郝健淇，張政宸，韓 磊，石春花

(1.長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)系，山西 長(zhǎng)治 046000；2長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046000)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，截至2020年底，全國(guó)60歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋戎貫?6.7%，其中，患有帕金森癥的老人超過(guò)200萬(wàn)。為幫助帕金森癥老人獨(dú)立進(jìn)食，研究人員設(shè)計(jì)了一些便攜實(shí)用的裝置，其中，以谷歌公司旗下的電子防抖勺Liftware和GYENNO旗下的“睿餐”防抖勺為代表，但這些產(chǎn)品造價(jià)昂貴，尚未廣泛使用。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套智能防抖筷勺系統(tǒng)，利用陀螺儀和加速度傳感器檢測(cè)手部運(yùn)動(dòng)；由防抖控制算法驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)和傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，達(dá)到防抖的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路兩部分組成，整體設(shè)計(jì)如圖1。裝置外殼符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)理念[1-2]，設(shè)有一系列凹槽，方便老人進(jìn)行手部定位，同時(shí)外殼角度設(shè)計(jì)合理，握持更加舒服，適合長(zhǎng)時(shí)間使用。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)電路由單片機(jī)控制電路[3]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)測(cè)量、自動(dòng)夾持四個(gè)部分組成。其中，控制電路采用Atmel Atmega328單片機(jī)作為核心處理器，輔以電平轉(zhuǎn)換模塊和A/D轉(zhuǎn)換器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以tb6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和直流減速電機(jī)為主；姿態(tài)測(cè)量電路以MPU6050六軸陀螺儀[4-5]為主；自動(dòng)夾持電路以激光測(cè)距傳感器和舵機(jī)為主。另外，整個(gè)系統(tǒng)由3.7 V的微型航模鋰電池配合5 V穩(wěn)壓模塊供電。設(shè)計(jì)中，利用MPU6050作為檢測(cè)元件，采用卡爾曼濾波算法讀取位置傳感器的偏轉(zhuǎn)角度，采用PID算法對(duì)電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制，是設(shè)計(jì)的核心部分；利用陀螺儀和加速度傳感器檢測(cè)手部運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度，采用高速直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)防抖結(jié)構(gòu)做與抖動(dòng)方向相位相反的俯仰振動(dòng)或左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)防抖功能。

圖1 整體設(shè)計(jì)

2.2 鍵模塊選擇

1) 激光測(cè)距模塊

激光測(cè)距傳感器VL53L0X體積較小且精度高，非常適合中短距離的測(cè)量。為檢驗(yàn)該模塊的測(cè)距準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，在所取的測(cè)距數(shù)值中，絕對(duì)誤差在20 mm以內(nèi)，最大相對(duì)誤差≤4%，測(cè)量性能優(yōu)于超聲波、紅外線等測(cè)距傳感器。

表1 VL53L0X測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

當(dāng)激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到設(shè)定的測(cè)量范圍內(nèi)(到筷頭處)有食物存在時(shí)，傳遞單片機(jī)信號(hào)，然后單片機(jī)通過(guò)輸出PWM波控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制筷頭實(shí)現(xiàn)夾取功能；當(dāng)激光測(cè)距傳感器檢測(cè)到設(shè)定的測(cè)量范圍內(nèi)(到筷頭處)無(wú)食物存在時(shí)，單片機(jī)控制舵機(jī)張開(kāi)一定角度，以便下次夾取食物。

2) 姿態(tài)測(cè)量傳感器

采用MPU6050陀螺儀模塊作為姿態(tài)測(cè)量傳感器，該芯片靈敏度高、溫漂小、可重復(fù)性高、測(cè)量范圍和分辨率均滿足使用需求。該模塊將手部動(dòng)作中三個(gè)軸的加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)，利用其實(shí)現(xiàn)手部抖動(dòng)時(shí)的信號(hào)檢測(cè)，即將陀螺儀安裝在筷頭部分，檢測(cè)筷頭部分相對(duì)于水平面的偏轉(zhuǎn)角度。然后通過(guò)I2C通信模式傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)反向偏轉(zhuǎn)相同角度，實(shí)現(xiàn)防抖的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)執(zhí)行流程為：開(kāi)啟防抖功能后，初始化各模塊，首先，MPU6050傳感器檢測(cè)筷頭的空間姿態(tài)信息，發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)到微處理器；其次，微處理器接收傳感器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行優(yōu)化處理；接著，通過(guò)防抖控制PID算法輸出PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)防抖的效果。

3.1 姿態(tài)測(cè)量算法

姿態(tài)解算算法采用卡爾曼濾波算法[7]。因?yàn)槠錈o(wú)偏性，估計(jì)方差最小，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用的姿態(tài)測(cè)量算法如圖2所示。

為了驗(yàn)證卡爾曼濾波算法在勺頭姿態(tài)解算上是否有效，使用陀螺儀測(cè)到的一組數(shù)據(jù)，在MATLAB軟件[8]中用卡爾曼濾波算法程序進(jìn)行仿真(如圖3)，其中，橫坐標(biāo)為測(cè)量時(shí)間，縱坐標(biāo)為測(cè)量角度。結(jié)果表明，濾波前，測(cè)量值和真實(shí)值之間誤差平均值是3.79×10-1，濾波后，測(cè)量值和真實(shí)值之間誤差平均值為1.55×10-1，說(shuō)明卡爾曼濾波算法可以很好地優(yōu)化傳感器所測(cè)結(jié)果，噪聲處理能力也較好，即，濾波效果良好。

圖2 姿態(tài)測(cè)量算法框圖

圖3 卡爾曼濾波姿態(tài)解算

3.2 PID算法

PID算法的最終目的是生成控制直流減速電機(jī)的PWM信號(hào)，具體方法是擺動(dòng)筷頭，觀測(cè)輸出的PWM波形，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及平衡的位置。若電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度在相對(duì)于設(shè)定角度大幅度擺動(dòng)，則把PID算法中的P調(diào)小；若電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)較慢到達(dá)設(shè)定角度，則調(diào)大P。如此反復(fù)調(diào)試觀察，直至調(diào)試出最優(yōu)的PID參數(shù)。

本系統(tǒng)用到了PD算法和PI算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：PD環(huán)參數(shù)P=-39，I=0，D=-0.52，PI環(huán)參數(shù)P=-4，I=-0.12，D=0時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性較好。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 防抖算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證算法的控制效果，手握持防抖勺勺柄，將勺頭懸空，分別在開(kāi)啟防抖和關(guān)閉防抖的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。圖4表示防抖勺手柄受到頻率為6-12 Hz的手部抖動(dòng)干擾，勺頭負(fù)載重量為15 g時(shí)的速度控制效果，黑色V1曲線是開(kāi)啟防抖功能后傳感器采集到勺頭的速度信號(hào)，紅色V2曲線是未開(kāi)啟防抖功能時(shí)勺頭的速度信號(hào)。通過(guò)曲線可以看到，該防抖控制算法可以有效減少手部的抖動(dòng)，具有較好的控制效果。

圖4 勺頭抖動(dòng)幅度曲線圖

4.2 重要零件強(qiáng)度與剛度校核

PLA材料拉伸強(qiáng)度為80 Mpa-90 Mpa[2]，彎曲模100 Mpa-150 Mpa。通過(guò)有限元分析軟件可以得到加載力為1 N時(shí)后連接橋、前連接橋和右筷的平均應(yīng)力和變形量，如圖5。分析表明，后連接橋、前連接橋和右筷的變形量都很小，最大變形量在邊緣處，后連接橋在邊角處產(chǎn)生的最大應(yīng)力為8Mpa，小于屈服強(qiáng)度，故這三個(gè)重要零件的選用滿足要求。

圖5 有限元仿真圖—后連接橋平均應(yīng)力

4.3 夾取力測(cè)試

對(duì)生活中用筷子夾取不同食物時(shí)所需的力做了一系列夾取力測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，如表2，由此可見(jiàn)，夾取食物的夾緊力較小，舵機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩能夠滿足要求。

表2 夾取食物所需夾緊力

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套智能防抖筷勺裝置。該裝置利用陀螺儀和加速度傳感器檢測(cè)手部運(yùn)動(dòng)，由防抖控制算法驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)和傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，達(dá)到防抖的目的。該系統(tǒng)具有以下特色：更符合中國(guó)人用筷子的習(xí)慣，可以較為方便地夾取食物；采用自研防抖算法，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的防抖效果；外殼采用人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，握持舒適，使用方便；成本較低，性價(jià)比高，具有一定的實(shí)用價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊。經(jīng)過(guò)綜合的實(shí)驗(yàn)測(cè)評(píng)，裝置具有較為良好的防抖功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)夾取功能，成本較低，性價(jià)比高。總之，本裝置方便，便攜，有效地解決了老年人或帕金森患者獨(dú)自吃飯難的問(wèn)題，具有一定的實(shí)用價(jià)值。