基于三轴加速度传感器的手指运动参数检测

摘要

人的手部运动的参数检测可以在多方面得到应用，如手部运动功能评估、配合电刺激等控制方式的肢体康复治疗等。手部运动检测有多种不同的方法，从最早的测角仪、磁传感器、普通摄像技术到后来的超声、高速摄像技术等。但是这些方法都存在诸如易受外界环境干扰、易妨碍手指运动习惯性、数据量大和仪器成本高等不足。
　　 加速度传感器在运动控制中具有高效、准确等特点，本文选用基于MEMS的三轴加速度传感器ADXL330进行手指运动参数检测并制作了测量装置，该装置简单便于固定于手指上、价格低廉，采用该方法可以检测手指的静态信息和动态信息，更可以从平面运动检测扩展到空间运动检测。在对传感器外围电路了解的基础上，制作了传感器测量装置包括传感器的电路板、固定传感器的装置等。建立了基于LabVIEW软件及硬件的数据采集系统，运用Matlab编写了数据处理程序包括对数据的滤波、平滑、计算和图形绘制等。通过分析传感器的内部结构和实验测试，确定以传感器的三个轴与重力方向间的夹角作为检测手指运动的基本参数。在此基础上，通过记录、分析竖直平面内固定在钢条上的传感器在不同角度时的输出数据，结果表明单个传感器的静态输出绝对误差小于4％;制作了简易的手指关节模型，记录、分析了在竖直平面内两个传感器在不同角度时的输出数据，结果表明了用两个传感器可以测量模型的关节夹角。
　　 以上两个实验表明单个传感器可以检测单个指节与重力方向的夹角，用两个传感器可以检测两个指节间的夹角。通过前臂运动姿态检测实验即在竖直平面内将单个传感器固定于手腕附近，采集其在前臂摆动过程中的输出并用高速摄像技术记录前臂运动的过程，结果表明两者之间运动轨迹一致，最终值的绝对误差小于5％，但是存在一定的时间滞后性。为了进一步验证测量原理模型的正确性，用步进电机代替手指关节和刚性材料代替手指指节制作了手指模型。电机的驱动部分包括由L297和L298组成的硬件驱动电路以及基于LabVIEW和USB-6008采集卡的脉冲控制软件。进行了相关的手指模型实验即将传感器固定在模型的指节上，分别采集模型在不同状态下的传感器的输出，实验结果表明多个传感器可以对多个关节在动态和静态时进行运动姿态检测。因此，所有的实验结果表明在一定误差允许范围内使用该传感器可以进行手指的运动参数检测。为了将传感器直接用于检测人的手指运动姿态，采用四个传感器对不同的受试者进行了手指(以食指为例)运动参数检测。实验的数据采集系统由NI9205采集模块及LabVIEW软件组成。实验前规定了受试者的动作方式并进行训练。要求受试者在实验时分别完成食指向下运动一次(仅近端关节运动，其他两个关节保持不动)、向下运动再向上运动运动一次(要求同上)、自然握拳运动。记录、分析不同受试者在不同运动方式下的传感器的输出数据得到受试者食指运动的角度信息、位置信息、角速度和角加速度信息。初步的实验结果表明食指在自然运动情况下指节运动有先后顺序、不同指节运动的速度不同而且不同指节运动的角度也不相同。
　　 以上所有实验表明：利用加速度传感器进行运动参数检测能得到传感器各轴与重力方向间的夹角，通过该角度关系还可以得到更多的运动参数信息。更重要的是采用三轴加速度传感器进行手指运动参数检测可以从平面运动扩展到空间运动。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1人体运动参数检测的基本概念

1.2手的运动参数检测的重要性及主要进展

1.3研究目的及研究内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

2手的运动生理特性及测量

2.1引言

2.2手的生理运动结构

2.3手的运动生理特征模型

2.3.1点线模型

2.3.2关节-指节模型

2.3.3基关节运动学模型

2.3.4仿人机械手运动学模型

2.4手的运动生理参数检测方法

2.5本章小结

3加速度传感器及其在运动参数测量中的应用

3.1传感器的选择

3.1.1 ADXL330介绍

3.1.2ADXL330外围电路

3.2固定传感器的装置

3.3数据采集

3.3.1软件介绍

3.3.2数据采集程序

3.3.3采集卡的选择

3.4数据处理

3.4.1 MATLAB的介绍

3.4.2数据处理程序

3.5加速度传感器测量运动姿态基本原理

3.6验证实验

3.6.1标定实验

3.6.2关节模型实验

3.6.3前臂运动姿态检测

3.7本章小结

4手指关节模型及运动参数的测试

4.1引言

4.2驱动部分

4.2.1驱动硬件的介绍

4.2.2外围驱动电路设计

4.3.3控制软件的选取

4.3数据采集模块

4.4模型制作

4.5基于步进电机模型的实验

4.5.1基于单个步进电机的手指模型实验

4.5.2基于两个步进电机的手指模型实验

4.6本章小结

5基于加速度传感器的手指运动参数检测

5.1引言

5.2单手指多关节实验

5.2.1实验准备

5.2.2数据采集及处理

5.3本章小结

6结论及展望

6.1全文工作总结

6.2后续工作

致 谢

参考文献

附 录