Motion Aware Clothing

Type: Semester thesis
Students: Hanna Plesko, Andreas Putzi

Die Erkennung von Körperbewegungen ist für viele Anwendungen im Wearable Computing Bereich von grosser Bedeutung (z.B. für Sportbekleidung, medizinische Bekleidung). Die einfache Analyse von Atmung (Brustkorb-Umfangserweiterung), falscher Haltung (krummer Rücken) sowie bestimmten Aktivitäten (z.B. Gehen, Gymnastik) öffnet der Medizin neue Möglichkeiten der Diagnose von Krankheiten. Da die tragbaren, in Kleidung integrierten Geräte ständig getragen werden können, ist eine Beobachtung über längere Zeit, auch im Alltag, möglich. Das bedingt, dass die Messeinheit für den Träger keine Behinderung darstellt.

Die Integration in Kleidung erfordert eine hohe Widerstandsfähigkeit des eingesetzten Materials, damit die Funktion auch nach längerem Gebrauch unter widrigen Bedingungen (Belastung, Feuchtigkeit) einwandfrei erbracht werden kann. Darum wird auf möglichst einfache Implementierung und zuverlässige Materialien gesetzt.

Ziel dieser Arbeit war es, einen Dehnungssensor auf induktiver Basis zu entwickeln, der in der Lage ist, die Bewegung des Armes zu detektieren. Eine in einen gestrickten Schlauch eingearbeitete Spule, die ihre Induktivität in Abhängigkeit der Dehnung ändert, soll eingesetzt werden, um an einem Prototypen die Bewegungserkennung zu demonstrieren. Dazu soll die Spule mit einem geeigneten Modell abgebildet werden und die zugehörige Auswerte-Elektronik mit Interface zu einem PC entwickelt und implementiert werden. Die Software soll neben Ansteuerung bereits grundlegende Bewegungsmuster (siehe oben) erkennen können. Aus Zeit- und Komplexitätsgründen beschränkt sich diese Detektierung auf eine einfache Armbeugung

Das Gerät, das einen Bewegungssensor darstellt, besteht im Wesentlichen aus einer Armstulpe in die ein dehnbarer Draht genäht wurde, so dass dieser eine Spule formt. Bei der Beugung des Armes ändert sich nun die Induktivität dieser Spule. Zudem wurde eine Auswerteelektronik mit einem Interface zu einem Computer entwickelt.

Zur Induktivitätsmessung wird ein Widerstand in Serie zur Spule geschaltet und das ganze an eine Wechselspannungsquelle geschlossen. Die spitzenwert-gleichgerichtete Spannung über diesem Messwiderstand wird dann über einen AD-Wandler an den MSP430 gelegt und dort analysiert.

Da sich die für die Arbeit vorgesehene Spule aus einem um einen Gummifaden gewickelten dünnen Draht als unbrauchbar herausstellte, weil sie zu viele Laufmaschen enthielt, musste nach Alternativen gesucht werden, wobei an der Verwendung des Fadens festgehalten werden sollte.

Die erste Idee, eine in eine Armstulpe eingenähten Spule aus diesem Faden zeigt leider den Nachteil, dass sich aufgrund mehrerer Nichtidealitäten wie Verschiebung des Strumpfes nicht jedem Winkel eindeutig einer Induktivität zuordnen lässt und somit eine Bewegungsanalyse nur beschränkt möglich ist, da nur eine relative Winkeländerung, nicht aber eine absolute Winkelangabe möglich ist.

Um dieses Problem zu umgehen, wurde auch ein Modell mit zwei Spulen und ein Modell mit zwei Röhren überprüft. Allerdings stellte sich die erste Variante aufgrund des Tragkomforts und der grösseren Induktivitätsänderung als den anderen überlegen heraus.

Für die Auswertung wird der gemessene Induktivitätswert mit gespeicherten Referenzwerten verglichen. Bei einer Über- oder Unterschreitung derselben wird der Patient mittels einer Leuchtdiode auf den Fehler in der Bewegung hingewiesen.

Das Ziel einer nachträglichen Bewegungsanalyse, was zum Beispiel im Sport von Bedeutung wäre, konnte mit unserem Prototypen leider nicht verwirklicht werden. Dennoch kann mit dem Sensor ein Bewegungsablauf kontrolliert und somit auch vom Patienten korrigiert werden. So bietet unser Prototyp eine stabile Basis für eine Weiterentwicklung.