王曉敏， 楊世鳳， 于 樂

(天津科技大學 電子信息與自動化學院,天津 300222)

0 引 言

目前，國內(nèi)醫(yī)療檢測設(shè)備發(fā)展迅速，解決關(guān)節(jié)角度檢測問題的技術(shù)需求也在不斷增大[1]?，F(xiàn)有的人體關(guān)節(jié)角度檢測功能的設(shè)備常采用陀螺儀、磁強計和加速度計組成的慣性測量模塊，但其算法繁瑣，校準流程復雜[2]。胡超等人提出將光學定位設(shè)備NDI Polaris Spectra應用于人體關(guān)節(jié)測量[3]，該方法提高了測量精度，但由于光學檢測設(shè)備對環(huán)境依賴性高且價格昂貴等問題的存在，導致該系統(tǒng)在實用性上有所欠缺。隨著MEMS技術(shù)的成熟以及對低成本考慮[4]，微機械陀螺、加速度計和磁傳感器得到越來越多的應用[5]。本文利用加速度傳感系統(tǒng)模擬骨骼活動的姿態(tài)，對角度變化進行自檢測。

1 搭建三維模型

通過分析人體骨骼的構(gòu)造及活動姿態(tài)，分別建立成角移位模型和旋轉(zhuǎn)移位模型，分別如圖1和圖2所示。設(shè)兩個加速度計分別為A和B，各自所在坐標系的X軸與骨骼長度方向保持一致且Z軸方向一致。

圖1 關(guān)節(jié)成角移位模型

圖2 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)移位模型

由以上模型可知，為了獲得關(guān)節(jié)變化的角度數(shù)值需以傳感器坐標系(即A，B加速度計所在坐標系)為基準坐標系，以關(guān)節(jié)的重力加速度gn與傳感器坐標系的不同夾角θ來計算出關(guān)節(jié)變化的角度值，如圖3及式(1)所示。

圖3 gn與坐標軸旋轉(zhuǎn)關(guān)系

i=gn×cosθx，j=gn×cosθy，k=gn×cosθz

(1)

式中i,j,k為gn在傳感器坐標系x,y,z中的加速度投影，θ分別對應gn與各坐標軸所成角度。

在靜態(tài)條件下，A,B各自坐標系可通過旋轉(zhuǎn)矩陣實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)前后的重力加速度始終為gn[6]。因而可將gn在不同加速度計上的測量結(jié)果看作是同一矢量在不同坐標系的坐標值，通過旋轉(zhuǎn)，能將一個坐標系旋轉(zhuǎn)到另一個坐標系。結(jié)合建立的模型可得出結(jié)論，通過計算旋轉(zhuǎn)角可以得到需要測量的角度量，而旋轉(zhuǎn)角的計算可通過gn在不同坐標系的表示得出

x2=x1，y2=y1·cosθ-z1·sinθ,

z2=y1·sinθ+z1·cosθ

(2)

式中x1,y1,z1為A加速度計所在坐標系，x2,y2,z2為B加速度計所在坐標系。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)公式可以得到繞x軸旋轉(zhuǎn)θ角的旋轉(zhuǎn)矩陣[7]

(3)

以上變量R為矩陣。

解出繞x軸的旋轉(zhuǎn)角θ

(4)

同理可以得到繞y軸,z軸的旋轉(zhuǎn)角。

2 實驗設(shè)備與Visual Studio交互界面

設(shè)計中采用BNO055芯片作為測量單元及主控系統(tǒng)， BNO055的融合輸出與加速度計傳感器設(shè)置緊密相連。表1為加速度機默認配置，可通過寫入ACC_Config寄存器來更改[8]。BNO055內(nèi)部傳感器通過SPI通信方式將采集的數(shù)據(jù)傳送到MCU。

表1 加速度計默認配置

BNO055支持2個數(shù)字接口，用于和主機設(shè)備通訊：HID over I2C、I2C標準和快速模式、UART接口[9]?；顒咏涌谟蓞f(xié)議選擇引腳(PS1和PS0)的狀態(tài)選擇，協(xié)議選擇引腳與所選接口模式之間的映射如表2所示。本設(shè)計采用UART數(shù)字通訊方式，BNO055的SCL和SDA引腳將成為串行RX和TX引腳，USB TO TTL小板是主機與BNO055芯片連接的硬件，用于BNO055采用UART通信。作為USB端口的接口，用戶可以使用開發(fā)桌面?zhèn)鞲衅髟u估環(huán)境來操作BNO055[10]。

表2 協(xié)議選擇引腳映射

基于圖形用戶界面框架WPF的交互界面如圖4所示，在MainWindow.xaml的設(shè)計窗體中，開發(fā)者可以根據(jù)需要更改Title，本研究中設(shè)定為“骨科康復評估系統(tǒng)”。此外也添加了“常用”、“校準”、“顯示”、“連接”、“斷開”等button按鈕，其外還有2只傳感器的實時數(shù)據(jù)顯示的布局。當將所需要的屬性和事件設(shè)定添加后，便可以在MainWindow.xaml的設(shè)計窗左側(cè) “文檔大綱”中查看已設(shè)定的窗體顯示事件，完成相應編譯后便可以對窗體進行添加內(nèi)容，最后所設(shè)定的按鈕都將由事件實現(xiàn)相關(guān)功能。

圖4 人機交互界面

3 仿真實驗與結(jié)果分析

本設(shè)計中使用量角尺模擬肢體運動進行實驗，將傳感器測量系統(tǒng)與光學檢測系統(tǒng)如圖5所示，用熱熔膠固定在角度尺上，與水平面成一定角度，緩慢移動，看作一種“準靜態(tài)”的測量。兩系統(tǒng)同步測量，最后將光學檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過MATLAB算出角度并與傳感器測量系統(tǒng)所測角度進行比對，通過圖像顯示。

圖5 系統(tǒng)安裝測試

經(jīng)過多次實驗，最終取得如圖6所示的角度對比圖，其中位于上方的實曲線為本文研究的檢測系統(tǒng)測試結(jié)果，虛曲線為光學檢測系統(tǒng)測試結(jié)果。結(jié)果顯示兩種系統(tǒng)的整體變化趨勢一致且吻合度較高。對兩組數(shù)據(jù)進行誤差對比分析(如圖7所示)，結(jié)果表明,本文檢測系統(tǒng)與精度較高的光學檢測系統(tǒng)相比，其誤差范圍在±4°以內(nèi)。因此關(guān)節(jié)在緩慢移動(即準靜態(tài))情況下，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過對兩種系統(tǒng)的曲線進行分析，存在個別點不對應的問題，經(jīng)檢查是由于傳感器采樣頻率不穩(wěn)定導致。實驗中，多次對系統(tǒng)進行溫度、振動等測試，結(jié)果顯示由于設(shè)備振動以及設(shè)備所處溫度的高低對系統(tǒng)的精度測量影響較小，滿足設(shè)計要求。

圖6 角度比對

圖7 誤差統(tǒng)計

4 結(jié) 論

設(shè)計中的關(guān)節(jié)角度檢測系統(tǒng)基于加速度計傳感器完成檢測，通過Windows平臺實時顯示。使用量角尺模擬肢體運動，將傳感器測量系統(tǒng)與光學檢測系統(tǒng)進行同步對比，結(jié)果表明：基于加速度計的關(guān)節(jié)角度檢測系統(tǒng)具有精度高，誤差小，算法簡單等優(yōu)點，解決了其他檢測設(shè)備的校準復雜，受空間及環(huán)境限制大以及價格昂貴等問題，為醫(yī)學中關(guān)節(jié)角度檢測提高檢測精度，降低檢測成本。