智能化坐姿監(jiān)測機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

孟彩茹，孫明揚，宋 京

（河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

1 引言

如何保持正確的坐姿進(jìn)行工作學(xué)習(xí)一直是一個比較熱門的話題。長時間以不正確的坐姿進(jìn)行工作和學(xué)習(xí)會加大近視、駝背和脊柱側(cè)彎等疾病的發(fā)病幾率。由于長時間的工作和學(xué)習(xí)的原因，身體需要長時間的保持一種姿勢，導(dǎo)致頸肩部、四肢和腰部的肌肉造成一定損傷，從而患上了工作相關(guān)肌肉骨骼疾患（Workrelated musculoskeletal disorders，WMSDs）[1-2]。給患者在生理上和心理上造成不同程度的傷害。隨著智能化時代的到來，手機(jī)、平板電腦設(shè)備的普及，由于人們長時間的使用電子產(chǎn)品，此類疾病的發(fā)病幾率進(jìn)一步增加。為了預(yù)防此類問題，坐姿監(jiān)測設(shè)備因此產(chǎn)生，市場上此類產(chǎn)品眾多，但在監(jiān)測效果差異明顯，并不能滿足不同人群的需要。文獻(xiàn)[3-4]中設(shè)計出了一種基于壓力傳感器的坐姿監(jiān)測機(jī)器人，此類機(jī)器人都是通過監(jiān)測不同坐姿下，人臀部的壓力變化作為坐姿識別的依據(jù)，但此類機(jī)器人只是完成了對坐姿的識別和監(jiān)測。文獻(xiàn)[5]設(shè)計的坐姿矯正設(shè)備，此種坐姿矯正設(shè)備通過人頭部與身體的角度變化作為坐姿識別的主要依據(jù)。但此種設(shè)備主要針對預(yù)防近視的問題進(jìn)行設(shè)計，并不能很好的進(jìn)行坐姿監(jiān)測。綜上所述，以上的坐姿監(jiān)測設(shè)備只是完成某一部分的監(jiān)測，并沒有對人坐姿、坐時時長和外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測效果具有一定的局限性。

通過對坐姿監(jiān)測和預(yù)防近視駝背和WMSDs疾病的任務(wù)分析，設(shè)計出智能化的坐姿監(jiān)測機(jī)器人，通過對不同坐姿下身體狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而對出機(jī)器人進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計。然后利用Arduino Mega 2560 單片機(jī)+薄膜壓力傳感器作為機(jī)器人的坐姿識別機(jī)構(gòu)，通過分析不同坐姿的差異性，設(shè)計出可以進(jìn)行坐姿識別和坐時長監(jiān)測的機(jī)器人控制系統(tǒng)，方便用戶并通過實驗對坐姿識別的準(zhǔn)確率進(jìn)行驗證。在設(shè)計過程中，為控制系統(tǒng)設(shè)計出一款A(yù)PP，方便用戶通過手機(jī)可以查看自身坐姿情況。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 坐姿監(jiān)測點的選擇

人的不正確坐姿總體分為“前傾、后仰、左傾和右傾”4類。4種坐姿下，人的上半身的與標(biāo)準(zhǔn)坐姿下具有明顯的差異性，即：前傾坐姿下，人頭部和前胸部分向前傾斜，由于人脊椎的特性，身體胸椎和腰椎處則向后偏移；后仰坐姿下，人身體主要向后偏移；左傾坐姿下，右肩膀高于左肩膀；右傾坐姿下，左肩膀高于右肩膀。綜上所示，坐姿監(jiān)測機(jī)器人可以將不同坐姿下人體上半身作為坐姿識別的方法，利用薄膜壓力傳感器作為坐姿信息的采集設(shè)備。將人體上半身的“前胸處2點、后背處2點、左肩膀、右肩膀、胸椎和腰椎”共計8處作為坐姿信息的采集點，如圖1所示。

圖1 坐姿信息采集點Fig.1 Information Collection of Sitting Posture

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述坐姿信息采集點的位置為基礎(chǔ)，以構(gòu)型演繹法[6]為理論基礎(chǔ)，對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于不同人群的身體參數(shù)具有差異性，為了能使大量的人可以使用該機(jī)器人，可以根據(jù)文獻(xiàn)[7]中所列出的人體參數(shù)統(tǒng)計表為設(shè)計的依據(jù)，選取平均尺寸作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本尺寸，并且需要設(shè)計出可調(diào)節(jié)裝置，能夠使不同身材的人群經(jīng)過調(diào)節(jié)即可使用。由于監(jiān)測的8個點中，有2個位于人體前側(cè)，其余的4個位于身體后側(cè)。所以，將設(shè)計出一個大監(jiān)測支架，用于監(jiān)測人體后側(cè)；再設(shè)計2個小監(jiān)測支架，用于監(jiān)測人體的左右前胸2個監(jiān)測點[8]。利用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

圖2 坐姿監(jiān)測機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維圖Fig.2 Three-Dimensional Diagram of Posture Monitoring Robot Structure

將大支架放置在椅子上，小支架固定在桌子上即可進(jìn)行坐姿的監(jiān)測，當(dāng)坐姿改變時，通過觸發(fā)監(jiān)測位置的傳感器，來對坐姿進(jìn)行識別。為了適應(yīng)不同身材的人群，在小支架、大支架和大支架橫桿處都進(jìn)行了可調(diào)節(jié)設(shè)計，用戶可根據(jù)身材進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使監(jiān)測效果更加明顯。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)坐姿監(jiān)測機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計的模型對機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計。針對目前市場上產(chǎn)品存在的不足，坐姿監(jiān)測機(jī)器人主要由3部分監(jiān)測模塊組成，分別對“坐姿監(jiān)測、坐時監(jiān)測和光照環(huán)境監(jiān)測”。使坐姿監(jiān)測機(jī)器人在滿足坐姿監(jiān)測主功能的前提下，還需要對用戶的坐時時間以及所處位置的光照環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，其工作原理，如圖3所示。

圖3 坐姿監(jiān)測機(jī)器人工作原理圖Fig.3 Working Principle Diagram of Posture Monitoring Robot

坐姿監(jiān)測機(jī)器人的坐姿監(jiān)測部分主要由8個IMS-C20A型薄膜壓力傳感器和信號轉(zhuǎn)換模塊組成，分別安裝在坐姿監(jiān)測支架上。信號轉(zhuǎn)換模塊主要作用是將傳感器信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，方便接收的信息進(jìn)行編譯；坐時監(jiān)測模塊主要由RFP型柔性壓力傳感器構(gòu)成，該部分組要的作用是對用戶的坐時時長進(jìn)行監(jiān)控；光照環(huán)境監(jiān)測模塊主要由光敏傳感器模塊組成，用于監(jiān)測所處位置的環(huán)境是否滿足工作要求?？刂葡到y(tǒng)除了監(jiān)測模塊以外，還需要相應(yīng)的反饋模塊對用戶進(jìn)行反饋，使其知道自身的坐姿情況。

為了方便用戶檢查傳感器是否正常工作，每個壓力傳感器都會對應(yīng)一個LED，用戶可以根據(jù)在觸發(fā)傳感器的前提下，LED是否亮起作為判定依據(jù)，作為使用前檢查不可缺少的部分。

對于坐姿監(jiān)測模塊，由于需要對4種坐姿進(jìn)行監(jiān)測，同時在工作過程中不能及時的通過手機(jī)APP進(jìn)行查看。采用4個蜂鳴器模塊作為反饋裝置，通過聲音來提醒用戶坐姿是否標(biāo)準(zhǔn)。坐時時長部分除了在手機(jī)APP上有相應(yīng)的顯示以外，還可以對坐時時長進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)時間超過設(shè)定的時間時，可以通過蜂鳴器進(jìn)行提示，使用戶知道應(yīng)暫停當(dāng)前工作，適當(dāng)運動。

為了與坐姿監(jiān)測部分進(jìn)行區(qū)分，此部分需選擇無緣的蜂鳴器模塊，設(shè)定出特殊頻率的聲音，方便用戶進(jìn)行區(qū)分。為了使用戶通過手機(jī)APP接收到自身的坐姿情況，需要使用Wi-Fi模塊作為無線通信的主要部分。綜上所述，坐姿監(jiān)測機(jī)器人的控制系統(tǒng)各元件所需要的單片機(jī)引腳數(shù)目，如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)所需引腳數(shù)目的統(tǒng)計表Tab.1 A Statistical Table of the Mumber of Pins Required for the Control System

單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的重要部分，是使控制系統(tǒng)實現(xiàn)功能的關(guān)鍵。本設(shè)計采用Arduino系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控單元。此系列單片機(jī)具有兼容型高，開發(fā)與編程簡單的優(yōu)點，非常適合作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要元件[9]。

根據(jù)表1 中所需的數(shù)字引腳和模擬引腳數(shù)量的統(tǒng)計，選擇Arduino Mega 2560型單片機(jī)符合要求。為了防止因接線不正確所導(dǎo)致元件損壞的情況發(fā)生，根據(jù)上段中對控制系統(tǒng)各部分模塊設(shè)計利用Frizting軟件進(jìn)行虛擬裝配[10]，當(dāng)虛擬裝配結(jié)果顯示“無接線錯誤”時，則表示該裝配方案符合電路設(shè)計的基本要求。坐姿監(jiān)測機(jī)器人的控制系統(tǒng)虛擬裝配圖，如圖4所示。

圖4 坐姿監(jiān)測機(jī)器人的控制系統(tǒng)虛擬裝配圖Fig.4 Virtual Assembly Diagram of Control System of Sitting Posture Monitoring Robot

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 單片機(jī)控制程序的設(shè)計

根據(jù)前文中的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)包含“坐姿監(jiān)測、坐時時長監(jiān)測和光照環(huán)境監(jiān)測”三部分的功能，通過Arduino IDE 軟件為單片機(jī)編譯下位機(jī)控制代碼。首先要對將電路中各部分元件所選擇的引腳通過軟件進(jìn)行定義，其偽代碼如下所示：

將各部分元件定義完成之后，根據(jù)Wi-Fi模塊設(shè)定的波特率進(jìn)行設(shè)定，通過查閱得知所用的Wi-Fi 模塊的波特率為115200，所以設(shè)定整個下位機(jī)程序的波特為115200。在前期定義程序完成之后，需要在主函數(shù)中用代碼編譯，在本系統(tǒng)中需要對傳感器模擬輸入值、LED燈的亮滅和坐姿監(jiān)測蜂鳴器的響止進(jìn)行編譯，其偽代碼如下所示：

由于坐姿監(jiān)測部分和坐時時長監(jiān)測部分的延時時間不同，將兩部分寫入同一主函數(shù)下會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。為解決此類問題，采用“多線程庫”的設(shè)計方案，此法可以將兩個不同延時的代碼可以在一個主函數(shù)中獨立工作[11]。本設(shè)計采用“Scoop多線程庫”來實現(xiàn)此功能，其框架為：

由于坐時時長監(jiān)測部分需要計時，所以需要滿足對坐時時間監(jiān)測的同時，還需要定時監(jiān)測用戶是否坐在椅子上，當(dāng)坐在椅子上時，則繼續(xù)計時。當(dāng)檢測到?jīng)]做到椅子上時，則跳出計時循環(huán)；當(dāng)用戶坐時長超過半小時，激活蜂鳴器模塊，當(dāng)用戶離開后，蜂鳴器停止響動，直到下一次用戶坐下時，再重新啟動計時循環(huán)。其計時循環(huán)功能執(zhí)行代碼如下為：

當(dāng)上述代碼進(jìn)行編譯、檢測沒有錯誤后，將程序燒錄到單片機(jī)中，然后進(jìn)行程序的功能驗證。在驗證中無明顯的邏輯錯誤及功能都實現(xiàn)時，表明下位機(jī)的控制程序設(shè)計成功。

4.2 手機(jī)APP的開發(fā)

為了使用戶能夠得知在工作期間內(nèi)自己不正確坐姿的次數(shù)，以及在不正確坐姿中身體受力最大的部分，讓用戶有針對性的防護(hù)，基于安卓4.7版本，使用MVC框架為藍(lán)本為坐姿監(jiān)測機(jī)器人開發(fā)一款專用的APP[12]。該APP 包括用于坐姿監(jiān)測的8個壓力傳感器壓力值的顯示、不正確坐姿次數(shù)的統(tǒng)計、坐時時長的顯示和是否應(yīng)該開燈4部分組成。使得用戶直觀的得知在使用過程中，用戶監(jiān)測機(jī)器人所有功能的使用效果，軟件截圖，如圖5所示。

圖5 身高為160cm體重為90kg實驗者在“前傾坐姿”下APP收到信息截圖Fig.5 The 160cm and 90kg Experimenter Received a Screenshot of the Information from APP in the“Forward Sitting Position”

5 監(jiān)測功能驗證實驗

為了驗證該設(shè)計方案是否滿足設(shè)計要求，需要進(jìn)行必要的驗證實驗根據(jù)第2節(jié)設(shè)計的監(jiān)測機(jī)器人的三維模型，選取相應(yīng)的材料加工成實體，將機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分按設(shè)計進(jìn)行安裝。并進(jìn)行了坐姿監(jiān)測實驗和坐時長監(jiān)測實驗，如圖6所示。

圖6 坐姿監(jiān)測機(jī)器人工作圖Fig.6 Working Diagram of Posture Monitoring Robot

選取身高在（160～180）cm、體重在（70～90）kg 的學(xué)生50 名作為機(jī)器人進(jìn)行坐姿監(jiān)測效果驗證的實驗樣本。讓每位同學(xué)先以標(biāo)準(zhǔn)坐姿坐在監(jiān)測機(jī)器人的底座上，如圖6 所示。根據(jù)同學(xué)的身材進(jìn)行簡單的調(diào)試，使8 個壓力傳感器都能監(jiān)測到規(guī)定的位置。然后讓參加學(xué)生完成“前傾、后仰、左傾和右傾”4種坐姿。以在某種坐姿下能激活蜂鳴器為監(jiān)測有效，由此將得到的實驗數(shù)據(jù)整理后得到坐姿監(jiān)測機(jī)器人對4 種坐姿的識別準(zhǔn)確率，如圖7所示。

圖7 坐姿監(jiān)測機(jī)器人對4種坐姿識別準(zhǔn)確率Fig.7 The Robot Can Recognize Four Kinds of Posture Accurately

對于坐時時長監(jiān)測的準(zhǔn)確率的問題，仍以上述的50名同學(xué)作為實驗樣本，將坐時長提醒時間設(shè)定為10min，需要同學(xué)完成以下3個驗證實驗：

（1）在10min內(nèi)，同學(xué)可以以任意姿勢坐在機(jī)器人的底座上，驗證10min后蜂鳴器是否被激活；

（2）同學(xué)以任意姿勢坐在機(jī)器人的底座上6min時，起身離開機(jī)器人，驗證4分鐘后蜂鳴器是否還會繼續(xù)被激活；

（3）同學(xué)以任意姿勢坐在機(jī)器人的底座上6min時，起身30s再次坐下，驗證重新坐下后蜂鳴器被激活的時間。

將上述3組實驗的結(jié)果處理后，坐姿監(jiān)測機(jī)器人對坐時時長監(jiān)測準(zhǔn)確率，如圖8所示。

圖8 坐姿監(jiān)測機(jī)器人坐時時長監(jiān)測準(zhǔn)確率Fig.8 Accuracy of Sitting Time Monitoring for Sitting Posture Monitoring Robot

6 總結(jié)

（1）這里設(shè)計一款智能化坐姿監(jiān)測機(jī)器人控制系統(tǒng)，將坐姿監(jiān)測、坐時時長監(jiān)測和光照環(huán)境監(jiān)測三部分結(jié)合在一起，用戶可以通過手機(jī)APP可以得知自身坐姿情況。

（2）針對系統(tǒng)對坐姿識別準(zhǔn)確率的問題，根據(jù)設(shè)計的虛擬樣機(jī)制作出了實體模型，選取50名同學(xué)作為實驗樣本，進(jìn)行坐姿識別的驗證實驗。根據(jù)實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)對4種坐姿的識別率均在92%以上，該監(jiān)測機(jī)器人可以完成對4種坐姿實時監(jiān)測的任務(wù)。

（3）針對系統(tǒng)對用戶坐時時長監(jiān)測準(zhǔn)確性的問題，通過實驗結(jié)果表明，無論用戶保持何種坐姿坐在監(jiān)測機(jī)器人的底座上，超過設(shè)定的時間，蜂鳴器一定可以激活提醒；當(dāng)用戶在監(jiān)測中途起身后，坐時監(jiān)測也隨之停止，當(dāng)用戶重新坐下時，時長監(jiān)測也重新開始計時。