柔性掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度光纖傳感器?

樊 琛，顏遠(yuǎn)遠(yuǎn)，張均字，劉 曄，張曉琪，黃福華

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.機(jī)器人與智能制造陜西省高校工程研究中心，陜西 西安 710018；3.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系，陜西 西安 710018)

手是人體的一個重要感覺器官，是大多數(shù)復(fù)雜運(yùn)動行為的主要效應(yīng)器官，對人類的生產(chǎn)生活都有著極其重要的作用。近年來，上肢手部功能喪失的患者人數(shù)逐年上升，常見原因有腦卒中、外傷、乳腺癌術(shù)后等，以腦卒中居多[1]。對于這類患者，除一般藥物治療外，還需制定相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練計劃，結(jié)合手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行手部運(yùn)動功能的恢復(fù)治療[2]。

醫(yī)生進(jìn)行康復(fù)評估需要參考依據(jù)，因此有必要對手部運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和識別[3]。但傳統(tǒng)的運(yùn)動姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)大都需要專門的實(shí)驗機(jī)構(gòu)，大多是剛性裝置，其柔性不足、貼合性差及容易造成二次傷害，不適用于日常穿戴[4]?，F(xiàn)階段臨床上應(yīng)用于手部康復(fù)訓(xùn)練的柔性傳感器多為電子傳感器。常見的電子傳感器主要有壓電式[5]、電阻式[6]、電容式[7]、離子聚合物式(IMPC)[8]。與其他傳感器相比，電子傳感器具有重量輕、易穿戴、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，但受到傳感材料的限制，傳感器閾值通常很高，只有在傳感器輸入達(dá)到某一值后才能測得輸出變化，并且存在易受電磁干擾的缺點(diǎn)[9]。

因此，設(shè)計并制作出抗電磁干擾的柔性傳感器也越來越受到人們的關(guān)注，而光纖傳感因具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、柔韌性好、可穿戴性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在智能傳感器領(lǐng)域[10]。Durga等[11]設(shè)計了一種基于光纖的強(qiáng)度調(diào)制角度測量傳感器，用于－100 arcmin～100 arcmin 范圍內(nèi)的小角度測量。該傳感器可測量小傾斜角度，用作自動化機(jī)器的精密對準(zhǔn)工具；Sareh 等[12]將光纖應(yīng)用于一個圓柱形的柔性機(jī)器人手臂，利用光纖宏彎損耗原理，研究了一種基于光纖傳感的柔性機(jī)器人手臂姿態(tài)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測量機(jī)器人的彎曲、伸長和壓縮；西安交通大學(xué)的LIU 等[13]設(shè)計了一種分組對稱光纖傳感器，對航空發(fā)動機(jī)三維葉尖間隙進(jìn)行測量和解調(diào)，達(dá)到了較高的解調(diào)精度；Yang 等[14]基于光纖微彎效應(yīng)，設(shè)計了一種用于心跳和呼吸監(jiān)測的紡織光纖微彎傳感器，可以測量站立和坐姿時的心跳和呼吸速率。該類傳感器重量輕、體積小、易穿戴、成本低，具有潛在的市場價值。但目前大多數(shù)研究主要監(jiān)測手肘手腕等的運(yùn)動狀態(tài)，對手指運(yùn)動角度等精細(xì)化監(jiān)測研究較少。

手有21 個運(yùn)動自由度，而肩、肘、腕三大關(guān)節(jié)僅有7 個運(yùn)動自由度[15]。掌指關(guān)節(jié)是一個多軸關(guān)節(jié)，自由度組合較多，針對小關(guān)節(jié)的運(yùn)動監(jiān)測設(shè)備難以兼具準(zhǔn)確性和舒適性，制作困難。因此目前針對肩、肘、腕等大關(guān)節(jié)的研究較多，而針對小關(guān)節(jié)如掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)的研究相對較少，因此本文提出應(yīng)用光纖傳感進(jìn)行掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度監(jiān)測研究，該研究能解決手部運(yùn)動精細(xì)化監(jiān)測困難的問題，在姿態(tài)識別領(lǐng)域具有很大的潛在價值。

本文利用光纖的宏彎損耗原理，設(shè)計制作了柔性可穿戴的掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度傳感器?？紤]到硅橡膠具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性及彈性，當(dāng)其干燥固化之后，形成的硅橡膠薄膜拉伸性好，可穿戴度高，且操作簡單，價格低廉，因此選用硅橡膠作為制備傳感器的基體材料。本文首先進(jìn)行設(shè)備與器件的選型，設(shè)計制作光纖傳感硅膠模塊，開展實(shí)驗對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到傳感器的輸出特性，最后設(shè)計穿戴裝置進(jìn)行驗證實(shí)驗。

1 基本原理與設(shè)計思路

1.1 掌指關(guān)節(jié)角度測量原理分析

人手骨骼結(jié)構(gòu)主要由腕骨、掌骨、指骨所組成，指骨又由近端指骨、中指骨和遠(yuǎn)端指骨組成[16]。腕骨、掌骨和近端指骨、中指骨和遠(yuǎn)端指骨之間又形成了腕掌關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)[17]。骨與關(guān)節(jié)構(gòu)成手部的支架，維持手的正常功能，在人的日常生活中，手部動作主要包括屈曲、伸展、外展和內(nèi)收等[18]。本文的研究對象為掌指關(guān)節(jié)，圖1 為手部彎曲示意圖，圖2 所示為掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動模型。

圖1 手部彎曲示意圖

圖2 掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動模型

圖2 中，O表示掌指關(guān)節(jié)中軸點(diǎn)，是一固定點(diǎn)，A為皮膚上一點(diǎn)，OA垂直于中軸線。當(dāng)手指轉(zhuǎn)動α角度移動到虛線位置時，A點(diǎn)移動到A′點(diǎn)，則曲線SAA′就是手指繞掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動α角度皮膚拉伸的距離。

圖3 為掌指關(guān)節(jié)局部放大圖，將曲線SAA′劃分成N份有不同定曲率的曲線。Si代表第i個被劃分的曲線，αi、ri分別為曲線Si所對應(yīng)的圓心角和曲率半徑，它們滿足如下的關(guān)系:可通過實(shí)驗測得，因此可近似認(rèn)為掌指關(guān)節(jié)處的皮膚拉伸距離與角度呈線性關(guān)系。

圖3 掌指關(guān)節(jié)局部放大圖

本文利用光纖的宏彎損耗原理來監(jiān)測掌指關(guān)節(jié)角度。其他條件不變時，光纖的彎曲損耗主要取決于彎曲半徑，不同的彎曲半徑對應(yīng)不同的光損耗[19]。當(dāng)光纖受到外力被拉伸產(chǎn)生形變時，彎曲半徑變化導(dǎo)致光能量變化，測出該變化就能反映出外界物理量的變化。

1.2 整體設(shè)計思路

首先選擇合適的光纖、彎曲半徑以及光纖放大器，設(shè)計光纖的排布方式，利用SolidWorks 建立硅膠澆筑模型，3D 打印該模型，然后進(jìn)行硅膠澆筑使光纖嵌入到硅膠中，制作可貼合皮膚的傳感硅膠模塊。對傳感硅膠模塊進(jìn)行標(biāo)定，開展實(shí)驗得出角度與拉伸距離之間的關(guān)系以及拉伸距離與電壓之間的關(guān)系，從而得到角度與輸出電壓之間的關(guān)系，完成運(yùn)動角度傳感器的標(biāo)定。最后設(shè)計并制作穿戴裝置，對傳感器標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗證。

2 設(shè)備選型與實(shí)驗準(zhǔn)備

2.1 設(shè)備選型

本文選用三菱QY10 系列光纖，光纖纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯樹脂，光纖包層材料為聚乙烯，最小彎曲半徑為2.5 mm，宏彎損耗在半徑5 mm～10 mm范圍變化最明顯，在不損壞光纖的前提下，選擇光纖的彎曲半徑為5 mm。光纖傳感單元的排布方式一般有半圓接半圓型、正弦型等，本文選擇較易實(shí)現(xiàn)的半圓接半圓型。光纖放大器型號為FS－N11MN，該光纖放大器抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕且具有模擬輸出功能，能夠輸出0～5 V 的模擬電壓信號，自帶波長為630 nm 的光源。利用USB－6210 數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合LabView 軟件來采集模擬電壓數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗準(zhǔn)備

為使光纖能夠嵌入到硅膠里，形成“柔性皮膚”，利用SolidWorks 建立硅膠澆筑模型，如圖4 所示。3D 打印該模型，將光纖嵌入其中。

圖4 澆筑模型

采用ShinBon 新邦生產(chǎn)的硅膠產(chǎn)品進(jìn)行澆筑，該硅膠產(chǎn)品分為A、B 兩組，A 組分包括基膠、交聯(lián)劑和填料，B 組分為催化劑，常溫下固化時間為4 h～5 h。具有低硬度、高抗撕、耐高溫等特性，可室溫或加熱固化，操作方便。使用時將A、B 兩組硅膠材料等重量1 ∶1 混合，攪拌均勻，室溫下用針管將混合后的材料均勻?qū)氲焦枘z模具中，靜置消泡，完全固化的傳感硅膠模塊如圖5 所示。

圖5 傳感硅膠模塊

3 運(yùn)動角度傳感器標(biāo)定實(shí)驗

3.1 角度－拉伸距離標(biāo)定實(shí)驗

首先，確定掌指關(guān)節(jié)表面皮膚拉伸距離與角度之間的關(guān)系。由于日常生活中掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度多為0～80°，因此以0～80°為主要測量范圍。掌指關(guān)節(jié)角度不易直接測量，本文利用激光實(shí)現(xiàn)角度的間接測量，角度測量原理如圖6 所示，O代表固定在近端指骨上的激光源，使光源發(fā)出的光線與近端指骨平行并打在垂直面上，在垂直面上每10°標(biāo)記一次。實(shí)驗時掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動帶動激光移動并使其打在標(biāo)記點(diǎn)上，同時通過卷尺測量拉伸距離并記錄數(shù)據(jù)，每隔10°記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10 組取平均值。

圖6 角度測量原理示意圖

由掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析可知，角度與拉伸位移近似呈線性關(guān)系，因此對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合的結(jié)果如圖7 所示。

圖7 角度－拉伸距離特性曲線

掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動到80°時，拉伸距離在20 mm 左右。擬合公式為:

式中:α為關(guān)節(jié)角度(°)，X為拉伸位移(mm)，該直線的擬合優(yōu)度為0.997 5。單組數(shù)據(jù)線性擬合優(yōu)度在0.978 4～0.998 2 范圍之間，說明掌指關(guān)節(jié)角度與拉伸距離呈正相關(guān)，與掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)分析的結(jié)果相吻合。

3.2 拉伸距離－電壓標(biāo)定實(shí)驗

本文利用NI 采集卡采集光纖放大器輸出的電壓信號，結(jié)合LabView 創(chuàng)建采集模擬電壓信號的程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示和保存數(shù)據(jù)功能。

為得到拉伸距離與輸出電壓的關(guān)系，開展圖8(a)所示的拉伸實(shí)驗，圖8(b)所示為拉伸夾持裝置。設(shè)置拉伸距離為30 mm，拉伸速度為60 mm/min，30 s為一個進(jìn)程，通過LabView 設(shè)置采樣頻率為100 Hz，每0.01 s 秒采集一次數(shù)據(jù)，則30 s 共采集3 000 個數(shù)據(jù)。重復(fù)該實(shí)驗11 次，采集十組數(shù)據(jù)取平均值。

圖8 拉伸實(shí)驗示意圖

拉伸位移與輸出電壓的關(guān)系如圖9 所示，對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合，擬合公式為:

圖9 拉伸位移－電壓特性曲線

式中:X為拉伸位移(mm)，Y為輸出電壓(V)，擬合優(yōu)度R2＝0.999 9，計算重復(fù)性誤差為:

式中:σ為標(biāo)準(zhǔn)差，x為測量的平均值。

3.3 角度－電壓標(biāo)定實(shí)驗

由角度－拉伸距離特性關(guān)系和拉伸距離－電壓特性關(guān)系可得到角度－電壓特性關(guān)系，即由式(3)和式(4)式可得到如下關(guān)系式:

式中:α為掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度(°)，Y為輸出電壓(V)。圖10 所示為該公式對應(yīng)的曲線，將該曲線作為傳感器輸出特性曲線，完成運(yùn)動角度傳感器的標(biāo)定。

圖10 傳感器輸出特性曲線

4 運(yùn)動角度傳感器驗證實(shí)驗

4.1 驗證實(shí)驗

設(shè)計圖11 所示的穿戴裝置并進(jìn)行驗證實(shí)驗。掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度范圍為0～80°，實(shí)驗時記錄不同角度對應(yīng)的電壓值，共記錄10 組數(shù)據(jù)。將測得的數(shù)據(jù)擬合，得到實(shí)測電壓值的擬合曲線，與理論特性曲線對比，結(jié)果如圖12 所示。兩條曲線的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.998 7，說明兩條曲線極強(qiáng)相關(guān)，吻合度很好，驗證了該運(yùn)動角度傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度。

圖11 穿戴裝置

圖12 實(shí)測曲線與理論曲線對比圖

4.2 結(jié)果與誤差分析

對驗證結(jié)果與測量誤差進(jìn)行分析，測量誤差如圖13 所示，0～70°范圍內(nèi)最大測量誤差為2°，測量誤差較小，而70°～80°范圍內(nèi)測量誤差明顯增大，最大誤差達(dá)到4°左右，從圖12 中也可以看到，0～70°范圍內(nèi)兩條曲線的吻合度很好，而70°～80°實(shí)測擬合曲線逐漸偏離理論特性曲線。究其原因，主要有以下幾個方面:70°～80°為大多數(shù)人掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動的極限角度，該角度范圍內(nèi)皮膚拉伸不明顯；試驗過程中很難保證硅膠模塊與手肘皮膚緊密貼合，牽引線與硅膠模塊中軸線嚴(yán)格地在同一條直線上；此外人為的讀數(shù)誤差也會對結(jié)果造成一定的影響。

圖13 測量誤差

5 結(jié)論

本文基于光纖的宏彎損耗原理設(shè)計并制作了一種制作簡單、成本低廉、易穿戴的掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度傳感器。分析了掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型，推導(dǎo)出掌指關(guān)節(jié)表面皮膚拉伸距離與角度呈線性關(guān)系，設(shè)計并制作傳感硅膠模塊，開展實(shí)驗對傳感器進(jìn)行標(biāo)定與驗證，結(jié)果表明，該傳感器測量范圍為0～80°，驗證曲線與標(biāo)定曲線的Pearson 相關(guān)系數(shù)為0.998 7，0～70°范圍內(nèi)最大測量誤差為2°，該傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度，在姿態(tài)識別和康復(fù)工程領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。

本文設(shè)計的傳感硅膠模塊裸漏在外，難以保證運(yùn)動過程中與手肘緊密貼合，也難以保證做水平直線運(yùn)動。此外，考慮到所設(shè)計的傳感器性能主要取決于光纖性能，而本文所用光纖的工作溫度為－55 ℃～70 ℃，在該溫度范圍內(nèi)光纖性能無明顯惡化，因此未對溫度影響問題進(jìn)行分析。