基于微機電系統運動傳感器在人體運動測量中的應用

丁大為

摘 要：人機工程學理論發展起來后，在工程設計中對人的測量也越發的全面。工業生產的過程中，人作業的過程是隨著人體運動而持續的，這些運動信息不但能夠將人體的自身運動規律反饋，而且能夠使用在人體與工作環境關系的研究領域當中，所以在人機工程學的研究過程中，現實性意義明顯。

關鍵詞：微機電系統 運動傳感器 運動測量

中圖分類號：R87 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0225-01

在康復醫學、人體工程以及體育等各個方面的研究過程中，都有測定人體運動空間位置和移動方位的要求。現存的一些動作感應技術都是依照外部力量的幫助而實現方位確定的目標，這些操作方式有十分嚴格的要求，且操作程序復雜，投入成本高，也很容易被外部的因素影響和干擾。運動傳感器的出現直接將這種問題解決，其能夠直接使用在人體的運動部位上，通過對加速度、角速度的物理量的測定，計算得出空間坐標，因為其使用的是內部參考標準，所以在理論上不存在任何的不足。

1 基于微機電系統的運動傳感器

基于微機電系統是使用微米級別的3D式結構完成感應以及執行操作的一項操作技術。在技術與經濟不斷發展的過程中，各種先進的基于微機電系統技術的運動傳感器相繼出現，其能夠簡單化人體運動測量，同時彼此之間可以實現功能的互補。基于微機電系統的運動傳感器，其中包括了各種不同的傳感器技術，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

最近十幾年才發展成熟起來的運動傳感器，不僅可以對運動過程中的能量消耗以及人們的運動方式進行評測，還可以對加速度標準得出人體運動強度和運動頻率[1]。 其可以把人體的各項運動轉化成幅度不一的電壓信號，且安裝程度更為便捷，測量方式也不繁瑣。一般使用較多的加速度傳感器范圍，包括運動角度、運動檢測和計步器，通常情況下加速度傳感器是對線性運動與傾斜的角度做檢測，其實現方式在兩種基礎上，一種是重力誘發的加速度，另外一種是運動誘發的加速度[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，陀螺儀不會將作用力發揮在重力上，而只是單純的對旋轉有反應。因此陀螺儀可以以較好的方式，辨別重力、線性運動和旋轉運動過程中出現的矢量值，此項設施屬于對加速度傳感器的良好補充措施，尤其在穩定性分析的應用過程中，使用性能突出。這是因為陀螺儀輸出的數據是轉速，那么為了得到角度的變化標準，會在輸出結構中完成一次積分動作，那么測量偏差也會在時間的推移下而增加。要想將這種因為時間與溫度而發生的誤差彌補，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。在相對較短的時間當中，例如在2 s時間內，可以通過觀察陀螺儀的峰值而得出設備有否在運動，要是峰間值不超過預定閾值，就代表這個設備是靜止不動的，但是在這個工程中陀螺儀輸出的平均值能夠被看成是一項新的偏置設定值。

1.3 慣性測量單元

大部分運動檢驗的過程中，都會同時使用加速度傳感器、陀螺儀等，為了更好地整合這些運動傳感器的功能，就出現了慣性測量單元的概念。通常在一個慣性測量單元中，有至少三個單軸加速度計和三個單軸陀螺。在對物體載體做檢驗動作的時候，其能夠形成一種導航坐標系角速度信號，可是陀螺儀的檢測載體以導航坐標系來說，是以角速度信號而存在的[3]。慣性測量單元能夠對三維運動線性與角度量進行測量，而不需要借助任何的外界力量。加速度傳感器在使用過程中也會有一定的誤差出現。可是因為加速度傳感器是以重力測量傾斜角度的，所以其出現的誤差會被直接輸出而并不需要積分。但是當對加速度傳感器輸出結果做二次積分而得到距離以及對輸出結果做一次積分而得到速率時，加速度傳感器出現的誤差是會變得十分敏感的。總而言之，只有在傳感器輸出結果不要積分的情況下，出現的誤差才顯得無足輕重。

2 運動傳感器在人體運動測量中的應用

2.1 運動和健康監測

計步器的組成是三軸加速度傳感器，其是用來對健康功能進行監測的應用手段。在某種非常規情況下，計步器傳感器可以用精準的方式把步行和跑步過程中系統上的加速度數據獲得，而處理加速度數據的時候，可以使用計步器當中的傳感器得到運動過程中出現的加速度數據，同時也能夠顯示用戶在計步器上進行的步數和速度，還會一并顯示在運動過程中人體消耗的卡路里量。

2.2 步態分析

對步幅和步行速度進行記錄的是壓電陀螺儀與數據記錄器，由此對有關的數據信息進行分析，得到步行障礙患者的診斷數據。之前有研究人士在陀螺儀改變人體位方面做了檢測，從而確定老人是否存在潛在的摔倒趨勢。便攜式記錄器安裝在人體的腰部，以預處理的方式對陀螺儀的讀數進行處理，而得到身體姿勢轉換的數據資料，再利用分析鄰近信號數值差異的方式，對高風險與低風險易摔倒人群進行辨別。

2.3 體育訓練

在體育訓練的過程中，運動傳感器安裝在被測者的各個不同身體部位，這些身體數據會傳遞到主系統，主系統便可以獲得各項不同的運動參數數據，比如速度和位移。依托無線裝備能夠以便捷的方式得到室內外的各項體育運動操作形式。曾經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，以得到用力和運動速度的數據顯示，另外把加速度傳感器放在冰球運動員的頭盔上，能夠測量與顯示在運動過程中出現的碰撞和受傷情況。

3 結語

人們在跑步的過程中，人體水平與垂直的加速度所表現的特點是短周期和大幅值。船體的振動環境下，人體作業很容易被環境振動的因素影響，輕則會使人出現失誤的操作行為，嚴重的會對船員的生命安全造成威脅。而使用加速度傳感器，能夠測量人體的加速度，以將人體的運動情況加以準確反應。文章研究過程中探究了基于微機點系統的運動傳感器使用在人體運動參數過程中的方式，為后期的人體工程學、醫學和體育訓練等各項關于人體運動的研究提供了參照。

參考文獻

[1] 張召遷，孔祥彪，姚冰川，等.無線加速度傳感器在人體運動參數測量中的應用研究[J].人類工效學，2014（4）：58-61.

[2] 陳瑋.慣性式人體運動傳感器的關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[3] 秦偉.新型人體運動測量系統測量空間與精度研究[D].上海：上海交通大學，2013.