可穿戴的智能矯姿系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

董 輝，敖文聰，羅 強，吳 祥，沈佳陽

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

自進入互聯(lián)網(wǎng)時代以來，人類與手機和電腦聯(lián)系愈加緊密，這也導(dǎo)致坐姿不良現(xiàn)象越來越普遍。國內(nèi)外的臨床研究發(fā)現(xiàn)，長時間的不良坐姿會導(dǎo)致人體的受壓部位血液循環(huán)減慢，加重心臟的負荷，增加了引發(fā)心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險[1]。同時長時間的久坐，人的肌肉和韌帶處于緊張狀態(tài)[2]，極易導(dǎo)致頸肩腰背酸疼[3]。此外長時間的不良坐姿容易引發(fā)頸椎、胸椎、腰椎等脊柱結(jié)構(gòu)發(fā)生生理性形變，這對人的身體健康存在很大的隱患[4]。研究表明：經(jīng)過長期科學(xué)的坐姿訓(xùn)練會減緩脊椎病的擴散，同時有助于減緩視覺疲勞，降低近視[5]。因此對于伏案群體(如學(xué)生、辦公室職員)糾正不良坐姿形成良好科學(xué)的坐姿習(xí)慣是十分迫切的問題。針對這一問題，筆者設(shè)計了一套可穿戴的智能矯姿系統(tǒng)，利用坐姿識別技術(shù)來實現(xiàn)對人體的坐姿矯正。

目前，針對坐姿的檢測和識別的技術(shù)主要有基于機器視覺技術(shù)、基于壓力傳感器技術(shù)和基于慣性傳感器技術(shù)等三大類。國內(nèi)的韓曉明團隊采用機器視覺識別技術(shù)，利用攝像機對學(xué)生的坐姿進行采集與識別，從而實現(xiàn)了對學(xué)生不良坐姿的實時監(jiān)控提醒[6]。但是這類基于機器視覺原理的坐姿矯正系統(tǒng)容易受到環(huán)境光線的影響，而且該類系統(tǒng)目前只能檢測識別粗粒度的坐姿行為。國外的Kim.M團隊基于壓力傳感器技術(shù)開發(fā)一款實時的坐姿矯正系統(tǒng)，其原理是通過傳感器檢測臀部、大腿和背部等位置的壓力進行坐姿的識別與矯姿提醒[7]。這類基于壓力傳感器基礎(chǔ)的坐姿矯正系統(tǒng)一般是需要椅子這類的載體，存在使用場景固定，攜帶不方便無法滿足多場景矯姿的使用需求。國內(nèi)的劉雪通過慣性傳感器對人體的坐姿進行數(shù)據(jù)采集，并通過機器學(xué)習(xí)SVM算法實現(xiàn)對坐姿的識別檢測，進而達到人體坐姿矯正的目的[8]。劉雪的這類基礎(chǔ)慣性傳感器的矯姿系統(tǒng)只采用單一的慣性傳感器難以采集到人體脊柱真實變化情況的姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了克服上述方案存在的一些問題，通過采用雙慣性傳感器協(xié)同采集的方案，利用主板從板的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，將其安裝矯姿背帶兩側(cè)以實現(xiàn)對脊柱彎曲變化的精準采集。姿態(tài)檢測裝置通過藍牙與手機APP實現(xiàn)連接，用戶則可通過APP觀察脊柱曲率變化數(shù)據(jù)和功能參數(shù)設(shè)置。采用這一方案既能解決傳統(tǒng)的單一慣性傳感器采集數(shù)據(jù)不精確的問題，又能解決壓力傳感器方案攜帶不方便的問題，同時還能避免機器視覺方案容易受到環(huán)境光線影響識別精度的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 坐姿變化機理

人體脊柱由頸椎、胸椎和腰椎以及尾椎組成[9]。脊柱的彎曲變化會導(dǎo)致人體的坐姿發(fā)生變化，如圖1所示。當人體坐在椅子上，人體的坐姿的變化主要來源于頸椎和胸椎的活動，而尾椎很難影響人體的坐姿變化。因此可以通過監(jiān)測頸椎和胸椎的狀態(tài)來觀察人體的坐姿變化，進而實現(xiàn)姿態(tài)矯正的功能。

圖1 坐姿與脊柱變化關(guān)系圖

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對坐姿的監(jiān)測矯正的目的，需要建立正確坐姿和不良坐姿與脊柱曲率變化之間的聯(lián)系。Chaffin和Killbom等研究發(fā)現(xiàn)：當肌肉骨骼疾患和頸椎曲率超過20°有正向相關(guān)性[10]，這為胸椎和腰椎的軀干彎曲模型提供了理論支持。Dury和Grandjean等在此基礎(chǔ)上進一步研究發(fā)現(xiàn)：如果人體處于一個前傾且軀干彎曲超過20°的坐姿時，可以視為是不良坐姿[11]。結(jié)合以上理論，當檢測到脊柱彎曲曲率超過20°時，即可視為不良坐姿。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本可穿戴的智能矯姿系統(tǒng)主要由可穿戴柔性背帶、姿態(tài)檢測裝置、手機終端APP構(gòu)成，如圖2所示。柔性背帶為姿態(tài)檢測裝置提供了進行數(shù)據(jù)采集的物理固定支撐的位置。姿態(tài)監(jiān)測裝置為了提供姿態(tài)采用了主板和從板的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在主板和從板都布置了慣性傳感器，從而使得本系統(tǒng)能夠準確監(jiān)測人體脊柱的真實變化情況。該裝置利用藍牙實現(xiàn)與手機APP的通信。手機APP將接收到的姿態(tài)角度信息進行快速的解析處理和動畫顯示。系統(tǒng)的相關(guān)功能參數(shù)可以通過APP進行設(shè)置。

圖2 系統(tǒng)總體示意圖

當手機APP與姿態(tài)監(jiān)測裝置藍牙連接成功后，用戶可在手機APP上對矯姿目標值(脊柱彎曲角度)和超限報警參數(shù)(語音提醒音量和震動強度)進行設(shè)定。當用戶的脊柱彎曲度數(shù)超過設(shè)定的目標值時，會自動觸發(fā)姿態(tài)監(jiān)測裝置的語音提醒和振動提示功能，通過這種智能的方式能夠有效的輔助用戶實現(xiàn)姿態(tài)矯正的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了提高對脊柱真實變化的數(shù)據(jù)采集精度，姿態(tài)監(jiān)測裝置在硬件設(shè)計上采取了主從板的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，以便數(shù)據(jù)采集模塊能實現(xiàn)對脊柱不同部位進行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集。其中數(shù)據(jù)采集模塊通過I2C實現(xiàn)了兩個傳感器的擴展。姿態(tài)檢測裝置將采集的原始數(shù)據(jù)進行處理后通過藍牙將數(shù)據(jù)上傳至手機APP進行顯示，具體如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)組成圖

主板電路由慣性傳感器MPU6050、微處理器STM32、藍牙模塊、報警提示模塊、開關(guān)及指示燈模塊、電源模塊和鋰電池充電模塊等共同構(gòu)成。從板主要功能是通過慣性傳感器進行數(shù)據(jù)采集，其中主板和從板的慣性傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊的組成部分共同完成對脊柱姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器選用的是目前市場較為通用的MPU6050傳感器。該傳感器集成了三軸陀螺儀與三軸加速度計，可以對人體的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行采集和處理。此外，MPU6050不僅提供了I2C接口可掛載不同種類的傳感器實現(xiàn)擴展，還集成了可擴展數(shù)據(jù)運動處理器DMP(Digital motion processor)。

主板電路選用STM32F072CBU6芯片作為微處理器，完成對采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理、超限報警提醒、久坐提醒、電池充電、開關(guān)機、外部通信等任務(wù)。

通訊模塊是實現(xiàn)設(shè)備與手機終端的互聯(lián)，考慮到功耗和裝置內(nèi)部空間大小，本系統(tǒng)選用上海博通的BK3431Q藍牙芯片來實現(xiàn)與手機APP的數(shù)據(jù)通信。該藍牙芯片是一款高度集成的藍牙4.0低功耗單模芯片，支持Android BLE 4.0的應(yīng)用。

彎曲超限報警模塊包含振動馬達和語音提醒小喇叭。其中語音提醒喇叭采用的是NVC語音芯片，具體型號為NV040C-SOP8。振動馬達采用的是貼片震動馬達。

鋰電池充電模塊采用的是TP4056芯片，該芯片可以根據(jù)使用的電池容量大小選擇充電電流大小。

從板電路主要功能是通過I2C通信實現(xiàn)與主板的傳感器協(xié)同作業(yè)。此外從板通過轉(zhuǎn)接板與主板實現(xiàn)連接，以便其主板電路的電池對從板電路進行供電。

3 軟件系統(tǒng)程序開發(fā)

姿態(tài)監(jiān)測裝置的軟件程序設(shè)計需要滿足系統(tǒng)對姿態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集處理、久坐計時和狀態(tài)識別、報警提醒、藍牙連接以及電池信息顯示和充電等功能需求，該裝置程序需求分析如圖4所示。

圖4 姿態(tài)監(jiān)測裝置軟件需求分析

姿態(tài)檢測單元和久坐提醒單元是軟件系統(tǒng)程序開發(fā)的主要單元。系統(tǒng)在初始化成功之后，系統(tǒng)通過按鍵時長來確定電源芯片是否進入工作狀態(tài)，若進入工作狀態(tài)則雙傳感器進入姿態(tài)監(jiān)測處環(huán)節(jié)，姿態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、姿態(tài)解算處理和姿態(tài)識別判定。此外系統(tǒng)還通過狀態(tài)識別和動作監(jiān)測實現(xiàn)久坐提醒的智能計時處理，解決了目前固定周期計時存在的問題。系統(tǒng)在藍牙連接成功后，監(jiān)測裝置則將處理后的姿態(tài)角度上傳至APP進行實時顯示。用戶也可以通過APP查看姿態(tài)變化情況和電池電量信息變化的情況。軟件系統(tǒng)具體流程如圖5所示。

圖5 姿態(tài)檢測裝置程序流程圖

3.1 姿態(tài)解算原理

目前姿態(tài)解算的算法主要有四元數(shù)法和方向余弦法以及歐拉角法[12]。四元數(shù)相對歐拉角法具有全姿態(tài)解算的優(yōu)勢，相比方向余弦法又具有實時性強的優(yōu)勢。因此本系統(tǒng)采用四元數(shù)法進行慣性傳感器的姿態(tài)解算。

四元數(shù)法的原理是坐標系的變換可以繞參考系內(nèi)的某個矢量轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，通過旋轉(zhuǎn)軸和繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度可以構(gòu)造出四元數(shù)，其計算式為

(1)

(2)

式中q表示四元數(shù)。式(1)是四元數(shù)的矩陣表達式；式(2)是用來表示四元數(shù)的大小，q=1表示其為規(guī)范化四元數(shù)。結(jié)合式(1，2)以及四元數(shù)法則可得到歐拉角表示的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣與四元數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即用歐拉角直接表示的四元數(shù)為

(3)

式中：ψ，θ，φ分別表示絕對姿態(tài)角航向角、俯仰角和橫滾角[13]。根據(jù)式(3)，可得到用方向余弦表示的歐拉角。結(jié)合四元數(shù)可得歐拉角計算式為

(4)

3.2 姿態(tài)監(jiān)測程序設(shè)計

姿態(tài)監(jiān)測的主要原理是基于閾值的方法進行坐姿的識別判定。其中閾值的設(shè)定主要根據(jù)坐姿變化機理1.1節(jié)中兩種坐姿模型特征值(不良坐姿與正確坐姿的脊柱彎曲角度)進行設(shè)定。當人體脊柱彎曲角度超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)語音和震動的方式進行超限報警，進而實現(xiàn)輔助用戶矯正坐姿的目的。

姿態(tài)監(jiān)測程序的設(shè)計思路大致分為3 步：1)將雙慣性傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進行消除漂移處理；2)利用姿態(tài)解算原理將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角；3)進行閾值識別判定。

針對傳感器采集的原始數(shù)據(jù)的消除漂移處理，有許多成熟的方案，但是考慮到本系統(tǒng)計算資源有限、實時性要求強的特點，采用MPU6050芯片集成的DMP(Digital motion processing，數(shù)字處理器)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。DMP數(shù)據(jù)處理方案能夠大幅降低處理的工作負擔，避免了繁瑣的濾波和數(shù)據(jù)融合處理，有效的提高了系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度。

經(jīng)過DMP處理之后，處理器則可對從MPU6050的FIFO緩存中直接讀取四元數(shù)q進行下一步的姿態(tài)解算處理。結(jié)合姿態(tài)解算原理3.1節(jié)中的姿態(tài)計算原理，以及出于降低運算量提高處理器利用效率的目的，先將DMP輸出的四元數(shù)采用q30格式得到

(5)

式中：quat[0]～quat[3]為MPU6050自帶的DMP處理后輸出的四元數(shù)。此外，q30格式是常量，其實質(zhì)是將該浮點數(shù)放大了230倍。將式(5)結(jié)合式(4)可得

θ=arcsin(2(q2q3+q0q1))×57.3

(6)

雙慣性傳感器協(xié)同采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理程序即可獲得歐拉角。在監(jiān)測脊柱彎曲變化時，選用俯仰角作為主要的觀察角度，之后利用閾值識別判定的方法實現(xiàn)姿態(tài)監(jiān)測。

3.3 久坐提醒程序設(shè)計

為了緩解久坐對人體身體健康造成的負面影響，系統(tǒng)設(shè)計了基于人體動作和狀態(tài)識別的久坐計時提醒方案，有效地解決了目前市場上久坐提醒方案計時難以識別用戶狀態(tài)且計時固定的問題。

久坐計時提醒單元主要通過對人體坐姿與站立狀態(tài)進行狀態(tài)識別判定，當傳感器檢測用戶坐下之后，系統(tǒng)開始觸發(fā)久坐計時處理單元。當用戶靜坐時間超過設(shè)定的時間，久坐提醒單元通過馬達震動和語音提醒的方式對用戶進行久坐提醒，進行身體舒展，以緩解久坐帶來的頸肩背臀的酸痛。當系統(tǒng)監(jiān)測到用戶的動作為起身動作時，系統(tǒng)則先暫停久坐計時，并對用戶起身站立的時間進行判斷，如果起身超過設(shè)定的時間，系統(tǒng)則會終止久坐計時。反之，系統(tǒng)繼續(xù)計時，直到達到久坐提醒的時間。久坐提醒程序流程圖具體如圖6所示。

圖6 久坐提醒程序流程圖

4 Android客戶端的設(shè)計

4.1 APP功能需求分析

本系統(tǒng)APP基于Android Studio編譯環(huán)境進行APP的設(shè)計開發(fā)。APP主要目的是通過藍牙連接實現(xiàn)與系統(tǒng)的姿態(tài)監(jiān)測裝置的交互。為了實現(xiàn)APP交互的易用性和功能的齊全性目的，對手機APP進行了需求分析，其軟件需求分析總體框圖如圖7所示。

圖7 APP軟件需求分析框圖

本系統(tǒng)APP可以實時查看當前用戶姿態(tài)變化(即脊柱彎曲變化)和設(shè)備電池電量信息。為了用戶良好坐姿的習(xí)慣養(yǎng)成，APP還設(shè)計了統(tǒng)計數(shù)據(jù)頁面，以便用戶可以查看當日的坐姿得分和歷史成績。同時用戶通過手機APP能夠?qū)崿F(xiàn)久坐提醒和提醒警報相關(guān)功能參數(shù)的設(shè)置。

4.2 脊柱曲率顯示模塊

脊柱曲率顯示模塊是為了滿足姿態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)動態(tài)且實時顯示的需求設(shè)計了本模塊，如圖8所示。當APP接收到的角度數(shù)據(jù)之后，迅速從資源文件中調(diào)用該數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖像資源，進行動態(tài)顯示。采用此方案不僅能夠滿足姿態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)動態(tài)變化的需求，還因為采用了象形圖設(shè)計，使得坐姿變化更加生動形象。

圖8 姿勢頁面顯示效果圖

4.3 報警提示設(shè)置

報警提示設(shè)置單元主要由目標提示角度、延遲時間(從姿勢不正確到觸發(fā)提醒的時間)、靜音設(shè)置、音量大小設(shè)置、震動強度設(shè)置組成。用戶在用戶設(shè)置頁面的設(shè)置子頁面中可以對這些參數(shù)進行設(shè)置，以滿足自己在不同場合的姿勢矯正需求。用戶在課堂或者圖書館等安靜的公共場所使用時，可以通過對報警提示單元模塊中的音量大小和震動強度進行自定義的設(shè)置，以滿足在不同場景下的使用需求。

5 系統(tǒng)測試

為了驗證本系統(tǒng)在工作場景下的實際矯姿效果，設(shè)計了系統(tǒng)實驗進行測試。系統(tǒng)實驗主要測試在設(shè)定的不同的脊柱彎曲的目標角度下，系統(tǒng)自動觸發(fā)報警提醒功能以及久坐提醒功能的實際效果。本實驗邀請了60 位志愿者進行實驗測試，實驗測試如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測試示意圖

為了對本系統(tǒng)的超限報警準確率進行測試，分別選取了60 位志愿者分組進行測試。每個志愿者都分別測試在10°，15°，20°，25°等4 種目標角度下超限報警的準確效果。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后，獲得了表1的實驗測試結(jié)果。

表1 姿態(tài)檢測效果測試表

實驗結(jié)果表明：本套可穿戴智能矯姿系統(tǒng)在設(shè)定的不同目標角度的模式下，系統(tǒng)的超限報警提示的準確率相當穩(wěn)定，穩(wěn)定在93.3%以上。實驗表明本系統(tǒng)對脊柱的駝背具有明顯的矯姿效果。此外，久坐提醒的功能在系統(tǒng)測試中，計時準確率高，表現(xiàn)穩(wěn)定，充分證明本系統(tǒng)的智能久坐提醒具有良好的使用價值。

6 結(jié) 論

設(shè)計開發(fā)了一種可穿戴的智能矯姿系統(tǒng)，利用雙傳感器的數(shù)據(jù)采集方案有效地提高了人體坐姿的檢測精度；通過基于閾值判定的方法實現(xiàn)了對人體坐姿的矯正。結(jié)合基于動作識別的智能計時設(shè)計，有效避免了目前市場傳統(tǒng)的久坐提醒方案無法智能應(yīng)對運動變化帶來的問題，提高了系統(tǒng)整體的易用性，對緩解久坐帶來的頸椎酸痛具有良好的效果。該系統(tǒng)相較于市場上的坐姿矯正系統(tǒng)，不僅具有佩戴舒適，攜帶方便，矯姿智能的優(yōu)點，還利用APP的加入使得系統(tǒng)交互更加智能方便，便于用戶對系統(tǒng)進行管理和維護。