0 引言

    隨著時(shí)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(duì)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(dòng)功能障礙，無法自如地行動(dòng)。為此，老年人的姿態(tài)檢測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)^[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(cè)系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確的顯示人體姿態(tài)^[2]。而市場(chǎng)上主流的姿態(tài)檢測(cè)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(tái)，本文將LabVIEW與Arduino結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種價(jià)格低廉，數(shù)據(jù)易于集成應(yīng)用于其他平臺(tái)的可穿戴式人體姿態(tài)檢測(cè)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(dòng)障礙的部位，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)患者關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的角度數(shù)據(jù)并將其保存，方便醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者病情進(jìn)行評(píng)估并制定合適的恢復(fù)方案。此外，將系統(tǒng)所測(cè)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(duì)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(gè)MPU6050采集人體各部位的加速度計(jì)和陀螺儀原始信號(hào)^[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(gè)部位的數(shù)據(jù)。多個(gè)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(duì)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(jià)格低廉的GY521MPU6050六軸慣性傳感器，在保證姿態(tài)檢測(cè)精度的同時(shí)大大降低了檢測(cè)系統(tǒng)成本。MPU6050集成一個(gè)三軸加速度計(jì)和一個(gè)三軸陀螺儀，加速度計(jì)模塊可以識(shí)別靜止或平緩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的角度信息，陀螺儀模塊對(duì)各種運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(cè)試者可將一個(gè)MPU6050佩戴于腰部前面中間，此MPU6050作為測(cè)試基準(zhǔn)。測(cè)試髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力時(shí)佩戴方式如圖4（a）；測(cè)試肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力時(shí)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(duì)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(duì)與陀螺儀均無法獨(dú)立完成Roll角、Pitch角的檢測(cè)，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(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)

    WHPDS的軟硬件平臺(tái)搭建好之后，需要對(duì)其進(jìn)行比對(duì)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(dòng)訓(xùn)練系統(tǒng)(3D gait analysis and the sports training system，GaitWatch)進(jìn)行可靠性比對(duì)，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估。

    GaitWatch可以準(zhǔn)確地測(cè)得人體步態(tài)，但只能檢測(cè)人體直立條件下的下肢關(guān)節(jié)角度，無法檢測(cè)平躺或坐下時(shí)的下肢姿態(tài)，也無法檢測(cè)上肢姿態(tài)。若比對(duì)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(cè)的范圍。

    測(cè)試者佩戴WHPDS與GaitWatch，下肢做某些特定的動(dòng)作，兩系統(tǒng)同時(shí)記錄測(cè)試者關(guān)節(jié)角度。將兩系統(tǒng)測(cè)得關(guān)節(jié)角度進(jìn)行比對(duì)，即可評(píng)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(shí)三維姿態(tài)顯示圖)。

    本次實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試者原地踏步，即右髖與右膝同時(shí)屈曲，之后同時(shí)伸展。兩傳感器同時(shí)檢測(cè)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中屈曲伸展的角度，兩傳感器測(cè)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(cè)得曲線一致，均正確反映了原地踏步的動(dòng)作過程，但兩傳感器所測(cè)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(duì)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(huì)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(dòng)時(shí)衣物與皮膚表面會(huì)有一定程度的相對(duì)移動(dòng)，測(cè)得角度也就會(huì)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(dòng)功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(dòng)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(dòng)范圍并不相同。因此患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑不能完全相同，那會(huì)對(duì)患者關(guān)節(jié)造成二次損傷。可以利用人體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)每位患者的關(guān)節(jié)活動(dòng)度進(jìn)行檢測(cè)，使得臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人能對(duì)每位患者提供針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練。

    運(yùn)動(dòng)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(shí)系統(tǒng)記錄患者關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集場(chǎng)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(dòng)平穩(wěn)性，帶動(dòng)患者緩慢運(yùn)動(dòng)，因此示教運(yùn)動(dòng)每周期耗時(shí)約30 s，大于圖9所示的普通人運(yùn)動(dòng)耗時(shí)。

    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(hào)，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(dòng)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(cè)系統(tǒng)方案WHPDS，價(jià)格低廉，關(guān)節(jié)活動(dòng)度檢測(cè)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(duì)腦卒中等運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的病情評(píng)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(cè)，將添加其他生理信號(hào)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(shí)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）