基于壓力傳感器的人體坐姿識別測試研究

孫明揚，孟彩茹

(河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038)

青少年長時間采用不正確的坐姿進行工作和學習會增加駝背、脊柱側彎的發(fā)病幾率[1]。長時間保持不正確的坐姿會給脊柱帶來嚴重的傷害，進而導致頸肩部、四肢和腰部的肌肉的損傷，最終使青少年患上工作相關肌肉骨骼疾患(Work-related Musculoskeletal Disorders，WMSDs)的疾病[2-4]。為了預防此類問題的發(fā)生，坐姿監(jiān)測機器人等智能設備成為青少年矯正不正確坐姿，并養(yǎng)成良好坐姿習慣的重要輔助設備。目前，對于坐姿的識別方法主要有：基于陣列壓力傳感器的坐姿識別[5-6]、基于視覺識別的坐姿識別[7-8]以及基于特殊傳感器的坐姿識別[9-10]?；陉嚵袎毫鞲衅鞯淖俗R別通過位于座底的陣列傳感器感知臀部的壓力分布變化來識別坐姿，對于坐姿改變幅度較小的監(jiān)測效果不明顯?；谝曈X識別的坐姿識別方法對所處環(huán)境的光照強度要求高。光線強弱都會對監(jiān)測效果產生影響，且所需的視覺傳感設備成本較高。加速度傳感器、角度傳感器和光芯傳感器等特殊傳感器雖可用做坐姿識別的裝置，但此類傳感器具有一定的專業(yè)性，并不適用于坐姿監(jiān)測，且傳感器的調試過程比較繁瑣，對所處的環(huán)境要求較高。針對以上問題，本文設計了一種基于壓力傳感器來監(jiān)測人體上半身相應位置的變化并進行坐姿識別的方法。該方法通過監(jiān)測不同坐姿人體上半身位置改變明顯的幾個位置實現機器人對人體坐姿信息的識別，為坐姿監(jiān)測機器人實現坐姿識別提供一種新的監(jiān)測方法。

1 坐姿情況分析

對于標準坐姿的定義為：眼睛與書本距離應為一尺，胸前與課桌距離應為一拳，握筆的手指與筆尖距離應為一寸，讀寫連續(xù)用眼時間不宜超過40 min[11]。常見的不正確坐姿主要分為：前傾坐姿、后仰坐姿、左傾坐姿和右傾坐姿4種，如圖1所示。

(a) (b) (c) (d)

如圖1(a)所示，在前傾坐姿下身體重心向前，前胸處向前傾斜，背部的脊椎則向后偏移。其中，胸椎下部和腰椎兩處偏移最明顯。如圖1(b)所示，在后仰坐姿下，身體重心向后，身體的整個背部整體向后偏移。其中，后背部的兩側肩胛骨處、胸椎下部和腰椎共計4處為最明顯的偏移點。如圖1(c)和圖1(d)所示，在左傾和右傾坐姿下，其重心分別向左或向右偏移。在左傾坐姿下，除了胸椎下部和腰椎兩處向后偏移外，右肩膀明顯高于左肩膀，左后肩胛骨位置同時向后移動。而右傾坐姿的情況則與左傾坐姿完全相反。

綜上所述，設置8個監(jiān)測點作為坐姿識別的依據。這8個點分布位置為：左前胸點(A)、右前胸點(B)、左后背點(C)、右后背點(D)、胸椎點(E)、腰椎點(F)、左肩點(G)和右肩點(H)。表1統(tǒng)計了作為4種坐姿進行識別的監(jiān)測點。

表1 坐姿識別監(jiān)測點統(tǒng)計表

2 主要構件的設計

2.1 支架尺寸參數的確定

為驗證上文所選方法能夠對不同坐姿進行識別，需要根據8處監(jiān)測位置的分布針對進行坐姿監(jiān)測機器人的硬件設備進行結構尺寸的設計。不同年齡、不同種族、不同性別之間的人群在人體相關的尺寸參數上具有明顯的差異性，因此首先需要對其進行人機工程學的理論分析，并對尺寸參數的選擇進行分析。雖然不同人群在人體尺寸參數方面具有一定的差異性，但在統(tǒng)計學上具有一定的規(guī)律：群體人體尺寸近似服從正態(tài)分布、各部分尺寸間的相關性和人體尺寸比例關系的差異性3種統(tǒng)計特性[12-13]。

由文獻[12]中的參數信息，分別求出機器人監(jiān)測支架部分尺寸參數。機器人監(jiān)測支架的總高度為

H=909±50 mm

(1)

機器人監(jiān)測支架的肩部監(jiān)測寬度為

W=375±50 mm

(2)

機器人雙肩監(jiān)測點與監(jiān)測支架的主支架的距離為

H1=212÷2=106 mm

(3)

后背監(jiān)測點到椅子座板的距離

H3=550±50 mm

(4)

前胸監(jiān)測點到桌面的距離

H4=350±50 mm

(5)

2.2 機器人監(jiān)測支架的設計

根據上文所求出的基本參數為依據，以構型演繹法[14]為理論基礎，利用Solidworks三維建模軟件進行三維建模，如圖2所示[15]。支架主要由1個大監(jiān)測支架和兩個小監(jiān)測支架組成。大監(jiān)測支架需放置在座椅上，小監(jiān)測支架固定在書桌上。當實驗對象以標準坐姿坐在大支架底座上時，傳感器不會被激活。若以其他4種不正確坐姿落座時，對應監(jiān)測位置的傳感器則會被激活，則機器人能接收到被激活傳感器信號發(fā)出的壓力信號，從而達到對坐姿識別的目的。

圖2 機器人監(jiān)測支架三維示意圖

2.3 機器人坐姿識別裝置的設計

機器人坐姿識別裝置主要功能是將壓力傳感器收集到的信號發(fā)送至單片機。單片機是根據信號控制LED的亮滅，提醒實驗人員坐姿變化的一種可視化裝置。如圖3所示，坐姿識別裝置主要由壓力傳感器、Arduino單片機、1 kΩ電阻和LED組成。實現識別裝置的監(jiān)測功能，需要單片機進行程序的編譯、燒錄和測試工作[16-17]。

圖3 機器人坐姿識別裝置示意圖

當實驗人員坐姿發(fā)生改變時，對應監(jiān)測位置的傳感器被激活，此時LED處于高電位，坐姿識別裝置工作流程如圖4所示。

圖4 機器人坐姿識別裝置工作流程圖

3 坐姿識別的驗證實驗

3.1 實驗人員的樣本選擇

為了驗證坐姿信息識別方法的可行性，選取身高在175～185 cm，體重在75～100 kg之間的男性實驗對象10人。為了使實驗嚴謹，選實驗人員身高分為175 cm、178 cm、180 cm、183 cm和185 cm五個檔，每個檔位選擇體重不同的實驗人員兩名，用來驗證相同身高下坐姿識別的差異性。

3.2 實驗數據采集與分析

將根據三維軟件設計的機器人監(jiān)測支架加工成實體樣機，如圖5所示。先將坐姿識別監(jiān)測裝置與電腦相連，再進行一些必要的調試。當監(jiān)測機器人各部分功能調試無誤后，準備進行坐姿識別驗證實驗。

圖5 調試完成的坐姿識別裝置實物圖

首先，實驗人員以標準坐姿坐在裝置上，根據其身高情況進行細微調整，待前期調整完畢后，實驗人員分別進行“前傾坐姿”、“后仰坐姿”、“左傾坐姿”和“右傾坐姿”4種坐姿。隨后，驗證每種坐姿下，對應的壓力傳感器是否被激活，并記錄當前坐姿下激活的傳感器壓力值。實驗結果如表2～表5所示。

表2 前傾坐姿和感器壓力值

表3 后仰坐姿感器壓力值

表4 左傾坐姿傳感器壓力值

表5 右傾坐姿傳感器壓力值

通過對以上數據分析可知：(1)10名實驗人員按要求以4種不正確坐姿坐在監(jiān)測支架上時，坐姿識別裝置的壓力傳感器均能按設計的要求被激活，并且在電腦上具有壓力值顯示。表明基于壓力傳感器對人體上半身的坐姿識別方法對于坐姿識別的效果明顯；(2)在相同身高的兩個實驗對象中，體重大的實驗對象在4種坐姿中，壓力傳感器接收到的壓力值越大，即在身高相同的條件下，壓力值大小與體重的大小成正相關；(3)通過對4種坐姿下各監(jiān)測點壓力值的大小進行比較后發(fā)現，位于“胸椎”和“腰椎”處的兩個監(jiān)測點的壓力值明顯大于其他監(jiān)測位置的壓力值。其中，在“后仰坐姿”下，兩處的壓力值最大，表明在處于不正確的坐姿中，對人體脊椎傷害最大，應進行針對性的預防，減輕對身體的傷害。

4 結束語

本文提出了提出一種基于壓力傳感器的坐姿識別方法，提高了對4種坐姿的識別率。測試實驗的結果證明了此方法能夠實現對4種不正確坐姿的識別，能使相應的坐姿監(jiān)測設備正常工作。此方法在針對人體上半身變化的相關研究或相關的坐姿監(jiān)測設備中具有一定的應用潛力。