基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張可，湯福南，李修寒，吳小玲

南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京 210029

基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張可，湯福南，李修寒，吳小玲

南京醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京 210029

目的設(shè)計(jì)一種基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)顯示。方法首先，在腿部關(guān)節(jié)點(diǎn)佩戴3軸磁傳感器，小磁體佩戴在與其連桿的肢體上，兩者距離約6 cm。磁傳感器檢測(cè)該小磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并對(duì)采集到的信息進(jìn)行多級(jí)放大、濾波處理，通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。其次，編寫上位機(jī)程序。利用Labview軟件處理接收到的電壓信號(hào)，還原為磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)，并通過(guò)PSO與LM算法結(jié)合進(jìn)行磁源定位。最后，加載三維腿部骨骼模型，實(shí)現(xiàn)直觀的三維實(shí)時(shí)顯示。結(jié)果磁傳感器檢測(cè)范圍實(shí)驗(yàn)顯示，小磁體與磁傳感器之間距離設(shè)置為6 cm時(shí)，既可滿足磁偶極子模型，又對(duì)臨近組傳感器無(wú)影響。小磁體3軸定位平均誤差在1 cm之內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)完成一次完整的數(shù)據(jù)采集約耗時(shí)17.5 ms，基本滿足實(shí)時(shí)性的要求。三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與被測(cè)者腿部姿態(tài)基本一致。結(jié)論基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能，為步態(tài)檢測(cè)及腿部康復(fù)訓(xùn)練提供了一種新方法。

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)；永磁定位；三軸磁傳感器；定位算法

引言

行走是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的終極目標(biāo)，步態(tài)是其在生物力學(xué)水平上的體現(xiàn)。正常步態(tài)需要中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)及骨骼肌肉系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作[1]。肢體殘疾、關(guān)節(jié)疾病和小兒腦癱等都會(huì)導(dǎo)致行走障礙和步態(tài)異常[2]。作為生物力學(xué)的一個(gè)特殊分支，步態(tài)分析用于對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷以及骨關(guān)節(jié)病損的患者進(jìn)行障礙診斷和程度評(píng)定、制定康復(fù)治療方案以及用于評(píng)定術(shù)后療效[3-4]，也常被用于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、以及確認(rèn)傷員是姿態(tài)相關(guān)還是動(dòng)作相關(guān)的相關(guān)醫(yī)學(xué)問(wèn)題等[5]。

步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的關(guān)鍵技術(shù)在于高精度的三維人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。該技術(shù)現(xiàn)階段主要分為4類：聲學(xué)式、光學(xué)式、機(jī)械式、電磁式[6-7]。聲學(xué)式運(yùn)用超聲傳感技術(shù)接收人體佩戴的超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波，確定發(fā)送器的方向和位置。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是檢測(cè)延時(shí)較大，還要求無(wú)遮擋、無(wú)噪聲的環(huán)境。光學(xué)式檢測(cè)技術(shù)將一些特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)貼在身體的關(guān)節(jié)、肘部、腕部等關(guān)鍵部位，運(yùn)用多臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)拍攝，通過(guò)圖像處理獲取人體運(yùn)動(dòng)[8]。該方法是目前三維人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的主流方法，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度高、速率高，檢測(cè)過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械裝置限制，被測(cè)者的活動(dòng)范圍，可以滿足多數(shù)體育運(yùn)動(dòng)測(cè)量的需要。缺點(diǎn)是系統(tǒng)價(jià)格較貴，對(duì)于場(chǎng)地的光照要求高，且需要人工干預(yù)后處理過(guò)程。機(jī)械式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)由剛性連桿和關(guān)節(jié)組成。人體運(yùn)動(dòng)引起機(jī)械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)中的角度傳感器測(cè)得轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，通過(guò)剛性連桿坐標(biāo)變換得出運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)械式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、裝置定標(biāo)簡(jiǎn)單、精度高。缺點(diǎn)是剛性連桿束縛被測(cè)者的運(yùn)動(dòng)，對(duì)動(dòng)作的限制大，無(wú)法完成一些激烈的動(dòng)作。電磁式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)由發(fā)射源、接收傳感器和數(shù)據(jù)處理單元組成。安置在被測(cè)者身體關(guān)節(jié)位置的接收傳感器接收發(fā)射源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，處理單元對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，逆向求解出傳感器的空間位置和方向[9]。電磁式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是得到的檢測(cè)結(jié)果是六維數(shù)據(jù)，包括位置和方向。檢測(cè)速度快、實(shí)時(shí)性好。其缺點(diǎn)是場(chǎng)地附近的金屬物品會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，系統(tǒng)的檢測(cè)精度易受檢測(cè)環(huán)境影響。

近年來(lái)，各類磁傳感器發(fā)展迅猛，它具有體積小、分辨率高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，工作頻帶寬，溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。目前磁定位技術(shù)在醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航系統(tǒng)、磁場(chǎng)測(cè)量和定位等方面已有廣泛的應(yīng)用。

磁定位技術(shù)主要分為電磁定位技術(shù)和永磁定位技術(shù)。電磁定位技術(shù)一般由磁場(chǎng)發(fā)射源、磁場(chǎng)接收、數(shù)據(jù)處理3部分組成。向三軸線圈通入交流或直流脈沖信號(hào)，線圈周圍產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)作為磁場(chǎng)發(fā)射源。磁傳感器作為磁場(chǎng)接收裝置，然后將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理得到六維數(shù)據(jù)。電磁定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不受視線阻擋。缺點(diǎn)是采用直流或低頻電流作為激勵(lì)，需要控制電路，并有能耗，環(huán)境中的鐵磁性物質(zhì)會(huì)造成電磁場(chǎng)畸變，從而影響精度[10]。

永磁定位技術(shù)采用永磁體作為信號(hào)源，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需供電和控制電路、無(wú)需激勵(lì)電流?，F(xiàn)階段永磁體多采用強(qiáng)磁材料釹鐵硼制成，其具有體積小、磁性強(qiáng)的特點(diǎn)，這也使得永磁定位技術(shù)的信號(hào)源占用空間小，在微型化和功耗要求高的應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯。

本文研究了一種新型的基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。采用三軸磁傳感器來(lái)檢測(cè)佩戴于人體腿部的永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)定位算法逆向求解出永磁體的位置和方向，再經(jīng)幾何坐標(biāo)變換重構(gòu)出腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

1 方法

1.1 系統(tǒng)模型建立

人腿由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)連接腿部肌肉和骨頭構(gòu)成。其中髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有1.5個(gè)自由度（膝關(guān)節(jié)彎曲時(shí)可輕微內(nèi)收、外展），踝關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度。根據(jù)3個(gè)關(guān)節(jié)的自由度可將人腿簡(jiǎn)化為圖1所示模型。

圖1 人腿簡(jiǎn)化模型

本文所設(shè)計(jì)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的模型，見圖2。本系統(tǒng)由3組永磁體定位系統(tǒng)組成。每組定位系統(tǒng)皆由兩個(gè)佩戴于關(guān)節(jié)處的三軸磁傳感器和一個(gè)粘貼于與該關(guān)節(jié)連桿的肢體上的圓柱形小磁體構(gòu)成。每組定位系統(tǒng)以其中一個(gè)磁傳感器為坐標(biāo)原點(diǎn)，可對(duì)相應(yīng)的圓柱形小磁體進(jìn)行定位，定位結(jié)果包括坐標(biāo)和方向。因小磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離呈指數(shù)衰減，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取合適的小磁體和距離，使得每組定位系統(tǒng)的小磁體只影響本系統(tǒng)磁傳感器的檢測(cè)結(jié)果，互相之間無(wú)影響。因此，只要知道上一級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的小磁體與下一級(jí)關(guān)節(jié)處傳感器之間的距離即可通過(guò)坐標(biāo)變換確定腿部的三維空間姿態(tài)。

圖2 三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模型

1.2 永磁定位模型

永磁定位技術(shù)是利用獲取的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)逆向求解出磁源位置的過(guò)程。本系統(tǒng)中，磁場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)與永磁體之間的距離大于永磁體尺寸的10倍，因此永磁體可等效為磁偶極子[11]。目前，對(duì)磁偶極子的空間磁場(chǎng)分布的研究有兩種等效模型：等效磁荷模型和等效電流環(huán)模型[12]。等效磁荷模型通常用于研究磁性材料內(nèi)的磁場(chǎng)分布，系統(tǒng)選用等效電流環(huán)模型研究永磁體外部空間磁場(chǎng)分布。微電流環(huán)與磁偶極子的空間磁場(chǎng)分布情況基本一致，只在靠近微電流環(huán)和磁偶極子的地方兩者存在差異。當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)與永磁體的距離大于10倍的永磁體尺寸時(shí)，永磁體的空間磁場(chǎng)分布可等效為微電流環(huán)的空間磁場(chǎng)分布。

將一圓形載流回路置于坐標(biāo)系xoy平面，其圓心與球坐標(biāo)原點(diǎn)重合，見圖3，載流回路半徑為a，電流為I，回路面積為πa2。

圖3 磁偶極子模型

將磁傳感器放置于A點(diǎn)，檢測(cè)永磁體在該點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)定位算法逆向求解出逆向求解出永磁體的空間位置和磁矩矢量，磁場(chǎng)定位模型，見圖4。

圖4 磁場(chǎng)定位模型

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的基于永磁定位技術(shù)的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是以各向異性磁阻傳感器HMC1043[15]為傳感元件，通過(guò)檢測(cè)小磁體的空間磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行空間定位。本系統(tǒng)硬件電路主要包括以下部分：信號(hào)檢測(cè)電路、模擬信號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和串口通信電路。系統(tǒng)硬件框圖，見圖5。

1.2.1 信號(hào)檢測(cè)電路

置位/復(fù)位電路。在外磁場(chǎng)的作用下，傳感器內(nèi)部磁疇會(huì)變得雜亂無(wú)章，導(dǎo)致其檢測(cè)靈敏度降低。置位脈沖將磁疇統(tǒng)一到與易磁化軸相同的方向，復(fù)位脈沖使磁疇統(tǒng)一到與易磁化軸相反的方向。所設(shè)計(jì)的置位/復(fù)位電路用于產(chǎn)生置位/復(fù)位脈沖，使傳感器磁疇方向統(tǒng)一，恢復(fù)傳感器靈敏度。

圖5 三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

1.2.2 信號(hào)處理電路

模擬信號(hào)處理電路包括模擬開關(guān)切換電路、一級(jí)放大電路及二級(jí)放大濾波電路。模擬開關(guān)切換電路將輸入的6對(duì)共計(jì)12路信號(hào)選擇一對(duì)輸出，12路信號(hào)共用一組模擬信號(hào)調(diào)理電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路。一級(jí)放大電路為可編程儀表放大電路，進(jìn)行初級(jí)信號(hào)放大。二級(jí)放大濾波電路為固定增益放大電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大以及高頻濾波。

1.2.2.1 模擬開關(guān)切換電路

定位1個(gè)小磁體需要2個(gè)傳感器，而每個(gè)傳感器輸出3對(duì)差分電壓信號(hào)，因此定位1個(gè)小磁體就有6對(duì)共12路電壓信號(hào)。而對(duì)整條腿的3個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行定位就有36路電壓信號(hào)。本系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)小磁體定位共用一路模擬信號(hào)調(diào)理電路，這樣整個(gè)系統(tǒng)只需3路模擬信號(hào)調(diào)理電路。

對(duì)于每一路模擬信號(hào)調(diào)理電路而言，有6對(duì)共12路電壓信號(hào)。選用一片模擬開關(guān)切換芯片ADG5207將6對(duì)差分電壓信號(hào)逐對(duì)輸出。

ADG5207是單芯片CMOS模擬多路復(fù)用器，在雙極性模擬信號(hào)應(yīng)用中，工作電壓范圍為±9～±22 V，而在單極性模擬信號(hào)應(yīng)用中，電壓范圍為+9～+40 V。內(nèi)置8個(gè)差分通道，將8路差分輸入根據(jù)3位二進(jìn)制地址線A0、A1和A2確定的地址切換至公共差分輸出。

1.2.2.2 一級(jí)放大電路

一級(jí)放大電路選用低漂移、軌到軌數(shù)字可編程儀表放大器AD8231。AD8231中集成了運(yùn)算放大器和可編程儀表放大器，本系統(tǒng)僅選用可編程儀表放大器。通過(guò)MCU控制A0、A1、A2和 CS 即可實(shí)現(xiàn)增益編程。一級(jí)放大增益設(shè)置為16。

本系統(tǒng)中AD8231為單電源供電，當(dāng)差分輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，輸出為零，信號(hào)丟失。將3.0 V 參考電壓接至REF引腳，初級(jí)放大后輸出信號(hào)被抬高至3.0 V左右。參考電壓由REF2930提供，該芯片是一款低功耗基準(zhǔn)電壓源，具有精度高、輸出電壓波動(dòng)?。ā? mV）、工作溫度范圍廣（-40 ～+125 ℃）、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2.3 二級(jí)放大濾波電路

由于輸入信號(hào)較弱，一級(jí)放大僅做了信號(hào)放大，沒(méi)有做濾波處理。二級(jí)放大濾波電路將濾除輸入信號(hào)中摻雜的高頻干擾，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大。

二級(jí)放大選用精密儀表放大器AD8221。其共模抑制比（CMRR）在同類產(chǎn)品中最高。因此，AD8221可以抑制線路諧波和寬帶干擾。目前主要應(yīng)用在精密數(shù)據(jù)采集、醫(yī)療器械和航空航天儀表領(lǐng)域。

AD8221的電壓增益調(diào)整范圍為（1～1000），其增益?zhèn)鬟f函數(shù)為：

只需通過(guò)調(diào)整電阻RG即可方便的設(shè)置增益，調(diào)整放大倍數(shù)。AD8221的輸入端接低通RC網(wǎng)絡(luò)，以濾除電路中的高頻干擾。濾波器輸入信號(hào)帶寬由下式?jīng)Q定：

其中CD≥10CC。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的二級(jí)放大濾波電路，見圖6。二級(jí)放大增益設(shè)置為32。

圖6 二級(jí)放大濾波電路

1.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過(guò)二級(jí)放大濾波，輸出信號(hào)已經(jīng)達(dá)到采樣標(biāo)準(zhǔn)。但本系統(tǒng)采用的主控芯片MSP430F149自身的A/D轉(zhuǎn)換只有12位，而傳感器的靈敏度要求A/D轉(zhuǎn)換至少要達(dá)到14位，系統(tǒng)需外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器。

本系統(tǒng)選用CMOS結(jié)構(gòu)的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器ADS8509。該芯片為16位A/D轉(zhuǎn)換器。有3路模擬輸入，1路SPI串行輸出。數(shù)據(jù)輸出可采用內(nèi)部參考時(shí)鐘或外部時(shí)鐘。單極性+5 V供電，工作溫度范圍-40～85 ℃，片內(nèi)自帶基準(zhǔn)源，有6種可選的電壓輸入范圍：4、5、10、±3.3、±5和±10 V。采樣率高達(dá)250 kHz，最大非線性誤差小于±2 LSB[16]。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，見圖7。電路輸入電壓范圍選擇±5 V，采用外部時(shí)鐘，輸出格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，其最高位為符號(hào)位，故該電路轉(zhuǎn)換精度為15位。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中MSP430F149主要負(fù)責(zé)模擬開關(guān)切換電路控制、一級(jí)放大增益調(diào)節(jié)、A/D采樣電路控制以及接收A/D采樣的數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)。本系統(tǒng)中采用LabVIEW開發(fā)上位機(jī)程序，程序主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：① 編寫串口程序采集下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；② 記錄下信號(hào)調(diào)理電路的失調(diào)電壓，后續(xù)采集到的電壓值減去此值即可實(shí)現(xiàn)軟件失調(diào)電壓補(bǔ)償；③ 將接收到的電壓值轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度值；④調(diào)用PSO算法和L-M算法對(duì)小磁體進(jìn)行空間定位；⑤ 編寫顯示程序，調(diào)用三維腿部骨骼模型，實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的直觀顯示；⑥ 編寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放程序，實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果的儲(chǔ)存和回放。

上位機(jī)程序界面是系統(tǒng)程序面向用戶設(shè)計(jì)。其主要功能是：串口參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)功能選擇、三維腿部骨骼模型定位顯示和各方向運(yùn)動(dòng)波形顯示。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序界面，見圖8。該界面簡(jiǎn)潔直觀，用戶在使用時(shí)無(wú)需了解具體程序就可進(jìn)行定位操作。界面左側(cè)為串口設(shè)置和功能選擇按鈕，可選擇開始定位、停止定位、保存數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回放和退出程序。右側(cè)為結(jié)果顯示區(qū)域，可通過(guò)調(diào)用wrl格式的腿部骨骼模型直觀顯示三維定位結(jié)果，也可分別顯示各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分量曲線，便于計(jì)算和分析。

圖8 上位機(jī)程序界面

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 小磁體選擇實(shí)驗(yàn)

本文選用圓柱形小磁體作為被檢測(cè)目標(biāo)，小磁體磁性越強(qiáng)，3軸磁傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化范圍越大。需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇一種磁矩大的小磁體。

由磁偶極子模型知：磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁體磁矩M的關(guān)系為：

對(duì)5種不同尺寸的小磁體（圖9）進(jìn)行等效磁矩測(cè)量，磁矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)，見圖10。用高斯計(jì)探頭沿著小磁體Z軸測(cè)量，記錄不同距離時(shí)高斯計(jì)示數(shù)。

記Z軸正方向的測(cè)量值為Bz+，Z軸負(fù)方向的測(cè)量值為Bz-，ΔBz是環(huán)境磁場(chǎng)在Z軸方向的分量。

圖9 5種不同尺寸小磁體示意圖

圖10 磁矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)

小磁體磁距測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1。

表1 小磁體磁矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示，1號(hào)小磁體的磁矩最大，所以三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)選用1號(hào)小磁體。

2.2 磁傳感器檢測(cè)范圍實(shí)驗(yàn)

三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模型采用3個(gè)小磁體定位，小磁體分別定位腿部3個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，然后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換重構(gòu)出腿部姿態(tài)。此過(guò)程要求每組3軸磁傳感器只受本系統(tǒng)所需定位小磁體的影響，而不受其他系統(tǒng)小磁體的影響。因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定3軸磁傳感器的檢測(cè)范圍。

將小磁體放置于傳感器x軸方向上，從距離30 cm逐漸移動(dòng)至3 cm處再返回，并在20、15、10、8、6和3 cm處稍作停頓，經(jīng)計(jì)算x軸輸出的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化結(jié)果，見圖11。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度值（單位為mT）。

圖11 x軸磁感應(yīng)強(qiáng)度值隨距離變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)小磁體與傳感器距離大于30 cm時(shí)，磁傳感器檢測(cè)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度值為0，兩者之間距離小于10 cm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化最明顯。實(shí)驗(yàn)測(cè)得人體髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間距離為42 cm，膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)之間距離為40 cm。本文選用的小磁體直徑為0.5 cm，厚度為1 cm。因此，將小磁體與磁傳感器之間距離設(shè)置為6 cm，既可滿足磁偶極子模型，又對(duì)臨近組傳感器無(wú)影響。

2.3 三維腿部單個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

只對(duì)左腿髖關(guān)節(jié)做三維腿部單個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)者髖關(guān)節(jié)做外展踢腿動(dòng)作，檢測(cè)結(jié)果，見圖12。

圖12 髖關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12中按順序a～b～c～d運(yùn)動(dòng)，分別為外展上踢至最高點(diǎn)、收回、后踢、后踢至最高點(diǎn)。該過(guò)程與被測(cè)者實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程一致。踢至最高點(diǎn)的三維模型顯示和小磁體坐標(biāo)三維顯示，見圖13。

圖13中，小磁體的坐標(biāo)為（0.045, -0.047, 0.013），單位為m。小磁體三維坐標(biāo)與三維模型顯示一致。

圖13 后踢至最高點(diǎn)三維顯示

2.4 三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

在被測(cè)者左腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別佩戴磁傳感器，分別定位對(duì)應(yīng)肢體上小磁體的坐標(biāo)和方向，按系統(tǒng)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換重構(gòu)出三維腿部運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。定位結(jié)果，見圖14。

圖14 三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14所示的三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與被測(cè)者腿部姿態(tài)基本一致。但由于單個(gè)磁定位系統(tǒng)存在誤差，經(jīng)過(guò)幾何坐標(biāo)變換導(dǎo)致大腿、小腿和腳的定位誤差逐級(jí)增加。

2.5 小磁體定位精確度實(shí)驗(yàn)

將直徑為0.5 cm，厚度為1.0 cm的圓柱形小磁體分別置于傳感器的x、y和z軸上，當(dāng)檢測(cè)其中任一軸時(shí)，另外兩軸坐標(biāo)設(shè)置為0。每個(gè)軸上分別檢測(cè)小磁體放置于4、5、 6和7 cm處的坐標(biāo)值。每個(gè)位置檢測(cè)100個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)間隔1 s。將3個(gè)軸檢測(cè)到的4個(gè)位置的數(shù)據(jù)分別繪制在3張圖中，得到檢測(cè)值波形圖，見圖15。

圖13顯示，不同距離各軸的檢測(cè)值分布基本平穩(wěn)。分析表2，小磁體與傳感器之間距離越遠(yuǎn)定位誤差越大。

分析誤差產(chǎn)生原因，主要有以下幾方面：① 3軸磁傳感器使用一段時(shí)間后內(nèi)部磁阻阻值發(fā)生變化，使得各軸的惠斯通電橋輸出值之間存在差異；② 本實(shí)驗(yàn)在正常實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，沒(méi)有屏蔽裝置，檢測(cè)過(guò)程受到環(huán)境磁場(chǎng)干擾，數(shù)據(jù)顯示擾動(dòng)；③ 單個(gè)小磁體定位系統(tǒng)硬件電路采用模擬切換開關(guān)切換信號(hào)進(jìn)行處理，該過(guò)程偶爾會(huì)產(chǎn)生數(shù)值的跳變，影響采樣結(jié)果。

圖15 不同距離x、y和z軸檢測(cè)值

表2 x、y和z軸不同距離的平均誤差ε

表2 x、y和z軸不同距離的平均誤差ε

距離x軸ε 4 0.6920.6430.799 5 0.8260.7110.889 6 0.8790.7311.134 7 1.4210.9711.724 y軸εz軸ε

3 結(jié)論

本研究首次將永磁定位技術(shù)運(yùn)用于三維腿部運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，采用永磁體作為定位磁源，無(wú)需電源激勵(lì)；采用磁傳感器定位磁場(chǎng)，體積小的磁源符合磁偶極子模型，同時(shí)充分利用了磁傳感器的檢測(cè)范圍；檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小、無(wú)創(chuàng)、無(wú)視線障礙、對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)要求低等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)分別對(duì)3個(gè)小磁體進(jìn)行定位，只需通過(guò)坐標(biāo)變換即可重構(gòu)三維腿部姿態(tài)。但該系統(tǒng)目前存在定位誤差較大的問(wèn)題，今后可通過(guò)增加傳感器個(gè)數(shù)、校準(zhǔn)傳感器靈敏度、選取磁矩更大體積更小的磁源、優(yōu)化硬件電路等方法來(lái)減小誤差。未來(lái)，可將采集到的腿部運(yùn)動(dòng)參數(shù)直接用以控制外骨骼裝置，同時(shí)采用上位機(jī)加載三維腿部模型實(shí)時(shí)顯示被測(cè)者的腿部運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肢體的同步運(yùn)動(dòng)和在線檢測(cè)。

[1] 王曉敏,周敏.步態(tài)分析在臨床疾病中的應(yīng)用[J].湖北中醫(yī)雜志,2015,37(8):66-68.

[2] 向靜.步態(tài)分析在臨床康復(fù)應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生,2014,30(22):3411-3413.

[3] 盧利萍,桑德春,邵翠霞.腦卒中偏癱患者康復(fù)治療前后的三維步態(tài)分析[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐.2014,20(8):752-755.

[4] 崔大平,趙德偉,孫強(qiáng),等.踝關(guān)節(jié)重建手術(shù)前后的步態(tài)分析[J].中國(guó)矯形外科雜志.2013,21(4):373-377.

[5] 趙凌燕.人體步態(tài)模型實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[6] 李曉丹,肖明,曾莉.人體動(dòng)作捕捉技術(shù)綜述以及一種新的動(dòng)作捕捉方案陳述[J].中國(guó)西部科技,2011,10(15):35-37.

[7] 蹇彪.基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)三維重構(gòu)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[8] 高維松.一種基于立體測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[9] 徐展.人臉表情運(yùn)動(dòng)捕捉移植的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[10] 于在宇.基于電磁場(chǎng)理論的醫(yī)用三維定位系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[11] 任家峪.基于磁傳感器陣列的無(wú)線跟蹤定位技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2010.

[12] 劉金壽,戎紹金.電流環(huán)與磁偶極子等效變換中的磁荷計(jì)算[J].遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,26(4):442-443.

[13] 黃波.基于磁傳感器陣列的微弱磁性目標(biāo)定位的研究[D].武漢:武漢工程大學(xué),2012.

[14] Schlageter V,Besse PA,Popovic RS,et al.Tracking system with five degrees of freedom using a 2D-array of hall sensors and a permanent magnet[J].Sens Actuat,2001,92(1-3):37-42.

[15] Hu C,Li M,Song S,et al.A Cubic 3-axis magnetic sensor array for wirelessly tracking magnet position and orientation[J].IEEE Sens J,2010,10(5):903-913.

[16] 王丹琦,黃根春,孫小剛.16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8509及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(14):190-192.

本文編輯 袁雋玲

Design of a Three-Dimensional Leg Motion Detection System Based on Permanent Magnet Positioning Technology

ZHANG Ke, TANG Funan, LI Xiuhan, WU Xiaoling
School of Biomedical Engineering, Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

ObjectiveTo design a kind of three-dimensional leg motion detection system based on permanent magnet positioning technology to achieve real-time display of leg motion.MethodsFirstly, the three-axis magnet sensors were placed on the leg joints, and the small magnets were placed on the limbs which were connected to the leg joints, while the distance between the sensor and magnet was about 6 cm. The sensors were used to detect the magnetic induction intensity. The signal was gradually exaggerated and filtering processed, and was sent via the serial port to PC. Secondly, the magnetic induction intensity of the signal was converted into a voltage signal by LabVIEW software, and the voltage signal was combined with LM algorithm and PSO algorithm and was used for magnet source localization.ResultsThe experiment for detection range of Magnetic sensor showed that when the distance between the sensor and magnet was about 6 cm, it could be considered as a magnetic dipole model and had no effect on the near magnet group. When the magnets were positioned within the average error of 1 cm, the entire system spent about 17.5 ms on finishing a complete data collection, which could basically meet the real requirements. The experiment for three-dimensional leg motion showed that the result was consistent with the examinee leg stance.ConclusionThe three-dimensional leg motion detection system based on permanent magnet leg positioning technology can achieve three-dimensional leg motion detection function, which provides a new method for detecting gait and leg rehabilitation training.

motion detection; permanent magnet positioning; three-axis magnet sensors; positioning algorithm

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.008

1674-1633(2017)09-0033-07

2016-10-09

2016-11-09

江蘇省2015年度普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX15_0938）。

吳小玲，教授，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程（納米材料方向）。

通訊作者郵箱：bmewxl@163.com