基于傳感器的手指運動姿態(tài)監(jiān)測

都悅來，史麗萍，王 帥，張慶宇，張春春

(黑龍江大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

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基于傳感器的手指運動姿態(tài)監(jiān)測

都悅來，史麗萍*，王 帥，張慶宇，張春春

(黑龍江大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

針對動態(tài)測量手指關(guān)節(jié)角度的需要，設(shè)計了基于傳感器的手指運動姿態(tài)監(jiān)測方法。從可穿戴式設(shè)備的角度出發(fā)，在分析了PVDF壓電薄膜傳感器、電阻應(yīng)變片和三軸加速度計ADXL330工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了動態(tài)角度測量實驗和3組監(jiān)測實驗；傳感器固定在手套的對應(yīng)關(guān)節(jié)的位置處。對比3組實驗，分析實驗數(shù)據(jù)，得到結(jié)論：PVDF壓電薄膜傳感器動態(tài)響應(yīng)快，適合高頻激勵下手指運動姿態(tài)的監(jiān)測；電阻應(yīng)變片在高頻激勵下的響應(yīng)有一定的延遲，這種響應(yīng)遲后對動態(tài)應(yīng)變測量會產(chǎn)生誤差，其比較適合低頻激勵下手指運動姿態(tài)的監(jiān)測；加速度計ADXL330在低頻激勵下能較好地實現(xiàn)對手指運動姿態(tài)的監(jiān)測，其工作的穩(wěn)定性和可靠性良好。

PVDF壓電薄膜傳感器；ADXL330加速度計；應(yīng)變片；關(guān)節(jié)角度

手指運動姿態(tài)能夠準確地反映手指的運動信息，通過監(jiān)測手指運動姿態(tài)能夠獲取這些信息，進而評測手指的運動能力，在一定程度上促進了康復(fù)醫(yī)學(xué)、體育、運動仿生學(xué)、人機工程等諸多領(lǐng)域的研究進展，尤其是在假肢控制，手勢識別與跟蹤、遠程操作、手指康復(fù)訓(xùn)練等方面有重要的應(yīng)用價值[1-3]。近年來隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，對機械手各關(guān)節(jié)運動姿態(tài)監(jiān)測的需求越來越迫切[4]。若能實現(xiàn)對人手指運動姿態(tài)的監(jiān)測，就可將這種方法移植到其他相關(guān)應(yīng)用上。國內(nèi)很多高校已經(jīng)展開了相關(guān)的研究工作，重慶大學(xué)生物工程學(xué)院的侯文生在這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成果。本文的創(chuàng)新點是從可穿戴式設(shè)備的角度出發(fā)，將傳感器固定在手套上，對應(yīng)于手指關(guān)節(jié)的位置，通過大量實驗及數(shù)據(jù)處理獲取手指關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)，進而將這種簡易數(shù)據(jù)手套用于實際生活中。在手套的自制夾層中放置傳感器，是制作數(shù)據(jù)手套的通用做法，不影響傳感器的正常工作。

在對PVDF壓電薄膜傳感器、三軸加速度計ADXL330和電阻應(yīng)變片工作原理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路及監(jiān)測實驗。通過對傳感器輸出特性的分析，結(jié)果表明這3種傳感器均能用于監(jiān)測和分析手指的運動狀態(tài)，但電阻應(yīng)變片和加速度計在監(jiān)測過程中表現(xiàn)的更加穩(wěn)定，性能突出。

1 PVDF壓電薄膜監(jiān)測手指運動姿態(tài)

人手指的運動可視為手指各關(guān)節(jié)角度的變化，實驗中將傳感器固定在手套對應(yīng)于圖1所示的位置。由于人體運動時四肢各關(guān)節(jié)處的伸展和彎曲的頻率一般在1.0 Hz以下[5]，屬于低頻激勵，故把1.0 Hz作為高頻激勵和低頻激勵的分界點。

1.1 硬件電路設(shè)計

聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電薄膜的諸多優(yōu)點使其適合制作可穿戴式設(shè)備[6-7]，其利用正壓電效應(yīng)工作[8]，等效電路見圖2。

圖1 手指測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of finger motion measurement

圖2 PVDF壓電傳感器的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of PVDF sensor

由于PVDF壓電薄膜的壓電應(yīng)變常數(shù)值很小，導(dǎo)致傳感器輸出的電荷或電壓信號非常微弱。只有當傳感器與合適的前置電路相連接時，才能構(gòu)成完整的信號輸出部分，實驗一所使用的前置電路見圖3。

圖3 前置電路Fig.3 Front end circuit

當把該傳感器等效為電荷源時，使其與電荷放大電路相連。因為電荷放大電路比電壓放大電路更容易獲得較高的放大增益，并且工作狀態(tài)穩(wěn)定，所以前置電路的第一級設(shè)置為電荷放大電路(圖3)。在該電荷放大電路中，為保證電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定，須選取適當?shù)姆e分電容Cf和反饋電阻Rf，實驗一使用Cf=10 000 pF，Rf=100 MΩ。

由于經(jīng)過第一級電荷放大電路的信號已具有一定的信噪比和抗干擾能力的電壓信號，第二級電壓放大電路主要作用是穩(wěn)定電壓信號，故第二級電壓放大電路使用圖3所示的負反饋同相放大電路。

此電壓放大器的輸出電壓U3和輸入電壓U2成正比關(guān)系，即：

U3=(1+R3/R2)

(1)

電路中使用阻值為10 kΩ的可調(diào)電阻R2和R3來調(diào)節(jié)電壓放大電路的閉環(huán)增益。調(diào)節(jié)時應(yīng)注意電壓放大電路的工作點需處在工作區(qū)內(nèi)，以保證電壓放大電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，可對比放大前后的電壓信號波形進行查驗。其次，應(yīng)注意放大后輸出的電壓需小于電源電壓。

PVDF壓電傳感器的輸出信號經(jīng)過兩次放大后，一定會引入噪聲。由于本文要獲取手指運動的低頻信號，為提高信噪比，引入第三級低通濾波電路。有用低頻信號的頻率一般在10 Hz以下，但由于單極點低通濾波電路的頻率特性不是十分陡峭，故在實際應(yīng)用中不能把截止頻率直接設(shè)定為10 Hz。本文將低通濾波電路的截止頻率設(shè)定為20 Hz。

1.2 實驗過程及結(jié)果

快速彎曲伸展手指，傳感器輸出電壓波形見圖4。當手指緩慢彎曲伸展時，輸出電壓波形見圖5。

圖4 高頻激勵下PVDF壓電薄膜的輸出特性Fig.4 Output characteristics of PVDF piezoelectric film under the condition of high-frequency excitation

圖5 低頻激勵下PVDF壓電薄膜的輸出特性Fig.5 Output characteristics of PVDF piezoelectric film under the condition of low-frequency excitation

當PVDF壓電薄膜受力彎曲，且激勵頻率>1 Hz時，其輸出信號將穩(wěn)定反映手指彎曲幅度的變化[9]。將手指彎曲頻率>1 Hz的狀態(tài)稱為快速彎曲。

2 電阻應(yīng)變片監(jiān)測手指運動姿態(tài)

電阻應(yīng)變測量技術(shù)近年來得到廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量輕，不影響被測物體的固有特性；頻率響應(yīng)范圍較寬；檢測精度高[10-13]。

2.1 硬件電路設(shè)計

所搭建的實驗平臺見圖6。

圖6 基于電阻應(yīng)變片的實驗結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Experimental structure diagram based on resistance strain gauge

2.2 實驗設(shè)備

實驗二用到的主要設(shè)備與元件：YE6232B數(shù)據(jù)采集器、直流穩(wěn)壓電源、350 Ω電阻應(yīng)變片、INA128儀表放大器。電路中R11=R33=R44=350 Ω，R22是阻值為1 kΩ的電位器，R55阻值為10 kΩ，電容C2= 1 μF。供橋電壓為5 V，INA128放大器的放大倍數(shù)為：

G=1+50 kΩ/RG=51

(2)

2.3 實驗過程及結(jié)果

當應(yīng)變片未發(fā)生形變時，即R11阻值不變時，調(diào)節(jié)R22使放大器的輸出電壓U0為0，以保證電橋平衡，從而確保應(yīng)變片工作在較高靈敏度的狀態(tài)下。實驗結(jié)果表明：放大器輸出電壓U0能保證在8 mV以下，即電橋平衡?？焖購澢煺故种?，輸出電壓波形見圖7。當手指緩慢彎曲伸展時，應(yīng)變片的輸出電壓波形見圖8。

圖7 高頻激勵下電阻應(yīng)變片的輸出特性Fig.7 Output characteristics of resistance strain gauge under the condition of high-frequency excitation

圖8 低頻激勵下電阻應(yīng)變片的輸出特性Fig.8 Output characteristics of resistance strain gauge under the condition of low-frequency excitation

電阻應(yīng)變片的粘貼位置須準確，以確保關(guān)節(jié)彎曲時，能夠與關(guān)節(jié)運動的角度保持同步；同時確保電路結(jié)構(gòu)的正確性，以免造成電阻應(yīng)變片的損壞。

3 三軸加速度計ADXL監(jiān)測關(guān)節(jié)運動姿態(tài)

加速度計ADXL330基于差動電容來感知加速度[14]，其輸出電壓信號與角度之間存在如下關(guān)系[15]：

α=arcsin(Xt-X0)/Kxg

(3)

式中α為傳感器敏感軸與水平方向的夾角；Xt為傳感器當前的輸出值；X0為傳感器敏感軸在初始位置的輸出值；Kx為傳感器X軸的靈敏度，其靈敏度測試結(jié)果為304 mV/g。

3.1 動態(tài)角度測量實驗

由于手指運動姿態(tài)監(jiān)測的本質(zhì)是對動態(tài)角度的監(jiān)測，所以在使用加速度計監(jiān)測手指運動姿態(tài)前，先檢驗加速度計在動態(tài)角度測量中的可行性與可靠性，為此設(shè)計了一動態(tài)角度測量實驗。

步進電機轉(zhuǎn)動角度是可控的，由此設(shè)計了一步進電機( 28BYJ-48)控制的、可在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的實驗裝置。將加速度計固定在該旋轉(zhuǎn)裝置上，需保證加速度計敏感軸X軸的方向與水平方向的一致性，然后通過對比加速度計所測角度與電機轉(zhuǎn)動角度來評估傳感器的測量精度。利用C51單片機配合ULN2803步進驅(qū)動器(接收脈沖信號)控制該實驗裝置在豎直平面( 0°,90°)內(nèi)以步距角為0.9°的半步模式運動。控制脈沖頻率設(shè)為400 Hz，則此旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動為360°(400×0.9°)/s。因此該旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動角度滿足式(4)所示的線性關(guān)系：

α1=360t，t∈(0，0.25 s)

(4)

圖9 動態(tài)角度測量實驗對比圖Fig.9 Comparison diagram of the dynamic angle measurement

式中α1為旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動角度；t為旋轉(zhuǎn)時間。同時使用YE6232B數(shù)據(jù)采集器(采樣頻率500 Hz)采集輸出電壓數(shù)據(jù)。

將采集的數(shù)據(jù)在MATLAB中進行濾波處理，濾波器選擇二階低通巴特沃斯濾波器，截止頻率為20 Hz。利用加速度計的初始輸出X0和靈敏度kx，由式(3)計算出相應(yīng)的角度。動態(tài)角度測量實驗對比見圖9，實線是旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)角，點實線是加速度計所測角度。在相同條件下重復(fù)實驗5次，對數(shù)據(jù)進行誤差統(tǒng)計分析，得到誤差為1°～3°。該實驗初步驗證了加速度計能用于動態(tài)角度檢測。

3.2 加速度計監(jiān)測手指運動姿態(tài)實驗

3.2.1 硬件電路設(shè)計

實驗三所用到的主要設(shè)備與元件：YE6232B數(shù)據(jù)采集器、直流穩(wěn)壓電源、ADXL330加速度計、運算放大器NE5532。所搭建的實驗平臺見圖10。

圖10 基于加速計的實驗平臺Fig.10 Experimental structure diagram based on accelerometer

3.2.2 實驗過程及結(jié)果

將傳感器固定在靠近中指近側(cè)指間關(guān)節(jié)的位置，應(yīng)盡量使傳感器的X軸與中指指節(jié)相平行。手指緩慢彎曲伸展，利用數(shù)據(jù)采集器采集傳感器敏感軸X軸的輸出電壓波形見圖11，通過式(3)可得到近側(cè)指間關(guān)節(jié)的角度。當手指快速彎曲伸展時，加速度計的輸出電壓波形見圖12。

圖11 低頻激勵下加速度計的輸出特性Fig.11 Output characteristics of accelerometer under the condition of low-frequency excitation

圖12 高頻激勵下加速度計的輸出特性Fig.12 Output characteristics of accelerometer under the condition of high-frequency excitation

4 數(shù)據(jù)分析

對比實驗一、實驗二及實驗三，得出結(jié)論，PVDF壓電傳感器、應(yīng)變片和加速度計均能較準確地反映關(guān)節(jié)角度的變化。在實驗一手指快速運動實驗中，由于激勵頻率較高時，PVDF壓電傳感器的輸出信號將穩(wěn)定地反映手指彎曲幅度的變化，故根據(jù)圖4可見：在2.8～3.0 s PVDF壓電傳感器輸出電壓反向增加，表明關(guān)節(jié)角度在增加；在3.0～3.2 s由于傳感器產(chǎn)生的電荷迅速散逸，導(dǎo)致電壓迅速下降；在7.3～7.5 s傳感器輸出電壓正向增加，表明關(guān)節(jié)角度在減小，手指正快速伸展。在實驗二中，由圖7可見：在1.9～2.4 s，電阻應(yīng)變片的輸出電壓不斷增加，表明關(guān)節(jié)彎曲角度不斷增加，手指正快速彎曲；2.5 s后應(yīng)變片輸出電壓不斷下降，最終保持在一個穩(wěn)定值，表明關(guān)節(jié)角度在減小，手指正快速伸展。在實驗三中，由圖11可見：在1.25～2.8 s加速度計輸出電壓不斷增加，由式(3)可見關(guān)節(jié)角度不斷增加，手指正在緩慢彎曲；2.8～4.3 s，輸出電壓不斷下降，由式(3)可見關(guān)節(jié)角度減小，即手指正緩慢伸展。

對比圖4與圖5可見，PVDF壓電傳感器在低頻激勵作用下的輸出電壓波形混亂，一致性較差，而高頻激勵作用下PVDF壓電傳感器的輸出電壓波形特征明顯，一致性較好，能夠清晰呈現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)，相對來說高頻激勵下實驗的可重復(fù)性、穩(wěn)定性更好。

對比圖7與圖8可見，電阻應(yīng)變片在高頻激勵和低頻激勵作用下的輸出特性有所不同，高頻激勵下應(yīng)變片的輸出電壓峰值比低頻激勵下的電壓峰值小得多，同時經(jīng)過多次重復(fù)實驗驗證，得出結(jié)論：高頻激勵下應(yīng)變片的響應(yīng)有一定延遲，這種響應(yīng)遲后對動態(tài)應(yīng)變測量尤會產(chǎn)生誤差，而低頻激勵下應(yīng)變片的輸出特性基本一致，即某一輸出電壓對應(yīng)某一固定角度，通過大量數(shù)據(jù)驗證得到輸出電壓u與關(guān)節(jié)角度α2的線性關(guān)系為：

α2=0.267u

(5)

由圖11可見，手指緩慢彎曲，即激勵頻率較低時，加速度計的輸出電壓隨時間的變化規(guī)律更明顯，由式(3)即可計算出某一時刻輸出電壓所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角，進而實現(xiàn)對手指運動姿態(tài)的監(jiān)測，實驗簡單、可靠，可重復(fù)性好。而圖12，每當手指快速彎曲時，初始階段采集的電壓都會出現(xiàn)先降后升的波動，根據(jù)式(3)可見監(jiān)測初始階段誤差較大。

5 結(jié) 論

針對動態(tài)測量手指運動姿態(tài)的需要，設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路及監(jiān)測實驗，實現(xiàn)了對關(guān)節(jié)彎曲伸展過程的監(jiān)測。初步的實驗結(jié)果表明：PVDF壓電薄膜傳感器比較適合高頻激勵下手指運動姿態(tài)的監(jiān)測；高頻激勵下電阻應(yīng)變片的響應(yīng)有一定的延遲，這種響應(yīng)遲后對動態(tài)應(yīng)變測量會產(chǎn)生誤差，其比較適合低頻激勵下手指運動姿態(tài)的監(jiān)測；加速度計ADXL330在低頻激勵下的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定、可靠。隨著可穿戴設(shè)備的發(fā)展，這種具有實用價值的數(shù)據(jù)手套經(jīng)過不斷的優(yōu)化，可應(yīng)用于醫(yī)療技術(shù)、運動仿生學(xué)等領(lǐng)域。

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Detection of finger motion based on sensor

DU Yue-Lai,SHI Li-Ping*,WANG Shuai,ZHANG Qing-Yu,ZHANG Chun-Chun

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

To measure the joint angle dynamically, the monitoring methods of finger motion based on sensor is designed. With the perspective of wearable devices; the dynamic angle measurement experiment and three groups of monitoring experiments are designed on the basis of analyzing the working principle of PVDF piezoelectric film sensor, resistance strain gauge and three-axis accelerometer ADXL330; three sensors are fixed on the gloves corresponding to the location of finger joint. Compare three groups of experiments and analyze the experimental data, results show that PVDF piezoelectric film sensor has the character of fast dynamic response and it is suitable for the dynamic detection under the condition of high-frequency excitation; resistance strain gauge’s dynamic response has a certain delay under high-frequency excitation and this kind of delay will lead to error in dynamic strain measurements, thus resistance strain gauge is suitable for the dynamic monitoring under the condition of low-frequency excitation; three-axis accelerometer ADXL330 is suitable for dynamic monitoring under the condition of low-frequency excitation and it works stably and reliably.

PVDF piezoelectric film; ADXL330 resistance strain gauge; accelerometer; joint angle

10.13524/j.2095-008x.2017.01.014

2016-11-05;

2016-12-15

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20170224.0915.003.html

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室項目(SKLRS-2015-MS-10)

都悅來(1992-)，男，黑龍江樺川人，碩士研究生，研究方向：傳感器應(yīng)用，E-mail：1260674793@qq.com；*通訊作者:史麗萍(1971-)，女，陜西西安人，教授，博士，研究方向:壓電傳感器與執(zhí)行器的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用，E-mail：shlp1971@163.com。

TP212.3

A

2095-008X(2017)01-0084-07