基于MPU6050傳感器的踝足矯形器設(shè)計

陳才，張弘，羅蓉，王秋

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院，成都 610041）

0 引言

由于車禍、劇烈運(yùn)動、腦卒中等導(dǎo)致的踝關(guān)節(jié)受損、馬蹄足疾病，可以通過手術(shù)的方式進(jìn)行恢復(fù)，而手術(shù)后的訓(xùn)練康復(fù)則尤為重要，好的康復(fù)器械和方法可以讓病人得到更好的康復(fù)效果。

實踐證明，可穿戴踝足矯形器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中扮演越來越重要的作用，可以為特定的病人進(jìn)行特別的設(shè)計，并制定合理的訓(xùn)練康復(fù)方案，提高治療效率，減輕康復(fù)醫(yī)師的勞動量。本設(shè)計以STM32單片機(jī)為主控制器，使用MPU6050六軸傳感器實時地采集穿戴者的步態(tài)角度[1]，通過比例閥控制矯形器的氣動人工肌肉伸展和收縮，實現(xiàn)矯形器的跖屈背屈運(yùn)動。

1 系統(tǒng)設(shè)計

踝足矯形器系統(tǒng)設(shè)計包括硬件和軟件兩部分。硬件整體方案框架圖如圖1所示，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、MPU6050傳感器、藍(lán)牙模塊、上位機(jī)、電壓放大模塊、比例閥和氣動人工肌肉構(gòu)成。軟件系統(tǒng)以STM32為控制核心，通過MPU6050六軸傳感器采集穿戴者實時的踝關(guān)節(jié)角度，輸出控制信號控制比例閥，達(dá)到矯形器實現(xiàn)跖屈背屈的目的。

程序前面部分完成采集正常人在行走時踝關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)，并利用藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)存儲，用于后面的分析比較。后期采集病人步態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計程序算法，比對踝足功能正常者與異常者行走角度的數(shù)據(jù)差異，尋找合適的角度閾值和對應(yīng)的電壓值，實現(xiàn)對氣動人工肌肉的收縮伸展控制，產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)跖屈背屈所需的力。

圖1 硬件系統(tǒng)方案框圖

2 硬件設(shè)計

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32單片機(jī)具有低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，有專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核[2]。STM32具有基于庫函數(shù)開發(fā)的特點(diǎn)，使得代碼編寫周期縮短，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率，本設(shè)計選用的是“增強(qiáng)型”系列的STM32F103單片機(jī)，其72MHz的時鐘頻率、可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

（2）MPU6050傳感器

MPU6050傳感器模塊集成了三軸陀螺儀傳感器和三軸加速度傳感器，并有一個可擴(kuò)展的數(shù)字處理器（DMP），可將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，MPU6050傳感器模塊可控制測量范圍，提取不同速度的運(yùn)動參數(shù)[3]。通過得到的加速度和角速度能計算出歐拉角[4]。且STM32可通過IIC總線獲取傳感器的數(shù)據(jù)值，誤差小，精度高。

（3）藍(lán)牙模塊

HC-05藍(lán)牙模塊尺寸小、功耗低、性價比高、操作簡單，可將穿戴者的踝關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行觀察和分析。

（4）比例閥和氣動人工肌肉

因為氣動人工肌肉具有功率重量比高、柔韌性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。比例閥連接氣動人工肌肉，通過0～10V電壓控制閥口的開度，從而控制進(jìn)入氣動人工肌肉的氣體流量，使其軸向壓縮、徑向膨脹，為跖屈提供一個非線性的拉力，可以彌補(bǔ)病人缺失或減少的肌腱力量，達(dá)到改善步行的目的。本設(shè)計選用比例閥為德國FESTO公司的電子氣動元件，易于實現(xiàn)，方便實用。根據(jù)人體蹬地時的地面作用力的估算，所選氣動人工肌肉的尺寸為橡膠管半徑20mm，長度200mm,最大收縮長度為50mm。

（5）電壓放大模塊

由于STM32單片機(jī)輸出的電壓范圍是0～3.3V，控制比例閥使氣動人工肌肉產(chǎn)生的力不滿足穿戴者行走時需要的最大力，所以要在STM32單片機(jī)的D/A端口外接一個可以將電壓放大3倍的電路模塊。

ST公司的LM324芯片具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍，單電源3V～30V,雙電源±1.5V～±15V；消耗限流小，輸入失調(diào)電壓低，LM324引腳分布如圖2所示。在該芯片外部連接外圍電路可實現(xiàn)將電壓放大3倍的功能，電路設(shè)計原理如圖3所示。

如圖3所示，調(diào)節(jié)滑動變阻器改變其電阻值，從而調(diào)節(jié)輸出放大倍數(shù)。直流電源輸出幅值為3.3V的電壓，將該電壓輸入到該模塊的輸入端，通過示波器測量輸出的電壓幅值為10.0V，電壓被放大3倍。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要是基于MPU6050的控制，其流程圖如4所示。系統(tǒng)上電后，主程序?qū)λ型獠坑布M(jìn)行初始化，然后啟動MPU6050傳感器驅(qū)動程序，通過IIC總線獲取MPU6050傳感器的角速度和加速度，利用四元數(shù)算法得到運(yùn)動物體的歐拉角，將實時的角度與設(shè)定角度閾值對比，使單片機(jī)D/A輸出合適的電壓給比例閥，同時將角度數(shù)據(jù)經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送到上位機(jī)，并在上位機(jī)上顯示角度變化曲線。

圖2 LM324引腳分布和放大電壓電路圖

圖3 電壓放大模塊設(shè)計原理圖

圖4 程序流程圖

（1）計算歐拉角的程序

將通過IIC總線從MPU6050傳感器獲得的加速度和角速度數(shù)據(jù)存入數(shù)組，q0,q1,q2,q3為計算歐拉角過程中用到的變量，q30為一常量，利用四元素算法得到歐拉角的三個角分量滾轉(zhuǎn)角（Roll）、俯仰角（Pitch）、偏航角（Yaw），關(guān)鍵代碼如下所示。

#define q30 1073741824.0f

short gyro[3],accel[3],sensors;//陀螺儀存放數(shù)組，加速度存放數(shù)組，返回狀態(tài)量

unsigned char more;

long quat[4];//四元數(shù)存放數(shù)組

float Yaw=0.00,Roll,Pitch;//歐拉角

float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f;//計算姿態(tài)過程用到的變量

q0=quat[0]/q30;

q1=quat[1]/q30;

q2=quat[2]/q30;

q3=quat[3]/q30;

Pitch=asin(-2*q1*q3+2*q0*q2)*57.3;//計算俯仰角

Roll=atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2*q1*q1-2*q2*q2+1)*57.3;//計算滾轉(zhuǎn)角

Yaw=atan2(2*(q1*q2+q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3)*57.3;//計算偏航角

（2）IIC設(shè)置代碼

IIC協(xié)議廣泛的使用于系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路間的通信。它使用雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）直接獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)。本文中的IIC配置代碼如下所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

利用MPU6050傳感器測試踝足功能正常的被試者行走時的踝關(guān)節(jié)角度，然后再讓該被試者穿戴所設(shè)計的踝足矯形器行走，同時測試其踝關(guān)節(jié)角度。因為下肢運(yùn)動的主要形式在矢狀面內(nèi)，其他面的運(yùn)動只是讓人的運(yùn)動更靈活[5]。俯仰角表征踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的旋轉(zhuǎn)角度，所以只需將被試者未穿戴和穿戴矯形器時的俯仰角進(jìn)行比較，如圖5所示，穿戴矯形器和未穿戴矯形器時的踝關(guān)節(jié)俯仰角變化曲線吻合較好。那么對于肌無力或肌力下降的踝足病人，可以參考踝足功能正常的被試者的踝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律，設(shè)定適合特定病人的控制參數(shù)實現(xiàn)輔助其完成訓(xùn)練康復(fù)，逐漸恢復(fù)至正常的踝足功能。

圖5 未穿戴和穿戴矯形器的俯仰角比較

4 結(jié)語

隨著可穿戴傳感器廣泛應(yīng)用于康復(fù)領(lǐng)域，可穿戴外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用引起了研究者們的關(guān)注。本文以STM32單片機(jī)為核心，利用MPU6050六軸傳感器、比例閥和電壓放大模塊實現(xiàn)了對主動型踝足矯形器的控制，該裝置能輔助肌無力或肌力下降的踝足病人進(jìn)行訓(xùn)練康復(fù)，提高病人的康復(fù)效果。

參考文獻(xiàn)：

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