基于Arduino單片機(jī)的智能防抖筷*

郝健淇，張政宸，韓 磊，石春花

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

數(shù)據(jù)統(tǒng)計[1]，截至2020年底，全國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200萬。為幫助帕金森癥老人獨立進(jìn)食，研究人員設(shè)計了一些便攜實用的裝置，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)品造價昂貴，尚未廣泛使用。基于此，本文設(shè)計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手部運動；由防抖控制算法驅(qū)動直流減速電機(jī)和傳動裝置實現(xiàn)兩個自由度的反向補(bǔ)償運動，達(dá)到防抖的目的。

1 總體設(shè)計

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)計如圖1。裝置外殼符合人體工程學(xué)設(shè)計理念[1-2]，設(shè)有一系列凹槽，方便老人進(jìn)行手部定位，同時外殼角度設(shè)計合理，握持更加舒服，適合長時間使用。

2 電路設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)電路由單片機(jī)控制電路[3]、電機(jī)驅(qū)動、姿態(tài)測量、自動夾持四個部分組成。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)動電路以tb6612電機(jī)驅(qū)動模塊和直流減速電機(jī)為主；姿態(tài)測量電路以MPU6050六軸陀螺儀[4-5]為主；自動夾持電路以激光測距傳感器和舵機(jī)為主。另外，整個系統(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)計中，利用MPU6050作為檢測元件，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算法對電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制，是設(shè)計的核心部分；利用陀螺儀和加速度傳感器檢測手部運動的偏轉(zhuǎn)角度，采用高速直流減速電機(jī)驅(qū)動防抖結(jié)構(gòu)做與抖動方向相位相反的俯仰振動或左右擺動，實現(xiàn)防抖功能。

圖1 整體設(shè)計

2.2 鍵模塊選擇

1) 激光測距模塊

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

表1 VL53L0X測試數(shù)據(jù)結(jié)果

當(dāng)激光測距傳感器檢測到設(shè)定的測量范圍內(nèi)(到筷頭處)有食物存在時，傳遞單片機(jī)信號，然后單片機(jī)通過輸出PWM波控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而控制筷頭實現(xiàn)夾取功能；當(dāng)激光測距傳感器檢測到設(shè)定的測量范圍內(nèi)(到筷頭處)無食物存在時，單片機(jī)控制舵機(jī)張開一定角度，以便下次夾取食物。

2) 姿態(tài)測量傳感器

采用MPU6050陀螺儀模塊作為姿態(tài)測量傳感器，該芯片靈敏度高、溫漂小、可重復(fù)性高、測量范圍和分辨率均滿足使用需求。該模塊將手部動作中三個軸的加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?，利用其實現(xiàn)手部抖動時的信號檢測，即將陀螺儀安裝在筷頭部分，檢測筷頭部分相對于水平面的偏轉(zhuǎn)角度。然后通過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，實現(xiàn)防抖的功能。

3 軟件設(shè)計

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

3.1 姿態(tài)測量算法

姿態(tài)解算算法采用卡爾曼濾波算法[7]。因為其無偏性，估計方差最小，實時性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用的姿態(tài)測量算法如圖2所示。

為了驗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)為測量時間，縱坐標(biāo)為測量角度。結(jié)果表明，濾波前，測量值和真實值之間誤差平均值是3.79×10-1，濾波后，測量值和真實值之間誤差平均值為1.55×10-1，說明卡爾曼濾波算法可以很好地優(yōu)化傳感器所測結(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，具體方法是擺動筷頭，觀測輸出的PWM波形，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度以及平衡的位置。若電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度在相對于設(shè)定角度大幅度擺動，則把PID算法中的P調(diào)??；若電機(jī)轉(zhuǎn)動較慢到達(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。實驗結(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，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，快速性和準(zhǔn)確性較好。

4 測試結(jié)果

4.1 防抖算法驗證

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

圖4 勺頭抖動幅度曲線圖

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。通過有限元分析軟件可以得到加載力為1 N時后連接橋、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 夾取力測試

對生活中用筷子夾取不同食物時所需的力做了一系列夾取力測試的實驗，如表2，由此可見，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手部運動，由防抖控制算法驅(qū)動直流減速電機(jī)和傳動裝置實現(xiàn)兩個自由度的反向補(bǔ)償運動，達(dá)到防抖的目的。該系統(tǒng)具有以下特色：更符合中國人用筷子的習(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，握持舒適，使用方便；成本較低，性價比高，具有一定的實用價值，市場前景廣闊。經(jīng)過綜合的實驗測評，裝置具有較為良好的防抖功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動夾取功能，成本較低，性價比高。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自吃飯難的問題，具有一定的實用價值。