0 引言

    隨著時代的發(fā)展，老年人口占世界總?cè)丝诒壤饾u增大，而腦卒中等疾病對老年人健康的危害卻越發(fā)嚴(yán)重，這些疾病使老年人運(yùn)動功能障礙，無法自如地行動。為此，老年人的姿態(tài)檢測為了目前研究的重點(diǎn)，吉林大學(xué)的蔡靖等人研發(fā)的基于人體傳感和Android技術(shù)的運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)能夠在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)動姿態(tài)實(shí)時監(jiān)測^[1]。南京理工大學(xué)的李炳炳研發(fā)的基于MEMS慣性傳感器的人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確的顯示人體姿態(tài)^[2]。而市場上主流的姿態(tài)檢測系統(tǒng)都比較昂貴且系統(tǒng)封閉，所得關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)不易于集成應(yīng)用于其他平臺，本文將LabVIEW與Arduino結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種價格低廉，數(shù)據(jù)易于集成應(yīng)用于其他平臺的可穿戴式人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)(Wearble Human Posture Detection System，WHPDS)。

    患者將此系統(tǒng)佩戴于手臂、腿部或足部等存在運(yùn)動障礙的部位，系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測患者關(guān)節(jié)活動時的角度數(shù)據(jù)并將其保存，方便醫(yī)護(hù)人員對患者病情進(jìn)行評估并制定合適的恢復(fù)方案。此外，將系統(tǒng)所測關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后導(dǎo)入康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的示教，從而使患者得到針對性的康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練。

1 總體方案設(shè)計(jì)

    WHPDS總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)利用多個MPU6050采集人體各部位的加速度計(jì)和陀螺儀原始信號^[3]。由于MPU6050與下位機(jī)UNO板采用I²C通信協(xié)議，可以根據(jù)需要采集多個部位的數(shù)據(jù)。多個MPU6050用線選法確定數(shù)據(jù)傳輸順序，依次傳輸。下位機(jī)與上位機(jī)之間采用串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在上位機(jī)LabVIEW編程環(huán)境下對MPU6050原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波與互補(bǔ)濾波，實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的融合，從而得出各部位Roll角與Pitch角，進(jìn)而得到人體關(guān)節(jié)角度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

    本系統(tǒng)選用價格低廉的GY521MPU6050六軸慣性傳感器，在保證姿態(tài)檢測精度的同時大大降低了檢測系統(tǒng)成本。MPU6050集成一個三軸加速度計(jì)和一個三軸陀螺儀，加速度計(jì)模塊可以識別靜止或平緩運(yùn)動狀態(tài)下的角度信息，陀螺儀模塊對各種運(yùn)動狀態(tài)下角度信息的變化均比較敏感。

    本系統(tǒng)選用Arduino作為下位機(jī)，不僅降低了成本，還能借助Arduino豐富的接口，在需要的時候擴(kuò)展系統(tǒng)功能。系統(tǒng)以采用多線程技術(shù)的圖形化編程軟件LabVIEW作為上位機(jī)編程環(huán)境，這使得系統(tǒng)反應(yīng)速度快，運(yùn)行效率高，同時編程更為簡潔^[4]。MPU6050與UNO板如圖2所示，下位機(jī)接線如圖3所示。

    測試者可將一個MPU6050佩戴于腰部前面中間，此MPU6050作為測試基準(zhǔn)。測試髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動能力時佩戴方式如圖4（a）；測試肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)運(yùn)動能力時佩戴方式如圖4（b）。

2.2 程序算法

    MPU6050輸出的原始數(shù)據(jù)存在零點(diǎn)誤差。因此，必須對MPU6050的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波。均值濾波流程如圖5所示。

    加速度計(jì)對與陀螺儀均無法獨(dú)立完成Roll角、Pitch角的檢測，為此可以采用互補(bǔ)濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩模塊數(shù)據(jù)的融合，從而得到準(zhǔn)確有效的Roll角、Pitch角^[5]。互補(bǔ)濾波流程如圖6所示。

    在測得各MPU6050的Roll角、Pitch角后，結(jié)合各MPU6050佩戴位置，關(guān)節(jié)角度計(jì)算原理如圖7所示。

3 比對實(shí)驗(yàn)

    WHPDS的軟硬件平臺搭建好之后，需要對其進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，因此將本系統(tǒng)與某公司開發(fā)的三維步態(tài)分析及運(yùn)動訓(xùn)練系統(tǒng)(3D gait analysis and the sports training system，GaitWatch)進(jìn)行可靠性比對，對本系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估。

    GaitWatch可以準(zhǔn)確地測得人體步態(tài)，但只能檢測人體直立條件下的下肢關(guān)節(jié)角度，無法檢測平躺或坐下時的下肢姿態(tài)，也無法檢測上肢姿態(tài)。若比對實(shí)驗(yàn)證實(shí)本系統(tǒng)真實(shí)有效，將能大大擴(kuò)展姿態(tài)檢測的范圍。

    測試者佩戴WHPDS與GaitWatch，下肢做某些特定的動作，兩系統(tǒng)同時記錄測試者關(guān)節(jié)角度。將兩系統(tǒng)測得關(guān)節(jié)角度進(jìn)行比對，即可評估此系統(tǒng)的可靠性。兩系統(tǒng)佩戴方式如圖8所示(右圖為GaitWatch實(shí)時三維姿態(tài)顯示圖)。

    本次實(shí)驗(yàn)中，測試者原地踏步，即右髖與右膝同時屈曲，之后同時伸展。兩傳感器同時檢測髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中屈曲伸展的角度，兩傳感器測得髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度如圖9（a）、9（b)所示。

    可以看出，兩傳感器測得曲線一致，均正確反映了原地踏步的動作過程，但兩傳感器所測關(guān)節(jié)角度略有差異，最大值誤差在10°左右，最小值誤差小于5°。對比分析其原因在于：兩系統(tǒng)穿戴位置不相同，GaitWatch腰部傳感器佩戴于骨盆背面中間，脊柱末端，大腿傳感器佩戴于右腿外側(cè)中部，小腿傳感器佩戴于右腿脛骨內(nèi)側(cè)；WHPDS佩戴方式如圖4（a）所示。兩傳感器佩戴方式不同，采集的原始數(shù)據(jù)會有一定的差異，計(jì)算的關(guān)節(jié)角度就有一定的偏差。另外，兩系統(tǒng)直接接觸衣物，并未貼于人體表面，人體運(yùn)動時衣物與皮膚表面會有一定程度的相對移動，測得角度也就會有一定偏差。基于以上原因，可以確定本系統(tǒng)誤差在允許范圍內(nèi)，WHPDS是準(zhǔn)確有效的。

4 臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人示教

    臨床上，一般由康復(fù)訓(xùn)練師輔助運(yùn)動功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這對康復(fù)訓(xùn)練師體力要求過高。康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能夠有效解決康復(fù)訓(xùn)練師體力要求過高的問題，但康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人參數(shù)設(shè)置又較為繁瑣，利用WHPDS的檢測數(shù)據(jù)對機(jī)器人示教，能大大降低機(jī)器人參數(shù)設(shè)置的復(fù)雜性，這使得運(yùn)動功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練更為簡單，醫(yī)療費(fèi)用也更低廉。

    由于病情差異，每位患者的關(guān)節(jié)活動范圍并不相同。因此患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時，機(jī)器人運(yùn)動路徑不能完全相同，那會對患者關(guān)節(jié)造成二次損傷。可以利用人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)對每位患者的關(guān)節(jié)活動度進(jìn)行檢測，使得臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能對每位患者提供針對性的康復(fù)訓(xùn)練。

    運(yùn)動功能障礙患者佩戴WHPDS，康復(fù)訓(xùn)練師輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，同時系統(tǒng)記錄患者關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集場景如圖10所示。

    一次輔助訓(xùn)練完成后，截取一周期有效關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)送入MATLAB中，編寫M程序求得原始數(shù)據(jù)的五次多項(xiàng)式擬合函數(shù)，畫出擬合曲線，原始關(guān)節(jié)角度曲線與擬合角度曲線如圖11（a）、圖（b）所示。由于康復(fù)示教要保證運(yùn)動平穩(wěn)性，帶動患者緩慢運(yùn)動，因此示教運(yùn)動每周期耗時約30 s，大于圖9所示的普通人運(yùn)動耗時。

    根據(jù)人機(jī)耦合關(guān)系，將擬合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人控制信號，導(dǎo)入機(jī)器人控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練功能。臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動軌跡如圖12所示。

5 結(jié)論

    本文提出了一種可穿戴式人體姿態(tài)檢測系統(tǒng)方案WHPDS，價格低廉，關(guān)節(jié)活動度檢測方便直觀，并進(jìn)行了康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人示教功能系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證，對腦卒中等運(yùn)動功能障礙患者的病情評估和醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人示教具有重要作用。下一步為提高系統(tǒng)可靠性、方便數(shù)據(jù)檢測，將添加其他生理信號傳感器，應(yīng)用多模態(tài)傳感器數(shù)據(jù)融合算法，完成人體生命體征的獲取，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體康復(fù)訓(xùn)練、生命體征實(shí)時監(jiān)控和智能家居控制應(yīng)用等功能。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

胡小華1，李向攀1，2，祁洋陽1，冷  昊1，韓建海1，2，郭冰菁1，2

（1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2.河南省機(jī)器人及智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471003）