康复训练平衡台的设计及分析

1、第1章绪论1.1人体平衡能力研究及康复治疗人体平衡能力的研究是非常重要而且具有实际意义的一个研究领域。对人体平衡的 研究需要控制科学、机械电子学、人体生理学和运动力学、康复医学、老年医学、特种 材料学以及计算机等诸多学科的综合。康复(rehabilitation),即“复原”，表示采取各种有效措施，减轻各种因疾病和外 来因素影响而造成的人体功能障碍，提高活动功能，改善生活自理能力。康复医学 (rehabilitation medicine)是医学学科的分支，主要研宄残疾的形成、发展、恢复，以及 功能障碍的评定、治疗、代偿和其他问题的医学学科。康复医学是为了达到康复的0的， 研宄有关功能障碍和功

2、能障碍恢复的一门医学学科。康复治疗是康复医学工作的基本内容，其常用的治疗手段有以下儿种1(1) 物理治疗：包括运动疗法和理疗。(2) 运动方法：分为借助或不借助器械。(3) 作业治疗：是针对病人的功能障碍，从日常生活活动、手工操作劳动或文体 活动中，选择一些针对性强，能帮助恢复病人已经减弱的生理功能，并提高其技巧的活 动作为治疗手段。(4) 言语矫治：包括言语能力检查、言语矫治。(5) 心理治疗：通过观察、谈话等方法对病人各方面进行评估后，采用各种针对 性的治疗，比如精神支持疗法、暗示疗法、松弛和音乐疗法等。(6) 康复护理：主要是指康复专业护士协助其它康复护理人员，对患者实施的符 合康复要求

3、的护理和恢复训练。(7) 康复工程：运用工程学方法代偿和重建患者功能的科学。(8) 其他：包括康复营养、文娱治疗等。在医学上，康复训练是平衡能力障碍康复治疗非常重要的一个阶段。为了能够有计 划的、有针对性的进行康复训练，进而有效改善患者的平衡能力，减轻患者、家庭和社 会的负担，准确而有效的平衡功能的检测与评价也是不可缺少的。1.2人体平衡能力研究及其康复治疗的意义人体的平衡能力是一项重要身体机能，它能够使得人体保持各种姿态，保证躯体的 正常运动。u常生活中各种动作都依赖于有效的平衡功能，平衡能力障碍的主要表现为 站立或行走不稳，容易发生摔倒，患者日常生活无法自理，生活质量严重下降，对其家 庭及

4、社会造成很大的负担2。平衡能力检测对痫情评估和康复治疗具有非常重要指异意 义。尽管随着改革开放，人民生活水平和医疗水平不断提高，但随着我国步入老龄化, 由于我国人u基数大，中老年人数量庞大，而且中老年人由于生理功能袞退，易患脑血 管疾病或神经系统疾病，尤其是脑卒中等疾病，由其引起的偏瘫和平衡功能障碍严重影 响了人们生活质量3，更为严重的是患病人数不断增多的同时，在年龄上也呈现年轻化。 同时，由于交通运输工具的不断普及，人们出行方便的同时，发生交通事故造成神经损 伤或者肢体损伤，或者由于其它伤害出现肢体功能障碍的人数也越来越多。在临床医学和医学理论上，这类患者的早期治疗除主要以手术治疗为主，并且

5、配合 必要的药物治疗。但是后期，合理高效的康复训练治疗对于身体运动功能的恢复和提高 是非常必要的，甚至是决定性的+5。由于这类患者都存在一定的运动功能障碍，康复训 练时需要经过训练的专业人员辅助，但是专业护理人员本来就缺乏，加上使用专业人员 本身就增加了费用，加上其它医疗费用的昂贵，大多数患者不得不自行训练。训练方法、 训练量没有科学理论指导，使患者错过了最佳恢复时期，因得不到有效的康复训练而逐 渐丧失了肢体的活动能力6。1.3康复机器人的发展现状康复工程是运用工程学方法代偿和重建患者功能的科学，具体工作就是致力于为患 者提供用于肢体功能评定、恢复治疗的辅助装置17。康复机器人就是机器人技术在

6、康 复工程屮的应用，是康复医学和机器人技术的结合。随着机器人技术的不断发展，康复 机器人己经广泛地应用到康复及功能检测、康复评定、康复护理、假肢和康复治疗等方 面，这些应用不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关交叉领域的交叉学科技术和理 论的快速发展71康复机器人作为医学和工程学交叉领域的一种自动化康复医疗设备，己经走进了现 实生活之屮，它的出现极大地提高了残疾人解决生活屮活动困难的能力8。此类设备不 受场所限制，可在家庭和工作场所灵活使用，使残疾独立生活能力提高，从而提高他们 的生活质量。康复机器人训练遵循医学理论，可以帮助患者进行科学高效的康复训练, 使患者的运动机能得到更好的恢复。康复机

7、器人的研宂是机器人机构学、康复医学、机械力学、电子学、材料学、生物 力学、计算机科学等诸多学科的交叉，己经成为了机器人领域的一个研究热点。它一般 根据实际需要配有针对性的安全系统，通过相砬的传感器采集表征人体相应肢体功能的 数据，传送到计算机，并由计算机反馈控制，康复训练在设定的程序下自动进行，能够 自动评价康复训练效果，在医学理论依据下根据病人的实际情况调节运动参数，实现最 佳训练，这类机器人也可以作为健康老年人的体育运动训练器材9。康复机器人和工业 机器人有很大的区别1q,它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人 作为一个整体相互影响协调运动;而工业机器人的工作空间一般是一些

8、特殊的不允许或 对人体有危害的作业空间的。另外，普通体育器材都是阻力型的，通过对受训者施加运 动阻力使肢体得到锻炼，它只能用于健康人，不能用于有运动障碍的患者1°_1人鉴于以上特点，康复机器人技术的研宂和应用在国外得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都幵展了有关的研究工作，近年来取得丫一些有价值的成果12o美国罗格斯大学girone等人基于stewart平台研制了能远程控制的并且具有虚拟力 反馈功能的踝关节康复机器人一rutgers ankle13h4，如图1-1所示。此平台具有六个自由 度，分别采用六个双作用气缸作为驱动。该系统通过安装在末端的六维力传感器实时检 测患

9、者踩关节的角度和力的变化并及时反馈到操作界面供患者参考，为患者提供了多种 训练方式供其选择，而且可以将采集的数据通过网络反馈给医师，实现远程控制。瑞上苏黎上balgrist大学医院的脊椎损伤康复中心是研究腿部驱动式步行康复训练 机器人的机构，1998年该中心研制出了第一台步态康复训练机器人，取名lokomat115%, 其外形如图1 -2所示。lokomat机器人结构简图如图1-3。我国的康复机器人的研究起步比较晚，并且主要集屮在高校等科研机构。哈尔滨工 程大学研制出了卧式下肢康复机器人，可供患者平躺在机器人上进行步态康复训练:6， 如图1-4所示。卧式下肢康复机器人主要由主运动机构、姿态机构

10、组成，主运动机构能够模拟正常人仰卧时腿的屈、伸运动，姿态机构能够调节脚踏板与水平而之间的夹角， 最终调节脚与腿之间的夹角，带动患者的踩关节进行康复训练。主运动机构和姿态机构 协调工作能够模拟正常人的下肢运动，帮助下肢有运动障碍的患者恢复运动机能。清华大学从2000年起就开展辅助神经康复机器人的研究，图1-5所示机器人为清 华大学季林红教授等人研制的用于偏瘫患者的上肢康复训练，该机器人的机械臂用平面 二连杆机构用来模拟人体上肢，大臂、小臂，分别由两台伺服电机驱动，可以辅助患者 实现平面内多关节、机器人的大范围的复合运动18_20。此外，针对患者病情康复的不冋 阶段该机器人系统可以提供相应的训练模

11、式。此外，国内一些康复设备公司也开展了康复设备的相关研宄，研发了多种用于康复 训练的器械并投放市场，如图1-6,图1-7所示。这些康复设备的主要特点为售价较低, 设计结构简单，适用范围广，操作方便。但是存在问题有：一般大部分只能按照固定的 训练模式对患者进行康复训练，没奋科学的康复评价系统。功能比较单一，定位精度低， 施加力矩大小难以准确控制，有一定的安全隐患等。随着机器人技术和康复医学的不断发展，欧美和fi本等国家的医疗康复机器人的在 国内的市场占有率呈逐年上升的趋势。我国康复医学工程虽然得到普遍的重视，但是 康复机器人研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人 机工程

12、化的康复机器人的需求。国外进口设备价格昂贵，维护费用高，这使得康复机 器人很难普及应用。所以我国康复训练机器人有着广阔的市场前景。针对于目前社会上许多行动不便的患者，恢复性训练是治疗过程中极其重耍的一个 环节，而恢复性仪器在其中占有重要的地位。用于康复训练的平衡台研宂则是目前国内 外比较主流的研究方向，具有重大的研究意义。本课题就是设计一种用于人体平衡康复 训练的平台。目前国内关于人体平衡康复训练的平衡台的研究仍是个冷门，而国外则有许多国家 关j 平衡台等类似装置的研宄，例如美国的betec公司生产的bertecs balance check tm 系统，英国生产的medica balance

13、 trainer系统以及瑞士 kistler公司生产的测力t台中 type 9281c，9286a，9285都具有测试人体静态平衡的功能21。1.4研究的目的和意义康复训练平衡台的研究涉及机器人机构学、伺服控制技术、人体的运动机理和运动模型、人机安全和人机运动协调控制、人体运动状态测量及康复评价方法等多项技术， 也是多学科的综合。在b前我国康复机器人处于起步阶段的情况下，完善和发展康复机 器人理论对于促进我国医疗康复事业发展，打破国外垄断，兵有十分重要的意义。康复训练机器人产品，对于提高患者的生活质量、减轻家庭社会负担具有重要的实 际意义22。随着生活水平的提高，患有各种肢体运动功能障碍的人对

14、康复治疗的需求也 会越来越大。因此，康复训练平衡台技术将会很好的市场前景。康复机器人研究成果的 转化，既促进了我国新兴的机器人产业的快速发展，缩短了与国际先进水平的差距，而 且对于促进人民生活水平提高，掌握和跟踪国际前沿高新技术也有十分重要的现实意义。1.5主要研究工作如阁1-8所示，本论文主要研究的内容是：对康复训练台机器人进行机构设计，并 进行运动学分析和动力学的仿真，建立人体平衡康复训练台重心偏移检测系统，通过对 康复训练台进行控制，进行人体康复训练。主要内容有：(1) 总体方案设计，根据平衡康复训练的要求，选择合适的并联机构，设计机械结构。(2) 康复训练台并联机构相关理论的研宄，包括

15、机构的运动、工作空间和动力学分析；(3) 设计倾角检测模块，用于安装在康复训练台的机械结构上，来反映训练台的位姿 参数变化。(4) 利用labview实现倾角检测模块和计算机的串口通信，实现康复训练台的模拟人 体重心偏移检测的上位机部分。(5) 总结和分析。第2章人体平衡基础2.1平衡的定义力学上，物体的平衡是指作用于物体的合力为零时物体所处一种状态23。人体平衡 是保持人体稳定的能力或保持身体重心落在支撑面内的能力。人体保持平衡处于一种稳 定状态的能力与人体重心的位置和人体支撑面的面积两方面有关24。临床上，平衡是指健康人体处在一种姿势，或者稳定状态k,不论处于何种位置时， 当运动或受到外力

16、作用时，能自动地调整并维持姿势的能力。前者属于静态平衡，后者 属于动态平衡。人体保持平衡处于一种稳定状态的能力与人体重心的位置和人体支撑面 的面积两方面有关。如果人体重心的重力线落在支撑面之内，人体就是平衡的，否则人 体将处于不平衡状态。人体平衡是一个很复杂的过程。总的来说，人体平衡的维持取决于感觉与运动系统 和固有姿势反射的整合，具体地说，取决于下列因素23_24:(1) 正常的肌肉张合力；(2) 定的感觉输入，包括视觉、本体感觉及前庭的信息输入；(3) 大脑的整合作用；(4) 交互祌经支配或抑制，使人体能保持身体某些部位的稳定，同时有选择地运动 身体的其他部位；(5) 骨骼肌系统能产生适宜

17、的运动，完成大脑所制定的运动方案。其中任何一种因 素发生障碍都会造成姿势的稳定性和运动的协调功能障碍。2.2.1力学上人体平衡的分类根据人体受到破坏平衡力的作用后，能否恢复其原來的平衡状态來区分，可以将人 体平衡分为：(1) 稳定平衡；(2) 有限稳定平衡；(3) 不稳定平衡；(4) 随遇平衡；2.2.2力学上人体平衡的特点和稳度康复性的平衡训练方法比较多，掌握了这些方法，才能针对性地训练具有平衡功能 障碍的患者。而在训练前，熟悉人体平衡的影响因素和训练原则是非常重要的。对于人体而言，不稳定平衡和随遇平衡实际上是很少存在的，稳定平衡仅出现在上 支撑悬垂中，而人体更多的平衡出现在下支撑有限稳定平

18、衡中。人体在下支撑有限稳定 平衡中，失去平衡的难易程度，称为人体平衡的稳度。易失去平衡，则稳度小：不易失去平衡，则稳度大。而影响这种平衡的因素有：影响稳度的因素有：(1) 稳定系数的大小；(2) 质量的大小；质量越大，稳度越大；反之，则小。如两足球运动员合理冲撞、两篮球运动员蓝下 合理对抗时，显然，质量大的，稳度大；体重小的，易失去平衡。摔跤比赛，要按照体 重分级，也就是这个道理。(3) 摩擦力的大小；足底与地面的静摩擦力，也影响人体的稳度。显然，静摩擦力大，稳度大：摩擦力 小，稳度小。为什么滑冰时易摔跤，举重时不能穿塑料底的鞋，球类运动要穿各种花纹 的球鞋，都是要保证足底与地面有足够的摩擦力

19、，使人运动时，有牢固的支撑点，増加 运动中的稳度。2.2医学上人体平衡人体自身的平衡调节机制是一个非常精密的控制系统，至今医学界尚未彻底阐明。 医学上一般认为，人体的平衡姿态依赖于中枢系统对视觉、本体感觉和前庭觉信息的协 调和对运动效应器的控制，前庭系统提供加速度运动、瞬时直线加速运动及与直线重力 加速冇关的头部位置改变的信息；视觉系统提供周围环境及身体运动和方向的信息；本 体感觉提供身体各部位的空间定位及肌紧张状态的信息，经深感觉传导通路向上传递; 前庭系统提供加速度运动2d。总的来说，人体平衡就是：感觉输入，中枢整合，运动控制的过程。2.3.1医学上人体平衡的评定目前，在医学上，对人体平衡

20、功能的评定方法主要包括观察法、量表法和平衡功能 测试仪器测试三种方法。(1) 观察法：根据经验观察人体坐、站和行走等过程中的平衡状态。(2) 量表法：临床仍普遍使用，不需要专门的设备，使用方便，方法简单。信度 和效度较好的量表主耍有berg平衡量表(berg balance scale )，tinetti量表(performance-oriented assessment of mobility )以及“站起-走”计时测试(the timed “ up & go ” test) o(3) 平衡测试仪：此法是近年来国际上快速发展的定量评定平衡能力的一种测试 方法，拈 balance pe

21、rformance monitor ( bpm )，balance master，smart balance，equitest 等。由于平衡测试仪采用了机电技术，能精确地测量人体重心位置、移动的面积和形态， 评定平衡功能障碍或病变的部位和程度，而且测量结果可以保存。除了定量评定平衡功 能，还可以明确平衡功能损害严重到什么程度的程度，对于制定治疗和康复措施，评价 治疗和康复效果，有很好的指导作用。冋时，平衡测试仪本身也可以用作平衡训练。目前国际上主要通过记录cop来分析和评价人体的静态平衡能力，但其无法研究 许多更为复杂的运动状态，而耍想研究好动态平衡，重心的分析则是最为重要的突破口， 所以今后

22、开发研制采取人体重心为测量方法的仪器才是真正的发展方向。张蕲等利用国 产pj-1电脑型人体平衡功能测试仪对12名健康志愿者的不同站立姿势进行多次重复检 测，结果大部分指标都奋较好的重测信度，反应姿势稳定性的指标皆奋较高的辨别效度 25故平衡测试仪具有很高的临床价值。人体平衡分为静态平衡和动态平衡。本论文主要针对有平衡能力缺陷的人，由于机 械装置和检测方法的要求，仅对人体静止时站立此种情况进行研究。第3章康复训练平衡台的设计及分析人类的平衡能力是人能够进行各种运动的基础，是一项重要的生理机能25_261。平衡 能力测量和康复训练平衡台已被证实提高人体平衡能力方面是有效的2728。由平衡训练所达到

23、的要求可以知，平台要使得人体重心发生偏移，平台至少可以绕 x，r轴转动。所以应该选择两个自由度或以上的平台。满足运动的同时，平台结构应 该简单，承载力大，易于位置逆解，尽量减少驱动元件，因此可以选择并联机构。并联机构因其结构紧凑稳定、刚度高、承载能力大、惯量低、在线实时运动学逆 解容易等优点29,在很多领域获得了广泛的应用，如运动模拟器、机床、微操作、传感 器和康复等。把并联机器人技术引入到康复工程中的康复机器人|3°"31，是现代康复医学 和机器人技术的结合成果32。在本设计中，选择两自由度并联机构。3.3两自由度平衡台的工作空间分析为了验证所设计的机器人是否能满足训练的

24、要求，冇必要对机器人的工作空间进行 分析。并联机器人工作空间的影响因素有连杆长度的限制，运动副转角的限制，连杆的干 涉以及工作空间的奇异。（1）连杆长度的限制；本论文设计中连杆长度是固定的，所以不存在连杆长度的限制。（2）连杆的干涉；本论文中，在z轴上没有旋转自由度，而且两连杆只在和差te/2的位罝上转动，两 支链的连杆也不存在干涉。（3）运动副转角的限制；主要包括虎克绞的转动副和球面绞的球面副，冇分析可知，球面副的限制要远远人 于虎克绞的转动限制，所以只需考虑球面副即可。机构上平台与下平台是通过两个球面副连接的，运动副的转角限制就是这两个球面 副产生的，如阁3-3分析可以知道，在空间机构学中

25、，球面副的工作空间是以球面副顶 点为屮心的關锥体，球绞的单侧最大摆动角为半顶角最大转角与球铰具体结构设 计参数有关。在本设计中，球面副的初始位置在球面副的对称中心线与球较连杆所在直 线重合的位置，这种安装方法能有效的扩大球面副的转角的使用范围，假设球面副的对 称中心线与各连杆所在直线重合的位罝为初始位罝，则球面副中心线与上平台法线向量 的初始夹角0可以求得：应用solidworks建立该平台的三维立体模型/5，利用solidworks检查，以动平台和定平 台平行，即球面副的初始位置在球面副的对称中心线与各连杆所在直线重合的位置为基 准0%可以得出平台的旋转运动范围是-25°29%可以

26、满足平衡康复训练的要求。（4）利用前面得到的式（3-11）与式（3-12），限定在旋转运动范围是-25°29°,由maple 可以得出机构工作空间如下阁：可以看出，在限定的范围内，具有较好的线性度，a对互影响不大。,02只 有较好的线性度，对02相互影响不大。工作空间可以满足康复训练的要求。(4) 奇异性；令雅克比矩阵(3-15)为det(j)=o,得到机构的奇异性空间：02 = -0.5时，a,/?,02构成的奇异空间，经过分析，奇异空间由四个相互耦合的变 量决定，为了避免出现奇异位，应该避免变量在两个轴向的值差值过大。3.5两自由度平衡台广义力分析在完整约束的条件k，能

27、够确定质点系位置的最小独立参数的数r就是系统的自由 度数目，而决定质点系位置的独立参数称为广义坐标。选择输入参数作为 广义坐标，而具体到木机构，两个电动机的输入转角为和02。同时设m =+ myj为机构所受的外力矩，为电机/的驱动力矩；= + 为动平台的虚角位移；5为电机轴的虚角位移。系统总的虚功为：要求得在广义坐标fhlj)下的广义力么，可先设一个广义位移5如不为零，而另 一个等于零。根据虚功原理，有(3-22 )将得出的结果带入到(3-22)，即可得到输入转矩与输出转矩和机构运动参数变化的关 系表达式。3.7实例分析机构的固有参数为：n=178.56mm,r2=l69.34mm; h!=3

28、7.50nvn， h2=23.65mm;hi=33.89mm,h2=37.63mm;li=178.56mm;l2=170mm;s=103.24mm;a=200mm ;mu=pi/4; m()=23 70g;m/=66g;m2=20g;(1) 匀速状态下的实例分析。当两自由度平台上平台两个输出转角a,，以角速度 从-25°29"时，且外力距风=9.脚时，驱动力矩从，沁的变化曲线入下图 所示。(2) 匀速状态下的实例分析。当两自由度补偿平台上平台两个输出转角0以2%角速度从-25°29°时，且外力距辑=9.抓心风=0时，驱动力矩从，a6的变化曲线入下图所示。

29、(3) 匀加速状态k的实例分析。当两&由度补偿平台上平台两个输出转角/3以10/s2 角速度从-25°29°吋，且外力距科=0吋，驱动力矩的，的的变化曲线入 下图所示。(4) 匀加速状态下的实例分析。当两自由度补偿平台上平台两个输出转角以l°/s2 角速度从-25°29°时，且外力距辑=9.抓风=«时，驱动力矩从，的变化曲线 入下图所示。由图(3-7)(3-9)都可以看出两个支链存在耦合特性，但是在很大的范围内，一个分 支对另一个分支的影响不大，如图(3-6)所示，驱动力矩m2在a/变化大的情况下， 变化幅度不大，这是由机构本

30、身结构和特性所决定的。3.8小结棊于虚功原理和格朗口法对两自由度补偿平台建立y动力学模型，得出了求解驱动 力矩的解析表达式。基于该动力学模型，利用maple对该机构进行了动力学仿真，讨论 了在匀速和匀加速情况下，两自由度补偿平台的驱动力矩的变化，为该机构的设计及具 体应用奠定基础并联机构的动力学模型的建立是并联机构研究的重要方面，是动力学模拟、动态分 析、动力学优化设计及控制的基础33。动力学分析屮的基于虚功原理的lagrange是一种 重要的方法。采用此方法的优点是lagrange法以系统的动能和势能为基础的，不用分析 机构的真实运动，推导过程较简便，能得到形式简洁的动力学方程，能清楚地表示

31、出各 构件的耦合特性，形式简单。此法既能用于系统的动力学分析，乂能用于动力学控制。 本章根据康复训练的要求，通过对所设计的并联机构进行运动学、工作空间、动力学分析，验证丫机构可以达到实际的需求。第4章倾角检测模块的设计4.1加速度传感器简介及倾角测量原理倾角传感器由于其测量原理，又可以称为重力传感器或加速度传感器。是将加速度 信号转化为电信号的传感器，可以用于倾角、惯性力、冲击和振动等参数的测量。常用于系统的水平测量，从传感器的内部工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、 “气体摆”式三种。从测量范围上，可分为单轴角度、多轴角度测量等。加速度传感器的理论依据是牛顿第二定律。根据物理学可以知

32、道，在一个系统的内 部，它木身的速度是无法测量的，但是其加速度确是可以测量的。在初速度己知的情况 下，可以通过积分运算计算出线速度，最终可以计算出直线位移。所以它本质上是运用 惯性原理的加速度传感器。如图4-1，在地球上的物体，不管在什么位置，都会受到重力的作用(f = wg)，运 用加速度传感器即可测出这个特定质量块的重力加速度。当传感器静止水平吋，侧方向 和垂直方向没有其它加速度作用时，只受到重力加速度g的作用。重力垂直轴与加速度 传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。当质量块姿态改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动角度，则传感器受到的加速 度变为gb = 9 *cosa »如图4-

33、1所示，因此可以通过测量加速度的变化来反映物体姿态 的变化。目前业内对倾角的测量多是基于mems的加速度传感器，mems(micro electro mechanical system)是二h 世纪的前沿技术，采用mems技术可以在硅芯片加工出完 整的微型电子机械系统，包含/微型传感器、微型机械结构、以及信号处理和控制电路、 通讯接u等于一体的微型器件，把信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平 提高到新的高度。倾角传感器把mcu, mems加速度计，模数转换电路，通讯单元全 都集成在一块非常小的电路板上面，可以直接输出加速度或倾角等倾斜数据，让人们更 方便的使用它。随着mems技术的发

34、展，惯性传感器件在过去的几年屮成应用最广泛的微机电系 统器件之一，微加速度计(micro accelerometer)就是惯性俾感器件的杰出代表。作为最 成熟的惯性传感器，mems加速度计由于集成电路的快速发展而非常高的集成度，可以 将传感系统、接口线路、a/d转换等功能集成在一个芯片上，极大减小了电路的面积和 功耗。4.2加速度传感器adxl345adxl345在应用吋，应安装在机箱pcb牢固安装点附近位置。如下图所示，如将 adxl345安装在无支撑的pcb位置，由于pcb振动未受到抑制，可能会导致明显测量误差。将加速度计安装在牢固安置点附近，确保加速度计上的任何pcb振动高于加速度计 的

35、机械传感器的共振频率，从而加速度计的振动实际可忽略。多个安装点吋，接近传感 器和/或较厚的pcb也有助于降低系统共振对传感器性能的影响。4.2.7夕卜电路adxl345首先由感应器检测出加速度的大小和方向，然后由感应电信号的器件转 为可以识别的电信号，这个信号是模拟信号。adxl345内部集成的a/d转换器将此信 号转化为数字信号。在计算机中，数字信号一律用补码的形式表示，这里也一样，a/d 转换器输出的是二进制的16位的二进制补码。经过滤波以后，在控制和逻辑中断单元 的控制下，发向32级的fifo,通过串行接口读取数据，adxl345的控制命令也是通 过接受来自串口的读写命令来实现的，也就是

36、说，对adxl345的操作主要是是对寄存 器的读写操作。由于传感器十分微小，在开发应用中，常常与周围的电源去耦、消减噪声的电路焊 接在一块电路板上。如图4-6所示为adxl345的外围电路。4.3倾角测量显示如图所示是采用adxl345的倾角测量系统，adxl345与单片机通过i2c总线进行 通信，单片机p0端将得到的结果在lcd 1602液晶显示屏上显示。4.4数据输出分析当adxl345沿检测轴正向加速时，它对正加速度进行检测。在检测重力时用户需 要注意，当检测轴的方句与重力的方句相反时检测到的是正加速度。图4-10所示为典 型的输出对重力的响砬通过下位机的编程和调试，将检测到的数据送到1

37、602液晶屏或串口进行输出数据 分析，参考adxl345的数据手册，通过数据分析，测得的数据基本是正确的，为下一 步与上位机的通信奠定基础，同时也利用传感器得出了机构的动平台姿态参数。第5章平衡台的重心检测与上位机设计5.1人体平衡的仪器重心检测原理在分析人体平衡，评定人体平衡稳定性时，都离不开人体的重心。人体重心在很大 程度上反映了人体的质量分布特征和形态结构特征，它可以为体育竞技运动、医疗康复 等领域提供参考依据，因此对于人体重心的分析和研宄具有十分重要的学术和应用价值对于人体重心检测分为静态测试和动态测试。静态测试，测量被测试者在检测平台 上人体重心的变化;而动态测试时被测试者要在检测平

38、台上行走、做动作甚至跑跳。因 此动态检测平台体积和检测原理方法要复杂的多。四支点二维重心板是一种典型的测试人体重心位置的方法38平台有四个力传感器 成矩形分布于平台的四个位置。检测时，四个传感器同时受到被测试者重力的作用，产生 输出信号，经放大和a/d转换，成数字信号输入到计算机屮，即f,、f2、f3、f4,通过这四个数据，可求出人体重心所在位置坐标如果在测试过程中，可以对测量结果 产生影响的因素是产生与水平面有夹角的侧向力作用于平台。所以，设检测平台所受水 平侧向力为尽和fy,与水平面有夹角侧向力为f,且f与;平面的夹角为a,与;coz平面 的夹角为如图5-1所示设重心检测平台的中心为坐标原

39、点0, 0x轴为x轴，为or为r轴，四个传感器的位置 分别为 4（4 kj, b（xb,yb）, c（xc, ycdxdtyd 其中，xa = b = xc = xd = lya = yc = -yb = -vd = n设检测平台重量为/v，ii检测平台的材料是均匀分布,这样检测平台的重心就与检测 平台的中心0重合，被测试者重量为g。对f正交分解为x0v平面的力仏和/oz平面的力 fv,垂直方向的力由和人体重力方向在一条直线上，而平行于x0k平面，因此，心对x轴、y轴力矩为0。设的作用点为外久yv）（ov（xv, w）和g（x，r）不重合）, 则根据对i轴、r轴力矩为o得（仅对输出有影响）：m

40、 (%) = 0m(y) = og-y + f'd(-n) + f-n + fr3-n + fv-yv = og-x + f,3-l + f,4-l + f-(-l) + fr2 - (-l) + fv-xv = og = f + f,2 + f,3 +f,4-n-fv所以：(frc + ffd-f'a-f%) l - fvxvy =g(fra + f'c - ffb - frd) - n - fvyv y =g而广1是(;，/v作用于传感器上的力什和作用于传感器上的力的和，即：f = ffav同理：p'l = f2 + fbvf3 = 3 + pcvf'

41、;4 = 4 + pdv现计算作用于检测平台上吋传感器产生的作用力fbv, fcvf 根据力矩平 衡可以得到：pav + pbv xa xv) = pcv dv (.xa + xv)(pav + pcv >- yy) = (pbv + pdv > (va + 7v)pav + bv + pcv + dv = pv解可以得到：av + bvav + cv2afv(xa - xv )fv(7a + ywpcv + dvfv (xa + xv )2ybv + fdv =2ya最后，带入得到：（厂3 + 厂4 一 g f2） a 2fvxvx =g+ f3-f2-f,vn-2fvyv y =c从上式可以看出，g不变，f2, f3, &是6作用于检测平台时传感器产生的力,因此，也不变化。而人体重心位置g <x,y）产生丫影响。如果ov（xv,yy）和g （xfy） 重合，就相当于人的质量堉加，对测得的结果没有影响。我们假设和g重合，则对测得的结果没有影响。我们把四支点二维重心板原理引入到本设计中的康复训练平衡台，忽略平台本身的重量，我们可以把所 设计的平衡台简化