李敏,何博,徐光華,陳佳洲,郭文亮,鄭翔,張鑫

(西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院,710049,西安)

雙手在人類日常生活中有重要意義[1]。腕關(guān)節(jié)是人體復(fù)雜的力學(xué)關(guān)節(jié)之一,實現(xiàn)屈曲和撓尺偏兩種運動,對手功能的行使起到重要作用[2],因此監(jiān)測腕關(guān)節(jié)的運動狀態(tài)有重要的實際應(yīng)用價值。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域,腕關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)監(jiān)測能夠指導(dǎo)醫(yī)生對患者的治療和后續(xù)康復(fù)訓(xùn)練計劃的制定,但目前缺乏對運動姿態(tài)的監(jiān)測[3-4];在互動娛樂領(lǐng)域,腕關(guān)節(jié)角度的確定便于計算手部在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中的實際位置;機器人表面?zhèn)鞲衅鞯陌l(fā)展也有助于機器人的精確控制[5]。

現(xiàn)階段人體運動監(jiān)測傳感器根據(jù)原理分為電磁式、機械式、光學(xué)式、線纜式和基于視頻圖像的運動監(jiān)測設(shè)備。Ascension和Polhemus等研究的電磁式運動監(jiān)測系統(tǒng)包括發(fā)射器、多個監(jiān)測傳感器、中央處理單元和軟件控制系統(tǒng)[6-7]。該類測量系統(tǒng)對監(jiān)測環(huán)境要求嚴(yán)格,受場景中的金屬影響較大,且存在總體體積大、監(jiān)測傳感器必須固定在被試身上、妨礙被試者做復(fù)雜運動等缺點,同時設(shè)備昂貴、數(shù)據(jù)采樣率和精度較低,不能滿足快速運動的需求。文獻[8]中機械測量裝置由固定在人體主要關(guān)節(jié)的剛性連桿組成,在轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處放置角度傳感器,通過人體的運動來驅(qū)動監(jiān)測系統(tǒng)工作。此類傳感器采用機械結(jié)構(gòu),體積大、質(zhì)量重,對被試的動作阻礙較大。VICON、NDI Polaris Spectra等光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)是將Marker點貼在被試身上,通過追蹤標(biāo)記點的運動軌跡來完成監(jiān)測任務(wù)[9-10]。該類系統(tǒng)存在自遮擋問題,容易造成數(shù)據(jù)丟失,且后續(xù)需進行大量的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)手套[11]主要用于手部位姿的監(jiān)測,目前已經(jīng)開發(fā)出基于壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)和電磁效應(yīng)等不同原理的數(shù)據(jù)手套[12-14],但數(shù)據(jù)手套的價格較高,且主要監(jiān)測手指的運動狀態(tài),忽略腕的運動姿態(tài)感知。以KINECT為代表的深度攝像頭的問世為圖像處理的方式提供新的發(fā)展思路[15],但存在自遮擋和精度低的缺點。

近年來,用于測量關(guān)節(jié)角度運動的光纖傳感器發(fā)展迅速。Silva等人提出光纖與織物相結(jié)合的設(shè)備來測量肘關(guān)節(jié)的彎曲[16],但該穿戴設(shè)備與人體關(guān)節(jié)部位未能緊密貼合時有較大的測量誤差。Sareh等人應(yīng)用光纖宏彎損耗的原理,將3組光纖平行分布在圓柱形柔軟機器人的側(cè)表面以檢測該機器人軸線的彎曲角度[17],試驗證明該傳感器重復(fù)性好,但誤差大。Augustin等分別將光纖宏彎傳感器、布拉格光纖、反射式光電傳感器3種傳感器編織在織物上,通過測量呼吸時腹圍的變化,監(jiān)測呼吸作用在磁共振成像環(huán)境中的潛在影響[18]。Back和Xie Hui等分別利用雙光纖反射式光強調(diào)制機理,設(shè)計用于微創(chuàng)手術(shù)觸診的偽觸覺傳感器[19-20],該類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易制造和小型化,且重量輕、可滅菌、兼容磁共振環(huán)境的優(yōu)點?？紤]光纖經(jīng)過編織后的傳感器具有伸展壓縮的特性,且對溫度不敏感、不受電子干擾的優(yōu)點,設(shè)計并制作靈敏度高、成本低的光纖傳感器有很大的市場價值。

因此,本文利用光纖的宏彎損耗特性設(shè)計傳感器測量腕關(guān)節(jié)掌屈運動角度。設(shè)計時,首先選擇合適的光纖及最小彎曲半徑,以此為基礎(chǔ)制作硅膠模塊,開展基于皮膚伸縮的關(guān)節(jié)角度監(jiān)測試驗和人造皮膚模塊的拉伸試驗,最后分析設(shè)計人造皮膚模塊穿戴裝置并進行標(biāo)定試驗,以驗證該監(jiān)測裝置的可用性。

1 手腕運動監(jiān)測裝置的總體設(shè)計

1.1 手腕模型分析

硅橡膠人造皮膚監(jiān)測裝置需要直接貼合在人體手腕上,為確保設(shè)計準(zhǔn)確性和監(jiān)測高效性,需對手腕的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)組成和運動形式進行分析。

手腕是連接人體手掌和小臂的重要部位,由骨骼、韌帶、關(guān)節(jié),肌肉和肌腱組成。腕部靠近小指的一側(cè)稱為尺側(cè),靠近拇指的一側(cè)稱為橈側(cè)。腕關(guān)節(jié)前后、兩側(cè)均有韌帶,可做屈、伸、展和收運動。腕內(nèi)收是掌向橈側(cè)屈曲,腕外展指掌向尺側(cè)彎曲,背伸指手掌向手背側(cè)面伸展,掌屈是掌向手心面屈曲。其中,由于橈腕掌側(cè)部分的韌帶較為堅韌,因此掌屈的幅度要小于背伸的彎曲角度。手腕的掌屈和背伸運動配合肘關(guān)節(jié)運動能夠滿足人們基本的生活需求。因為監(jiān)測掌屈運動的設(shè)備布置在小臂相反的方向即可監(jiān)測背伸運動角度,所以本文以手腕的掌屈運動為研究目標(biāo)。本文中手腕監(jiān)測的0°定義為人手手背和小臂在同一條直線上的狀態(tài)(圖1中虛線部分所示的腕關(guān)節(jié)姿態(tài))。由于大部分測試者的掌屈運動范圍為0°～60°,因此本文的測量范圍確定為60°。

1.2 基于皮膚伸縮的關(guān)節(jié)角度監(jiān)測原理

本文腕關(guān)節(jié)掌屈運動監(jiān)測原理如圖1所示。腕關(guān)節(jié)由虛線位置轉(zhuǎn)動到實線位置時,皮膚表面的B點運動到C點,加大了與A點的距離。本文通過測量皮膚表面固定點A、B之間的距離來間接實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動角度的監(jiān)測。

圖1 關(guān)節(jié)運動角度監(jiān)測原理

測量距離的裝置是以光纖宏彎損耗為機理的硅膠模塊。光纖宏彎損耗是指在光纖彎曲時,光束在光纖內(nèi)部不滿足全反射條件,折射到包層和保護層從而造成光強損耗的現(xiàn)象。

本文將光纖嵌入到硅膠模型后與腕關(guān)節(jié)貼合,使腕關(guān)節(jié)做掌屈運動時,關(guān)節(jié)兩側(cè)的固定點之間的距離轉(zhuǎn)換為硅膠模型的伸縮,并引起光纖宏彎損耗,影響光強的變化。通過測量光強的大小來間接確定關(guān)節(jié)運動角度。

1.3 腕關(guān)節(jié)運動角度監(jiān)測裝置樣機設(shè)計

1.3.1 硅膠模型的制作 在制作硅膠模型時,需要預(yù)先將光纖布置在未固化的硅橡膠中,因此需要設(shè)計澆筑模具以固定光纖。

本文選用的光纖為三菱SH1001系列。光纖由纖芯和包層組成,纖芯材料為聚甲基丙烯酸甲酯樹脂,纖芯直徑為217～263 μm。包層由氟化聚合物構(gòu)成,外徑為1 μm。該光纖包層的反射率為1.49。研究表明,該型號光纖在彎曲半徑為5 mm以上、10 mm以下會發(fā)生宏彎損耗[17],因此本文設(shè)定光纖的最小彎曲半徑為5 mm,以不損害光纖的前提下保證光纖傳感器的靈敏度。

為使硅橡膠液體能夠均勻流動到模具中,本文對布線引導(dǎo)槽預(yù)留切口。同時,在模具表面設(shè)計陣列的柱狀凸起結(jié)構(gòu),使后續(xù)制備的模塊中分布小孔,保證硅膠模塊的伸縮性和穿戴時手部良好的透氣性。最終設(shè)計的結(jié)果如圖2所示。

圖2 硅膠模型模具

圖3 制作硅膠模型的主要材料和設(shè)備

硅膠模型采用Ecoflex00-30系列硅橡膠材料,將A、B兩種質(zhì)量密度均為1.07 g/mm3的材料等比例混合,在25 min內(nèi)將混合好的液體澆筑到模具中。用SolidWorks軟件計算澆筑需要的硅膠體積為62 576.13 mm3,需要每種材料的質(zhì)量為33.49 g。制作設(shè)備如圖3所示。制作時先將光纖固定在模具的引導(dǎo)槽中,考慮杯壁上會殘留部分材料,分別稱取A、B材料35 g并充分?jǐn)嚢?由針管將混合均勻后的材料澆筑到模具中。然后,把盛有液態(tài)硅橡膠的模具放入真空裝置中,以減少固化成型后硅膠模塊的氣泡和孔洞。觀察到?jīng)]有氣泡冒出時,將模具從真空裝置中拿出,放在室溫自然固化4 h后從模具中取出硅膠模塊。

1.3.2 穿戴裝置的設(shè)計與制作 硅膠模塊制備完成后,需要設(shè)計穿戴裝置,以便將硅膠模型固定于手腕上,物理樣機如圖4所示。本文采用護肘與人體手臂直接貼合,設(shè)計指環(huán)和夾持裝置帶動硅膠模塊做伸縮運動。光纖放大器固定座將光纖傳感器與護肘貼合。其中光纖傳感器采用基恩士公司生產(chǎn)的FS-N11MN光纖傳感器,輸出電壓為1～5 V。同時該傳感器自帶波長為630 nm的光源,具有抗干擾,功耗低、體積小且重量輕的特點。

圖4 腕關(guān)節(jié)掌屈運動傳感器

圖5 硅橡膠模型拉伸試驗臺

2 腕關(guān)節(jié)運動監(jiān)測裝置特性驗證

為了測量拉伸距離與光纖光強損耗的對應(yīng)關(guān)系,搭建了如圖5所示的基于步進電機控制的硅膠模塊拉伸試驗臺。

試驗時,設(shè)定滾珠絲杠的滑塊移動范圍為30 mm,帶動硅膠模型做10次勻速拉伸收縮運動并用計算機通過NI采集卡記錄光纖放大器輸出的光強數(shù)據(jù)。將橫坐標(biāo)拉伸位移0～30 mm表示硅膠模型正行程拉伸,-30～0 mm表示反行程收縮,確定位移與光纖放大器輸出電壓關(guān)系如圖6所示。

圖6 拉伸距離與輸出電壓的變化關(guān)系

計算重復(fù)性誤差

γR=±(ΔR,max/yFS)×100%=1.42%

(1)

式中:γR表示重復(fù)性誤差;ΔR,max表示同一方向多次測量的輸出值的最大差值;yFS表示輸出值的滿量程值。

計算遲滯

γH=±0.5×(ΔH,max/yFS)×100%=±1.39%

(2)

式中:γH表示遲滯誤差;ΔH,max表示正反行程中同一輸入量下輸出值的最大差值。

一般儀器設(shè)計中參考重復(fù)性誤差和參考遲滯性誤差規(guī)定小于5%,硅膠模塊符合儀器設(shè)計原則。圖6表明,多次測量中重復(fù)性誤差為1.42%,光纖宏彎損耗性質(zhì)穩(wěn)定;在拉伸距離小于30 mm時,輸出電壓與拉伸距離成線性變化,理論可以測量的距離范圍可以達到30 mm。

3 腕關(guān)節(jié)運動角度傳感器的驗證

3.1 基于皮膚伸縮的關(guān)節(jié)角度監(jiān)測

圖7 腕關(guān)節(jié)角度與固定點距離變化試驗圖

應(yīng)用腕關(guān)節(jié)角度測量裝置之前,需要確定腕關(guān)節(jié)兩側(cè)固定點之間的距離變化與腕關(guān)節(jié)運動角度變化的關(guān)系。本文設(shè)計了一個如圖7所示的穿戴裝置進行試驗測量。試驗時,將回復(fù)彈簧的一端固定在小臂,指環(huán)套在中指,使?fàn)恳€盡量保持在一個平面內(nèi),調(diào)整牽引線長度,在手腕上尋找屈曲運動轉(zhuǎn)動中心并標(biāo)記,通過量角器測量腕關(guān)節(jié)屈曲角度,并測量拉線標(biāo)記點與初始標(biāo)記點間的距離。分別對5名測試者進行了3次試驗,每次試驗從0°開始到60°停止,每間隔10°記錄一次數(shù)據(jù)。對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,擬合公式為

Y1=0.244 4X1+0.870 7

(3)

式中:X1表示關(guān)節(jié)運動角度;Y1表示固定點之間的相對距離。

該直線擬合優(yōu)度R2=0.956 5。對每個被試各組數(shù)據(jù)進行擬合,計算得到腕關(guān)節(jié)變化范圍在60°時,兩固定點間的距離變化量在14.87 mm到16.95 mm之間,單組數(shù)據(jù)進行線性擬合的擬合優(yōu)度0.943 8

圖8 腕關(guān)節(jié)運動角度與位移的關(guān)系

3.2 腕關(guān)節(jié)運動角度傳感器標(biāo)定

在使用該設(shè)備之前,需要對穿戴裝置進行整體標(biāo)定。隨機選取測試者,測量他的腕關(guān)節(jié)最大彎曲角度為70°,表面皮膚拉伸距離為17.5 mm。選取滾珠絲杠移動端位移為10 mm到27.5 mm的范圍代表需要測量的表面皮膚拉伸距離,將其轉(zhuǎn)換為0°～70°范圍內(nèi),圖9為手腕掌屈運動角度與輸出電壓的變化關(guān)系曲線。將該曲線作為傳感器特性曲線,確定其函數(shù)公式為

(4)

式中:X2表示腕關(guān)節(jié)彎曲角度;Y2表示在該角度下光纖傳感器的測量電壓。曲線的擬合優(yōu)度R2=0.998 4。

圖9 手腕掌屈運動角度與輸出電壓的變化關(guān)系

傳感器驗證試驗是測量手腕在特定掌屈運動角度下的傳感器輸出值,并與理論分析的結(jié)果比較,修正誤差。穿戴效果如圖10所示。試驗時,首先調(diào)整牽引線長度使硅膠模型初始拉伸距離為10 mm。以5°為間隔,測量穿戴模塊在0°～70°之間的傳感器輸出電壓值,共測量3組。將測量數(shù)據(jù)進行擬合,與特性曲線對比如圖11所示,相對誤差為0.53%。

圖10 傳感器驗證試驗

圖11 試驗擬合曲線和理論曲線的對比

3.3 討論

標(biāo)定試驗結(jié)果中存在一定的誤差,主要由于制作的硅膠模塊在手腕運動過程中不能實時與小臂緊密貼合,存在擺動現(xiàn)象,使光纖的伸縮運動不在一個平面內(nèi)。同時,在標(biāo)定過程中人為的讀數(shù)誤差對結(jié)果也會產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

本文分析了腕關(guān)節(jié)的運動形式,提出了用于監(jiān)測腕關(guān)節(jié)掌屈運動的柔性光纖宏彎傳感器,并詳細(xì)描述了該裝置的制作過程。對原理樣機進行了驗證,試驗結(jié)果表明,測量裝置的遲滯為±1.39%,重復(fù)度為1.42%。制作物理樣機并進行標(biāo)定試驗,結(jié)果顯示該傳感裝置能準(zhǔn)確地監(jiān)測手腕掌屈運動角度。在未來工作中,需要探究嵌入的光纖半徑對測量結(jié)果的影響,并設(shè)計導(dǎo)軌,引導(dǎo)硅膠模塊做直線運動,使硅膠模塊與小臂緊密貼合以減少測量誤差。