兩種肢體運動姿態角的采集方法及對比

摘要：肢體運動姿態角的測量具有重要的運用價值，如主動假肢、輔助醫療等。本文就兩種手臂運動姿態角測量與讀取的方法做簡要介紹。應變片方案是一種簡單可行的測量方案，主要通過全橋電阻應變片貼于肌肉，采集肌肉收縮的電參數，并通過儀表運放、巴特沃斯濾波、A/D轉換等處理，發送至上位機Labview顯示。陀螺儀加速度計方案是利用MPU6050傳感器，采集到手臂運動的三軸歐拉角，并發送至上位機，用Matlab/Vrml實現3D模擬手臂運動。

關鍵詞：應變片；姿態角；VRML

中圖分類號：TP391.9；TP212文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (2014) 08-0000-01

肢體運動感知系統是基于傳感器、單片機、模擬、數字電路來測試人體肢體運動情況并其轉化為表示不同運動模式特征電信號的信息采集與處理系統。該系統由三部分組成，分別為信號采集、信號處理與發送、結果顯示。

信號采集部分，選用了形變應變片。應變片是一組全橋式的可變電阻，在有形變產生時，橋式電阻不再平衡，輸出電壓產生變化。也就是說，將應變片貼在人手臂肌肉上，當肌肉伸縮時，應變片可將這個肌肉運動量轉換為電氣參數的電壓量。這樣即實現了信號的采集。

應變片成本較低，可選用4片分別貼在手臂肱二頭肌等；應變片原理簡單，易于掌握，只要貼在合適的地方，能很好的測量手臂的伸縮情況。

在應變片后，需要制作信號處理的電路。信號處理主要包括差分放大、低通濾波、A/D轉換。由于應變片輸出電壓較低，為便于之后A/D轉換，必選放大電壓。采用TI公司的INA121差分儀器放大器。這款放大器精度相當高，不會引入噪聲。通過調整電阻RG的值，即可調整放大倍數。通過多次試驗調整，將RG調整到30歐姆，整個放大會有最優的輸出。

由于信號的采集會有高頻的噪聲（相對手臂運動）必須進行低通濾波處理。采用2階巴特沃斯濾波。幅頻響應和相頻響應結果圖顯示結果良好，能達到濾波效果。

經以上處理的電壓信號，可以真實地反映手臂屈伸的運動情況。為進行處理，接下來需做A/D轉換。為簡化硬件電路，這里采用了單片機自帶的A/D轉換功能。單片機選型為STC12C5A60S2，這款單片機自帶10位A/D轉換功能，可以滿足轉換功能。

整個信號處理部分簡潔，滿足所需功能。在經A/D轉換后的電信號變為數字量。為進行串口通訊，需用單片機STC12C5A60S2發送串口數據。藍牙技術，可以實現測量工具與上位機無線通訊，便于使用者運動。所以，選用了藍牙模塊，

接在單片機輸出的數據后。再經藍牙模塊向上位機發送數據。

在裝有藍牙適配器的上位機上，即可通過串口讀取數據。后面的目標，是收集這些運動數據，所以采用了Labview進行虛擬測量。在軟件上編寫一個虛擬示波器，接上串口，即可在上位機上顯示出反映手臂運動情況的波形。顯示結果如圖1。

圖1

LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發的，類似于C和BASIC開發環境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發測量或控制系統的理想選擇。通過圖形語言的編程，制作了一個擁有示波器、數據收集、數據回放等功能的可視化程序。

整個方案到此為止已基本實現。只需將應變片貼在手臂上，結果完整的電路處理，配合上位機Labview程序，就可以在上位機上直觀地看到手臂運動時產生的波形。

這樣的采集信號方案存在問題在于應變片與肌肉貼合位置無法移植，必須固定在做原始實驗的位置。

所以，還可選用更為優秀的方案，即陀螺儀加速度計進行測量。可選MPU6050陀螺儀加速度計。將兩片傳感器分別綁在人的上下手臂上，即可采集到手臂運動的姿態角（三軸歐拉角）。為更可視化地觀察姿態運動，將傳感器采集信息通過藍牙串口發送至上位機，并用上位機中的matlab/vrml實現3D模擬。

對模型的center（旋轉中心），rotation（旋轉），translation，（位移）等屬性節點進行控制。利用matlab里面的和藍牙相關的接口函數instrhwinfo，Bluetooth，fopen，fclose，fread等對藍牙模塊的數據進行讀取，然后把數據包進行解析，提取出需要的歐拉角數據。

建立的三維的手臂模型里面的rotation旋轉節點是一個四維的向量，格式為[x，y，z，data]x y z代表三軸取值一般為0到1，data為旋轉角度，所以繞三周的旋轉角度分別為x*data，y*data，z*data，剛好符合歐拉角的格式，所以對于上臂將數據進行處理成符合格式的四維向量就可以對手臂上肢進行控制，而對于手臂下肢就不能直接進行簡單的控制了，因為為了兩個臂連接在關節部分不至于分開，對手臂進行建模時是將兩臂作為一個實體進行控制的。所以選擇把上臂的數據用來直接控制整個實體，而下臂的姿態角減去上臂的姿態角，得出兩個臂的角度差，用來控制模塊的下手臂，這樣就可以使整個模型的動作做到與手臂一致。

兩種方法相比較，應變片方案優點在于電路結構簡單，且應變片本身成本較低。但應變片方案精度略差，被測對象缺乏移植性：不同肌肉程度的實驗者可能得到不同的結果。

加速度陀螺儀方案優點在于精度較高，可達0.1度。三軸歐拉姿態角可完整測量得到。具有較強移植性，不同的人可簡單移植。但缺點在于成本太高，電路結構復雜，特別是濾波等環節要求較高。

對于上位機顯示，Labview和Matlab/Vrml相比，并不存在必然的優劣差別。Labview可做成虛擬示波器，便于數據采集、回放并導入Excel，而Matlab的虛擬現實工具可直觀地進行3D模擬，可視性較好。

參考文獻：

[1]葛為民，曹作良，彭商賢.基于MATLAB和VR技術的移動機器人建模及仿真[J].天津理工學院學報，2004(01).