平衡功能測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究

馬天亮 毛志勇 王 典 蔡 萍 吉小軍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系動(dòng)態(tài)檢測(cè)研究室,上海 200240)

平衡功能測(cè)試與評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究

馬天亮 毛志勇 王 典 蔡 萍 吉小軍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)系動(dòng)態(tài)檢測(cè)研究室,上海 200240)

壓力中心(COP)測(cè)量在評(píng)價(jià)人體平衡功能的實(shí)驗(yàn)中有著廣泛的應(yīng)用，本文介紹了一種基于FPGA的平衡功能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以FPGA作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了六個(gè)力分量的同步測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量出被試者壓力中心并繪制軌跡。針對(duì)高頻干擾嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確性的問題，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理中平滑窗的合理設(shè)置展開了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用二分之一數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的均值平滑窗能有效提高軌跡平滑度。基于本系統(tǒng)，采用不同負(fù)重的方式進(jìn)行工效評(píng)估，證明本系統(tǒng)能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)平衡功能。測(cè)量過程中應(yīng)根據(jù)晃動(dòng)劇烈程度選擇動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)度和軌跡包絡(luò)面積這兩個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

壓力中心 平衡能力 軌跡平滑

1 引 言

平衡功能是人體維持身體各種姿勢(shì)以及在外力作用時(shí)產(chǎn)生適當(dāng)反應(yīng)的能力[1]。平衡過程中，踝、膝、髖關(guān)節(jié)以及下肢肌群和軀干在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的指揮下，參與姿勢(shì)的調(diào)整與控制，使身體的重心垂直投影在雙腿支撐面上，從而達(dá)到身體的平衡與穩(wěn)定。影響人體保持平衡能力的因素除了與個(gè)體的前庭感覺以及肌肉和骨骼力量有關(guān)外，還與服裝附加質(zhì)量及關(guān)節(jié)受約束情況有關(guān)。

對(duì)艙外航天服的工效進(jìn)行評(píng)估對(duì)于確保航天員在太空中保持良好工作狀態(tài)具有重要意義。工效學(xué)是根據(jù)人的心理、生理和身體結(jié)構(gòu)等因素，研究人、機(jī)械、環(huán)境相互間的合理關(guān)系，以保證人們安全、健康、舒適工作的綜合性學(xué)科。工效的評(píng)估可從多個(gè)層面進(jìn)行，利用平衡覺進(jìn)行穿戴服裝的工效評(píng)估是其中之一。現(xiàn)有艙外航天服質(zhì)量大多在100公斤左右，壓力服內(nèi)壓差20～40kPa，雖然太空中重力加速度比在地球上小，但質(zhì)量和慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響是一樣的。航天員在艙外進(jìn)行行走、轉(zhuǎn)體和搬運(yùn)物體等作業(yè)時(shí)，質(zhì)量分布不合理造成的質(zhì)心位置不合理和附加慣性矩會(huì)增加宇航員的體能消耗，影響平衡能力[2]。

目前基于壓力中心的平衡能力評(píng)價(jià)方法應(yīng)用最為廣泛，人體壓力中心通過測(cè)量地反力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)力以及Mx，My，Mz三個(gè)力矩得到，設(shè)航天員所穿航天靴的厚度為h，具體表達(dá)式為[3]

(1)

(2)

根據(jù)壓力中心坐標(biāo)的變化對(duì)平衡功能進(jìn)行評(píng)估。

由于模擬電路與數(shù)字電路共電以及高速數(shù)據(jù)采集等引起的高頻干擾嚴(yán)重影響壓力中心的準(zhǔn)確評(píng)估。本文針對(duì)自主研發(fā)的多維測(cè)力臺(tái)的信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)平滑處理進(jìn)行了深入研究。在此基礎(chǔ)上從平衡覺角度對(duì)艙外航天服進(jìn)行工效評(píng)估實(shí)驗(yàn)，研究并得出最適合用來評(píng)估平衡功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

人體平衡功能評(píng)估系統(tǒng)包括測(cè)量Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z三個(gè)力及Mx，My，Mz三個(gè)力矩的多維測(cè)力臺(tái)、信號(hào)調(diào)理電路、ADC模塊、FPGA主控芯片和USB模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

多維測(cè)力臺(tái)的六個(gè)電橋通過獨(dú)立的六路放大電路進(jìn)行放大之后通過六路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成數(shù)字量，再經(jīng)過FPGA芯片打包成數(shù)據(jù)幀，測(cè)量數(shù)據(jù)通過USB模塊發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)經(jīng)過解算顯示出被測(cè)者晃動(dòng)時(shí)壓力中心軌跡變化圖像。多維測(cè)力臺(tái)示意圖如圖2所示。下位機(jī)主控FPGA程序采用模塊化的編程思想。主要包括時(shí)鐘分頻、A/D采樣控制、USB通信控制這三個(gè)模塊。FPGA中的頂層文件原理框圖如圖3所示。

2.1 時(shí)鐘分頻模塊

在該系統(tǒng)中，外部輸入的時(shí)鐘頻率為20MHz，A/D模塊中的芯片需要一個(gè)周期為25μs的轉(zhuǎn)換開始的上升沿，本設(shè)計(jì)中采樣設(shè)定延遲500個(gè)時(shí)鐘周期的方法得到所需的A/D芯片轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換控制模塊

本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的A/D轉(zhuǎn)換器為ADI公司的高速6路并行16位AD7656芯片,能夠在3us時(shí)間內(nèi)并行完成6路輸入數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.3 USB通信控制模塊塊

FPGA作為控制核心，采用異步Slave FIFO方法實(shí)現(xiàn)與CY7C68013 USB控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)PGA首先設(shè)定USB芯片向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的傳輸端口和USB的FIFO信道地址選擇端口，然后將數(shù)據(jù)全部寫入U(xiǎn)SB芯片。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于測(cè)量電路的數(shù)字電路和模擬電路使用同一組電源以及快閃式A/D轉(zhuǎn)換對(duì)高頻噪聲敏感[4]等原因，采集到的數(shù)字信號(hào)信噪比不高；此外，系統(tǒng)中下位機(jī)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)采用的是塊傳送方式，采集過程不連貫，也導(dǎo)致軌跡圖像平滑性嚴(yán)重降低[5]。因此，需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行平滑處理。

下位機(jī)上傳給上位機(jī)的一幀數(shù)據(jù)中包含313次模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，考慮到下位機(jī)采樣率、硬件傳輸延遲和上位機(jī)數(shù)據(jù)解算時(shí)間，從采集到處理完畢一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為0.2s。為保證系統(tǒng)顯示的同步性，至多延時(shí)0.5s顯示當(dāng)前位置，實(shí)驗(yàn)中平滑窗口大小最大設(shè)置為兩幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)窗口大小分別為1/8,1/4,1/2,1和2倍幀長(zhǎng)度，測(cè)試人員直立靜止雙足站立測(cè)力臺(tái)上30s，按時(shí)間順序讀取全部采集到的壓力中心軌跡坐標(biāo)點(diǎn)，不同數(shù)據(jù)預(yù)處理方式的軌跡圖像如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可以看到，未經(jīng)過平滑的原始數(shù)據(jù)圖像受到高頻噪聲影響顯著，數(shù)據(jù)點(diǎn)隨機(jī)波動(dòng)情況明顯，軌跡線多數(shù)重合在一起，壓力中心變化細(xì)節(jié)從圖上幾乎無法分辨。平滑之后改進(jìn)效果明顯，平滑窗口大小在二分之一幀及以上時(shí)細(xì)節(jié)已經(jīng)清晰可辨。取二分之一幀大小和一幀大小的窗平滑圖像時(shí)結(jié)果變化不大。當(dāng)平滑窗大小為兩幀時(shí)，開始出現(xiàn)細(xì)節(jié)丟失(左上方轉(zhuǎn)向突變軌跡消失)。考慮到數(shù)據(jù)顯示延遲的影響，取二分之一幀大小的窗口，平滑度和圖像細(xì)節(jié)都令人滿意，延時(shí)也較小(0.1s)。因此通過實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)編寫程序采用每讀取二分之一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行一次均值平滑，從而獲得一個(gè)圖像點(diǎn)的方式繪制壓力中心軌跡圖像。

4 負(fù)重對(duì)平衡功能影響的實(shí)驗(yàn)研究

本文用模擬負(fù)重的方法探究艙外航天服對(duì)航天員平衡功能的影響，三組實(shí)驗(yàn)描述如下。實(shí)驗(yàn)一：受試者不負(fù)重和背部20kg負(fù)重，雙足靜立對(duì)比實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)二：受試者不負(fù)重和背部20kg負(fù)重，單足靜立對(duì)比試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)三：受試者雙手臂外展無負(fù)重和雙手臂外展各負(fù)重10kg，雙足靜立對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

目前用于評(píng)定人體平衡狀態(tài)的測(cè)試指標(biāo)多達(dá)二十種，通過篩選，本研究選擇COP動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)和COP包絡(luò)面積作為平衡能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。COP動(dòng)搖總軌跡長(zhǎng)表示測(cè)試時(shí)間段內(nèi)壓力中心動(dòng)搖軌跡的總長(zhǎng)度，可體現(xiàn)足底壓力中心在水平面上總體動(dòng)搖情況。包絡(luò)面積為力中心在多維測(cè)力臺(tái)上投影的軌跡曲線包絡(luò)線所圍繞的面積，主要表征身體中心動(dòng)搖幅度大小。

三組實(shí)驗(yàn)軌跡圖像如圖7～圖9所示，測(cè)試指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)組別動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)度(m)COP包絡(luò)面積(m2)雙足靜止站立無負(fù)重0．1270．000123雙足靜止站立背部負(fù)重0．4840．002553單足靜止站立無負(fù)重0．4550．000506單足靜止站立背部負(fù)重0．8150．001071雙臂伸展無負(fù)重靜止站立0．1740．000583雙臂伸展手臂負(fù)重靜止站立1．0070．002585

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,雙足靜立背部負(fù)重實(shí)驗(yàn)中，負(fù)重組與不負(fù)重組軌跡總長(zhǎng)度之比為3.81，而包絡(luò)面積之比達(dá)到20.75；單足靜立背部負(fù)重試驗(yàn)中，負(fù)重組與不負(fù)重組軌跡總長(zhǎng)度之比為1.79，包絡(luò)面積之比達(dá)到2.11；雙臂伸展臂部負(fù)重實(shí)驗(yàn)中，負(fù)重組和不負(fù)重組軌跡總長(zhǎng)度之比為5.79，包絡(luò)面積之比為4.43。受試者自我感覺負(fù)重前后保持平衡困難程度三組實(shí)驗(yàn)遞增，負(fù)重和不負(fù)重相比晃動(dòng)程度三組實(shí)驗(yàn)遞增。當(dāng)晃動(dòng)不太明顯時(shí)，晃動(dòng)速度低，軌跡線短，包絡(luò)面積比動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)度更靈敏，應(yīng)選擇包絡(luò)面積作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)；當(dāng)晃動(dòng)比較明顯時(shí)，晃動(dòng)速度大，軌跡往返明顯，動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)度能更好評(píng)價(jià)平衡狀況。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于FPGA的平衡功能測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，選擇二分之一數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)平滑窗進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，圖像平滑程度有較大改善。通過不同情況負(fù)重實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種常用平衡功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，被測(cè)者晃動(dòng)不明顯時(shí)，采用動(dòng)搖軌跡包絡(luò)面積能更靈敏的反映平衡功能；當(dāng)晃動(dòng)明顯時(shí)，采用動(dòng)搖軌跡總長(zhǎng)度這一指標(biāo)更能準(zhǔn)確反映平衡狀況。該系統(tǒng)可望用于艙外航天服工效評(píng)估。

[1] 蔡楷.人體足底壓力及平衡功能測(cè)試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D]. 上海交通大學(xué), 2013.

[2] 陳卓鵬.航天員低重力步行模擬訓(xùn)練被動(dòng)外骨骼系統(tǒng)概念研究[D]. 南京航空航天大學(xué),2014.

[3] D.Lafond, M. Duarte,F.Prince.Comparison of three methods to estimate the center of mass during balance assessment [J].Journal of Biomechanics 2004(37):1 421～1 426.

[4] 高琴.基于嵌入式軟核處理器技術(shù)的便攜式人體足底壓力分布測(cè)量系統(tǒng)[D]. 西安工程大學(xué), 2007.

[5] 裴鵬.足底壓力形成與人體多影響因素關(guān)系機(jī)理及測(cè)量系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2013.

Research on Data Preprocessing Method of Balance FunctionTest and Evaluation System

MA Tian-liang MAO Zhi-yong WANG Dian CAI Ping JI Xiao-jun

(Dynamic measurement group, school of electronic information and electrical engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In experiment for evaluation of human body balance function, the center of pressure (COP) trajectory measuring method has been widely used. This paper introduces a kind of balance function test system based on FPGA. As the control center of the system, it realizes the measurement of six forces synchronously, calculating the center of pressure (COP) and plotting the trajectory simultaneously. Aimed at the problem that high frequency interference seriously affects accuracy of the measurement, research about reasonable setting of the smooth window in data preprocessing has been carried out. The result shows that using a smooth window which is half the length of the data frame can improve the smoothness of the trajectory effectively. Based on this system, experiment has been carried out using the method of bearing load to evaluate ergonomics. The result shows that this system can evaluate balance function accurately. During measurement, the length of trajectory and the area of envelope curve should be chosen depending on the shaking intensity to evaluate the balance function.

Balance function Center of pressure Trajectory smoothness

2016-05-24，

2016-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(61190124)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目課題(2009BAI71B06)

馬天亮(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向:壓力傳感器技術(shù)及FPGA的開發(fā)。

1000-7202(2017) 02-0022-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.05

TH823

A