基于微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)傳感器在人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

丁大為

摘 要：人機(jī)工程學(xué)理論發(fā)展起來(lái)后，在工程設(shè)計(jì)中對(duì)人的測(cè)量也越發(fā)的全面。工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，人作業(yè)的過(guò)程是隨著人體運(yùn)動(dòng)而持續(xù)的，這些運(yùn)動(dòng)信息不但能夠?qū)⑷梭w的自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律反饋，而且能夠使用在人體與工作環(huán)境關(guān)系的研究領(lǐng)域當(dāng)中，所以在人機(jī)工程學(xué)的研究過(guò)程中，現(xiàn)實(shí)性意義明顯。

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)傳感器 運(yùn)動(dòng)測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：R87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0225-01

在康復(fù)醫(yī)學(xué)、人體工程以及體育等各個(gè)方面的研究過(guò)程中，都有測(cè)定人體運(yùn)動(dòng)空間位置和移動(dòng)方位的要求。現(xiàn)存的一些動(dòng)作感應(yīng)技術(shù)都是依照外部力量的幫助而實(shí)現(xiàn)方位確定的目標(biāo)，這些操作方式有十分嚴(yán)格的要求，且操作程序復(fù)雜，投入成本高，也很容易被外部的因素影響和干擾。運(yùn)動(dòng)傳感器的出現(xiàn)直接將這種問(wèn)題解決，其能夠直接使用在人體的運(yùn)動(dòng)部位上，通過(guò)對(duì)加速度、角速度的物理量的測(cè)定，計(jì)算得出空間坐標(biāo)，因?yàn)槠涫褂玫氖莾?nèi)部參考標(biāo)準(zhǔn)，所以在理論上不存在任何的不足。

1 基于微機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器

基于微機(jī)電系統(tǒng)是使用微米級(jí)別的3D式結(jié)構(gòu)完成感應(yīng)以及執(zhí)行操作的一項(xiàng)操作技術(shù)。在技術(shù)與經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過(guò)程中，各種先進(jìn)的基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)傳感器相繼出現(xiàn)，其能夠簡(jiǎn)單化人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量，同時(shí)彼此之間可以實(shí)現(xiàn)功能的互補(bǔ)?；谖C(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器，其中包括了各種不同的傳感器技術(shù)，而這些傳感器中又包含了多種組合。其中適合使用在人體的包括了以下幾種。

1.1 加速度傳感器

最近十幾年才發(fā)展成熟起來(lái)的運(yùn)動(dòng)傳感器，不僅可以對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量消耗以及人們的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行評(píng)測(cè)，還可以對(duì)加速度標(biāo)準(zhǔn)得出人體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)頻率[1]。 其可以把人體的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成幅度不一的電壓信號(hào)，且安裝程度更為便捷，測(cè)量方式也不繁瑣。一般使用較多的加速度傳感器范圍，包括運(yùn)動(dòng)角度、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和計(jì)步器，通常情況下加速度傳感器是對(duì)線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)與傾斜的角度做檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)方式在兩種基礎(chǔ)上，一種是重力誘發(fā)的加速度，另外一種是運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的加速度[2]。

1.2 陀螺儀

在這幾年中，人們將目光集中在了陀螺儀上，其和加速度傳感器不一樣，陀螺儀不會(huì)將作用力發(fā)揮在重力上，而只是單純的對(duì)旋轉(zhuǎn)有反應(yīng)。因此陀螺儀可以以較好的方式，辨別重力、線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的矢量值，此項(xiàng)設(shè)施屬于對(duì)加速度傳感器的良好補(bǔ)充措施，尤其在穩(wěn)定性分析的應(yīng)用過(guò)程中，使用性能突出。這是因?yàn)橥勇輧x輸出的數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)速，那么為了得到角度的變化標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)在輸出結(jié)構(gòu)中完成一次積分動(dòng)作，那么測(cè)量偏差也會(huì)在時(shí)間的推移下而增加。要想將這種因?yàn)闀r(shí)間與溫度而發(fā)生的誤差彌補(bǔ)，可以配合陀螺儀和傳感器一起使用，像是可以和加速度傳感器一同配合使用等。在相對(duì)較短的時(shí)間當(dāng)中，例如在2 s時(shí)間內(nèi)，可以通過(guò)觀(guān)察陀螺儀的峰值而得出設(shè)備有否在運(yùn)動(dòng)，要是峰間值不超過(guò)預(yù)定閾值，就代表這個(gè)設(shè)備是靜止不動(dòng)的，但是在這個(gè)工程中陀螺儀輸出的平均值能夠被看成是一項(xiàng)新的偏置設(shè)定值。

1.3 慣性測(cè)量單元

大部分運(yùn)動(dòng)檢驗(yàn)的過(guò)程中，都會(huì)同時(shí)使用加速度傳感器、陀螺儀等，為了更好地整合這些運(yùn)動(dòng)傳感器的功能，就出現(xiàn)了慣性測(cè)量單元的概念。通常在一個(gè)慣性測(cè)量單元中，有至少三個(gè)單軸加速度計(jì)和三個(gè)單軸陀螺。在對(duì)物體載體做檢驗(yàn)動(dòng)作的時(shí)候，其能夠形成一種導(dǎo)航坐標(biāo)系角速度信號(hào)，可是陀螺儀的檢測(cè)載體以導(dǎo)航坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)，是以角速度信號(hào)而存在的[3]。慣性測(cè)量單元能夠?qū)θS運(yùn)動(dòng)線(xiàn)性與角度量進(jìn)行測(cè)量，而不需要借助任何的外界力量。加速度傳感器在使用過(guò)程中也會(huì)有一定的誤差出現(xiàn)?？墒且?yàn)榧铀俣葌鞲衅魇且灾亓y(cè)量?jī)A斜角度的，所以其出現(xiàn)的誤差會(huì)被直接輸出而并不需要積分。但是當(dāng)對(duì)加速度傳感器輸出結(jié)果做二次積分而得到距離以及對(duì)輸出結(jié)果做一次積分而得到速率時(shí)，加速度傳感器出現(xiàn)的誤差是會(huì)變得十分敏感的?？偠灾挥性趥鞲衅鬏敵鼋Y(jié)果不要積分的情況下，出現(xiàn)的誤差才顯得無(wú)足輕重。

2 運(yùn)動(dòng)傳感器在人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 運(yùn)動(dòng)和健康監(jiān)測(cè)

計(jì)步器的組成是三軸加速度傳感器，其是用來(lái)對(duì)健康功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的應(yīng)用手段。在某種非常規(guī)情況下，計(jì)步器傳感器可以用精準(zhǔn)的方式把步行和跑步過(guò)程中系統(tǒng)上的加速度數(shù)據(jù)獲得，而處理加速度數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以使用計(jì)步器當(dāng)中的傳感器得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的加速度數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠顯示用戶(hù)在計(jì)步器上進(jìn)行的步數(shù)和速度，還會(huì)一并顯示在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體消耗的卡路里量。

2.2 步態(tài)分析

對(duì)步幅和步行速度進(jìn)行記錄的是壓電陀螺儀與數(shù)據(jù)記錄器，由此對(duì)有關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，得到步行障礙患者的診斷數(shù)據(jù)。之前有研究人士在陀螺儀改變?nèi)梭w位方面做了檢測(cè)，從而確定老人是否存在潛在的摔倒趨勢(shì)。便攜式記錄器安裝在人體的腰部，以預(yù)處理的方式對(duì)陀螺儀的讀數(shù)進(jìn)行處理，而得到身體姿勢(shì)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)資料，再利用分析鄰近信號(hào)數(shù)值差異的方式，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)與低風(fēng)險(xiǎn)易摔倒人群進(jìn)行辨別。

2.3 體育訓(xùn)練

在體育訓(xùn)練的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)傳感器安裝在被測(cè)者的各個(gè)不同身體部位，這些身體數(shù)據(jù)會(huì)傳遞到主系統(tǒng)，主系統(tǒng)便可以獲得各項(xiàng)不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)，比如速度和位移。依托無(wú)線(xiàn)裝備能夠以便捷的方式得到室內(nèi)外的各項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)操作形式。曾經(jīng)有人將加速度傳感器使用在船員的肩上、腰部以及船槳的位置，以得到用力和運(yùn)動(dòng)速度的數(shù)據(jù)顯示，另外把加速度傳感器放在冰球運(yùn)動(dòng)員的頭盔上，能夠測(cè)量與顯示在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的碰撞和受傷情況。

3 結(jié)語(yǔ)

人們?cè)谂懿降倪^(guò)程中，人體水平與垂直的加速度所表現(xiàn)的特點(diǎn)是短周期和大幅值。船體的振動(dòng)環(huán)境下，人體作業(yè)很容易被環(huán)境振動(dòng)的因素影響，輕則會(huì)使人出現(xiàn)失誤的操作行為，嚴(yán)重的會(huì)對(duì)船員的生命安全造成威脅。而使用加速度傳感器，能夠測(cè)量人體的加速度，以將人體的運(yùn)動(dòng)情況加以準(zhǔn)確反應(yīng)。文章研究過(guò)程中探究了基于微機(jī)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳感器使用在人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)過(guò)程中的方式，為后期的人體工程學(xué)、醫(yī)學(xué)和體育訓(xùn)練等各項(xiàng)關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)的研究提供了參照。

參考文獻(xiàn)

[1] 張召遷，孔祥彪，姚冰川，等.無(wú)線(xiàn)加速度傳感器在人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].人類(lèi)工效學(xué)，2014（4）：58-61.

[2] 陳瑋.慣性式人體運(yùn)動(dòng)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[3] 秦偉.新型人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量空間與精度研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.