基于微机电系统运动传感器在人体运动测量中的应用

丁大为

摘 要：人机工程学理论发展起来后，在工程设计中对人的测量也越发的全面。工业生产的过程中，人作业的过程是随着人体运动而持续的，这些运动信息不但能够将人体的自身运动规律反馈，而且能够使用在人体与工作环境关系的研究领域当中，所以在人机工程学的研究过程中，现实性意义明显。

关键词：微机电系统 运动传感器 运动测量

中图分类号：R87 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0225-01

在康复医学、人体工程以及体育等各个方面的研究过程中，都有测定人体运动空间位置和移动方位的要求。现存的一些动作感应技术都是依照外部力量的帮助而实现方位确定的目标，这些操作方式有十分严格的要求，且操作程序复杂，投入成本高，也很容易被外部的因素影响和干扰。运动传感器的出现直接将这种问题解决，其能够直接使用在人体的运动部位上，通过对加速度、角速度的物理量的测定，计算得出空间坐标，因为其使用的是内部参考标准，所以在理论上不存在任何的不足。

1 基于微机电系统的运动传感器

基于微机电系统是使用微米级别的3D式结构完成感应以及执行操作的一项操作技术。在技术与经济不断发展的过程中，各种先进的基于微机电系统技术的运动传感器相继出现，其能够简单化人体运动测量，同时彼此之间可以实现功能的互补。基于微机电系统的运动传感器，其中包括了各种不同的传感器技术，而这些传感器中又包含了多种组合。其中适合使用在人体的包括了以下几种。

1.1 加速度传感器

最近十几年才发展成熟起来的运动传感器，不仅可以对运动过程中的能量消耗以及人们的运动方式进行评测，还可以对加速度标准得出人体运动强度和运动频率[1]。 其可以把人体的各项运动转化成幅度不一的电压信号，且安装程度更为便捷，测量方式也不繁琐。一般使用较多的加速度传感器范围，包括运动角度、运动检测和计步器，通常情况下加速度传感器是对线性运动与倾斜的角度做检测，其实现方式在两种基础上，一种是重力诱发的加速度，另外一种是运动诱发的加速度[2]。

1.2 陀螺仪

在这几年中，人们将目光集中在了陀螺仪上，其和加速度传感器不一样，陀螺仪不会将作用力发挥在重力上，而只是单纯的对旋转有反应。因此陀螺仪可以以较好的方式，辨别重力、线性运动和旋转运动过程中出现的矢量值，此项设施属于对加速度传感器的良好补充措施，尤其在稳定性分析的应用过程中，使用性能突出。这是因为陀螺仪输出的数据是转速，那么为了得到角度的变化标准，会在输出结构中完成一次积分动作，那么测量偏差也会在时间的推移下而增加。要想将这种因为时间与温度而发生的误差弥补，可以配合陀螺仪和传感器一起使用，像是可以和加速度传感器一同配合使用等。在相对较短的时间当中，例如在2 s时间内，可以通过观察陀螺仪的峰值而得出设备有否在运动，要是峰间值不超过预定阈值，就代表这个设备是静止不动的，但是在这个工程中陀螺仪输出的平均值能够被看成是一项新的偏置设定值。

1.3 惯性测量单元

大部分运动检验的过程中，都会同时使用加速度传感器、陀螺仪等，为了更好地整合这些运动传感器的功能，就出现了惯性测量单元的概念。通常在一个惯性测量单元中，有至少三个单轴加速度计和三个单轴陀螺。在对物体载体做检验动作的时候，其能够形成一种导航坐标系角速度信号，可是陀螺仪的检测载体以导航坐标系来说，是以角速度信号而存在的[3]。惯性测量单元能够对三维运动线性与角度量进行测量，而不需要借助任何的外界力量。加速度传感器在使用过程中也会有一定的误差出现。可是因为加速度传感器是以重力测量倾斜角度的，所以其出现的误差会被直接输出而并不需要积分。但是当对加速度传感器输出结果做二次积分而得到距离以及对输出结果做一次积分而得到速率时，加速度传感器出现的误差是会变得十分敏感的。总而言之，只有在传感器输出结果不要积分的情况下，出现的误差才显得无足轻重。

2 运动传感器在人体运动测量中的应用

2.1 运动和健康监测

计步器的组成是三轴加速度传感器，其是用来对健康功能进行监测的应用手段。在某种非常规情况下，计步器传感器可以用精准的方式把步行和跑步过程中系统上的加速度数据获得，而处理加速度数据的时候，可以使用计步器当中的传感器得到运动过程中出现的加速度数据，同时也能够显示用户在计步器上进行的步数和速度，还会一并显示在运动过程中人体消耗的卡路里量。

2.2 步态分析

对步幅和步行速度进行记录的是压电陀螺仪与数据记录器，由此对有关的数据信息进行分析，得到步行障碍患者的诊断数据。之前有研究人士在陀螺仪改变人体位方面做了检测，从而确定老人是否存在潜在的摔倒趋势。便携式记录器安装在人体的腰部，以预处理的方式对陀螺仪的读数进行处理，而得到身体姿势转换的数据资料，再利用分析邻近信号数值差异的方式，对高风险与低风险易摔倒人群进行辨别。

2.3 体育训练

在体育训练的过程中，运动传感器安装在被测者的各个不同身体部位，这些身体数据会传递到主系统，主系统便可以获得各项不同的运动参数数据，比如速度和位移。依托无线装备能够以便捷的方式得到室内外的各项体育运动操作形式。曾经有人将加速度传感器使用在船员的肩上、腰部以及船桨的位置，以得到用力和运动速度的数据显示，另外把加速度传感器放在冰球运动员的头盔上，能够测量与显示在运动过程中出现的碰撞和受伤情况。

3 结语

人们在跑步的过程中，人体水平与垂直的加速度所表现的特点是短周期和大幅值。船体的振动环境下，人体作业很容易被环境振动的因素影响，轻则会使人出现失误的操作行为，严重的会对船员的生命安全造成威胁。而使用加速度传感器，能够测量人体的加速度，以将人体的运动情况加以准确反应。文章研究过程中探究了基于微机点系统的运动传感器使用在人体运动参数过程中的方式，为后期的人体工程学、医学和体育训练等各项关于人体运动的研究提供了参照。

参考文献

[1] 张召迁，孔祥彪，姚冰川，等.无线加速度传感器在人体运动参数测量中的应用研究[J].人类工效学，2014（4）：58-61.

[2] 陈玮.惯性式人体运动传感器的关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[3] 秦伟.新型人体运动测量系统测量空间与精度研究[D].上海：上海交通大学，2013.