運動的動作示意圖。

第6圖依據本揭露內容的第二實施方式繪示動作感測裝置的上視示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

本揭露內容的動作感測裝置可包括多個應變感測器，以量測出不同方向上的應變量。多個應變感測器例如是Y字形，其中兩個應變感測器的延伸方向的夾角例如是銳角，故動作感測裝置可適於感測肩膀的三維運動，並根據應變量判斷出肩膀的運動狀況。如此的動作感測裝置可在與服飾本體結合後，應用成為智慧型服飾。

請先看到第1圖，第1圖依據本揭露內容的第一實施方式繪示動作感測裝置100的上視示意圖。動作感測裝置100包括彈性膜110、第一應變感測器120、第二應變感測器130、第三應變感測器140及導電線路150。

彈性膜110具有彈性及防水性，其材料例如可以是聚氨酯(TPU)，並包括彈性膜本體112、第一延伸部114、第二延伸部116及第三延伸部118。彈性膜本體112可以是圓形，而第一延伸部114、第二延伸部116及第三延伸部118自彈 性膜本體112分別沿著第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3向外延伸。如第1圖所示，第二方向D2與第三方向D3之間的夾角θ₂₃為銳角，例如是50~70度。此外，第一方向D1與第三方向D3之間的夾角θ₁₃可與第一方向D1與第二方向D2之間的夾角θ₁₂相同或相異。進一步來說，當夾角θ₁₃與夾角θ₁₂相同時，第一延伸部114、第二延伸部116及第三延伸部118可呈線對稱，即彈性膜110的上半部與下半部會是一組鏡射圖案。反之，當夾角θ₁₃與夾角θ₁₂相異時，第一延伸部114、第二延伸部116及第三延伸部118不會呈線對稱。

第一應變感測器120、第二應變感測器130以及第三應變感測器140為長條狀，並分別配置在彈性膜110的第一延伸部114、第二延伸部116及第三延伸部118上。具體來說，第一應變感測器120可自彈性膜本體112沿著第一方向D1延伸至第一延伸部114；第二應變感測器130可自彈性膜本體112沿著第二方向D2延伸至第二延伸部116；以及，第三應變感測器140可自彈性膜本體112沿著第三方向D3延伸至第三延伸部118，以使第一應變感測器120、第二應變感測器130以及第三應變感測器140可分別量測第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3上的應變量。此外，第二應變感測器130與第三應變感測器140相對第一應變感測器120可為一組鏡射圖案，以利於提升對量測應變量的均勻性。

以下將僅對第一應變感測器120進行說明，且第一應變感測器120的結構可相似甚至相同於第二應變感測器130以及第三應變感測器140，因此以下關於第一應變感測器 120的說明可對應至其他應變感測器。

請看到第2圖，第2圖繪示第1圖的第一應變感測器120的立體分解圖。第一應變感測器120可包括導電碳層122及導電銀層124，其中導電碳層122及導電銀層124可由第1圖的彈性膜110依序往上排列。具體來說，導電碳層122及導電銀層124可採印刷方式形成在第1圖的彈性膜110上。由於導電碳層122對於彈性膜110的附著力大於導電銀層124對於彈性膜110的附著力，故在導電銀層124形成前先印刷導電碳層122，可防止導電銀層124脫落。而將導電銀層124形成在導電碳層122上可提升第一應變感測器120的導電性，從而提升其對應變量的感測精度。此外，導電碳層122可為長條形圖案，而導電銀層124可為多個彼此分離的矩形圖案126，如此配置可使導電銀層124能抵抗拉伸，從而防止第一應變感測器120的導電結構發生斷路。

請再回到第1圖。導電線路150配置在彈性膜本體112及第一延伸部114上。具體來說，導電線路150可自彈性膜本體112延伸至第一延伸部114相對於彈性膜本體112的末端。導電線路150可透過將導電銀漿印刷在彈性膜110上形成，或者導電線路150也可以是金屬導線，例如銀線或銅線。導電線路150具有導電接點152，且導電接點152配置在第一延伸部114相對於彈性膜本體112的末端。

導電線路150可用來提供各應變感測器參考電壓。舉例來說，第一應變感測器120、第二應變感測器130以及第三應變感測器140各自可具有接地端N1、N2、N3，其中 接地端N1、N2、N3位在彈性膜本體112上並連接導電線路150，以藉此電性連接導電接點152。因此，可自導電接點152提供同一參考電壓予第一應變感測器120、第二應變感測器130以及第三應變感測器140。此外，導電線路150可為波浪狀，以利導電線路150具有較佳的穩定性，並可藉此降低因拉伸致使斷路的機率。

透過上述配置，由於第一應變感測器120、第二應變感測器130以及第三應變感測器140可用來量測第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3上的應變量，且其中第二方向D2與第三方向D3之間的夾角θ₂₃為銳角，故動作感測裝置100適合感測三維運動，像是肩膀的三維運動。

進一步來說，請同時看到第1圖、第3圖及第4圖，其中第3圖繪示將第1圖的動作感測裝置100應用於智慧型服飾200的正視示意圖，而第4圖繪示第3圖的智慧型服飾200的後視示意圖。如第3圖及第4圖所示，智慧型服飾200包括服飾本體210、一對動作感測裝置100、控制器220以及導線230。服飾本體210為上衣，其可依所包覆的位置而區分為不同區塊，例如右肩區塊SR以及左肩區塊SL，且右肩區塊SR可再區分為肩線區塊A1、前肩區塊A2及後肩區塊A3，而左肩區塊SL亦同。

動作感測裝置100配置在服飾本體210的右肩區塊SR以及左肩區塊SL上，其結構與前述相同。以下將僅對右肩區塊SR上的動作感測裝置100進行說明，而對於右肩區塊SR上的動作感測裝置100的說明可對應至左肩區塊SL上的動 作感測裝置100。

動作感測裝置100的各延伸部及各應變感測器可覆蓋在服飾本體210的右肩區塊SR上的不同位置。第一延伸部114及其上的第一應變感測器120可覆蓋右肩區塊SR的肩線區塊A1；第二延伸部116及其上的第二應變感測器130可覆蓋右肩區塊SR的前肩區塊A2；以及，第三延伸部118及其上的第三應變感測器140可覆蓋右肩區塊SR的後肩區塊A3。

控制器220及導線230配置在服飾本體210上，其中控制器220可透過導線230電性連接第一應變感測器120、第二應變感測器130及第三應變感測器140。具體而言，每一個應變感測器的相對兩端會是分別連接導電線路150及導線230(即接地端N1、N2、N3為連接導電線路150，而與接地端N1、N2、N3相對之一端則是連接導線230)。控制器220也可透過導線230電性連接導電接點152。因此，控制器220可提供提供第一應變感測器120、第二應變感測器130及第三應變感測器140輸入電壓及參考電壓。如此一來，動作感測裝置100的各應變感測器的感測結果可由控制器220接收及解析，即控制器220可依據各應變感測器的電阻變化來得知應變量。此外，控制器220可包含發射器(未繪示)，其可由控制器220之軟體、硬體、韌體或其組合實現，發射器可用以將各應變感測器的感測結果以無線通訊的方式輸出至外部裝置，以使外部裝置可同步接收到各應變感測器的感測結果。

藉由以上配置，當使用者穿著智慧型服飾200時，動作感測裝置100可藉由各方向所量測到的應變量，解析 出使用者肩膀的三維運動。以第5A圖、第5B圖及第5C圖為例，其分別為肩膀的三維運動的動作示意圖。

第5A圖所繪的動作可視為「右肩進行前舉」，其中前舉動作是在範圍R1內進行。當使用者穿著第3圖的智慧型服飾200，並以右肩240進行前舉時，第二應變感測器130可量測到壓縮力致使的形變量，而第三應變感測器140則可量測到張力致使的形變量，並且再以第一應變感測器120所量測到的形變量做為修正判斷結果的依據，即可判斷出使用者的前舉動作。另一方面，在使用者於範圍R1內做出不同程度的前舉動作(即與使用者正前方夾不同角度的前舉動作)時，可依據各應變器量測到的形變量，判斷使用者的前舉動作的程度，使得使用者的前舉動作可以被量化。

第5B圖所繪的動作可視為「右肩進行平舉/上舉」，其中平舉動作是在範圍R2內進行，而上舉動作是在範圍R3內進行。當使用者穿著第3圖的智慧型服飾200，並以右肩240進行平舉/上舉時，第二應變感測器130可量測到壓縮力致使的形變量，而第三應變感測器140則可量測到張力致使的形變量，並且再以第一應變感測器120所量測到的形變量做為修正判斷結果的依據，即可判斷出使用者的平舉/上舉動作。同樣地，在使用者於範圍R2/範圍R3內做出不同程度的平舉/上舉動作時，可依據各應變器量測到的形變量，判斷使用者的平舉/上舉動作的程度，使得使用者的平舉/上舉動作可以被量化。

第5C圖所繪的動作可視為「右肩進行側舉」，其 中側舉動作是在範圍R4內進行。當使用者穿著第3圖的智慧型服飾200，並以右肩240進行側舉時，第一應變感測器120可量測到壓縮力致使的形變量，而第二應變感測器130及第三應變感測器140則可量測到壓縮力或張力致使的形變量，因此即可判斷出使用者的側舉動作。同樣地，在使用者於範圍R4內做出不同程度的側舉動作時，可依據各應變器量測到的形變量，判斷使用者的側舉動作的程度，使得使用者的側舉動作可以被量化。

本揭露內容的動作感測裝置100不以量化上述動作為限，於其他實施方式中，可依據各應變器量測到的形變量做為修正依據，以判斷及量化肩膀的其他三維運動。

請再回到第1圖、第3圖及第4圖。在前述的配置下，可將第一延伸部114的寬度W1設計為大於第二延伸部116的寬度W2及第三延伸部118的寬度W3。對於覆蓋在肩線上的第一延伸部114而言，由於在肩膀的三維運動中，肩線相較前肩及後肩的伸展幅度會較小，故第一延伸部114可適合設計成相較第二延伸部116及第三延伸部118為較寬，從而可提供配置空間來放置元件，像是放置導電線路150及導電接點152。

除此之外，動作感測裝置100可更包括對位圖案108。對位圖案108位在彈性膜本體112的中心點，且對位圖案108與服飾本體210的旋轉肌區塊(圖中未標記，其位在肩線區塊A1、前肩區塊A2與後肩區塊A3之間的交界處)重疊，從而便於進行對位。例如當動作感測裝置100有更換需求時，新更換上去的動作感測裝置100可藉由對位圖案108來對服飾本體 210的旋轉肌區塊進行對位，以使動作感測裝置100的各延伸部能覆蓋在服飾本體210的對應位置上。另外，動作感測裝置100可更包含保護膜(未繪示)，覆蓋在彈性膜110上，以與彈性膜110共同將第一應變感測器120、第二應變感測器130、第三應變感測器140及導電線路150包覆於其中。

請再看到第6圖，第6圖依據本揭露內容的第二實施方式繪示動作感測裝置300的上視示意圖。本實施方式與第一實施方式的差異點在於：本實施方式的動作感測裝置300更括多個第四應變感測器160A、160B、160C、160D，且彈性膜110也更包括多個第四延伸部119A、119B、119C、119D。

彈性膜110的第四延伸部119A-119D可自彈性膜本體112向外延伸，且第四延伸部119A-119D為配置以線對稱分佈。具體來說，第四延伸部119A及119C的圖案與第四延伸部119B及119D的圖案可為一組上下鏡射的圖案。

第四應變感測器160A-160D為長條狀，並自彈性膜本體112分別向外延伸至第四延伸部119A-119D上，且第二應變感測器130、第三應變感測器140與第四應變感測器160A-160D配置以呈線對稱分佈。具體來說，第二應變感測器130與第四應變感測器160B及160D的圖案、以及第三應變感測器140與第四應變感測器160A及160C的圖案呈現為一組上下鏡射的圖案。第四應變感測器160A-160D可視為附加的應變感測器，以量測在第一方向D1、第二方向D2以及第三方向D3上以外的應變量，從而提升動作感測裝置300的感測精度。

綜合上述，本揭露內容的動作感測裝置包括彈性膜、第一應變感測器、第二應變感測器以及第三應變感測器。彈性膜包括沿著第一方向、第二方向及第三方向延伸的第一延伸部、第二延伸部及第三延伸部，而第一應變感測器、第二應變感測器以及第三應變感測器分別配置在第一延伸部、第二延伸部及第三延伸部上，以量測各方向上的應變量。在第二方向與第三方向之間的夾角為銳角的情況下，動作感測裝置適合感測肩膀的三維運動。也就是說，可根據應變量判斷出肩膀的運動狀況。再者，由於是以應變量做為感測依據，故可進一步將肩膀的三維運動量化，從而得知肩膀的動作程度。

雖然本發明已以多種實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧動作感測裝置

108‧‧‧對位圖案

110‧‧‧彈性膜

112‧‧‧彈性膜本體

114‧‧‧第一延伸部

116‧‧‧第二延伸部

118‧‧‧第三延伸部

120‧‧‧第一應變感測器

130‧‧‧第二應變感測器

140‧‧‧第三應變感測器

150‧‧‧導電線路

152‧‧‧導電接點

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

D3‧‧‧第三方向

N1、N2、N3‧‧‧接地端

W1、W2、W3‧‧‧寬度

θ₂₃、θ₁₃、θ₁₂‧‧‧夾角

Claims (10)

1. 一種動作感測裝置，包括：彈性膜，具有彈性及防水性，並包括彈性膜本體以及自所述彈性膜本體分別沿著第一方向、第二方向及第三方向向外延伸的第一延伸部、第二延伸部及第三延伸部，其中所述第二方向與所述第三方向之間的夾角為銳角；第一應變感測器，配置在所述第一延伸部上，以量測所述第一方向上的應變量；第二應變感測器，配置在所述第二延伸部上，以量測所述第二方向上的應變量；以及第三應變感測器，配置在所述第三延伸部上，以量測所述第三方向上的應變量。
2. 如請求項1所述的動作感測裝置，其中所述第一應變感測器、所述第二應變感測器及所述第三應變感測器各自包括導電銀層及導電碳層，且所述導電碳層配置於所述彈性膜上，所述導電銀層配置於所述導電碳層上。
3. 如請求項1所述的動作感測裝置，更包括導電線路配置在所述彈性膜本體及所述第一延伸部上，其中所述導電線路具有導電接點配置在所述第一延伸部相對於所述彈性膜本體的末端。
4. 如請求項3所述的動作感測裝置，其中所述第 一應變感測器、所述第二應變感測器及所述第三應變感測器各自具有與所述導電線路連接的接地端位在所述彈性膜本體上。
5. 如請求項1所述的動作感測裝置，其中所述第一延伸部的寬度大於所述第二延伸部的寬度及所述第三延伸部的寬度。
6. 如請求項1所述的動作感測裝置，其中所述第二方向與所述第三方向之間的夾角為50~70度，而所述第一方向與所述第三方向之間的夾角與所述第一方向與所述第二方向之間的夾角相同。
7. 如請求項1所述的動作感測裝置，更包括多個第四應變感測器，自所述彈性膜本體向外延伸，且所述第二應變感測器、所述第三應變感測器與所述第四應變感測器配置以呈線對稱分佈。
8. 一種智慧型服飾，包括：服飾本體；如請求項1至7之任一項的動作感測裝置，配置在所述服飾本體上，其中所述第一延伸部覆蓋所述服飾本體的肩線，所述第二延伸部覆蓋所述服飾本體的前肩區塊，所述第三延伸部覆蓋所述服飾本體的後肩區塊；以及控制器，電性連接所述第一應變感測器、所述第二應變感 測器及所述第三應變感測器。
9. 如請求項8所述的智慧型服飾，其中所述控制器包含發射器，用以將所述第一應變感測器、所述第二應變感測器及所述第三應變感測器的感測結果以無線通訊的方式輸出。
10. 如請求項8所述的智慧型服飾，其中所述動作感測裝置更包括對位圖案，位在所述彈性膜本體的中心點，且所述對位圖案與所述服飾本體的旋轉肌區塊重疊。

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