帕金森智能稳定勺：基于 Arduino 与 IMU 的辅助进食装置
核心硬件清单
- Arduino UNO ×1
- Idiotware Shield ×1 — 集成传感器接口、电源管理的扩展板
- MPU6050 IMU（6 轴） ×1 — 姿态/加速度测量
- SG90 微型舵机 ×2 — 双轴姿态补偿
- 3D 打印结构件 — 双轴正交旋转机构、勺体连接件
软件与工具
- Arduino IDE
- 3D 打印机（打印机械结构）
- 焊接工具
项目缘起
帕金森病患者常伴随静止性震颤、运动迟缓、肌强直等症状，严重影响进食等日常生活。商业产品如 Liftware Steady 已验证“主动抵消震颤”方案的有效性，但价格昂贵。本项目旨在利用现成模块（MPU6050 + 舵机 + Arduino）复现核心原理，探索系统动力学与控制算法，为低成本开源辅助设备提供参考。
系统设计思路
传感器选型
MPU6050 集成 3 轴加速度计 + 3 轴陀螺仪，采样率高、I²C 接口简单，且团队有成熟驱动经验，能满足实时震颤检测的动态响应需求。
执行机构
采用两个 SG90 舵机构建正交双轴机构（俯仰/横滚），舵机响应速度与扭矩足以抵消手部高频微小震颤。Idiotware Shield 让传感器与舵机接线在 5 分钟内完成，大幅缩短原型搭建周期。
机械结构
3D 打印双轴正交云台：内层舵机控制俯仰，外层舵机控制横滚，勺体安装于末端。结构紧凑，重心靠近旋转中心，减小惯性延迟。
制作步骤概览
- 打印所有结构件（STL 文件见项目仓库）。
- 组装双轴云台，安装两个 SG90 舵机，确保旋转灵活无干涉。
- 将 MPU6050 固定在勺柄根部，姿态尽量与勺体一致。
- 按原理图连接：MPU6050 → I²C（A4/A5），舵机信号线 → D9/D10，电源共地。
- 上传固件（见代码章节），上电调试。
控制算法核心
- 读取 MPU6050 原始数据，经互补滤波/卡尔曼滤波得到当前姿态角（Roll/Pitch）。
- 目标姿态设为水平（0°），误差 = 目标 - 当前。
- PID 控制器输出舵机目标角度，驱动云台反向旋转抵消震颤。
- 主循环周期 ≤ 20 ms，保证控制带宽覆盖典型震颤频率（4~12 Hz）。
演示与效果
原型机在桌面模拟震颤测试中，勺头角度偏差从 ±15° 降至 ±3° 以内，肉眼可见抖动显著减弱。视频演示见项目页面。
后续优化方向
- 移植至 ATtiny/ATmega328P 裸片 + 定制 PCB，体积缩小 60% 以上。
- 舵机固定方式优化，消除机械间隙。
- 集成 18650 锂电池 + 充电模块，实现真正便携。
- 引入自适应滤波，区分“故意倾斜进食”与“非自主震颤”。
开源资源
完整固件、STL 模型、原理图已托管 GitHub：
https://github.com/CuriosityGym/spoonForParkinsonPatients
制造工艺
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