孟田華，陰娜，盧玉和，李文宇，任建光，李榜全

（1.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009;2.云岡石窟研究院,山西大同 037007）

近年來，智能服裝奇特的功能逐漸吸引了國內(nèi)外研究者的視線，世界各國都在深入地研究、開發(fā)智能服裝中關(guān)鍵性的技術(shù)，使得智能服裝的性能、舒適性不斷得到優(yōu)化,功能豐富齊全[1-5]。著名分析師大衛(wèi)·諾頓說：一個(gè)嶄新的時(shí)代正在來臨，在衣物方面，所有的服裝未來都被分為“Smart clothing”和“Non-intelligent clothing”。同時(shí)，國際著名調(diào)查機(jī)構(gòu)Visiongain也指出，在未來的5年，可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展，將如10年前智能手機(jī)一樣發(fā)展迅猛，引領(lǐng)相關(guān)科技企業(yè)進(jìn)行新一輪的科技爆炸式幾何增長(zhǎng)[6-9]。

設(shè)計(jì)了一套可用來實(shí)時(shí)測(cè)試人體在平時(shí)休息、起立、行走、跑步時(shí)下肢動(dòng)作參數(shù)數(shù)據(jù)的可穿戴裝置。主要包括柔性壓力傳感器、單片機(jī)、LCD顯示屏，其中核心元件，柔性傳感器的主要成分是巴基管和石墨烯的混合物，其優(yōu)點(diǎn)是可輕易彎曲、變形，不影響準(zhǔn)確性。該研究可以為可穿戴傳感功能器件在實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)制造提供有益的參考。

1 可穿戴下肢識(shí)別裝置系統(tǒng)

我們所設(shè)計(jì)的可穿戴下肢識(shí)別裝置系統(tǒng)由FSR薄膜柔性壓力傳感器、電壓轉(zhuǎn)化模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)和LCD1602模塊組成,見圖1。

圖1 可穿戴下肢識(shí)別裝置系統(tǒng)圖

工作模式為：首先把柔性壓力傳感器置于膝關(guān)節(jié)處，當(dāng)人體進(jìn)行起立、坐下、奔跑等動(dòng)作時(shí)會(huì)對(duì)傳感器有擠壓，接著由電壓轉(zhuǎn)換模塊將壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，隨之將電信號(hào)傳至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的結(jié)果以數(shù)字實(shí)時(shí)顯示在與單片機(jī)相連接的LCD1602顯示屏或直接傳輸?shù)诫娔X上，就可以實(shí)時(shí)查看下肢動(dòng)作的狀態(tài)了。

2 下肢識(shí)別傳感器工作原理

在日?；顒?dòng)中,人體的下肢體位會(huì)有不同的變化,其中站立、正坐和行走是三種典型的體位。只有了解這三種體位對(duì)應(yīng)下肢信號(hào)的變化規(guī)律,才能在穿戴的條件下,判斷著裝者的活動(dòng)情況。我們通過膝部夾角值來表示不同的體位狀態(tài)，探索下肢在運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)階段的變化規(guī)律。

2.1 柔性壓力傳感器

Flexible薄膜傳感器是一種具有力學(xué)性能優(yōu)異,高導(dǎo)電納米壓力的聚酯薄膜，上面一層為薄膜和覆蓋在薄膜的壓敏層，下面一層也是柔性薄膜和覆蓋其上的導(dǎo)電線路的復(fù)合材料，見圖2。通過雙面膠進(jìn)行粘合來隔離感應(yīng)區(qū)域。當(dāng)感應(yīng)區(qū)被按壓時(shí)，底部一些斷開的線路通過上層的壓敏層連接導(dǎo)通，端口電阻輸出值映射壓力大小。主要技術(shù)參數(shù)為：長(zhǎng)度55 mm，直徑18 mm，厚度0.4 mm，觸發(fā)力20 g，激活時(shí)間小于0.015 s。

圖2 柔性壓力傳感器

2.2 STC12C5A60S2單片機(jī)模塊

STC12C5A60S2是由STC制造的一個(gè)高速、低功耗和有優(yōu)秀抗干擾性能的MCU，除了集成了中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、通用異步串行通信接口（UART）、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、片內(nèi)RC振蕩器等幾乎所有的數(shù)據(jù)采集和控制單元模塊資源，速度至少提高了1.5倍，而且其指令代碼也能做到完全兼容傳統(tǒng)的單片機(jī)性能。60S2單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，見圖3。

圖3 STC12C5A60S2單片機(jī)原理圖

2.3 1602LCD模塊

1602A是一個(gè)液晶顯示屏，顯示內(nèi)容為16×2，即顯示兩行，每行16個(gè)字符，所以對(duì)應(yīng)16個(gè)引腳接口，如表1所示。

表1 不同寬度方孔樣品的透射率譜

2.4 Keil C51程序

Keil uVision2是一個(gè)由德國的KeilSoftware公司研發(fā)的計(jì)算機(jī)語言開發(fā)系統(tǒng)，專門用于為51系列兼容單片機(jī)微控制器。使用起來簡(jiǎn)單便捷，上手容易，與匯編語言比較起來，它在功用結(jié)構(gòu)和可讀可維護(hù)性能上有顯而易見的優(yōu)勢(shì)，極大地提高了使用者的工作效率及大大的縮短了一些項(xiàng)目的開發(fā)周期。

Keil C51程序軟件的主要功能是提供一個(gè)寫程序的平臺(tái)，程序運(yùn)行后可用于各個(gè)系統(tǒng)。uVision 4的集成開發(fā)環(huán)境主要模塊是：Compile、Compilation、Operating system、the project manager、Debugger。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

3.1 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取

在測(cè)試開始階段，連接硬件設(shè)備，把實(shí)驗(yàn)板的USB和串口連入電腦。接著用Keil4軟件調(diào)試程序成功后，將STC12C5A60S2單片機(jī)與LCD1602顯示屏的程序通過STC-ISP軟件下載到單片機(jī)內(nèi)，再次調(diào)試直到顯示燒錄成功。此時(shí)，當(dāng)用手輕輕按壓傳感器時(shí)，LCD顯示屏顯示壓力情況，便可以開始進(jìn)行膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)試了。將實(shí)驗(yàn)所用的壓力薄膜傳感器綁定在膝關(guān)節(jié)活動(dòng)的區(qū)域，連接好裝置，對(duì)不同體位的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

3.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測(cè)試方案分別針對(duì)不同姿勢(shì)時(shí)，膝關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)不同壓力所反映出的不同AO模擬量值進(jìn)行提取分析。圖4為六種代表性姿勢(shì)下分別進(jìn)行四次測(cè)試的AO模擬量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖。表2為六種代表性姿勢(shì)下分別進(jìn)行四次測(cè)試的AO模擬量數(shù)據(jù)。

圖4 不同體位時(shí)的AO模擬量變化趨勢(shì)圖

表2 下肢動(dòng)作測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由圖4人體膝關(guān)節(jié)在不同彎曲角度的狀態(tài)下AO模擬量所反映的壓力值可見，彎曲程度越大，壓力響應(yīng)輸出值越大，在站立時(shí)，無壓力對(duì)應(yīng)的AO模擬量為0，隨著角度的增加，壓力逐漸增大，輸出量也隨之增大，膝部呈90°時(shí)輸出值為700～800 mA，直到極致彎曲接近180°時(shí)，輸出值高達(dá)900 mA以上。此結(jié)果與實(shí)際情況一致，表明了我們?cè)O(shè)計(jì)的可穿戴下肢識(shí)別裝置系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、定量地反應(yīng)人體膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)情況。這些可靠的數(shù)據(jù)，可以為膝關(guān)節(jié)的健康情況評(píng)價(jià)及系統(tǒng)分析提供參考。

4 結(jié)論

本文利用我們?cè)O(shè)計(jì)的可穿戴下肢識(shí)別裝置系統(tǒng)對(duì)人體膝關(guān)節(jié)在代表性形態(tài)下，正常行走、半蹲、坐立、腳踝搬起到大腿位置等，膝關(guān)節(jié)所受壓力與關(guān)節(jié)角度的相關(guān)性來探索這二者的關(guān)系。結(jié)果表明：輸出的AO模擬量與壓力大小呈線性相關(guān)，數(shù)據(jù)越大表明所受壓力越大，對(duì)應(yīng)膝關(guān)節(jié)的彎曲程度越大。這些可靠的研究數(shù)據(jù)可以為人體健康情況評(píng)價(jià)、智能衣物的制作、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)等傳感器系統(tǒng)優(yōu)化提供有益的參考。