docDocument 471233
download 
Reklamacja Transkrypt
Document 471233
SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-85-7 © Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Krzysztof Gniotek, Iwona Frydrych 10. Systemy tekstroniczne w mechatronice 10.1. Geneza i zakres tekstroniki W latach 80-tych ubiegłego wieku zaczęto stosować nazwę „materiały inteligentne” do opisu właściwości znanych od dawna materiałów takich jak stopy z pamięcią kształtu, tworzywa termistorowe materiały magnetostrykcyjne czy ceramika piezoelektryczna [1]. Nazwa ta była początkowo krytykowana chociażby z powodu podobieństwa do pomiarowych „przetworników inteligentnych”, których możliwości są nieporównanie szersze a funkcje bardziej „inteligentne”. Sprawę terminologicznie unormowała propozycja Takagi [2], który zaproponował aby pod nazwą „intelligent material” rozumieć materiał zdolny do reagowania na bodźce zewnętrzne poprzez istotną zmianę swoich właściwości dla pożądanej i skutecznej odpowiedzi. Materiał taki łączy w sobie cechy czujnika, procesora i siłownika i stwarza możliwości realizacji sprzężeń zwrotnych; kiedy jednak posiada tylko część tych cech to powinien być określony nazwą „smart material”. Rys. 10.1. Włókna magnetyczne zawierające ferryt baru [3] Zapewne z tego powodu pierwsze inteligentne materiały włókiennicze nazywano „smart textiles”. Zostały one zdefiniowane około roku 2000 [4] i obejmują m.in. włókna, nitki i tkaniny elektroprzewodzące, włókna piezoelektryczne, włókna magnetyczne (Rys. 10.1), włókna optyczne i tekstylia z pamięcią kształtu (Shape Memory Materials – SMMs), polimery elektroaktywne, tekstylia przetworzone, tekstylia z pokryciami metalowymi 425 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE i z modyfikacjami powierzchni (plasmowe i UV) oraz tekstylia ze zmianą fazy (Phase Change Materials – PCMs). Ostatnio w języku polskim przyjęła się nazwa „tekstylia inteligentne”, chociaż spotyka się też określenia „wielofunkcyjne” czy „interaktywne”. Obszar ten jest obecnie intensywnie rozwijany także w Polsce. Zgodnie z informacją podaną przez Global Information, Inc. w Stanach Zjednoczonych wartość rynku tekstyliów inteligentnych stale rośnie i w 2012 roku osiągnie ok. 390 mln dolarów. Równolegle z rozwojem tekstyliów inteligentnych rozwijała się tzw. elektronika noszona (wearable electronics) obejmująca miniaturowe urządzenia elektroniczne przystosowane do łatwego umieszczania w odzieży. Są to zarówno telefony komórkowe, odtwarzacze, komputery „poma” (Rys. 10.2) jak i specjalistyczny sprzęt do pomiarów sportowych czy medycznych [5]. Rys. 10.2. Przykład elektroniki noszonej: komputer „poma” [6] Rozwój tekstyliów inteligentnych i elektroniki noszonej nasunęły pomysł wyodrębnienia nowego obszaru wiedzy, który obejmowałby te spośród tekstyliów inteligentnych, które zawierają elementy elektroniczne. Obszar ten nazwano, w 2003 roku, tekstroniką [7], [8]. Aby urządzenia elektroniczne umieszczone w nośniku włókienniczym mogły poprawnie i efektywnie funkcjonować należy je oprogramować tak, aby stanowiły niezależny i autonomiczny system. Tak więc tekstronika została zdefiniowana jako połączenie włókiennictwa, elektroniki i informatyki (Rys. 10.3). Obszary te należy uzupełnić elementami pomiarów, sterowania i fizjologii człowieka. Jednocześnie w opracowaniu [7] zwrócono uwagę na pewne wyjątkowe cechy tego obszaru. Stwierdzono, że tekstronika to nowy sposób projektowania i wytwarzania tekstyliów, a także nowy rodzaj kształcenia inżynierskiego polegający na rezygnacji z wąskich specjalizacji na rzecz szerokiej, uniwersalnej wiedzy, która może być wykorzystana w wielu dziedzinach naszego życia. Autorzy uważają, że inżynier wyposażony jedynie w wiedzę o technologiach włókienniczych ale nie znający możliwości współczesnej elektroniki, informatyki i automatyki ma niewielkie możliwości rozwoju zawodowego na obecnym rynku pracy. Już wkrótce 426 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE taki inżynier nie będzie w stanie zrozumieć działania inteligentnych wyrobów, nad których produkcją ma sprawować pieczę. Kształcenie inżyniera musi więc być wielokierunkowe. Rys. 10.3. Obszar tekstroniki [7] W artykule [7], w którym po raz pierwszy wprowadzono pojęcie tekstroniki, wyodrębniono szereg obszarów, których rozwinięcie znajdzie czytelnik w tym rozdziale. Zauważono także silne powinowactwo do mechatroniki choć systemy mechatroniczne różnią się od tekstronicznych. Te ostatnie dotyczą najczęściej, choć nie zawsze, człowieka i są wykorzystywane np. do monitoringu jego stanu zdrowia. Połączenie elementów włókienniczych z elektronicznymi i informatycznymi tworzy empiryczny system relacyjny ze wszystkimi jego cechami [9]. Wykazuje więc systemowość, holizm i relatywizm a także hierarchiczność, suboptymalizację oraz ekwi- i multifinalność [10]. Z powodów wymienionych wyżej niektóre systemy tekstroniczne wykazują pewne cechy systemów ożywionych. Analiza tych zagadnień wykracza jednak poza ramy niniejszego opracowania. Materiał przedstawiony w rozdziale jest efektem prac rozpoczętych w Katedrze Automatyzacji Procesów Włókienniczych i kontynuowanych w Katedrze Odzieżownictwa i Tekstroniki Politechniki Łódzkiej. Interdyscyplinarność obszaru tekstroniki spowodowała wyspecjalizowanie się pracowników katedr w zakresie poszczególnych zagadnień. Stąd część podrozdziałów została opracowana na podstawie materiałów przygotowanych przez następujące osoby: 10.2. 10.3. 10.5. 10.6. 10.7. 10.8. 10.9. 10.11. dr inż. Janusz Zięba dr inż. Jacek Leśnikowski dr inż. Michał Frydrysiak mgr inż. Łukasz Tęsiorowski dr inż. Jacek Leśnikowski mgr inż. Łukasz Tęsiorowski dr inż. Janusz Zięba dr inż. Jadwiga Kucharska-Kot, dr inż. Magdalena Tokarska, dr inż. Janusz Zięba 427 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Autorzy rozdziału pragną podziękować wymienionym osobom za współpracę. Dziękują także dr inż. Magdalenie Tokarskiej za pomoc w opracowaniu redakcyjnym materiału. 10.2. Tekstylia elektryczne i elektroniczne 10.2.1. Włókna elektroprzewodzące Bardzo często w systemach tekstronicznych wykorzystywane są włókna, które oprócz naturalnych cech włókienniczych charakteryzują się nowymi właściwościami poszerzającymi ich możliwości aplikacyjne. Są to włókna wielofunkcyjne wykazujące właściwości elektroprzewodzące, magnetyczne, piezoelektryczne, półprzewodnikowe czy przenoszące promieniowanie świetlne. Wyżej wymienione włókna oraz przędze i włókniny są elementami elektrotechniki i elektroniki tekstylnej [11]. Główną rolą włókien elektroprzewodzących jest przenoszenie ładunków elektrycznych. Włókna te służą do połączeń układów elektronicznych i elektrycznych, do budowy ekranów chroniących przed promieniowaniem elektromagnetycznym, do budowy elementów grzejnych implementowanych w tkaninach i do konstrukcji sensorów. Cechą charakterystyczną włókien elektroprzewodzących (Rys. 10.4) [12], jest ich konduktywność γ, która określa zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. Rezystancja R włókna elektroprzewodzącego zależy od konduktywności i wymiarów geometrycznych: R= lw γw S w (10.1) gdzie: γw – konduktywność włókna, lw – długość włókna, Sw – średni przekrój poprzeczny włókna. Rys. 10.4. Włókno elektroprzewodzące [13] Włókna elektroprzewodzące otrzymuje się głównie poprzez modyfikację znanych polimerów nieprzewodzących prądu elektrycznego, która może odbywać się przez wprowadzenie do wspomnianych polimerów materiałów przewodzących, jakimi są np. sadza lub proszek metaliczny. W wyniku prowadzonych prac zmierzających do poprawy przewodności elektrycznej otrzymano wiele polimerowych układów elektroprzewodzących. Wśród nich możemy wyróżnić: 428 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE • polimery zawierające w łańcuchu głównym, • polimery z atomami metalu w łańcuchu głównym, • polimery z koordynacyjnie związanymi metalami (polichelaty), • biologiczne polimery półprzewodnikowe, • mieszaniny polimerów z metalami. układy sprzężonych wiązań podwójnych Włókna elektroprzewodzące ze względu na rodzaj surowca, z których zostały wykonane możemy podzielić na: • przewodzące prąd elektryczny bez dodatków elementów przewodzących (proszki węgla, proszki złota). Należą do ich włókna metalowe ze stopów metali lub powierzchniowo metalizowane także włókna węglowe [14], • bazujące na polimerach przewodzących głownie na poliamidzie i polietylenie tzw. syntetyczne metale zawierające dodatki elementów przewodzących, którymi są przede wszystkim sadza i grafit, • polimery przewodzące przewodzących [15]. nie zawierające dodatków elementów Dla włókien elektroprzewodzących określa się także zdolność do przewodzenia prądu, która jest średnią rezystancji jednego metra długości [12]. Dlatego włókna te można podzielić na: • włókna o małej rezystancji (10-6 – 10-1) Ω/m np. włókna metalowe stosowane do łączenia tekstylnych obwodów elektrycznych, • włókna o średniej rezystancji (10-1 – 102) Ω/m np. włókna węglowe stosowane, jako materiały antystatyczne, • włókna o małej rezystancji (102 – 104) Ω/m np. polimery zawierające proszek węglowy lub siarczek miedzi, które znalazły zastosowanie, jako grzejniki tekstylne [12]. Włókna można przetworzyć na przędzę a z niej wykonać np. dzianinę o właściwościach elektroprzewodzących (Rys. 10.5). Rys. 10.5. Dzianina wykonana z przędzy elektroprzewodzącej Xsilver [16] 429 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.2.2. Włókna piezoelektryczne Włókna piezoelektryczne (Rys. 10.6), są elementami czujników mierzących drgania oraz wykorzystywane są, jako mikro-źródła energii elektrycznej doładowujące baterie prądu stałego, które zasilają tekstylną elektronikę. Włókna, w których wykorzystywane jest zjawisko odwrotne do przedstawionego, stosowane jest w konstrukcjach siłowników piezoelektrycznych. Rys. 10.6. Włókno piezoelektryczne [13] 10.2.3. Włókna światłowodowe W systemach tekstronicznych szerokie zastosowania znalazły włókna światłowodowe (Rys. 10.7) przenoszące promieniowanie drogą wielokrotnych odbić. Strumień światła, promieniowania Φ przechodzi z początku światłowodu na jego koniec z bardzo małymi stratami. Są one stosowane w telekomunikacji, komunikacji, aparaturze medycznej, luminacji obiektów, automatyce i robotyce oraz w technice wojskowej. W tekstronice stosowane są, jako sensory [17] oraz elementy wzornicze. Ciekawą cechą tych włókien są właściwości tekstylne, które pozwalają na stosunkowo łatwe łączenie ich z tkaninami czy dzianinami. Można je też umieszczać w strukturach nietkanych. Rys. 10.7. Włókno światłowodowe [13] 10.2.4. Włókna magnetyczne Uzupełnieniem zbioru włókien wielofunkcyjnych są włókna magnetyczne charakteryzujące się właściwościami magnetycznymi (Rys. 10.8), [3]. Wytwarza się je przez dodanie granulatu ferromagnetycznego lub magnetycznego do bazowego polimeru w czasie ich wytwarzania. 430 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Powoduje, że włókno magnetyczne, staje się materiałem makroskopowo monolitycznym [13]. Rys. 10.8. Włókno magnetyczne [13] Taki materiał nazywany jest kompozytem, gdyż polimer z napełniaczem (wypełniaczem) proszkowym tworzy fazę nieciągłą. Dla uzyskania wymaganej wartości zastępczej przenikalności magnetycznej ważne jest, aby współczynnik wypełnienia objętościowego ferrytu we włóknie był możliwie duży (Rys. 10.9), [3]. Włókna magnetyczne są niejednorodnymi kompozytowymi magnetykami; należą one do grupy tzw. kompozytów elektrycznych [11]. Rys. 10.9. Wygląd podłużny i poprzeczny włókien magnetycznych [15] Włókno jest elementarnym obwodem magnetycznym, w którym strumień magnetyczny Φ przenika przez reluktancję Rm (10.2.) Rm = lw μ Sw (10.2) gdzie: μ - przenikalność magnetyczna włókna, lw – długość włókna, Sw – średni przekrój poprzeczny włókna. Właściwości magnetyczne włókna są określone zależnością między indukcją magnetyczną B, a natężeniem pola magnetycznego H. Graficznie właściwości magnetyczne są zdeterminowane przez charakterystykę magnesowania. Charakterystycznym parametrem włókien magnetycznych jest zastępcza μ przenikalność magnetyczna. Włókna magnetyczne otwierają możliwości dla konstrukcji tekstylnych elementów elektrycznych i elektronicznych i układów w inteligentnej odzieży, jako sensory i aktuatory. Włókna magnetyczne służą do budowy tekstylnych cewek magnetycznych. Cewka magnetyczna jest jednym z podstawowych 431 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE elementów obwodów elektrycznych i elektronicznych. Zbudowana jest z tkaniny, która pełni funkcję karkasu, (Rys. 10.10), na którym nawinięte jest uzwojenie z drutu miedzianego lub z przędzy elektroprzewodzącej. Jedną z zalet cewek tekstylnych jest możliwość kształtowania karkasu uzyskując liniową, prostokątną lub toroidalną cewkę (Rys. 10.11). Tkanina Przędza przewodząca Włókno m agnetyczne Rys. 10.10. Wygląd tekstylnej cewki magnetycznej z tekstylnym rdzeniem [18] Jeżeli uzwojenie jest wykonane z przędzy elektroprzewodzącej to winna charakteryzować się dużą konduktywnością, aby uzwojenie cewki posiadało małą rezystancję wewnętrzną. Uzwojenie Linie sił pola Włókna magnetyczne Rdzeń tekstylny H I I Rys. 10.11. Tekstylna cewka toroidalna i jej fragment [18] Wewnątrz cewki umieszczono strumień włókien magnetycznych, który spełnia funkcję tekstylnego rdzenia magnetycznego. Rdzeń magnetyczny może być wykonany z włókniny magnetycznej. Opisane włókna służą do wykonania wyrobów tekstronicznych opartych na tekstylnej elektrotechnice i elektronice. Przykładem może włóknina magnetyczna wykonana z włókien magnetycznych metodą igłowania (Rys. 10.12). Z włókien magnetycznych można wytworzyć przędzę, która posłuży do wykonania tekstronicznej tkaniny lub dzianiny. 432 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.12. Włóknina magnetyczna Włóknina magnetyczna może być wykorzystana w konstrukcji ekranów magnetycznych [19]. między innymi 10.3. Elektroniczne elementy tekstroniki Elementy elektroniczne mogą być łączone ze strukturami tekstylnymi na kilka sposobów. Najprostszy sposób polega na umieszczeniu konwencjonalnych układów elektronicznych (Freeley Evailable Electronics) w specjalnych kieszeniach wyrobu odzieżowego. Układy w tej technologii wykonuje się z użyciem układów scalonych analogowych i cyfrowych, tranzystorów, diod czy elementów pasywnych. W pierwszych rozwiązaniach były one montowane na sztywnym obwodzie drukowanym, a całość osłaniana sztywną obudową. Powodowało to znaczną „wyczuwalność” tak wykonanego układu w odzieży, a przez to zmniejszenie komfortu jej używania. Problemom tym próbowano zaradzić poprzez ogólną miniaturyzację układu elektronicznego, jego montaż na elastycznym obwodzie drukowanym, czy zastąpienie sztywnej obudowy elastyczną, chroniącą elementy elektroniczne przed uszkodzeniami mechanicznymi, wilgocią czy potem użytkownika. Miniaturyzację ułatwiają takie rozwiązania jak technologia ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Urządzenia elektroniczne wykonane z wykorzystaniem układów tego typu są mniejsze, tańsze, szybsze, zużywają mniej energii oraz są bardziej niezawodne. Miniaturyzację umożliwiają również nowoczesne układy typu SoC (System on Chip), które w jednej obudowie mieszczą kompletną funkcjonalność urządzenia. W skład takiego system z reguły wchodzi mikroprocesor o stosunkowo dużej mocy obliczeniowej, pamięć, różnego rodzaju układy analogowe i cyfrowe, układy cyfrowej komunikacji, w tym komunikacji radiowej, układy przetwarzania analogowo-cyfrowego i cyfrowo-analogowego itp. Układy SoC są na ogół mniej energochłonne, bardziej niezawodne, prostsze w montażu i tańsze przy masowej produkcji. Szersze zastosowanie tego typu układów w tekstronice jest ograniczone przez wysoki koszt zaprojektowania, konieczność użycia zaawansowanych technologii i znacznego nakładu kosztów. Stosowanie układów typu SoC i ASIC przy produkcji małoseryjnej systemów tekstronicznych jest obecnie na ogół nieopłacalne. 433 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Głównym celem prac badawczych prowadzonych obecnie jest maksymalne scalenie elementów elektronicznych z wyrobem włókienniczym. Można to osiągnąć przez zastosowanie interposera [20] czyli elementu pośredniczącego między elementem elektronicznym a np. tkaniną (Rys. 10.13). Tkanina taka zawiera szereg ścieżek przewodzących wykonanych z nitek elektroprzewodzących umieszczonych kierunku osnowy i wątku, z którymi można połączyć elementy elektroniczne. Zadaniem interposera jest dopasowanie rozstawu (rastra) kontaktów elektrycznych elementu elektronicznego do rozstawu ścieżek przewodzących w płaskim wyrobie włókienniczym. Rys. 10.13. Sposób łączenia konwencjonalnego elementu elektronicznego z tkaniną [20] Duże nadzieje pokłada się w tzw. elektronice drukowanej (Printed Electronics). Technologia ta poprzez nadruk odpowiednich materiałów na podłoże umożliwia uzyskanie funkcjonalnych układów elektronicznych. Podłoże to może mieć elastyczną postać Rys. 10.14. Pojęcia “Printed Electronics”, “Plastic Electronics” czy „Organic Electronics” są ogólnymi pojęciami używanymi do opisu technologii wytwarzania układów elektronicznych opartych na organicznych polimerach półprzewodnikowych w postaci umożliwiającej nadrukowanie go na podłoże. Główną zaletą tej technologii jest możliwość produkcji lekkich, wytrzymałych i tanich układów elektronicznych na różnorodnych, elastycznych podłożach np. na elastycznej folii. Tak wykonany układ charakteryzuje się dużą elastycznością oraz niewielką grubością co umożliwia łatwą jego implementację do wyrobu tekstronicznego np. w postaci naszywki odzieżowej. Implementację takiego układu do wyrobu włókienniczego pokazano na Rys. 10.15. 434 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.14. Obwody elektroniczne nadrukowane na elastyczne podłoże [21] Rys. 10.15. Połączenie układu elektronicznego na elastycznym podłożu z tkaniną [22] Jednocześnie trwają prace nad nanoszeniem elementów elektronicznych bezpośrednio na włókna z których jest tworzony wyrób tekstylny. Pojawiły się pierwsze doniesienia o uzyskaniu pojedynczych tranzystorów [23], [24]. Przykład budowy tranzystora FET pokazano na Rys. 10.16. Rys. 10.16. Budowa tranzystora FET umieszczonego na włóknie [24] (a) włókno izolujące (b) kontakty przewodzące Metoda nadruku materiałów organicznych umożliwia tworzenie różnego rodzaju układów elektronicznych, a także elastycznych wyświetlaczy, źródeł energii w postaci baterii lub fotoogniw. Umożliwia to tworzenie kompletnych systemów tekstronicznych począwszy od czujników różnego rodzaju wielkości fizycznych, układów zbierania przetwarzania danych pomiarowych, a skończywszy na układach zasilających i wizualizacji wyników pomiaru. Mając powyższe na uwadze, można przypuszczać, że metoda ta znajdzie szerokie zastosowanie przy tworzeniu przyszłościowych elementów elektronicznych mających zastosowanie w tekstronice. 10.4. Tekstroniczne systemy pomiarowe Tekstroniczny system pomiarowy pokazano na Rys. 10.17. Obiektem tekstronicznym jest zwykle struktura włóknista będąca interfejsem między 435 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE układem pomiarowym a elementem, którego parametry mają być mierzone. Rys. 10.17. Tekstroniczny system pomiarowy Może to być siedzisko, w którego tapicerce umieszczono czujniki nacisku czy temperatury; może to być człowiek, którego temperaturę skóry odzwierciedla temperatura między skóra a bielizną, zwana temperaturą pododzieżową. Kluczową sprawą jest konstrukcja czujników i przetworników, które powinny być urządzeniami o strukturze włóknistej. Czujnik, jako pierwszy element przetwornika, w którym zachodzi przetwarzanie wielkości mierzonej na sygnał elektryczny, jest zawsze połączony bezpośrednio z obiektem pomiaru. Kondycjonerami są standardowe układy pomiarowe wykonane w technologiach opisanych w rozdziale 10.3. Linia sygnałowa może mieć postać przewodową lub bezprzewodową (patrz 10.8). Zależy to m.in. od tego gdzie są umieszczone elementy zespołu wyjściowego, które w systemach tekstronicznych mają postać różnego rodzaju wskaźników i miniaturowych paneli odczytowych. Jak wiadomo działanie czujników jako elementów przetwarzających wielkość mierzona na sygnał elektryczny, opiera się na różnych zjawiskach fizycznych. Mc Ghee i in. [25] zaproponowali akronim COMETMAN do określenia zbioru wielkości mierzonych czujnikami. Są więc wielkości chemiczne, optyczne, mechaniczne, elektryczne, termiczne, magnetyczne, akustyczne i nuklearne. Obecnie w przypadku wielkości chemicznych i nuklearnych trudno wskazać istniejące lub możliwe do realizacji rozwiązanie zawierające czujniki włókniste. Włókna optyczne czyli światłowody znajdują bardzo szerokie zastosowanie w systemach tekstronicznych ze względu łatwość ich umieszczania zarówno w strukturach tkanych jaki nietkanych. Przykładem takiej konstrukcji jest system do pomiaru częstości oddechu oparty na czujniku światłowodowym [17], opisany w rozdziale 10.9. Odkształcenia i naprężenia mechaniczne są mierzone z wykorzystaniem nitek przewodzących np. w innym rozwiązaniu czujnika rytmu 436 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE oddechowego [26]. Często znajdują tu zastosowanie włókna i liniowe elementy piezoelektryczne [26]. Istnieje też możliwość wykorzystania struktur płaskich takich jak czujniki tunelowe - Quantum Tunelling Composities wykonane w Softswitch Technology [28] czy konstrukcje wielowarstwowe typu ElekTex. W czujnikach tych następuje przetworzenie ciśnienia na zmianę rezystancji. Na przykład konstrukcja ElekTex [29] składa się z dwóch warstw zawierających płaskie tekstylia elektroprzewodzące pełniące rolę elektrod. Są one rozdzielone warstwą częściowo przewodzącą. Prostopadły nacisk na warstwy zewnętrzne powoduje elektryczne połączenie obu tych warstw ze sobą poprzez odkształconą warstwę wewnętrzną. Jest ona sercem całego rozwiązania. Jej rola polega na działaniu izolacyjnym w stanie bez naciskowym i umożliwieniu częściowego kontaktu przy nacisku. W ten sposób powstaje przewodząca ścieżka prądowa między warstwami zewnętrznymi. O cechach kontaktu decydują właściwości sprężyste tej warstwy. Wielkości elektryczne i magnetyczne rzadko są mierzone czujnikami włóknistymi, ale można sobie wyobrazić taki konstrukcje ze względu na istnienie włókien elektroprzewodzących i magnetycznych. Brak takich rozwiązań wynika także z faktu, że w systemach tekstronicznych zachodzi zwykle potrzeba pomiaru wielkości nieelektrycznych. Bardzo często mierzoną wielkością jest temperatura, przy czym mierzy się zarówno temperatury pododzieżowe (30 do 40 °C) jak i temperatury otoczenia. Te ostatnie w szczególnych zastosowaniach, np. ubrań strażackich [30], mogą osiągać wartości do kilkuset stopni Celsjusza. Do pomiaru wykorzystuje się zmiany rezystancji nitek przewodzących oraz specjalnej konstrukcji termoelementy [31], [32]. Na Rys. 10.18 pokazano taki termoelement jako termoparę włóknistą do pomiaru temperatury na powierzchni odzieży i między jej warstwami zawiera dwie równoległe względem siebie tekstylne warstwy elektroprzewodzące (2) i (4), jedną w postaci włókniny, zaś drugą z ułożonych równolegle względem siebie elektroprzewodzących nitek, przeplecionych nitkami nie przewodzącymi prądu, umieszczone między dwiema warstwami tekstylnej izolacji elektrycznej (1) i (5) i przedzielone warstwą tekstylnej izolacji elektrycznej (3). Warstwy elektroprzewodzące (2) i (4) są połączone ze sobą wielopunktowo i każda z nich posiada wyprowadzenie (A, B) do miernika siły termoelektrycznej. Rys. 10.18. Termopara włóknista [31] 437 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Jednakże najczęściej używane są czujniki konwencjonalne jak zwykłe termoelementy, termistory, czujniki półprzewodnikowe (np. KTY) czy scalone (np. LM92). Wynika to z ich niewielkich rozmiarów oraz wymogów dokładnościowych pomiaru tej wielkości. Dotychczas nie zachodziła potrzeba pomiaru wielkości akustycznych ale do pomiaru drgań o częstotliwości do 20 kHz można z powodzeniem użyć zarówno włókien optycznych [33] jak i piezoelektrycznych. Do tego celu można też wykorzystać konstrukcję cewki tekstylnej opisanej w 10.2. Oprócz wielkości ze zbioru COMETMAN w systemach tekstronicznych pojawia się także potrzeba opracowania zupełnie nowych czujników reagujących np. na biopotencjał, wirusy, bakterie czy obecność gazów. Czujniki te winny mieć postać włóknistą i wyjście elektryczne. Obecnie powstają takie konstrukcje ale na razie dają informację dość ograniczoną jedynie o obecności a nie wartości stężenia. W przypadku wirusów czy bakterii można wykorzystać biosensory z transmisją światłowodową [34]. Z punktu widzenia metrologicznej jakości pomiaru podstawowym zagadnieniem jest powtarzalność działania czujników. Konstrukcje czujników włóknistych wykazują gorsze właściwości niż czujniki tradycyjne. Przyczyną tego stanu rzeczy są właściwości nośnika polimerowego włókna, który wykazuje dużą „reologiczność” tj. sprężystość, lepkość, plastyczność i związane z tym zjawiska pełzania, relaksacji oraz odkształceń opóźnionych i trwałych. Prócz tego włókna bywają czułe na wpływy klimatyczne oraz oddziaływania mechaniczne, chemiczne i inne; wykazują też istotną zmienność parametrów w procesie użytkowania. W przypadku produktów włókienniczych mamy także do czynienia z niejednorodnością i nieciągłością struktury. Pewną ilustracją złożoności tych zagadnień są np. zjawiska towarzyszące przepływowi prądu przez struktury włókniste, podczas którego obserwuje się zmienność liczby punktów styku pomiędzy włóknami i nitkami [35]. Zjawisko to jest przedmiotem gruntownych badań naukowych [36]. 10.5. Tekstroniczne systemy sterowania Tekstroniczny system sterowania (Textronic Control System – TCS), to nic innego jak Tekstroniczny Układ Automatycznej Regulacji (TUAR), w którym obiektem regulacji, pośrednio jest człowiek wraz z odzieżą. W rzeczywistości obiektem regulacji może być np. warstwa powietrza miedzy powierzchnią skóry a warstwą odzieży. Należy podkreślić, że TUAR w żaden sposób nie steruje człowiekiem ale może wpływać na jego poczucie komfortu np. cieplnego. 438 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.19. Ogólny schemat blokowy tekstronicznego układu regulacji [37] W konstrukcjach tekstronicznych zarówno siłowniki jak i sensory mają postać włóknistą i są przystosowane do umieszczania w strukturach włóknistych, generując sygnały elektryczne lub dając się nimi sterować zaś pozostałe elementy układu (np. regulator) są typu programowego lub elektronicznego i mają postać elektroniki noszonej. Miejsce regulatora w ogólnym tekstronicznymi układzie regulacji przedstawiono na Rys. 10.19 [37]. Na schemacie rozgraniczono obszary sygnałów elektrycznych i nieelektrycznych. Systemy tekstroniczne są urządzeniami zapewniającymi kontakt ze środowiskiem naturalnym, wykorzystując przy tym przyjazne człowiekowi rozwiązania techniczne w postaci włóknistej formy większości elementów systemu i nie ograniczając żadnego rodzaju ludzkiej aktywności. Analizując potrzeby, jakie musi spełniać TUAR w odniesieniu do regulacji temperatury przedstawiono podstawowe rodzaje systemów tekstronicznych Tab. 10.1 [37]. Układy typu E-HC oraz N-HC zostały szerzej opisane przez Gniotka [37], natomiast prezentowane opracowanie głównie opierać się będzie o układy typu EH czyli takie, w których istnieje możliwość wyboru temperatury pododzieżowej. Jej wartość dobrana jest indywidualnie przez użytkownika takiej tekstronicznej odzieży tak, aby zapewniać komfort użytkowy. Zaproponowano również podział systemu EH na dwa rodzaje: TEH (Traditional Existing Heating) oraz FEH (Fuzzy Existing Heating). Pierwsza podgrupa (TEH) charakteryzuje się tradycyjną metodą zmiany wartości temperatury pod odzieżowej. Użytkownik sam decyduje czy w danej chwili, przy określonych warunkach otoczenia czuje się komfortowo. Zmienia w tedy sam wartość zadaną temperatury pod odzieżowej. Druga grupa układów (FEH), zakłada automatyczną zmianę tej wartości na podstawie wcześniej zdefiniowanej bazy reguł, zawierającej warunki komfortu użytkowania tekstronicznej odzieży. Tego typu układy są wysoce spersonalizowane i znajdować mogą zastosowanie w takich aplikacjach jak suche skafandry dla nurków. Podczas nurkowania 439 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE głębinowego, kiedy bardzo istotny jest czas przebywania pod wodą, nurek wyposażony w system FEH nie musi skupiać swojej uwagi na ustaleniu optymalnej temperatury we wnętrzu kombinezonu a jedynie np. na akcji ratunkowej [38]. Wybór rodzaju regulatora zależy od stosunku opóźnienia do stałej czasowej inercji. W przypadku, gdy inercja układu znacznie przewyższa opóźnienie zastosowanie regulatorów dwu- lub trójpołożeniowych pozwala na długotrwałe podawanie sygnału na obiekt (przykładem takiego obiektu jest żelazko). Tab. 10.1. Tekstroniczne systemy sterowania temperatury w odzieży Oznaczenie E-HC EH EC N-HC Opis Istnieje możliwość wyboru wartości temperatury; układ może ogrzewać i chłodzić Istnieje możliwość wyboru wartości temperatury; układ może ogrzewać Istnieje możliwość wyboru wartości temperatury; układ może chłodzić Stała wartość temperatury; układ może ogrzewać i chłodzić NH Stała wartość temperatury; układ może ogrzewać NC Stała wartość temperatury; układ może chłodzić Przykładowe zastosowanie Zapewnienie komfortu cieplnego w odzieży turystycznej i sportowej Zapewnienie komfortu cieplnego w odzieży roboczej w chłodni Zapewnienie komfortu cieplnego w odzieży turystycznej Zapewnienie bezpieczeństwa cieplnego w uniwersalnej odzieży ratowniczej Zapewnienie bezpieczeństwa cieplnego w odzieży ratowniczej na morzu Zapewnienie bezpieczeństwa cieplnego w kombinezonie strażackim W skrajnie odwrotnym przypadku, gdy opóźnienie jest znacznie większe od inercji oddziałujemy na obiekt przez krótki okres czasu (impuls), gdyż reakcja na to oddziaływanie będzie znacznie spóźniona i podawanie sygnału sterującego przez dłuższy czas mogłoby spowodować duże niepożądane zmiany na obiekcie, po upływie znacznego czasu. W rozdziale przedstawiono przykład zastosowania regulatora ciągłego działania PID, natomiast TUAR mogą zawierać różnego typu regulatory np. regulatory rozmyte FUZZY [39]. Rozpoczynając projektowanie tekstronicznych układów automatycznej regulacji temperatury należy jasno sprecyzować warunki regulacji. W rozważanym przypadku możemy mieć do czynienia z dwojaką sytuacją. Na Rys. 10.20 przedstawiono dwa 440 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE ciało grzejnik Tsf Tg warstwa tekstyliów Toto ciało szczelina p owietrzna warianty fizycznego układu automatycznej regulacji temperatury w odzieży. Pierwszy z nich (Rys. 10.20 A) zakłada ścisłe przyleganie warstwy tekstylnego grzejnika do powierzchni skóry człowieka. W tym przypadku wielkością regulowaną jest temperatura zewnętrznej powierzchni grzejnika. Takie ułożenie warstw, w rzeczywistości jest bardzo trudne do realizacji, dlatego należy rozpatrywać sytuację, w której miedzy warstwą grzejnika tekstylnego a skórą człowieka występuje szczelina powietrzna, jak na Rys. 10.20 B. W tym przypadku wielkością regulowaną jest temperatura szczeliny powietrznej, nazwana temperaturą pododzieżowa tp. W obydwu wariantach rozważa się sytuację, w której człowiek osłonięty jest odzieżą tekstroniczną, w wyniku, czego temperaturę otoczenia traktujemy jako nadrzędny czynnik zakłócający, a temperaturę skóry jako czynnik podrzędny. A B grzejnik warstwa tekstyliów Toto Tsf Tp Tg Rys. 10.20. Model tekstronicznego układu regulacji temperatury bez szczeliny powietrznej (A); Model tekstronicznego układu regulacji temperatury ze szczeliną powietrzną (B) Na podstawie Rys. 10.20 A i Rys. 10.20 B sporządzono schematy blokowe układów automatycznej regulacji temperatury z wykorzystaniem regulatora PID. Schematy zostały przedstawione na Rys. 10.21 i Rys. 10.22. W drugim wariancie podzielono szczelinę pod odzieżową na dwie części O1 i O2., ze względu na uwydatnienie wpływu zakłóceń temperatur ZT1 oraz ZT2. W rzeczywistości występują trudności techniczne w pomiarze temperatury pod odzieżowej [40]. Budowę układu automatycznej regulacji temperatury w programie Matlab Simulink rozpoczęto od eksperymentalnego doboru parametrów regulatora PID. Do tego celu wykorzystano metodę Zieglera – Nicholsa (Z-N). W metodzie tej rozpatrywana jest tylko pierwsza część przebiegu – grzanie. Metoda Z-N opiera się na uproszczonym modelu ae − st o , którego odpos wiedź skokowa ma postać opóźnionego sygnału rosnącego liniowo [41]. 441 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE ZT1 =ZTs ZT2 =ZToto + Z - + - Treg - G PID + C2 C1 gdzie: Z – zadajnik; PID regulator proporcjonalno – całkująco - różniczkujący; G – człon wykonawczy ( grzejnik tekstylny ); C1 – czujniki temperatury skóry; C2 – czujniki temperatury na powierzchni grzejnika; ZT1, ZT2 – zakłócenia ( Ts – temperatury skóry, Toto – temperatury otoczenia); Treg – temperatura regulowana (temperatura grzejnika); O1 i O2 – obiekt regulacji (temperatura szczeliny powietrznej, temperatura pododzieżowa) Rys. 10.21. Układ automatycznej regulacji temperatury bez szczeliny powietrznej ZT2=ZToto ZT1=ZTs Szczelin powietrzna- O Z + - + - PID G + O1 O2 - Treg ++ C2 homeostaza Ts C1 Rys. 10.22. Układ automatycznej regulacji temperatury ze szczeliną powietrzną Na podstawie odpowiedzi na skok jednostkowy wyznaczono współczynniki modelu bezpośrednio z rysunku. Zastosowano metodę Zieglera-Nicholsa doboru nastaw regulatora, ponieważ mamy do czynienia z obiektem statycznym. Jednak nastawy obliczone ta metodą mogą nie dać satysfakcjonujących rezultatów, dlatego też można wyznaczyć wartości nastaw regulatora z wykorzystaniem bloku Simulink, służącym do optymalizacji, i dopiero wtedy ostatecznie dostroić układ w celu otrzymania jak najmniejszego przeregulowania. W tym celu pomocnym może okazać się blok Signal Constraint z biblioteki Simulink Response Optimalization, za pomocą którego możliwe jest dobieranie parametrów regulatora, dla 442 10. SYS STEMY TEKSTR RONICZNE W MECHATRONIC M CE którrych wykres od dpowiedzi sko okowej zamkniętego układu regulacji mieś ści się w zadanym ob bszarze [42]. Na Rys. 10.23 prrzedstawiono układ automattycznej regulacji temperaturry, w którym k wykorzyystano omawia any blok do doboru parame etrów regulatorra PID D. Jako obie ekt regulacji wykorzystano o wcześniej opisany blo ok zaw wierający mode el grzejnika tek kstylnego oraz model szczeliiny powietrzne ej. Rys. 10.23. Uk kład automatycz znej regulacji tem mperatury z regu ulatorem PID oraz blo okiem do optyma alizacji W celu c rozpoczę ęcia procesu automatyczneg a go doboru nasstaw regulatorra PID D niezbędne jesst graficzne wy yznaczenie ob bszaru, w któryym ma zawiera ać się odpowiedz ukkładu na skok jednostkowy. Ostatecznie wartości w nasta aw regu ulatora zostałyy określone w 11 krokach itteracyjnych, wynoszą w one dla rozp patrywanego przypadku, p odp powiednio: Kd = 0,0582; Ki = 0,0174; Kp = 0,0714. Po pierwszym ettapie symulacjji możliwe jesst przeprowadzzenie symulac cji właśściwej polega ającej na poró ównaniu działa ania regulatorra z nastawam mi obliczonymi według kryteriów Zieglera-Nicols Z sa (PIDZ-N) ora az z nastawam mi wyzznaczonymi za a pomocą blo oku Signal Co onstraint z bib blioteki Simulin nk Ressponse Optima alization (PIDOPT elu skonstruow wano kompletn ny O .). W tym ce mod del TUART w Simulinku, S który został przed dstawiony na Rys. R 10.24. Rys. 10.24. Uk kład automatycznej regulacji tem mperatury z wyko orzystaniem regulatora r PID 44 43 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.25 przedstawia wynik symulacji zmiany temperatury pododzieżowej, w tekstronicznej odzieży z układem automatycznej regulacji temperatury. W 200 sekundzie symulacji następuje skokowa zmiana temperatury otoczenia z 26 ºC na 0 ºC, w tym czasie załącza się grzejnik tekstylny. Chociaż ustalenie się wartości temperatury pod odzieżowej na zadanym poziomie (25 ºC) następuje w tym samym czasie, to jednak regulator PIDOPT wykazuje mniejsze przeregulowanie. Rys. 10.25. Odpowiedz tekstronicznego układu automatycznej regulacji temperatury na zmianę temperatury otoczenia z 26 ºC na 0 ºC dla regulatorów PID Rozwój i rozszerzenie prac nad tekstronicznymi systemami sterowania może doprowadzić do powstania interfejsów odzieżowych codziennego użytku, czyli odzieży pełniącej nie tylko funkcje ochronną, ale również funkcje estetyczne oraz interaktywne (np. reagującą na bodźce zewnętrzne). 10.6. Programowanie systemów tekstronicznych Konstruowanie części informatycznej systemu tekstronicznego zostanie opisane na przykładzie systemu w postaci ubrania wyposażonego w czujniki tekstylne i elektroniczne. Zawiera ono w swojej strukturze układy programowalne w postaci mikrokontrolerów jednoukładowych. Schemat połączeń oraz sposób wymiany informacji mikrokontrolera z otoczeniem 444 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE oraz innymi układami przedstawia Rys. 10.26. Jest to system, którego zadaniem jest radiowe przesyłanie wyników pomiarów parametrów fizjologicznych do centrali monitoringu. Rys. 10.26. Sposób wymiany informacji mikrokontrolera z otoczeniem Mikrokontrolery często gromadzą dane pomiarowe w pamięci RAM i przetwarzają je np. uśredniając wyniki pomiarów przesłanych w określonym czasie. Przygotowują też odpowiednie rozkazy do nadajnika radiowego, który przesyła przetworzone dane do centrali monitoringu. Prócz pamięci RAM zawierają w sobie także pamięć nieulotną, najczęściej typ FLASH, która może być elektrycznie reprogramowalna [43]. Taką pamięć można wielokrotnie kasować i programować ponownie. Program dla mikrokontrolera zawierający algorytmy przetwarzania danych i realizujący inne zadania może zostać napisany w różnych poziomach języka programowania: 1. Kod maszynowy, który jest kombinacją zer i jedynek i stanowi kod wynikowy wynikający z kompilacji programów napisanych w językach wyższego poziomu; 2. Język asemblera, należący do grupy języków niskiego poziomu. Języki te powstały na bazie języków maszynowych danego procesora poprzez zastąpienie kodów operacji ich mnemonikami, np. MOV R7, #0 oznacza wpisanie wartości 0 do rejestru R7. Jest to instrukcja języka asemblera dla mikrokontrolerów rodziny ’51 [44]; 3. Język wysokiego poziomu (np. C, C++), który jest najbardziej popularnym językiem programowania dla mikrokontrolerów jednoukładowych dostępnych na rynku. Cechą charakterystyczną dla języka wysokiego poziomu jest możliwość wykorzystywania gotowych funkcji. Język ten charakteryzuje przenośność kodu źródłowego dzięki temu raz napisany program możemy uruchamiać na różnych maszynach i w różnych systemach operacyjnych pod warunkiem ponownej kompilacji w danym środowisku [45]. 445 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE W przypadku języka wysokiego poziomu potrzebny jest kompilator, który tłumaczy instrukcje języka C na rozkazy kodu maszynowego zrozumiałe dla danego mikrokontrolera. Przykładem środowiska programistycznego wykorzystywanego do programowania mikrokontrolerów jest µVision firmy Keil [46]. Zakładka tego programu została przedstawiona na Rys. 10.27. Z lewej strony okna umieszczono pliki projektów, a z prawej edytor programu. Na dole okna znajdują się komunikaty kompilacji. Oprogramowanie to oprócz kompilatora zawiera edytor tekstowy, rozpoznający składnię języka C, debugger oraz symulator, pozwalające na testowanie napisanego programu. Kompilator programu firmy Keil pozwala przetłumaczyć program napisany w języku C na wiele rodzin mikrokontrolerów produkowanych przez różne firmy np. Analog Devices, Atmel itp. Następnym elementem dotyczącym programowania w systemach tekstronicznych jest wizualizacja i interpretacja wyników pomiaru z czujników umieszczonych w ubraniu tekstronicznym. Najczęściej prezentacja wyników pomiaru odbywa się po stronie odbiorczej, czyli w centrali monitoringu gdzie dane pomiarowe są gromadzone i przetwarzane. Wizualizacja wyników może odbywać tekstowo oraz graficznie, w postaci wykresów czasowych. Program do prezentacji wyników pomiarów może być zrealizowany za pomocą takich środowisk programistycznych jak LabView, Delphi itp. Rys. 10.27. Okno opracowanego programu µVision firmy Keil LabView jest graficznym środowiskiem programistycznym używanym do pomiarów wielkości fizycznych, do testowania oraz w procesach sterowania. Wykorzystuje graficzne ikony i połączenia, które łączone są w postaci schematu blokowego. Każdy blok przedstawia fizycznie 446 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE urządzenie np. kartę pomiarowę lub oznacza wykonanie operacji. Wiele firm oferujących urządzenia pomiarowe np. Agilent lub Tektronix oferuje sterowniki do urządzeń, które współpracują z LabView. Dzięki temu za pomocą kilku bloków można stworzyć interfejs graficzny przedstawiający wirtualny instrument pomiarowy [47]. Na Rys. 10.28 przedstawiono zakładkę oprogramowania do odczytywania danych z ubrania tekstronicznego. Oprogramowanie to umożliwiało odczyt temperatury jednocześnie z kilku czujników, jednocześnie istniała możliwość alarmowania użytkownika programu o przekroczeniu maksymalnej dopuszczalnej temperatury [30]. Rys. 10.28. Okno programu LabView prezentujące wyniki pomiarów z czujników temperatury umieszczonych w ubraniu strażaka [30] Oprogramowanie Delphi umożliwia wykorzystanie gotowych elementów graficznych takich jak przyciski, pola edycyjne, listy, wykresy itp. do stworzenia aplikacji interaktywnej, która wymienia informacje z użytkownikiem [48]. Do każdego elementu graficznego można przypisać zdarzenie takie jak uruchomienie przycisku, w odpowiedzi na które wykonywana jest określona operacja zapisana w programie. Przykład wykorzystania oprogramowania Delphi został przedstawiony na Rys. 10.29 i Rys. 10.30. Oprogramowanie to, zainstalowane na komputerze po stronie odbiornika, było wykorzystywane do prezentacji wyników pomiarów z czujników temperatury umieszczonych w ubraniu tekstronicznym. Umożliwia ono: • odczyt tekstowy wartości pomiarów temperatury, w danej chwili czasowej, odczytanych z czujników 447 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE • ustawienie interwału czasowego odczytu kolejnych pomiarów tzn. odstępu czasu między odczytem jednej a drugiej wartości pomiaru temperatury, • uruchomienie i zatrzymanie pomiaru temperatury, • zapis pomiarów do pliku tekstowego o rozszerzeniu *.txt, dzięki czemu można wykonać wykres czasowy zmian temperatury w czasie dla każdego z czujników. Na Rys. 10.29 pokazano ustawienia portu RS 232. Rys. 10.30 zawiera dane pomiarowe z czujników, przyciski do uruchamiania i zatrzymywania pomiaru oraz pole edycyjne wskazujące plik tekstowy. Rys. 10.29. Okno główne programu [49] Rys. 10.30. Zakładka pomiar [49] 448 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.7. Zasilanie systemów tekstronicznych Zasilanie systemów mobilnych, jakimi często są systemy tekstroniczne, stanowi nadal podstawowy i nie do końca rozwiązany problem. Zapotrzebowanie na energię elektryczną może być bardzo różne w zależności od przeznaczenia systemu. Stosunkowo niewielkie wartości napięć i prądów (np. 5 V i 50 mA), potrzebne są w systemach pomiarowych. Jeśli zachodzi konieczność radiowej transmisji wyników to wartości te są znacznie większe (np. 5V i 500mA). Najwięcej energii wymagają systemy sterujące z funkcją grzania lub chłodzenia. Wartości napięć i prądów mogą tu wynosić 12V i kilka amperów. Podstawowym źródłem energii w systemach tekstronicznych pozostają miniaturowe baterie i akumulatory. W Tab. 10.2. podano przykładowe konstrukcje tych urządzeń wykorzystane do zasilania w ubraniu strażackim [50]. Tab. 10.2. Przykładowe baterie i akumulatory do zasilania systemów tekstronicznych Oprócz baterii i akumulatorów konwencjonalnych coraz częściej korzysta się zalet ogniw paliwowych [51] jakimi są niskie zanieczyszczenie środowiska naturalnego oraz szybki czas ładowania ogniwa. Są to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię elektryczną (też wodę, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem (utleniania paliwa); produktem ubocznym jest woda. Teoretyczna siła elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi około 1 V dlatego łączone są one w pakiety w zależności od potrzeb. Szybki rozwój tych konstrukcji i szeroki asortyment typów (Tab. 10.2.) każe upatrywać w nich podstawowych źródeł zasilania w przyszłości. W tekstronicznych systemach pomiarowych i sterowniczych potrzebne jest zwykle napięcie dobrze stabilizowane. Wtedy korzysta się ze stabilizatorów lub przetwornic (Rys. 10.31) w zależności od tego czy zachodzi potrzeba zmniejszenia czy zwieszenia wartości napięcia. Potencjalnym ryzykiem zastosowania rozwiązania typu B jest możliwość zakłócania elementów tekstronicznego systemu monitorowania przez przetwornicę napięcia [50] dlatego zwykle wykorzystuje się rozwiązanie A. 449 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Do doładowywania akumulatorów można użyć rozwiązań niestandardowych wykorzystujących zjawiska znane z konstrukcji czujników generatorowych. Są to elementy termo- foto- i piezoelektryczne. Z elementów termoelektrycznych można użyć ogniwa Peltiera, które jest elementem standardowo stosowanym do chłodzenia np. elementów elektronicznych. Rys. 10.31 Uzyskiwanie napięć stabilizowanych Wykorzystując odwracalność procesów jakie w nim zachodzą można je wykorzystać w systemach tekstronicznych pod warunkiem zapewnienia właściwego odbioru ciepła od strony zimnej. Na Rys. 10.32 pokazano wartości napięcia uzyskane z modułu typu TM-127-1,4-6,0 o wymiarach 40x40x3,9 mm przy różnych wartościach różnicy temperatury między obu ściankami. Charakterystyka górna pokazuje wartości napięcia przy rozwartym, nieobciążonym wyjściu, środkowa przy obciążeniu 100 Ω a najniższa to wartości prądu przy zwartym wyjściu. Z rysunku wynika, że przy spełnieniu wspomnianego warunku zestaw kilku ogniw może być wykorzystany do doładowywania urządzeń zasilających. Rys. 10.32 Napięcie uzyskiwane z modułu Peltiera w funkcji temperatury i obciążenia 450 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Podejmowane są także próby zastosowania termoogniw czy termopar, jednakże niewielka SEM generowana przez pojedyncze ogniwo na jeden stopień Celsjusza wymaga stosowania licznego zbioru tych elementów w postaci stosu połączeń równoległych. Nadzieję na poprawę sytuacji dają rozwiązania w postaci termopar włóknistych [31], [32], w których duża liczba spoin powstaje w wyniku wykorzystania technologii włókienniczych. Należy stwierdzić, że w obecnym stanie techniki wykorzystanie energii cieplnej do zasilania systemów tekstronicznych ma charakter teoretyczny choć przyszłościowy. Fotoogniwa wytwarzane są z krzemu w trzech głównych typach jako monokrystaliczne, polikrystaliczne i amorficzne. Czasami wyróżnia się też dodatkowy typ elastycznych paneli fotowoltaicznych, zbudowanych z cienkich warstw krzemu. Fotoogniwa monokrystaliczne składają się z pojedynczych ogniw, które tworzone są z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Ogniwa tego typu osiągają duży poziom sprawności (nawet powyżej 15 %) oraz żywotności. Moduły polikrystaliczne, inaczej multikrystaliczne, są mniej wydajne od paneli monokrystalicznych. Ich proces produkcji jest mniej złożony a cena niższa. Z tego powody panele te są najszerzej rozpowszechnione, zarówno w zastosowaniach domowych jak i dużych elektrowniach słonecznych. Fotoogniwa amorficzne, inaczej „thin-film”, mają całkiem inną strukturę krzemu. Technologia ta stwarza możliwość oszczędzenia na surowcu ze względu bardzo cienką warstwę krzemu (2 mikrony) osadzaną na powierzchni innego materiału, takiego jak np. szkło. Jest to technologia uważana za technologię przyszłości ze względu na niski koszt wytwarzania, możliwość osadzania na giętkich podłożach oraz możliwość uzyskania dużej powierzchni ogniwa. W systemach tekstronicznych elementy piezoelektryczne przetwarzają oddziaływania mechaniczne związane z masą i ruchami człowieka na energie elektryczną. Ich wykorzystanie jest coraz częściej opisywane np. [52]. Umieszczane bywają w zelówkach butów. Nad takim sposobem doładowywania akumulatorów zasilających systemy tekstroniczne pracuje zespół naukowców w US Army Soldier System Center (ASSC) w Natick. Podsumowując można stwierdzić, że do zasilania systemów tekstronicznych korzysta się z czterech rodzajów procesów (Tab. 10.3.): chemicznych, termicznych, mechanicznych i optycznych. Obecna tendencja zmierza w kierunku wykorzystania wszystkich tych procesów jednocześnie. Należy więc mówić nie tyle źródłach ile o systemach zasilających stanowiących zbiór współpracujących i nawzajem od siebie uzależnionych urządzeń. 451 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Tab. 10.3. Procesy i urządzenia w zasilaniu systemów tekstronicznych Procesy Chemiczne Urządzenia Baterie i akumulatory Rozwiązania Konwencjonalne: − NiCd (niklowo-kadmowe), − NiMh (niklowo-metalowo-wodorowe), − Li-Ion (litowo-jonowe) Ogniwa paliwowe: − z membraną do wymiany protonów (Protonexchange membrane fuel cell - PEMFC), − odwracalne (Reversible Fuel Cell), − bezpośrednie, metanolowe (Directmethanol fuel cell), − z zestalonym elektrolitem tlenkowym (Solidoxide fuel cells), − ze stopionymi węglanami (Moltencarbonate fuel cells), − oparte na kwasie fosforowym (Phosphoricacid fuel cells), − alkaliczne (Alkaline fuel cells) Termoelementy Termiczne Elementy termoelektryczne Ogniwa Peltiera Optyczne Elementy fotoelektryczne Monokrystaliczne Polikrystaliczne Amorficzne (cienkowarstwowe) Elementy Mechaniczne Umieszczane w zelówkach piezoelektryczne 10.8. Transmisja sygnałów w systemach tekstronicznych 10.8.1. Wprowadzenie Typowym systemem tekstronicznym jest ubranie z wbudowanymi czujnikami elektronicznymi, które w sposób ciągły monitorują, oprócz parametrów fizjologicznych, także zachowanie człowieka oraz mierzą parametry środowiska, w którym się on znajduje. W tym rozwiązaniu ubranie tekstroniczne może mieć zastosowanie dla służb ratowniczych (strażacy, górnicza brygada ratunkowa, ratownicy górscy itd.) oraz ofiar katastrof. 452 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Transmisja sygnałów może przebiegać zarówno wewnątrz systemu tekstronicznego (np. odzieży), jak i na zewnątrz. Pierwsza z nich może mieć charakter przewodowy i bezprzewodowy, druga wyłącznie bezprzewodowy, co wynika z konieczności zapewnienia mobilności systemu. 10.8.2. Transmisja wewnątrz odzieży W przypadku transmisji sygnałów wewnątrz ubrania tekstronicznego istnieje problem odpowiedniego prowadzenia przewodów między czujnikami a układem, który gromadzi i przetwarza dane pomiarowe. W tym wypadku można wyróżnić wiele kombinacji połączeń między czujnikami a centralką. Niektóre z nich zostały przedstawione na Rys. 10.33, Rys. 10.34 oraz Rys. 10.35. Zazwyczaj elementy systemu tekstronicznego połączone są między sobą za pomocą miedzianych izolowanych przewodów, nitek elektroprzewodzących lub włókien światłowodowych. Połączenie przewodowe jest najprostszym rozwiązaniem, ale posiada wiele wad. W przypadku dużej liczby czujników sieć połączeń się rozrasta i zaczyna być kłopotliwa dla użytkownika np. może ograniczać jego mobilność. Staje się także bardziej narażona na zginanie i skręcanie co może doprowadzić do zerwania przewodów czy połączeń. 1- czujnik; 2- przewód; 3- ubranie; 4- urządzenie gromadzące dane Rys. 10.33. Przewody przechodzą z przodu na tył ubrania [54] 1- ciało; 2- czujnik oddechu lub temperatury; 3- bielizna; 4- przewód; 5- zewnętrzna warstwa odzieży; 6- urządzenie gromadzące dane Rys. 10.34. Przewody przechodzą z bielizny do zewnętrznej części ubrania [54] 1- kurtka; 2- urządzenie gromadzące dane; 3- przewód; 4- czujnik Rys. 10.35. Przewody przechodzą z kurtki do czujnika umieszczonego w bucie [54] 453 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.36. Połączenie czujników w standardzie 1 – wire [55] Dlatego kluczową sprawą jest zmniejszenie liczby przewodów. Uzyskuje się to przy zastosowaniu standardu 1–wire opracowanego przez Dallas Semiconductor, o którym dużo informacji można znaleźć na stronach Maxim Integrated Products [53]. Zasadę jego pracy obrazuje Rys. 10.36. [50]. Występuje tutaj jedna linia danych i jedna linia zerowa, a więc dwa przewody w miejsce trzech. Przy dużej liczbie czujników jest to istotne. Droga prowadzenia przewodów jest zależna od mierzonych parametrów oraz metod pomiaru. Rys. 10.34 przedstawia połączenie między czujnikiem oddechu lub temperatury skóry a urządzeniem gromadzącym dane pomiarowe. Przewody przechodzą przez wiele warstw odzieży. Nie jest to korzystne rozwiązanie, gdyż ratownik w przypadku interwencji nie może tracić czasu na odpowiednie połączenie czujników umieszczonych w bieliźnie z elementami znajdującymi się w innych częściach odzieży. Podobna sytuacja jest przedstawiona na Rys. 10.35, gdzie czujniki umieszczone są w bucie. Ponadto warstwa bielizny nie możne zostać przebita przez przewody, jeśli jest to warstwa chroniąca przed wilgocią. Ze względu na wymienione wady połączenia przewodowego często stosuje się w to miejsce transmisję bezprzewodową. Może ona być zrealizowana za pomocą sprzężenia indukcyjnego, jak to zostało przedstawione na Rys. 10.37. [55]. U1- nadajnik sygnału (dane z czujnika pomiarowego); U2 - odbiornik sygnału pomiarowego d-odległość między cewką nadawczą a odbiorczą (pakiety tekstylne); L1,L2 - indukcyjności własne cewki nadawczej i odbiorczej Rys. 10.37. Transmisja bezprzewodowa przy użyciu sprzężenia indukcyjnego [55] 454 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Sprzężenie to realizowane jest za pomocą transformatora powietrznego, który stanowią dwie cewki o kształtach tak dobranych, aby indukcyjność wzajemna nie ulegała zmianie podczas ruchów użytkownika. Taki sposób komunikacji eliminuje konieczność prowadzenia przewodów między warstwami, choć trzeba brać pod uwagę tłumienie sygnału, który przechodzi przez wiele warstw pakietu tekstylnego. Tab. 10.4. Podstawowe parametry łącza podczerwieni [56] Interfejs Standard IRDA nm Mb/s Liczba Kąt urządzeń widoczności Zasięg pracujących nadajnika w jednej z odbiornisieci kiem m ° 850-900 4 1 2 30 4 8 10 120 Długość fali Area Infra Red 900 (rozszerzenie) Prędkość transmisji Do transmisji danych pomiarowych wewnątrz odzieży może posłużyć łącze podczerwieni IrDA (Infrared Data Association), które pracuje w zakresie niewidzialnego promieniowania podczerwonego. W takim układzie nadajnikiem danych jest dioda podczerwieni, a elementem odbierającym dane jest fototranzystor. Parametry łącza bezprzewodowego pracującego w podczerwieni zostały przestawione w Tab. 10.4. Ten sposób komunikacji posiada stosunkowo wysoką prędkość transmisji i niski pobór mocy, ale ograniczeniem jest mała liczba urządzeń pracujących w jednej sieci oraz mały kąt widoczności nadajnika i odbiornika. Obecnie standard ten jest rozwijany i posiada wiele rozszerzeń np. Area Indra Red. Wadą komunikacji w podczerwieni jest to, że żadne przeszkody nie mogą być umieszczone między nadajnikiem i odbiornikiem. Nadajniki i odbiornik powinny być praktycznie rozmieszczone w linii wzajemnej „widoczności”. Łącze bezprzewodowe podczerwieni może mieć zastosowanie wyłącznie w przypadku przestawionym na Rys. 10.34. 10.8.3. Transmisja na zewnątrz odzieży Informacja z czujników umieszczonych w odzieży jest nie tylko użyteczna dla użytkownika ubrania tekstronicznego, ale przede wszystkim dla centrum monitoringu, które podejmuje decyzje w stanach zagrożenia życia człowieka. Możliwość transmitowania sygnałów na zewnątrz odzieży wiąże 455 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE się również z ważnym obszarem zastosowań, jakim jest ochrona zdrowia. Została ona tutaj pomyślana jako ciągły monitoring podstawowych parametrów fizjologicznych, takich jak temperatura, rytm oddechu, ciśnienie tętnicze krwi itp. Oczywiste jest, że jedyną drogą komunikacji i łączności między ratownikiem lub pacjentem wyposażonym w odzież tekstroniczną a centralą jest radiowe łącze bezprzewodowe. Na rynku istnieje wiele technik radiowego przesyłu danych lecz nie każda z tych technik może być użyteczna w przypadku przesyłu informacji z ubrania tekstronicznego do centrali monitoringu. W Tab. 10.5. zostały krótko przedstawione właściwości i parametry najczęściej stosowanych technik bezprzewodowych [56], [57], [58], [59]. Wynika z niej, że techniki bezprzewodowe można podzielić na bliskiego i dalekiego zasięgu. Należy podkreślić, że maksymalny zasięg w tabeli został podany dla linii widoczności nadajnika i odbiornik tzn. dla sytuacji, w której na drodze przesyłu danych nie ma żadnych przeszkód naturalnych ani budynków. Tab. 10.5. Zestawienie najpopularniejszych technik bezprzewodowych Technologia Parametr Pasmo lub zakresy częstotliwości MHz Maksymalna moc sygnału W Maksymalny zasięg km Maksymalna prędkość transmisji kbit/s GSM TETRA WiFi Zigbee ISM 868MHz 868-870 902-928 24002483,5 869,4869,65 900/18 00/190 0 400 2400 – 2483,5 5725 – 5875 81) 101) 1 0,1 0,5 352) 602) 10 0,1 4 384 28,8 54000 250 150 Zależy od maksymalnej TAK TAK mocy oraz NIE kraju stosowania 1 Wartość podana dla przenośnych terminali 2 Zasięg podany w obszarze jednej stacji bazowej Wymagana licencja na nadawanie - NIE Z tabeli wynika także, że każda z tych technik wykorzystuje różne pasma częstotliwości przy różnych dopuszczalnych poziomach mocy sygnału, co ma decydujący wpływ na wybór do konkretnego zastosowania, gdyż należy podkreślić, że nie ma uniwersalnej techniki, która mogłaby być 456 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE wszędzie użyta. W związku z tym przy wyborze techniki bezprzewodowej do konkretnego zastosowania trzeba brać pod uwagę następujące kryteria: uregulowania prawne danego kraju w dziedzinie przydziału nielicencjonowanych pasm częstotliwości, odpowiednią częstotliwość pracy, dopuszczalną moc sygnału nadawanego dla danego pasma częstotliwości, maksymalną prędkość transmisji danych, jaką można uzyskać wykorzystując daną technikę, bezpieczeństwo przesyłanych danych, możliwość zasilania bateryjnego, dostępność urządzeń w danej technice w postaci modułów, rodzaj przesyłanych danych, tj. dane pomiarowe z czujników, sygnał wizji lub audio, maksymalną liczbę urządzeń pracujących w obszarze jednego systemu oraz możliwość pracy systemu w przypadku awarii stacji bazowej oraz cenę systemu. Stosując się do wyżej wymienionych kryteriów w Katedrze Odzieżownictwa i Tekstroniki Politechniki Łódzkiej zostało zaprojektowane i wykonane łącze bezprzewodowe wykorzystujące moduły radiowe pracujące w paśmie 868 MHz [60]. Wybór tej techniki bezprzewodowej był podyktowany tym, że moduły radiowe pracują tu w paśmie nielicencjonowanym, maksymalna dopuszczalna moc sygnału nadawanego wynosi 500 mW, przez co można uzyskać maksymalny zasięg do 4 km w linii widoczności nadajnika i odbiornika. Ponadto moduły te umożliwiają łatwą rozbudowę systemu, mają możliwość komunikacji z komputerem przez interfejs RS-232, mogą być zasilane bateryjnie, nie wymagają komunikacji ze stacją bazową i zapewniają maksymalną prędkość transmisji danych do 38,4 kbit/s. Mogą one służyć do transmisji danych zebranych z czujników ubrania tekstronicznego strażaka do centrali dowodzenia akcją ratowniczą. Wykonano również wstępne badania zasięgu i poprawności przesyłania danych w terenie zabudowanym. Sposób badań łącza został przedstawiony na Rys. 10.38. 1- odbiornik; 2- nadajnik wraz z układem mikrokontrolera; 3- odzież; 4- czujnik temperatury pododzieżowej Rys. 10.38. Schemat blokowy przedstawiający sposób badania łącza bezprzewodowego [60] 457 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Moduł odbiornika wraz z komputerem PC pełniły rolę stacji monitoringu i były umieszczone w budynku. Odbiornik otrzymywał dane pomiarowe transmitowane przez nadajnik, który znajdował się w ubraniu badacza. Do nadajnika był podłączony czujnik temperatury pododzieżowej. Całość, czyli ubranie, czujnik i nadajnik stanowiły system tekstroniczny. Nadajnik transmitował dane z czujnika temperatury w °C, co 2 s, z mocą wyjściową o maksymalnej wartości chwilowej 415 mW. W trakcie badań polowych badany był zasięg między nadajnikiem znajdującym się w ubraniu badacza, a odbiornikiem umieszczonym w budynku. Należy podkreślić, że badania te zostały wykonane w warunkach miejskich w obecności linii tramwajowej, wysokich budynków oraz wysokich drzew znajdujących się w parku. Pomierzone odległości zostały naniesione na Rys. 10.39. linia tramwajowa F E Park D C Odbiornik G H A B A-400m B-918m C-368m D-418m E-400m F-446m G-218m H-272m Rys. 10.39. Odległości pomiarowe naniesione na plan obszaru badań [60] Pomiary wykonano w różnych kierunkach względem położenia odbiornika. Punkty A, C, E, G wyznaczają strefę silnego sygnału, w której połączenie między nadajnikiem a odbiornikiem jest zachowane bez przerw, w odległości za tymi punktami łączność jest zachowana, ale z przerwami w transmisji. W odległości za punktami B, D, F, H następuje trwałe zerwanie łączności, czyli można uznać, że jest to granica zasięgu łączności radiowej. 458 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.9. Biopomiary 10.9.1. Wstęp Biopomiary, mają na celu między innymi, określenie wielkości fizycznych charakteryzujących człowieka oraz wyznaczanie współzależności między tymi wielkościami; wykorzystywane w medycynie, głównie w diagnostyce medycznej. Rozwój elektroniki przyczynił się do powstania nowych miniaturowych elektronicznych elementów i układów pomiarowych. Współczesna medycyna wymaga dobrej diagnostyki i nowoczesnej aparatury do różnego rodzaju zabiegów. Naturalną funkcją medycyny jest zapobieganie chorobom poprzez wczesne wykrywanie zagrożenia wystąpienia choroby. Zarówno w diagnostyce i terapii bardzo ważną rzeczą są pomiary biomedyczne. Biopomiary mają na celu pomiar wielkości biofizycznych na podstawie, których można określić stan zdrowia pacjenta i bieżącą kontrolę jego zdrowia, można to zrealizować za pomocą tekstronicznych ubiorów, w których umieszczone są czujniki. Mierzone są między innymi takie wielkości jak: ciśnienie tętnicze krwi, tętno, częstość rytmu oddechowego, temperatura ciała człowieka, sygnały bioelektryczne mikropotencjałów serca (EKG), postawę i czynności ruchowe człowieka [61], [62], [63]. 10.9.2. Pomiar częstości rytmu oddechowego za pomocą czujnika światłowodowego Jednym z istotnych parametrów fizjologicznych człowieka jest częstość rytmu oddechowego. Można go mierzyć za pomocą czujnika tekstronicznego, który ma postać opaski umieszczonej na klatce piersiowej lub koszulki tekstronicznej. Do budowy czujników wykorzystuje się włókna elektroprzewodzące, optyczne i piezoelektryczne. W Katedrze Automatyzacji Procesów Włókienniczych, obecna nazwa Katedry Odzieżownictwa i Tekstroniki opracowano dwa rodzaje czujników wykonanych z włókien optycznych, jeden zbudowano z kabla piezoelektrycznego i dwa czujniki, w których wykorzystano włókna elektroprzewodzące. Proces oddychania powoduje odkształcenie klatki piersiowej, które jest mierzone przez czujnik tekstroniczny. Przy czym mezurandem jest częstość rytmu lub ilość impulsów w czasie jednej minuty. Jednym z rozwiązań konstrukcyjnych czujnika do pomiaru częstości rytmu oddechowego za pomocą włókien optycznych opisany w [64]. 459 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Zbudowany prototyp sensora umieszczony jest na pasie opinającym klatkę piersiową człowieka. Pas może być umieszczony wewnątrz ubrania tekstronicznego (koszula, kurtka lub inna część garderoby) Przykładowy sposób zamocowania czujnika przedstawia Rys. 10.40. Pokazuje on również sposób ułożenia monofilamentu światłowodowego wraz z miniaturowym układem elektronicznym do zliczania liczby oddechów w czasie jednej minuty. Układ elektroniczny może być umieszczony w opasce lub wszytej kieszeni. Pomiar rytmu oddechowego odbywa się w czasie jednej minuty, po którym jest odczyt wskazań, a następny pomiar rozpoczyna się po wyzerowaniu licznika. Układ elektroniczny może być rozbudowany o wyświetlacz graficzny (pokazujący kształt impulsów podczas oddechu), (Rys. 10.41) oraz sygnał alarmowy wykrywający stan zagrożenia życia po przekroczeniu wartości granicznych (minimalnych i maksymalnych). Głowica zbudowana jest z dwóch współosiowo umieszczonych światłowodów z tworzywa sztucznego, nadawczego i odbiorczego, które charakteryzowały się tłumieniem 500 dB/km przy transmisji światła o długości fali 590 nm. Do budowy układu użyto dwóch światłowodów o długości 0,5 m o średnicy rdzenia 1 mm. Usytuowane są one poziomo, jeden na przedłużeniu drugiego i sprzęgnięte ze sobą tekstylną sprężyną. Każdy ze światłowodów umieszczony jest w tuleji suwliwie. Rys. 10.40. Schemat czujnika światłowodowego [17] Rys. 10.41. Napięcie wyjściowe czujnika odpowiadające unormowanemu oddechowi [17] Jeden koniec włókna optycznego jest usytuowany na wprost diody elektroluminescencyjnej, która go oświetla. Drugi koniec włókna optycznego odbiorczego jest usytuowany naprzeciw fotodiody ją oświetlając. Zasada działania sensora polega na zmianie odległości między końcami światłowodów w głowicy podczas ruchów klatki piersiowej, co powoduje zmianę natężenia promieniowania przenoszonego przez światłowód odbiorczy oświetlający fotodiodę. 460 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.9.3. Czujnik częstości rytmu oddechowego wykonany z włókien elektroprzewodzących Innym czujnikiem do pomiaru tej wielkości jest czujnik zbudowany z włókien elektroprzewodzących [16]. Został on umieszczony w koszulce wykonanej techniką dziewiarską w formie wyrobu odpasowanego na szydełkarce firmy Stoll. W algorytmie procesu dzianina uwzględniono indywidualne wymiary użytkownika i wartości 10% wydłużenia względnego obwodów, w celu równomiernego przylegania do ciała. Do wytworzenia koszulki wykorzystano przędzę bawełnianą oraz elektroprzewodzącą przędze Xsilver Rys. 10.42. W strukturze koszulki wykonano trzy sensoryczne pasy przędzy elektroprzewodzącej o szerokości około 3 cm. Sensoryczne pasy rozmieszczono na różnych wysokościach klatki piersiowej w celu uzyskania największej czułości zmian rezystancji pasów, podczas oddychania. Zmiana rezystancji wynika z odkształcenia koszulki sensorycznej pod wpływem ruchów klatki piersiowej podczas oddychania. Rezystancja pasa będącego elementem czujnika zamienia się pod wpływem wydłużenia i rezystancji przejścia między dwiema nitkami [12], [26]. Końce pasów dzianinowych z przędzy elektroprzewodzącej przyłączono do wzmacniacza prądu zmiennego. Na jego wyjściu pojawia się przebieg napięcia odpowiadający rytmowi oddechowemu. Jest on określany liczbą impulsów w czasie jednej minuty. Przebiegi zarejestrowane za pomocą koszulki dla trzech pasów ilustruje Rys. 10.43. 1 1 – spirometr; 2 2 - elektryczne złącza pomiarowe; 3 - sensoryczne pasy; 3 A - wzmacniacz oraz urządzenie rejestrujące [16] A Rys. 10.42. Tekstroniczna koszulka wraz z układem pomiarowym 461 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 2,50 2,00 U, V 1,50 1,00 0,50 0,00 -0,50 0 2 4 6 8 10 -1,00 t, s Rys. 10.43. Napięcia wyjściowe czujnika [16] 10.9.4. Pomiar temperatury ciała człowieka Temperatura ciała człowieka jest jednym z podstawowych parametrów fizjologicznych, wpływających na jego zdrowie i kondycję. Prócz tradycyjnych czujników temperatury możliwe jest zastosowanie prototypowych tekstylnych czujników temperatury. Przykładem takiego czujnika jest termoelement tekstylny [32], przedstawiony na Rys. 10.44. 1 A 3 B 2 Rys. 10.44. Schemat budowy termoelementu liniowego [32] Czujnik ten zawiera dwie równoległe względem siebie tekstylne warstwy elektroprzewodzące 1 i 2 oraz warstwy 3 w postaci włókniny z włókien nieprzewodzących. W przypadku wystąpienia różnic temperatur pomiędzy punktem A i B powstaje siła elektromotoryczna. Dzięki tekstyliom elektroprzewodzącym używanym, jako termoelektrody, wykonane czujniki mogą mieć dowolną formę budowy wyrobu płaskiego lub liniowego. Można stworzyć również kombinacje wyrobów płaskich z liniowymi, lub hybrydy łączące tekstylia z termoelektrodami tradycyjnymi w postaci drutu metalowego. Tego typu konstrukcje nadają się do bezpośredniej implementacji w struktury odzieżowe, w celu wykonania tekstronicznych systemów monitorujących temperaturę pododzieżową człowieka. 462 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.10. Włókniste nośniki elementów tekstronicznych 10.10.1. Tkaniny Włóknistymi nośnikami elementów tekstronicznych mogą być tkaniny, dzianiny, włókniny oraz inne wyroby włókniste jak wyroby wielowarstwowe lub pakiety odzieżowe. Tkaniną nazywamy płaski wyrób włókienniczy złożony z dwóch układów nitek: osnowy biegnących wzdłuż tkaniny i nitek wątku prostopadłych do nitek osnowy. Osnowa i wątek przeplatają się ze sobą według określonego porządku, który nazywamy splotem (np. płócienny, skośny itp. - Rys. 10.45 i Rys. 10.46). Sploty dzieli się na zasadnicze i pochodne. Do splotów zasadniczych zalicza się splot płócienny, skośny i atłasowy. Najmniejsza liczba nitek osnowy i wątku, po której porządek przeplatania obu układów nitek powtarza się nazywana jest raportem. Na strukturę tkaniny wpływają następujące czynniki: rodzaj zastosowanych włókien, masa liniowa (grubość) nitek osnowy i wątku, liczba nitek osnowy i wątku na 1 dm oraz ich wrobienie. Wrobieniem nazywamy procentowy iloraz różnicy długości nitki między jej długością po rozprostowaniu a długością w tkaninie i długości nitki w tkaninie. Tkaniny wykonuje się na krosnach w procesie tkania. Rys. 10.45. Splot płócienny [65] Rys. 10.46. Splot skośny [65] Zamiast nitek wątku lub osnowy mogą być wprowadzone nitki elektroprzewodzące, składające się najczęściej z metalowego rdzenia i włóknistego oplotu. Przykłady tkanin z nitkami elektroprzewodzącymi przedstawiają Rys. 10.47 i Rys. 10.48. [66]. Rys. 10.47. Tkanina z włókien Nitryl2 Static o masie powierzch. 95 g/m [66] Rys. 10.48. Tkana tekstroda o wymiarach 3 x 3 cm [66] 463 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.10.2. Dzianiny Obok tkanin podstawowym wyrobem włókienniczym są dzianiny wytwarzane z nitek w procesie dziania. Dzianiny mogą być produkowane jako metrażowe o określonej szerokości lub odpasowane, tzn. wytwarzane bezpośrednio w postaci elementów o określonych kształtach. Nitka w dzianinie tworzy oczka otwarte lub zamknięte. Układ oczek jedno nad drugim nazywa się kolumienką, zaś uszeregowanych obok siebie – rządkiem. W dzianinach rozróżnia się stronę prawą i lewą. Prawą stroną jest ta, na której widoczne są odcinki łączące wierzchołek i podstawę oczka. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi dzianinę są: liczba rządków i kolumienek oraz grubość. Im więcej rządków i kolumienek przypada na odcinek o określonej długości, tym dzianina jest bardziej ścisła, zaś grubość dzianiny zależy od masy liniowej nitki i rodzaju splotu. Dzianiny dzielimy na tzw. rządkowe wytwarzane na szydełkarkach i kolumienkowe wytwarzane na maszynach osnowowych. Dzianiny rządkowe przy wyciąganiu nitki dają się łatwo pruć, zaś w dzianinach osnowowych oczka nie ulegają pruciu (może lecieć oczko wzdłuż kolumienki). Zasadniczym elementem każdej maszyny dziewiarskiej są igły (np. haczykowe lub języczkowe). Sploty dziewiarskie podobnie jak tkackie charakteryzuje raport splotu. Jest to najmniejsza liczba oczek w rządku i kolumience, która powtarza się w ściśle określonym porządku na powierzchni dzianiny. Sploty dziewiarskie dzieli się na zasadnicze, pochodne i wzorzyste. Do splotów zasadniczych zalicza się splot lewoprawy, dwuprawy i dwulewy (Rys. 10.49. i Rys. 10.50). Dzianiny w odróżnieniu od tkanin charakteryzują się dużą elastycznością, rozciągliwością, skłonnością do prucia się i zwijania brzegów. Rys. 10.49. Strona prawa dzianiny lewoprawej [65] Rys. 10.50. Strona prawa dzianiny lewoprawej [65] Do dzianiny mogą być wprowadzone nitki elektroprzewodzące lub cała dzianina może być z nich wykonana. Na Rys. 10.51 przedstawiono przykład takiej dzianiny, zaś Rys. 10.52 przedstawia połączenie czujnika temperatury z dzianiną. 464 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.51. Dzianina stalowa o masie powierzchniowej 1094 g/m2 [66] Rys. 10.52. Połączenie czujnika temperatury z dzianiną [66] 10.10.3. Włókniny Włókniny tworzy się z masy luźnych włókien odpowiednio uformowanych np. w runo, poddanych następnie wiązaniu przez przeszywanie, igłowanie lub sklejanie środkami wiążącymi (np. lateksem czy środkami termoplastycznymi). Nowe technologie pozwalają uzyskiwać włókniny bezpośrednio z polimeru. Ich technologia jest relatywnie tania, dlatego stosuje się je często na wyroby jednorazowego użytku. Istnieje możliwość umieszczania na nich punktowych elementów elektronicznych (Rys. 10.53) np. czujników termistorowych, czy też drukowania niewielkich obwodów elektrycznych. Można też umieszczać na nich wyroby liniowe np. w postaci siatek elektroprzewodzących. Mogą również całe być wykonane z materiału elektroprzewodzącego. Rys. 10.54. przedstawia włókninę grafitową o masie powierzchniowej 65 g/m2. Rys. 10.53. Przykład punktowego rozmieszczenia czujników [66] Rys. 10.54. Włóknina grafitowa o masie powierzchniowej 65 g/m2 [66] 10.10.4. Wyroby wielowarstwowe Nowoczesne wyroby wielowarstwowe stosowane na odzież zewnętrzną powinny charakteryzować się dużą wodoodpornością (czyli wodoszczelno465 10. SYSTEMY TEK KSTRONICZNE W MECHATRO ONICE ścią ą i niezwilżaln nością), a jed dnocześnie po owinny przepu uszczać na ze ewną ątrz pot w posttaci pary wodn nej umożliwiają ąc skórze ludzkkiej oddychanie. Dlattego coraz częściej c stos suje się do tego celu tzzw. membran ny półp przepuszczalne charaktery yzujące się pewną porow watością. Pory mem mbran są na tyle małe, że nie pozwalają wodzie w postaci krop pli desszczu dostać się s do wnętrza a odzieży, a je ednocześnie na n tyle duże, że ż czą ąsteczka potu w postaci pary wodnej może się swobodnie e przedostać na n zew wnątrz (Rys. 10 0.55). Rys. 10.55. Trójwarstw wowy laminat z membraną Gore etex Do tego typu wyyrobów można a stosować pu unktowe lub lin niowe elementy elekktroniczne. 10.10.5. Pakiiety odzieżo owe Najczęściej nośnikiem elementtów tekstroniczznych jest odzzież, składając ca się z wielu kompo onentów tworzących tzw. pakiet odzieżowyy, choć mogą to t byćć również np. artykuły wyp posażenia wn nętrz, sprzęt medyczny, cz zy ratu unkowy. Dzię ęki wbudowa aniu w stru ukturę odzieżży elementó ów teksstronicznych może spełniać dodatkow we funkcje, a mianowic cie info ormacyjne, kom munikacyjne, ro ozrywkowe itp. Odzież taka nosi miano tzw w. „odzzieży inteligen ntnej” [67]. Na a Rys. 10.56 przedstawiono o typowy pakiet odzzieżowy stosow wany w kurtka ach zimowych h, składający się z materiału wierzchniego z membraną Thermoactivve, włóknino owego wkład du ocie eplającego i wyrobu Pola artec spełniają ącego rolę podszewki, p za aś przyykładową kurtkkę z wbudowa anymi elementa ami urządzeń elektronicznyc ch prze edstawia Rys. 10.57. Eleme enty elektronicczne mogą byćć wprowadzon ne za pomocą p różnycch technik opis sanych w 10.3 3. 466 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.56. Typowy pakiet odzieżowy stosowany w kurtkach [68] Rys. 10.57. Elementy elektroniczne w odzieży [14] 10.11. Badania elementów systemów tekstronicznych Powstające w ostatnich latach wielofunkcyjne struktury włókniste takie jak nitki czy tkaniny przewodzące prąd elektryczny wymagają opracowania nowych metod pomiarowych oraz konstruowania nowych przyrządów. Podobnie rzecz się ma np. z płaskimi produktami jak tkaniny czy dzianiny, w których umieszczono układy elektroniczne. W każdym przypadku mamy do czynienia z nowymi, często wielowymiarowymi, obiektami pomiaru stawiającymi przed prowadzącymi badania nowe wymagania. W podrozdziale zostaną zaprezentowane ostanie konstrukcje aparatury mierniczej skonstruowane w Katedrze Automatyzacji Procesów Włókienniczych PŁ (obecnie Katedra Odzieżownictwa i Tekstroniki). Stanowią one przykład rozwiązań mechatronicznych stosowanych w metrologii tekstronicznej. Rys. 10.58. Widok ogólny przyrządu Tilmet 88 Fatiguetester W 2007 roku skonstruowano przyrząd Tilmet 88 – Fatiguetester, który umożliwia pomiar rezystancji nitek elektroprzewodzących przy 467 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE jednoczesnym rozciąganiu i cyklicznym zginaniu [69]. Ma on strukturę zautomatyzowanego stanowiska pomiarowego oprogramowanego w LabVIEW. Ogólny widok urządzenia pokazano na Rys. 10.58. Nitka mocowana jest w zaciskach, z których jeden połączono z przetwornikiem tensometrycznym. Element sprężysty przetwornika umieszczono na ruchomej karetce poruszanej silnikiem krokowym. Drugi zacisk posiada konstrukcje umożliwiająca zginanie badanej nitki w zakresie ± 900. Proces zginania jest realizowany przez drugi silnik krokowy. Przesuwanie zacisku pierwszego rozciąga nitkę zaś obrót drugiego cyklicznie ją zgina. Sterowanie elementami wykonawczymi wywołującymi naprężenia wzdłużne i zginające oraz akwizycja danych pomiarowych, wraz z ich przetwarzaniem, odbywa się w wirtualnym przyrządzie pomiarowym. Procedurę kontrolno- pomiarową napisano w programie LabView. Wyniki pomiarów i ich analizy są wizualizowane na ekranie komputera w postaci graficznej (Rys. 10.59) Przyrząd umożliwia wykonanie obliczeń maksymalnej, minimalnej, średniej wartości siły i rezystancji maksymalnej dla kilku próbek; pozwala także na wyznaczenie podstawowych wskaźników statystycznych siły zrywającej i rezystancji na podstawie analizy zbiorów obserwacji jednostkowych. Rys. 10.59. Panel sterowania przyrządu Tilmet 88 468 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Zakres siły rozciągającej to 0-20 N z dokładnością odczytu 0,01 N. Ciągły pomiar rezystancji realizowany jest przy użyciu multimetru Agilent 34410A o dokładności odczytu 0,01 Ω. Maksymalna liczba cykli zginania wynosi 106. Przyrząd wyróżniono srebrnym medalem na The Belgian and International Trade Fair for Technological Innovation, 2007 oraz na wystawie 2nd International Warsaw Invention Show IWIS, 2008. Otrzymał także Dyplom Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Jego twórcy to: Krzysztof Gniotek, Jadwiga Kucharska-Kot, Jacek Leśnikowski i Henryk Kapusta. Do oceny nierównomierności rezystancji nitek elektro-przewodzących opracowano stanowisko pomiarowe [70] o nazwie Tilmet 90 – Resistance Tester. Daje ono możliwość ciągłego przemieszczania badanego obiektu między dwoma parami punktów pomiarowych (metoda czteropunktowa). Stanowisko zostało skonstruowane w technice podobnej do poprzedniego przyrządu z użyciem programu LabVIEW do sterowania i obrazowania wyników pomiaru. Rys. 10.60 pokazuje ogólny widok części stanowiska zawierającej punkty pomiarowe i część układu akwizycji danych pomiarowych. Na następnych rysunkach (Rys. 10.61. i Rys. 10.62) pokazano wyniki pomiaru zmiany liniowej rezystancji dwóch obiektów. Pokazują one jak bardzo różnią się między sobą elementy standardowe (drut miedziany) i tekstroniczne (nitka elektroprzewodząca Bekinox). Rys. 10.60. Ogólny widok części stanowiska Tilmet 90 – Resistance Tester Przyrząd otrzymał nagrodę specjalną - Firi Award for the Best Invention przyznaną na 6th International Exhibition Inventions New Techniques and Product, Inventors Festival, SuZhou – Chiny, 2008 przez The First Institute 469 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Inventors & Researchers in I.R.IRAN. Jego twórcami jest ten sam zespół co poprzednio. 90 Rezystancja - mOhm 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Przemieszczenie badanych punktów - mm Rys. 10.61. Zależność rezystancji liniowej od przemieszczenia drutu miedzianego 30 Rezystancja, Ohm 29 28 27 26 25 24 0 100 200 300 400 500 Przemieszczenie badanych punktów w mm 600 Rys. 10.62. Zależność rezystancji liniowej od przemieszczenia nitki Bekinox VN Ciekawą konstrukcją jest przyrząd Tilmet 91 – Zrywarka do włókien magnetycznych (Rys. 10.63). 470 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.63. Zrywarka do włókien magnetycznych [71] Jest to urządzenie do wyznaczenia właściwości mechanicznomagnetycznych. Składa się ono z miniaturowej rozciągarki wyposażonej w czujnik tensometryczny do pomiaru siły rozciągającej, czujnik przemieszczenia mierzący wydłużenie włókna magnetycznego i cewkę pomiarową. Urządzenie rozciągające jest wykonane z materiałów nie magnetycznych i napędzane jest ręcznie z pomocą śruby. Przyrząd jest wyposażony w układ do pomiaru natężenia pola magnetycznego i indukcji magnetycznej. Autorem konstrukcji jest Janusz Zięba i Henryk Kapusta. Do badania właściwości płaskich wyrobów skonstruowano przyrząd Tilmet 69 – Przepływomierz udarowy [72]. Pozwala on na ocenę zachowania się np. tkanin podczas skrośnych, dynamicznych przepływów powietrza. Odkształcanie powierzchni tkaniny umożliwia śledzenie zmian w jej zachowaniu spowodowanych naniesieniem warstw funkcjonalizujących lub umieszczeniem elementów elektronicznych. Jest to istotne nie tylko z punktu widzenia właściwości mechanicznych ale także możliwości kształtowania komfortu użytkowania badanych produktów w odzieży. Stanowisko ma kształt cylindra, w którym przemieszcza się szczelny tłok (Rys. 10.64). Tłok połączony jest z rdzeniem elektromagnesu zasilanego 471 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE przez wyłącznik ze źródła napięcia. Włączenie elektromagnesu powoduje ruch tłoka w cylindrze. Ruch ten powoduje powstanie podciśnienia pod próbką wyrobu włókienniczego i jej odkształcenie. Stanowisko wyposażone jest w cztery przetworniki umożliwiające pomiar: przemieszczenia tłoka x(t), przemieszczenia powierzchni próbki h(t), podciśnienia powietrza p(t) oraz prądu elektromagnesu i(t). Rys. 10.64. Stanowisko do oceny odkształceń tkaniny [73] Przyrząd otrzymał srebrny medal na 2nd International Warsaw Invention Show IWIS w 2008 roku. Został on skonstruowany przez zespół w składzie Krzysztof Gniotek, Magdalena Tokarska, Jacek Leśnikowski oraz Henryk Kapusta. 10.12. Zastosowania tekstroniki i perspektywy jej rozwoju 10.12.1. Wprowadzenie Współczesna odzież, szczególnie o specjalnym przeznaczeniu tj. sportowa, medyczna, ochronna, czy robocza nie pełni już tylko funkcji ochronnej, ale dzięki wbudowaniu w strukturę odzieży włókien elektroprzewodzących, 472 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE światłowodów i mikroprocesorów zyskuje cechy i funkcje nieznane ich tradycyjnym poprzednikom. Tekstylia pełnią funkcje informacyjne, komunikacyjne, adaptują się do warunków otoczenia. „Inteligentna odzież” na pozór niczym nie różni się od codziennej; można ją prać i prasować. Sekretem jest ukryta elektronika. Pajęczyna czujników mierzy temperaturę, tętno, pracę serca, liczbę spalanych kalorii, a układy elektroniczne mogą przesyłać te dane np. do telefonu komórkowego lub laptopa lekarza. Kurtka z MP3, komórką i słuchawkami, torebka z jarzącą się podszewką rozświetlającą wnętrze po otwarciu, to tylko niektóre przykłady nowoczesnych wyrobów znajdujących się już na rynku. Są jeszcze drogie, lecz przy masowej produkcji staną się dostępne na każdą kieszeń [74]. Większość projektantów skupia się jednak na odzieży o cechach bardziej funkcjonalnych niż estetycznych. Najprostsze modele tego typu wykonane są z tradycyjnych ubrań poprzez wbudowanie do nich zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych i źródeł zasilania. Baterie mogą być wszyte do kieszeni, obwody elektryczne z tradycyjnych przewodów mogą być ukryte w szwach, lub stworzone przed odpowiedni układ nitek elektroprzewodzących, a antena nadawcza - umieszczona w kołnierzu lub mankietach. W celu przenoszenia sygnałów elektrycznych od urządzenia wejściowego do odpowiedniego urządzenia wyjściowego włókna elektroprzewodzące mogą być inkorporowane do materiału odzieżowego lub do odzieży, w procesie tkania, dziania lub szycia. Do chwili obecnej elektroprzewodzące tekstylia nie są w powszechnym użytku, z wyjątkiem kilku specyficznych zastosowań. Jednym z producentów elektroprzewodzących tkanin jest firma Gorix (USA), produkująca tkaniny o nazwie handlowej Gorix E. Tkaniny te są niepalne, nie topią się, a woda i wilgoć nie powodują ich uszkodzeń, zaś stosowane niskie napięcia nie stwarzają zagrożeń dla użytkownika tkaniny. Znajdują zastosowanie jako elementy ogrzewające w odzieży sportowej, przeznaczonej dla osób uprawiających tzw. sporty ekstremalne, a także w odzieży roboczej i ochronnej. Wykorzystuje się je m.in. jako elementy ogrzewające w kombinezonach dla nurków, w rękawicach przeznaczonych dla kosmonautów, w kocach chroniących ofiary wypadków przed hipotermią. Sensoryczne tkaniny Gorix mogą być również wprowadzone do struktur kompozytowych, stosowanych w budownictwie lub przemyśle lotniczym. W strukturze kompozytu tkanina Gorix spełnia rolę elementu o zmiennej rezystancji. Znajomość zależności między rezystancją a przyłożonym naprężeniem pozwala monitorować integralność struktur wrażliwych na zmęczenie lub sygnalizować zbliżającą się awarię [14]. 473 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.12.2. Zastosowania tekstroniki Integracja mikroelektronicznego sprzętu z tkaninami umożliwia produkcję tekstyliów i odzieży, które mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach życia – w ochronie zdrowia i medycynie, odzieży ochronnej i ratownictwie, łączności, logistyce przemysłowej, a także sporcie, rozrywce i wielu innych. Ochrona zdrowia/medycyna Przykładem zastosowania elektronicznych tekstyliów w medycynie jest tzw. Lifeshirt (Rys. 10.65), czyli podkoszulek z sensorami i elektrodami implementowanymi do dzianiny, produkowany przez firmę VivoMetrics Inc. (USA) [75]. Lifeshirt umożliwia ciągłe monitorowanie pulsu, oddechu i temperatury ciała pacjenta, podczas snu, a także podczas wykonywania codziennych czynności. Podobne rozwiązanie proponuje również Centexbel (Belgia). Innym przykładem jest odzież z wbudowanym systemem GPS (Global Positioning System), pozwalającym na zlokalizowanie pacjenta, co ma szczególne znaczenie w przypadku osób cierpiących na zaburzenia pamięci [14] (Rys. 10.66). Monitorowanie stanu zdrowia osób w podeszłym wieku pozwoli na większy stopień niezależności tych osób i na pozostawanie we własnym domu, zamiast pobytu w szpitalu, czy w domu opieki. Podstawowym wyposażeniem takiej odzieży są czujniki połączone z elektrodami. Chorzy mogą mieć nową i niedrogą odzież ułatwiającą monitorowanie stanu zdrowia, a niekiedy nawet leczenie [76]. Innymi przykładami zastosowania tekstroniki w medycynie są np. materace przeciwodleżynowe, pościel z mikroukładami pomiarowymi telemetrycznymi, ponadto aktywne implanty włókniste, czy sztuczne mięśnie. Rys. 10.65. Life shirt [75] 474 Rys. 10.66. Global Positioning System [14] 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Ratownictwo i odzież ochronna Firma Gorix opracowała układ pomiarowy temperatury o nazwie Gorix Sens-A-Strip. Zasada pomiaru opiera się na liniowej zależności rezystancji tkaniny od temperatury. Cienki pasek Gorix jest wykorzystywany jako sensor temperatury w kurtce ochronnej strażaka tzw. Talking Jacket. Umieszczony w tylnej części kurtki, zareaguje na nagłą zmianę temperatury i spowoduje aktywowanie sygnału dźwiękowego, ostrzegającego użytkownika przed niebezpieczeństwem. Paski tkaniny Gorix mogą być również używane jako sensory na manekinie termicznym, stosowanym w badaniach skuteczności odzieży ochronnej [14]. Pożar, płomienie, dym stwarzają ryzyko dla życia pracującej w miejscu ognia ekipy. Inteligentne układy czujników w odzieży potrafią dostarczyć cennych informacji dla wczesnego ustalenia niebezpiecznych sytuacji i pomóc w pomóc podjęciu właściwych decyzji (Rys. 10.67) [30], [75]. Prace w chemicznie ochronnym ubraniu potrzebują precyzyjnej wiedzy o możliwym skażeniu środowiska. Elementy QTC [28] zintegrowane z odzieżą mogą wykrywać np. poziom promieniowania w warunkach przemysłowych [77]. Jeżeli czujnik pomiarowy jest zintegrowany z ubraniem ochronnym i związany z systemem monitoringu, to noszący ubranie będzie mógł lepiej się skoncentrować i ograniczyć techniczne problemy bardziej skutecznie na miejscu skażenia (Rys. 10.68). To samo dotyczy kombinezonów ratownictwa górskiego, czy morskiego. Rys. 10.67. Odzież ochronna dla strażaka [75] Rys. 10.68. Odzież chroniąca przed chemikaliami [75] Aktywne czy bierne przekaźniki zintegrowane z odzieżą mogą powodować niezawodne i wczesne ostrzeganie np. operatorów ciężkich maszyn w sytuacji, gdy dźwig z załadunkiem będzie znajdował się nad głowami robotników. Elementy QTC mogą być także montowane na narzędziach, i tak np. piła nie zadziała, jeżeli robotnik nie dotknie jej obiema rękami. 475 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Wojsko W wojsku szczególnie istotne są systemy monitorujące zdrowie żołnierza. Stosowane są specjalne mundury, które np. zmieniają swoje kolory w zależności od otoczenia tzw. mundury kameleonowe, oraz aktywne kamizelki kuloodporne umożliwiające sterowanie mikro- i nanomięśniami, a także ubrania wielowarstwowe, które będą sygnalizować przebicie. Ciekawym rozwiązaniem są tzw. ekrany aktywne powodujące, że żołnierz staje się niewidzialny dla wroga (prace Perdue University, USA). Logistyka Zastosowanie e-tekstyliów w logistyce umożliwiają inteligentne etykiety tekstylne (“smart label”). W tym celu firma Infeon opracowała specjalny mikrochip, który gromadzi różne informacje, a wbudowana antena pozwala na bezprzewodowe przekazywanie danych do czytnika, bez potrzeby stosowania oddzielnego źródła zasilania. Takie inteligentne etykiety mogą znaleźć zastosowanie m.in. w dużych pralniach przemysłowych, a także firmach zajmujących się dostawą i konserwacją odzieży roboczej. Ponadto mogą gromadzić kody pozwalające odróżnić wyrób markowego producenta od falsyfikatu. Następny etap, to inteligentne pralnice: zapisane w inteligentnej etykiecie informacje, dotyczące konserwacji odzieży, zostaną zidentyfikowane przez pralnicę i zapewnią odpowiedni wybór programu dla wszystkich sztuk odzieży zawartych w bębnie pralnicy [14]. Sygnalizacja obecności na drodze Tekstylne kompozycje z sygnałem lub efektem ostrzegania przyczynią się także do efektywnej ochrony dzieci lub ludzi starszych w ruchu drogowym (Rys. 10.69). Sport Przykładem może być tu odzież monitorującą i rejestrującą akcje serca, puls, liczbę oddechów, temperaturę skóry użytkownika odzieży, czy odzież sportowa z wbudowanym systemem GPS, pozwalającym na zlokalizowanie użytkownika, kompasem elektronicznym i wysokościomierzem. Naukowcy z holenderskiej organizacji Stosowanych Badań Naukowych w Soesterbergu (Holandia) stworzyli wibrującą koszulkę dla sportowców (Rys. 10.70). Wmontowane w nią czujniki analizują pracę zawodnika – wyczuwają, gdy mięśnie pracują słabiej. Wtedy wysyłają w ich kierunku wibracje, które stymulują je do szybszego tempa pracy [78]. 476 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.69. Efekt ostrzegania kolorem [73] Rys. 10.70. Przykład podkoszulki monitorującej parametry sportowca Nowoczesne, “inteligentne” ubrania sportowe mają m.in. ułatwiać trening. Obudowany licznymi czujnikami dres będzie mierzył ciśnienie krwi i tętno, odtwarzał podkład muzyczny (motywujący do zwiększenia wysiłku albo skłaniający do zwolnienia tempa), a wyniki wszystkich badań będą na bieżąco wysyłane do centrum komputerowego w klubie [79]. Lucy Dunne, studentka Cornell University, realizując temat pracy magisterskiej z zakresu „wereable electronics” opracowała tanią kurtkę dla osób uprawiających jogging. W lewym mankiecie umieściła monitor pulsu, czujniki w podszewce kontrolowały temperaturę, a włókna oporowe dostarczały ciepło zależnie od potrzeb organizmu. Kurtka wyposażona była dodatkowo w lamówki z przędzy elektroluminescencyjnej świecącej w ciemnościach, co zapewniało bezpieczeństwo poruszania się w ruchu drogowym [74]. Moda Interaktywne tekstylia, w których elektronika stanowi integralną całość, są już praktycznie w zasięgu ręki projektantów odzieży. Wielu z nich wykorzystuje te możliwości do wykreowania wyrobów włókienniczych nowej generacji. Tak na przykład powstał włoski Luminex – świecąca tkanina posiadająca w strukturze włókna optyczne i diody LED emitujące barwne światło. Ten materiał wykorzystany został do zaprojektowania i uszycia świecących sukien ślubnych, sukienek koktajlowych oraz kostiumów dla śpiewaków operowych (Rys. 10.71). Efekt luminescencyjny dostarcza atrakcyjnych efektów z estetycznego punktu widzenia. Elementy optoelektroniczne mogą być włączane do zwyczajnych tkanin i tworzonych kreacji jako hafty, szwy i lamówki. Jarzą się kolorowym światłem kiedy połączy się je z zasilaniem np. z małych baterii litowych [74]. 477 10. SYSTEMY TEK KSTRONICZNE W MECHATRO ONICE Rozzrywka Na seminarium Avantex A we Frrankfurcie w 2 2002 r. przedsstawiono odzie eż z za aimplementow wanym zmin niaturyzowanym odtwarzzaczem MP P3 (Ryys. 10.72). Syystem zawiera a mikrochipow wy audiomoduł, do któreg go inte erfejsów mogą ą być podłączo one mikrofonyy, słuchawki, media pamięc ci, klaw wiatury, monittory, sensory i bateria zasilająca. Funkccjonalność teg go mod dułu jest okre eślona przez wbudowany software. W skład system mu wch hodzą: bateria litowa, dostarrczająca niezb będnej energii elektrycznej na n kilka a godzin działa ania, oraz multtimedialna karrta MMC (64 Mb). M Karta ta jest umiieszczona w szczelinie ob budowy baterii. Trzeci skła adnik systemu, to klawiatura k pozw walająca użytk kownikowi urucchomić odtwarzacz, sterowa ać natę ężeniem dźwiięku albo akttywować stero owanie głosem m. Audiomoduł rozp poznaje wypow wiadane słowa a np. numer albo tytuł utworru muzycznego. Klaw wiatura wykon nana jest z cienkiej metalizow wanej folii, um mieszczonej po od wąsskim paskiem elektroprzewo odzącej tkanin ny z nadrukow wanymi symbo olam mi. System wyp posażony jest w słuchawki i mikrofon. Wszzystkie składniiki elekktroniczne są ą wzajemnie połączone za a pomocą wąskich paskó ów tkan niny, zawierają ącej elektroprzewodzące przędze [14]. Rys. 10.71. Efek kt luminescencyjjny Rys. 10 0.72. Schemat ku urtki z MP3 [80] Kom munikacja Obsszar zastosow wania tekstronik ki rozszerza siię, pojawiają się s trendy w kie erunkku przenośnośści i miękkościi konwencjona alnych plastikow wych urządzeń. Stw warza to możliwości dla tekstyliów z wbu udowanymi inte erfejsami, którre mog gą także wystę ępować i funk kcjonować jako o odzież codziiennego użytku. Pop przez wbudow wanie przełącz zników w odzież, elektron niczne produk kty mog gą być sterowa ane przez ruch hy ciała lub gessty. W latach dziewię ęćdziesiątych dwudziestego o wieku firma a Peratech Ltd. rozp poczęła prod dukcję kompo ozytowych materiałów tj. elastomerow wej mattrycy z elektroprzewodzącym m napełniaczem w postaci sproszkowaneg go mettalu [77]. Komp pozyty te o naz zwie Quantum m Tunelling Com mposites (QTC C) (pattrz też 10.4)) umożliwiły nowe sposob by sterowania a urządzeniam mi 478 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE elektrycznymi. Bez działania naprężenia QTC jest dielektrykiem o rezystywności powierzchniowej rzędu 1013-1015 Ω. Pod działaniem naprężeń ściskających, rozciągających lub skręcających ich elektryczne właściwości ulegają stopniowej zmianie, a po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia przewodnictwo elektryczne osiąga poziom, który jest charakterystyczny dla metali. Takie materiały nadają się idealnie do regulacji urządzeń elektronicznych. Proces łączenia tekstyliów z kompozytami QTC został opracowany przez Wool Research Organization z Nowej Zelandii (WRONZ). W wyniku współpracy firmy Peratech z WRONZ EuroLab powstały tkaniny o nazwie Softswitch, określane u nas jako tkaniny elektroniczne. Tkaniny Softswich zmieniają swoją rezystancję powierzchniową tkanin pod wpływem naprężeń ściskających. Są one stosowane jako tzw. miękkie przełączniki wytwarzane za pomocą technologii włókienniczych. Softswitch oferuje niezwykłe możliwości „zmiękczenia” istniejących plastikowych komponentów i osłon oraz stworzenie interfejsów bardziej przenośnych. Na przykład zwijana klawiatura QWERTY dla komputerów PDA oraz telefonów komórkowych lub miękka, dotykowa myszka komputerowa (Rys. 10.73 i Rys. 10.74) [81]. Rys. 10.73. Klawiatura QWERTY z tkaniny Softswitch [81] Rys. 10.74. Przełączniki z tkaniny Softswich na rękawie odzieży [81] Budownictwo i mieszkalnictwo Technologia Softswitch pozwala na niewidoczne inkorporowanie przełączników i czujników naprężeń w tekstyliach w domu lub biurze dla sterowania oświetleniem, sprzętem alarmowym, temperatury lub innych elektronicznych urządzeń. Włączniki światła lub ściemniacze mogą być wbudowane w tapicerkę siedzeń mebli wyściełanych lub dywany. Audio – wizualne zdalne sterowanie telewizorem, roletami lub oświetleniem może być inkorporowane w poduszki. Warunki otoczenia wewnątrz mieszkania mogą być zmieniane przez dotknięcie zasłony lub tapety [81] (Rys. 10.75. i Rys. 10.76). Ponadto dywany mogą posiadać systemy zabezpieczeń czujnikami nacisku (Rys. 10.77). 479 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Rys. 10.75. Przełączniki z tkaniny Softswich (pilot TV) na poduszce [81] Rys. 10.76. Przełączniki z tkaniny Softswich w wyposażeniu wnętrz [81] Rys. 10.77. Sensory ciśnienia montowane w dywanach Przemysł motoryzacyjny Tekstronika znajduje także zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym. Tkaniny typu Softswich mogą znajdować się w tapicerce samochodowej i pełnić wiele funkcji. Mogą także znajdować się tam wewnętrzne systemy zabezpieczeń chroniące samochód przed kradzieżą lub np. wybuchem. 10.12.3. Perspektywy rozwoju tekstroniki Obecnie koszty opracowania i produkcji systemów tekstronicznych w postaci codziennej odzieży inteligentnej są jeszcze poza zasięgiem producentów modnej odzieży. Systemy te znajdują natomiast coraz szersze zastosowanie w wojsku, sporcie i medycynie. Postęp techniczny i stała obniżka cen na wyroby przemysłu elektronicznego spowodują, że stanie się możliwa produkcja takiej odzieży również i dla szerszej rzeszy odbiorców. Do rozstrzygnięcia w przyszłości pozostaje jednak wiele problemów. Jednym z nich jest bez wątpienia samopoczucie użytkownika, 480 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE który może czuć się nie najlepiej otoczony siecią przewodów, sensorów i włókien o niezwykłym przeznaczeniu. Specjaliści realizując swoje projekty mają do czynienia z szeregiem trudności. Dotyczą one między innymi łączenia poszczególnych detali w jedną całość. Według założeń produkcja nowego typu ubrań ma przebiegać, na ile to jest możliwe, według konwencjonalnych technologii kroju i szycia. Bardzo to komplikuje prawidłowe poprowadzenie połączeń elektrycznych. Pewnym rozwiązaniem byłaby produkcja odzieży bezszwowej [74]. Gdy wyroby tekstroniczne są wykonane tradycyjnymi technologiami (miedziane przewody), gdy się zabrudzą trzeba demontować elektronikę, albo czyścić bez wody. Jednak tkaniny lub dzianiny wykonane z przędz elektro przewodzących będzie można prać w pralce i prasować żelazkiem. Zasilanie urządzeń elektronicznych w odzieży stanowi niemały problem. Specjaliści starają się rozwiązać go tak, by źródło energii elektrycznej było czymś więcej niż zwykłą baterią, ukrytą w kieszeni. Tak na przykład, w US Army Soldier System Center (ASSC) w Natick pracuje się nad włóknistym materiałem z przewodzących polimerów, posiadających zdolność przetwarzania światła widzialnego w energię elektryczną. Inny zespół naukowców z ASSC opracowuje sposób pozyskiwania energii elektrycznej z butów. Idea tego rozwiązania polega na tym, że w zelówkach mają być umieszczone urządzenia piezoelektryczne działające w czasie chodzenia. Wytwarzany prąd elektryczny służyłby do ładowania baterii. W laboratoriach British Telecom wykonano już pierwsze prototypowe podkoszulki wykorzystując ciepło ciała ludzkiego do generowania energii elektrycznej. Umieszczone w przedniej części termoelementy mające postać włókien tworzą termoogniwa o sprawności 1 %. Powierzchnia, na której zostały umieszczone wydziela 40-50 W ciepła, co daje 0,5 W energii elektrycznej [74]. Odzież z wmontowanym tekstylnym systemem GPS pozwoli na praktyczne zlokalizowanie położenia narciarza lub alpinistów podczas złej pogody lub na zwrócenie uwagi na pozostawione bez opieki dzieci. W przyszłości skomputeryzowane ubrania będą ratować życie ludzkie. Jeśli pojawią się objawy zawału, wmontowany w strój komputer monitorujący pracę serca natychmiast zauważy niebezpieczeństwo i powiadomi pogotowie ratunkowe. W ułamkach sekundy po wypadku samochodowym inteligentne ubranie wezwie karetkę, a korzystając z systemu GPS poinformuje, gdzie doszło do wypadku. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology wykorzystali rozwiązania tekstroniczne do zwiększenia bezpieczeństwa użytkownika. Zaprojektowali oni prototyp kurtki rażącej prądem. Powierzchna kurtki NoContact emituje silne impulsy elektryczne. Skurcze mięśni wywołane porażeniem elektrycznym mają unieruchomić napastnika na pewien czas. 481 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE Z kolei „inteligentne” garnitury mają np. ostrzegać, że zapomniało się kluczy, albo że ktoś wyciąga portfel z kieszeni bez wiedzy właściciela. Będą też mogły odczytywać pocztę elektroniczną i odbierać połączenia z telefonu komórkowego, a także automatycznie robić zdjęcia miejsc, w których przebywamy w określonej porze. Złożoność materii jest jednak na tyle duża, że w pełni skomputeryzowana inteligentna odzież pojawi się na rynku nie wcześniej niż za kilka lat [82]. Zdaniem wielu specjalistów połączenie tekstyliów z elektroniką zmodyfikuje techniki i metody przetwarzania danych oraz doprowadzi do rozwoju swego rodzaju „informatyki tekstylnej”. Istotną cechą tekstroniki jest jej powinowactwo do mechatroniki. Można mówić o podobieństwie pochodzeniowym, strukturalnym i filozoficznym. Oba obszary wiedzy powstały na styku trzech innych dyscyplin naukowych z dziedziny nauk technicznych. W obu występuje elektronika i informatyka; różnią się rodzajem nośnika: w mechatronice są to komponenty, moduły, produkty i systemy mechaniczne, w tekstronice – włókiennicze. W obu przypadkach impulsem startowym był rozwój systemów mikroelektronicznych i informatycznych. Struktura systemów jest więc podobna. Podobieństwem jest też zbiór problemów związanych z mobilnością konstrukcji, szczególnie z ich zasilaniem i transmisja sygnałów; w mechatronice takimi konstrukcjami są roboty a w tekstronice ubrania inteligentne. W tym względzie podstawą różnicą jest integracja tekstroniki z ludzkim ciałem powodująca konieczność wprowadzenia w obszar zainteresowań tekstroników zagadnień medycznych z obszaru fizjologii człowieka. Największym podobieństwem między mechatroniką i tekstroniką jest aspekt filozoficzny widoczny w interdyscyplinarnym, uniwersalnym podejściu do projektowania, konstruowania i użytkowania systemów. Jest on także widoczny w sferze edukacyjnej gdzie zachodzi konieczność integrowania w umyśle ucznia wiedzy i umiejętności z dyscyplin dość odległych od siebie. Wydaje się, że w tym przypadku, podstawą aktywności zarówno edukacyjnej jak i inżynierskiej winno być myślenie systemowe oparte na paradygmacie Bertalanfy’ego [83], który jako pierwszy zwrócił uwagę na całościowość i jedność nauki, stworzył pojęcie systemów otwartych z efektem synergii oraz podkreślał konieczność przezwyciężania barier międzydyscyplinarnych. Jego paradygmat, rozbudowany i rozwinięty przez wielu filozofów nauki, jest obecnie podstawą inżynierii systemów i analiz systemowych. Na zakończenie wypada stwierdzić, że zarówno dotychczasowe osiągnięcia mechatroniki jak też jej obecny szybki rozwój powodują, że w tym zestawieniu pełni ona rolę bardziej doświadczonej starszej siostry; uzasadniony jest też inny podgląd, że tekstronika jest po prostu nową częścią mechatroniki. 482 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 10.13. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] Wojciechowski S., Materiały inteligentne. Stan zagadnienia 2003, Inżynieria Materiałowa, 2004, nr 2, s.59. Takagi T., Present State and Future of the Intelligent Materials and Systems in Japan, J. Intelligent Mater. Syst. Struct., 1999, No. 10, p.575. Rubacha M., Zięba J., Magnetic Textile Elements, Fibres & Textiles in Eastern Europe January/December 2006, Vol. 14, No. 5(59), p.2. Tao X., Smart Fibres, Fabric and Clothing, Woodhead Publishing Limited, 2001. Gopalsamy C., Park S., Rajamanickam R., Jayaraman S, The Wearable MotherboardTM: the first generation of adaptive and responsive textile structures (ARTS) for medical applications, J.Virtual Reality, 1999, No. 4, p.152-68. Materiały reklamowe f-my Hitachi, 2010. Gniotek K., Stępień Z., Zięba J., Tekstronika – nowy obszar wiedzy, Przegląd Włókienniczy, 2003, Nr 2, s.17-18. Gniotek K., Tekstronika – przyszłościowy kierunek rozwoju tekstyliów, II Konferencja “Nauka dla gospodarki”, Łódź 2003. Gniotek K., System pomiarowy jako realizacja systemu poznawczego, II Naukowa Konferencja Wydziału Włókienniczego Politechniki Łódzkiej, Łódź 1999. Cempel C., Teoria i inżynieria systemów, Wyd. Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji – PIB, Radom 2008. Taya M., Electronic composites, Modeling Characterization Processing, and MEMS application, Cambridge University Press, Cambridge 2005. Gniotek K., Zięba J., Frydrysiak M., Pomiary rezystancji styku nitek elektroprzewodzących, Pomiary Automatyka Kontrola, 2008, Nr 9, s.653-657. Zięba J., Models of Textile Magnetic Core, Research Journal of Textile and Apparel, 2007, Vol. 11, No. 4. Bendkowska W., Tekstylia inteligentne – przegląd zastosowań, część 2: Tekstylia elektroprzewodzące i tekstylia zintegrowane z mikrosystemami elektronicznymi, Przegląd Włókienniczy, 2002, nr 9, s.16-19. Dall’Acqua i Tonin C., Peila, Ferrero F., Catellani M., Performances and Properties of Instricics Conductive Cellulose-Polypyrrole Textiles, Elsevier, 2004. Frydrysiak M., Włodarczyk B., Zięba J., Kowalski K., Tekstroniczny, bezszwowy wyrób dziany do monitorowania częstości oddechu, IX Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Knitt Tech, 483 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] 484 Innowacyjne techniki i technologie w dziewiarstwie, Rydzyna 2010, ISBN 978-83911012-9-2. Zięba J., Frydrysiak M., Gniotek K., Textronics System for the Breathing Measurement, Fibres & Textiles in Eastern Europe January/December 2007, Vol. 15, No. 5-6, p.64-65. Zięba J., Sposób wykonania cewki magnetycznej przeznaczonej zwłaszcza do umieszczenia w wyrobach tektylnych, Patent 2010. Rubacha M., Zięba J., Magnetic Cellulose Fibres and their Application in Textronics, Fibres & Textiles in Eastern Europe January/December 2007, Vol. 15, No. 5-6, p. 64-65. Locher I., Troster G., Fundamental Building Blocks for Circuits on Textiles, IEEE Transactions on Advanced Packaging, Vol. 30, No.3, AUGUST 2007, s.541-550. http://www.rfidweblog.com/50226711/printed_electronics_the_rfid_tag_of_the_future. php Linz T. i inni, Embroidered Interconnections and Encapsulation for Electronics in Textiles for Wearable Electronics Applications, Advances in Science and Technology. 2008, Vol. 60, s.85-94. Krucińska I., Domagała W., Cybula M., Bonfiglio A., Coating Methods of Fibres Used for Textile Transistor, XII Scientific Conference, Faculty Of Material technologie and Textile Design, Technical University of Lodz, 2009. Lee J.B., Weave Patterned Organic Transistors on Fiber for E Textiles, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 52, No. 2, FEBRUARY 2005, p.269-275. McGhee J., Henderson I.A., Korczyński M.J., Kulesza W., 1998, Scientific Metrology, LODART S.A., Łódź. Zięba J., Frydrysiak M., Textronics-electrical and Electric Textiles. Sensors for Breathing Frequency Measurement, Fibres & Textiles in Eastern Europe January/December 2006, Vol. 14, No. 5 (59). Mazurek B., Rozecki S., Kowalczyk D., Piezoelectric PVDF Cables, Proceedings of The 6th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China, 2000. Bloor, D., et al, A metal-polymer composite with unusual properties. Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, 38, p.2851-2860. http://www.eleksen.com/ Gniotek K., Gołębiowski J., Leśnikowski J., Temperature Measurements in a Textronic Fireman Suit and Visualisation of the Results, Fibres and Textiles, 2009, No. 1(72), p.97-101. Gniotek K., Frydrysiak M., Ziegler S., Czujnik do pomiaru temperatury na powierzchni odzieży i miedzy jej warstwami, Zgłoszenie patentowe P-383441, 2007. 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE [32] Ziegler S., Frydrysiak M., Initial research in to the structure and working conditions of textile thermocouples, Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2009, Vol.17, No.6 (77). [33] Zięba J., Badanie włókien światłowodowych, Instrukcja do ćwiczenia z laboratorium „Tekstronika w ochronie zdrowia” Katedra Odzieżownictwa i Tekstroniki, Politechnika Łódzka Łódź, 2005. [34] Brzózka Z., Wróblewski W., Sensory chemiczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1998. [35] Gniotek K., Zięba J., Frydrysiak M., Measurements of Contact Resistance of Electro Conductive Yarns, PAK, 2008, No. 9, p.653-657. [36] Banaszczyk J., Theoretical and Experimental Investigation of Thermal and Electrical Properties of Electroconductive Fabrics, doctoral thesis, University of Gent, 2010, supervisor: prof. G. De Mey. [37] Gniotek K., Metodyka identyfikacji pewnych właściwości obiektów włókienniczych, Polska Akademia Nauk, Oddział w Łodzi, Komisja Włókiennictwa, Łódź 2004. [38] Frydrysiak M., Gniotek K., The Research on Textronics Temperature Automation Control System, proceedings of 10th International Conference IMTEX, ISBN 978-83-929372-0-3, Łódź 2009, p.106-109. [39] Frydrysiak M., Gniotek K., A Textronics Automatic Temperature Control System – TUART, 12th Scientific Conference of Faculty of Material Technologies and Textile Design, Technical University of Lodz, Lodz 2009, p.13-16. [40] Frydrysiak M., Ziegler S., Gniotek K., Mathematical Model of Textronics Fabric with Textile Heater, FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe January/December 2007, Vol. 15, No. 5-6, p.64-65. [41] Larminat P., Thomas Y., Automatique des systems lineaires, 2.Identyfication, Flammarion Sciences, Paris 1977. [42] Brzózka J., Dorobczyński L., Programowanie w Matlab, ISBN 837158-120-3, Wydawnictwo Mikom, 1998. [43] Pełka R., Mikrokontrolery: architektura, programowanie, zastosowania, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001. [44] Starecki T., Mikrokontrolery 8051 w praktyce, Wydaw. BTC, Warszawa 2002. [45] Majewski J., Kardach K. Programowanie mikrokontrolerów z serii 8x51 w języku C, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002. [46] http://www.keil.com/ [47] http://www.ni.com/labview/whatis/ [48] Daniluk A. , ABC Delphi 6, Helion, Gliwice 2002. [49] Sprawozdanie z działalności statutowej Katedry Automatyzacji Procesów Włókienniczych Politechniki Łódzkiej, 2009. [50] Leśnikowski J., Sprawozdanie z wykonania Projektu „Ubranie strażackie nowej generacji z tekstronicznym systemem monitorowania 485 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] 486 parametrów fizjologicznych” w II półroczu 2006, Etap 30: Wybór źródła zasilania tekstronicznego systemu monitorowania parametrów fizjologicznych, 2006. Ramani V., Fuel Cells, The Electrochemical Society Interface, Spring 2006, p.41-44. Sodano H., A., Inman D., J., Park G., A Review of Power Harvesting from Vibration using Piezoelectric Materials, The Shock and Vibration Digest, Vol. 36, No. 3, 2004, p.197-205. http://www.maxim-ic.com/ Tęsiorowski Ł., Methods of wireless transmission of data in textronic clothing, XII Scientific Conference of Faculty of Material Technologies and Textile Design, Łódź 2009. Gniotek K., Leśnikowski J., Mysiakowski J. Układ do pomiaru parametrów fizjologicznych człowieka, przeznaczony do umieszczenia w odzieży, Zgłoszenie patentowe P – 385387, 2008. Nawrocki W., Rozproszone systemy pomiarowe, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006. Wesołowski K., Systemy radiokomunikacji ruchomej, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2003. Tomaszewski W., Telefony komórkowe, Helion, Gliwice 2004 Simon A., Walczak M., Sieci komórkowe GSM/GPRS Usługi i bezpieczeństwo, Xylab, Kraków 2002. Tęsiorowski Ł., Gniotek K., Radiowa transmisja sygnałów w systemie tekstronicznym, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, 2008, Nr 11, s.1048-1051. Tadeusiewicz R., Inżynieria biomedyczna, Księga współczesnej wiedzy tajemnej w wersji przystępnej i przyjemnej, Uczelniane wydawnictwa naukowo-dydaktyczne, Kraków 2008. Augustyniak P., Przetwarzanie sygnałów elektrodiagnostycznych, Uczelniane wydawnictwa naukowo-dydaktyczne, Kraków 2001. Nałęcz M. (red.), Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000 Biopomiary, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa, 2001. Zięba J., Frydrysiak M., Badania doświadczalne i symulacyjne światłowodowego czujnika rytmu oddechu, Pomiary Kontrola Automatyka, 2007, R. 53, nr 9, s.83- 87. Chyrosz M., Zambrowicz-Sułkowska E., Materiałoznastwo odzieżowe, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1995. Frydrysiak M, Modelowanie i symulacja tekstronicznych układów automatycznej regulacji temperatury, Praca doktorska, Promotor K. Gniotek, Politechnika Łódzka 2009. Technical Report of TC 248 WG 31, Bruksela 2010. Frydrych I., Górna I., Comfort of Membrane Jackets Checked in the Utility Trials, Clotech Conference, Łódź 2008, p.158-163. 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE [69] Gniotek K., Kucharska-Kot J., Sposób pomiatru rezystancji nitek elektroprzewodzących, Zgłoszenie Patentowe P-382857, 2007. [70] Gniotek K., Kucharska-Kot J., Leśnikowski J., Kapusta H., Stanowisko do ciągłego pomiaru rezystancji nitek elektroprzewodzących, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033-2097, 2009, R. 85, Nr 2, s. 49-51. [71] Zięba J., Kapusta H., Badanie wpływu zewnętrznego pola magnetycznego na strukturę włókna, magnetycznego, Badania Własne, 2008. [72] Tokarska M., Analysis of Impact Air-permeability of Fabrics, Fibres & Textiles in Eastern Europe, 2008, Vol. 16, No. 1 (66), p.76-80. [73] Tokarska M., Pomiary odkształceń tkaniny podczas przepływów powietrza w oparciu o jej model neuronowy, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 2009, ISSN 0033-2097, R. 85, nr 2, s.2-55. [74] Masłowski E., Odziani w komputer, Włókno – Odzież – Skóra, 2004. [75] Mecheels S., Schroth B., Breckenfelder Ch., Smart Clothes, Inteligent Textile Products Using Innovative Microtechnology, Hohenstein Institutes, 2005. [76] Irzmańska E., Przyjazne życie, Rynek Mody, 1/2006. [77] www.peratech.com/tools.php [78] www.fit.pl [79] Miś B., Sygnały – inteligentna odzież, Wiedza i Życie, 3/2001. [80] Sybilska W., Frydrych I., Perspektywy i kierunki rozwoju odzieży inteligentnej, Przegląd Włókienniczy, 2007, Nr 2, s.5-53. [81] www.wearable-electronics.de [82] Rotkiewicz M., Inteligentne ubranie, Tygodnik „Wprost”, nr 949, 2001. [83] Bertalanffy von L., Ogólna Teoria Systemów, PWN, Warszawa 1984. 487 10. SYSTEMY TEKSTRONICZNE W MECHATRONICE 488
