侯文生，蔡 全，吳小鷹，廖彥劍，鄭小林，楊丹丹

（重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引言

手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反映了手指的運(yùn)動(dòng)信息，手指運(yùn)動(dòng)功能的分析是評(píng)測(cè)手指的運(yùn)動(dòng)能力，為醫(yī)療、體育、仿生學(xué)等研究提供參考數(shù)據(jù)的重要手段，在假肢控制、手勢(shì)識(shí)別與跟蹤［1］、遠(yuǎn)程操作［2］、手指康復(fù)訓(xùn)練［3］等方面有重要應(yīng)用價(jià)值。手指可以看成是由許多連桿連接組成的關(guān)節(jié)系統(tǒng)，手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)表現(xiàn)為各個(gè)關(guān)節(jié)角度的變化［4］。為了無(wú)創(chuàng)檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，人們先后嘗試將磁阻傳感器、光纖角度傳感器、圖像傳感器等不同類型的傳感器用于手指關(guān)節(jié)角度檢測(cè)。磁阻傳感器［5］利用其電阻值隨周圍磁場(chǎng)的改變來(lái)檢測(cè)角度的變化，具有體積小、重量輕、靈敏度高的特點(diǎn)，但其易受外界電磁干擾，屏蔽措施占據(jù)較多的空間和重量［6］;基于圖像傳感器關(guān)節(jié)角度檢測(cè)［7］是利用傳感器（如攝像頭）記錄關(guān)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)，它不妨礙手指運(yùn)動(dòng)，但標(biāo)記點(diǎn)易被遮擋;光纖角度傳感器通過(guò)感知光通量的變化來(lái)測(cè)量手指的彎曲度［8］，具有抗電磁干擾、測(cè)量分辨率高的特點(diǎn)，但其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小、存在光纖疲勞效應(yīng)［9］。微型加速度計(jì)是一種以MEMS技術(shù)發(fā)展起來(lái)的、可以檢測(cè)姿態(tài)和角度變化的新型傳感器，為手指關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)測(cè)量提供了新的技術(shù)手段［10］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于三軸加速度計(jì)ADXL330的手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了手指動(dòng)態(tài)角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了傳感器在動(dòng)態(tài)條件下的測(cè)量精度，并分析了絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的誤差分布范圍，在此基礎(chǔ)上，將傳感器用于測(cè)量手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，設(shè)計(jì)了手指敲擊鍵盤實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了三軸加速度計(jì)測(cè)量手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的可行性。

1 姿態(tài)測(cè)量的原理和方法

1.1 傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)基本原理

加速度計(jì)ADXL330是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出的一種基于MEMS技術(shù)的三軸加速度計(jì)芯片，其既可測(cè)量靜態(tài)加速度，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度［11］。加速度計(jì)ADXL330的傳感原理是基于差動(dòng)電容來(lái)感知加速度［11］。當(dāng)有加速度作用時(shí)，引起上下兩端電容的變化，這種電容的變化可用來(lái)表征加速度，將加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后就能得到正比于加速度的電壓信號(hào)。傳感器擺放位置不同，其敏感軸感受到的重力加速度分量大小也不一樣，當(dāng)加速度計(jì)的負(fù)向敏感軸與重力方向一致時(shí)，此時(shí)傳感器輸出最大值。當(dāng)所測(cè)姿態(tài)角改變?chǔ)習(xí)r，則加速度計(jì)的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，通過(guò)傳感器敏感軸上感應(yīng)到的重力加速度，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可得到平面傾角大小。

傳感器的輸出與角度之間存在如下關(guān)系［4］

式中α，β分別為傳感器敏感軸與水平方向、豎直方向的夾角，xt，yt為傳感器當(dāng)前的輸出值，x0，y0為傳感器敏感軸在初始位置的輸出值，kx，ky為傳感器x軸、y軸的靈敏度，ADXL330 的靈敏度測(cè)試［4，12］結(jié)果為 307 mV/gn。

根據(jù)上式得出傳感器的敏感軸與水平方向的夾角α，在安裝傳感器時(shí)，傳感器的敏感軸應(yīng)與傾斜體的軸向方向一致，在水平狀態(tài)下，應(yīng)與地平面相平。人手指的運(yùn)動(dòng)可看成是手指各個(gè)關(guān)節(jié)角度的變化，將傳感器置于如圖1所示的相應(yīng)位置，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)。

圖1 手指測(cè)量示意圖Fig 1 Schematic diagram of finger measurement

1.2 動(dòng)態(tài)角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量屬于動(dòng)態(tài)角度測(cè)量的一種，在將傳感器應(yīng)用于手指姿態(tài)檢測(cè)前，設(shè)計(jì)一動(dòng)態(tài)角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)加速度計(jì)在動(dòng)態(tài)角度測(cè)量中的可靠性與穩(wěn)定性。

利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的可控性，設(shè)計(jì)了一步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)57BYG001）控制的、能在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)裝置。將傳感器固定在該旋轉(zhuǎn)裝置上，固定時(shí)使傳感器的敏感軸Y軸與水平方向保持一致，通過(guò)對(duì)比傳感器所測(cè)角度與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)評(píng)估傳感器在動(dòng)態(tài)條件下的測(cè)量精度。利用DSP（TMS320F2812開發(fā)板）控制該旋轉(zhuǎn)裝置在豎直平面內(nèi)以半步模式（0.9°/步）在（0°，90°）范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。設(shè)置控制脈沖頻率為300 Hz，那么，該旋轉(zhuǎn)裝置每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)角度為270°（300×0.9），因此，旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度滿足以下線性規(guī)律式中α1為旋轉(zhuǎn)裝置所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，t為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。為了同步記錄傳感器的輸出，采用LabVIEW結(jié)合NI公司的NI9205數(shù)據(jù)采集卡（16 bit分辨率，最高達(dá)250 k采樣速率）采集加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，滿足采集時(shí)間（1/3 s）后自動(dòng)停止采集，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到PC。

在Matlab中進(jìn)行處理，用二階butter filter對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理，截止頻率為20 Hz。利用傳感器初始輸出值和靈敏度ky，由式（1）即可得出運(yùn)動(dòng)的角度信息，圖2即為一次實(shí)驗(yàn)中傳感器所測(cè)得的動(dòng)態(tài)角度變化圖。在相同條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)8次，每組測(cè)得1200個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)分析，以旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α2作為約定真值，傳感器所測(cè)角度α1與約定真值之差表示為該實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)誤差Δ，絕對(duì)誤差與約定真值之比表示為該實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差γ，因此，絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差可分別用下式表示

絕對(duì)誤差頻數(shù)分布直方圖如圖3（a）所示，相對(duì)誤差頻數(shù)分布直方圖如圖3（b）所示。從圖中可以看出:絕對(duì)誤差主要分布在1°～2.5°之間，相對(duì)誤差主要分布在3%～6%之間。該實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了加速度計(jì)能用于動(dòng)態(tài)角度檢測(cè)。

圖2 動(dòng)態(tài)角度變化圖Fig 2 Curve of dynamic angle variation

2 手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

1）手指動(dòng)作實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化，本文設(shè)計(jì)了手指敲擊鍵盤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，志愿者食指佩戴好傳感器，其余四指向掌面自然彎曲并保持不動(dòng)。志愿者近期應(yīng)沒有影響運(yùn)動(dòng)功能的傷病，測(cè)試中要求志愿者保持坐立姿態(tài)，掌面水平，掌心向下，手腕保持不動(dòng)。實(shí)驗(yàn)所用鍵盤為PC機(jī)PS/2普通鍵盤。志愿者在充分理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程并經(jīng)過(guò)幾次練習(xí)后參加實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始后，食指在豎直面內(nèi)敲擊鍵盤，運(yùn)動(dòng)速度和平時(shí)敲擊鍵盤速度相當(dāng)。

圖3 傳感器動(dòng)態(tài)角度測(cè)量的誤差統(tǒng)計(jì)Fig 3 Error statistics of the sensor in dynamic angle measurement

2）手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)

將傳感器固定在靠近食指3個(gè)關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置處，分別測(cè)量食指在敲擊鍵盤過(guò)程中掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指間關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)的變化，即對(duì)應(yīng)圖5中所示的MCP，PIP，DIP。固定傳感器時(shí)，應(yīng)盡量使傳感器的Y軸與所測(cè)指節(jié)相平行。在手指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，采用DSP TMS320F2812開發(fā)板同步采集3只傳感器的輸出信號(hào)，利用定時(shí)器T1的周期中斷觸發(fā)AD采樣，采樣模式為順序采樣，采樣率設(shè)為200 Hz，采樣通道數(shù)為3，所用軟件為CCS（Code Composer Studio）3.1。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將采集的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行濾波處理，濾波器選擇二階低通巴特沃斯濾波器，截止頻率為20 Hz。利用濾波后的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）的計(jì)算方法即可得到掌指關(guān)節(jié)、近側(cè)指間關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)所運(yùn)動(dòng)的角度MCP，PIP和DIP，如圖4所示。

圖4 食指三關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間的變化Fig 4 Angle variation with time of three joints of index finger

圖4中，在0.6～0.9 s時(shí)間段，MCP關(guān)節(jié)逐漸增大，而PIP關(guān)節(jié)和DIP關(guān)節(jié)逐漸減小，表明此時(shí)手指三關(guān)節(jié)在做屈指運(yùn)動(dòng);在0.9～1.2 s時(shí)間段，MCP關(guān)節(jié)逐漸減小，而PIP關(guān)節(jié)和DIP關(guān)節(jié)逐漸增大，表明此時(shí)手指三關(guān)節(jié)在做伸指運(yùn)動(dòng);1.2 s至整個(gè)動(dòng)作結(jié)束，MCP關(guān)節(jié)增大，而PIP關(guān)節(jié)和DIP關(guān)節(jié)呈減小趨勢(shì)，表明手指在返回階段完成伸指運(yùn)動(dòng)以后，由于慣性手指又發(fā)生了一定程度的屈指運(yùn)動(dòng)。手指在敲擊鍵盤的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，MCP關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度為29°（1°，29°），大于 PIP 關(guān)節(jié) 14°的運(yùn)動(dòng)幅度（136°，149°）和 DIP 關(guān)節(jié)9°的運(yùn)動(dòng)幅度（160°，168°），表明手指敲擊鍵盤動(dòng)作主要是掌指關(guān)節(jié)MCP帶動(dòng)近側(cè)指間關(guān)節(jié)PIP和遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)DIP的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。上述結(jié)果與美國(guó)學(xué)者Kuo P L等人［13］利用角度計(jì)檢測(cè)到的敲擊鍵盤時(shí)食指關(guān)節(jié)角度變化一致。另外，食指遠(yuǎn)端指節(jié)在接觸鍵盤時(shí)會(huì)出現(xiàn)短時(shí)抖動(dòng)，這反映在DIP運(yùn)動(dòng)角度變化的波動(dòng)（圖4（c））。圖4中第一條豎直虛線表示手指接觸鍵盤的起始時(shí)刻，該虛線之前的階段為手指做屈指運(yùn)動(dòng)敲擊鍵盤的過(guò)程;第二條豎直虛線對(duì)應(yīng)手指接觸鍵盤和抬離鍵盤的分界線，它與第一條虛線所圍區(qū)間為手指按壓鍵盤的整個(gè)時(shí)間段;第三條豎直虛線對(duì)應(yīng)手指抬離鍵盤的返回階段，此時(shí)手指在做伸指運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

本文基于加速度計(jì)ADXL330實(shí)現(xiàn)了對(duì)手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)?；趯?duì)加速度計(jì)工作原理的分析，設(shè)計(jì)了手指動(dòng)態(tài)角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上利用加速度計(jì)對(duì)手指敲擊鍵盤這一手指常用動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的檢測(cè)，得到了食指MCP關(guān)節(jié)、PIP關(guān)節(jié)和DIP關(guān)節(jié)隨時(shí)間的變化關(guān)系。初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該檢測(cè)方法能滿足手指關(guān)節(jié)角度測(cè)量要求，具有體積小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于醫(yī)療技術(shù)、體育訓(xùn)練以及運(yùn)動(dòng)仿生學(xué)等領(lǐng)域，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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