CN110123346B

CN110123346B - 基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置及方法

Info

Publication number: CN110123346B
Application number: CN201910446319.XA
Authority: CN
Inventors: 李可; 刘孟杰; 魏娜; 何文晶; 侯莹; 王琳; 岳寿伟
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2039-05-27
Also published as: CN110123346A

Abstract

本公开提出了基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置及方法，包括：圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内盛装流体；圆柱形壳体内壁上设置有用于检测拇指侧力的力矩传感器，在所述圆柱形壳体内壁相对的另一侧设置有用于检测四指侧力的力矩传感器；所述圆柱形壳体设置在底座上，在所述底座的底部与电磁铁装置相连；所述电磁铁装置用于产生作用于底座底部的指定方向瞬时突变扰动力矩；所述指定方向瞬时突变扰动力矩为以底座中心为圆心的等间距的若干个标记位置处所产生的瞬时突变扰动力矩；所述力矩传感器检测待测试者在瞬时突变扰动力矩作用下的数据信号，利用该数据信号进行处理后得到全手抓握功能评估参数与各手指间抓握耦合性指标。

Description

基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置及方法

技术领域

本公开涉及抓握测试装置技术领域，特别是涉及基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置及方法。

背景技术

手部的损伤与功能障碍对日常生活自理能力产生严重影响。抓握测试评估是衡量手功能障碍的有效手段，因此在神经生理学检测、康复评估与手功能损伤鉴定中发挥重要作用。

发明人在研究中发现，当前并没有仪器能够准确测试与评估全手五指同时参与的抓握功能。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，可提供多种不同方向的扰动力矩，并能准确测试并记录扰动力矩下的五指精准抓握时手指指尖的三维力、三维力矩和压力中心点时间序列。

本说明书实施方式提供基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，通过以下技术方案实现：

包括：

圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内盛装流体；

所述圆柱形壳体内壁上设置有用于检测拇指侧力的力矩传感器，在所述圆柱形壳体内壁相对的另一侧设置有用于检测四指侧力的力矩传感器；

所述圆柱形壳体设置在底座上，在所述底座的底部与电磁铁装置相连；

所述电磁铁装置用于产生作用于底座底部的指定方向瞬时突变扰动力矩；

所述指定方向瞬时突变扰动力矩为以底座中心为圆心的等间距的若干个标记位置处所产生的瞬时突变扰动力矩；

所述力矩传感器检测待测试者在瞬时突变扰动力矩作用下的数据信号，利用该数据信号进行处理后得到全手抓握功能评估参数与各手指指尖抓握耦合性指标。

本说明书实施方式提供基于多向扰动偏转力矩感知控制的多指抓握功能测试分析方法，通过以下技术方案实现：

包括：

抓握功能测试分析装置被测试者抓握；

抓握测试装置的底座的底部接收指定方向上的瞬时突变扰动力矩；

对于每个指定方向上的瞬时突变扰动力矩的作用，抓握功能测试分析装置被平稳端起至指定高度，保持设定时间后平稳放至初始位置，测试结束后得到各手指的三维力、三维力矩与压力中心点实时坐标数据信号；

通过联合递归定量分析计算多通道信号之间的动态耦合复杂性，得到全手抓握功能评估参数与各手指指尖抓握耦合性指标。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开提出了一种基于多方向扰动偏转力矩感知控制的多指抓握功能测试分析装置及方法。该装置可提供八种不同方向的扰动力矩，并能准确测试并记录扰动力矩下的五指精准抓握时手指指尖的三维力、三维力矩和压力中心点时间序列。同时该装置可对实时信号进行联合递归定量分析，利用联合递归图来获得各手指动力学***的相关关系及其复杂度参数，从而得到评估抓握功能的动态指标。本仪器可进行功能性抓握训练与评估，对手部功能的精准评估有重要意义。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子基于多方向扰动力矩感知运动控制的抓握功能测试分析装置结构示意图；

图2为本公开实施例子电磁铁断电后多指精准抓握功能分析装置状态图；

图3为本公开实施例子基于多方向扰动力矩感知运动控制的抓握功能测试分析装置透视图；

图4(a)-图4(h)为本公开实施例子产生不同方向扰动力矩时抓握功能测试分析装置的底座示意图；

图5为本公开实施例子实验流程图；

图中，1为顶部平盖，2为装置内部圆柱形杯壁，4为拇指侧力矩传感器，5-8为四个四指侧力矩传感器，3为连接片，9为四指侧弧形接触片，10为拇指侧弧形接触片，11为底座，13为弹性绳索，14是额定砝码，14为电磁铁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，参见附图1-3所示，包括：中空圆柱体，该中空圆柱体上设置有顶部平盖1，拇指侧力矩传感器4与四个四指侧力矩传感器5、6、7、8呈相对位置放置，固定在装置内部圆柱形杯壁2上，传感器与水杯内壁之间由连接片将其连接。传感器外侧分别与拇指侧弧形接触片10和四指侧弧形接触片9紧密相连。测试仪内部中空为水杯形状，可以盛装流体。底座11优选的呈圆柱状，当然也可为别的形状，底座中心位置向下连接有电磁铁15。在以底座中心为圆心的等间距的八个标记位置(即正前侧开始，逆时针旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的八个位置，以产生八种指定方向的扰动力矩)，连接弹性绳索13，与绳索末端相连的是额定砝码14。通过电磁铁的通断电实现额定砝码的突然坠落，从而产生扰动力矩。水杯外壁实际上是由五个互不接触的弧形片组成的，接触片即指最外壁。

在一实施例子中，底座内部设置有被分割开的储物盒，用于固定产生定向扰动力矩的绳索。储物盒用于放置产生偏转力矩的重物(即砝码)，装置设置为圆柱形,接触面为弧形,目的是使受试者模拟日常生活中的柱状抓握，进行任务导向型的测试与训练。而方形装置则是两侧接触面均为平面，模拟抓举方杯或书本等行为。

在一实施例子中，将双侧五个力、力矩传感器在支架上的安放位置可根据实际需要进行调整。

在一实施例子中，可采用其他类型的传感器获得抓握测试仪的实时空中的力与力矩数据，或将相同的压力传感器安放在测试仪不同位置上。

在一实施例子中，测试仪装备的几何构造，可根据需要进行简单修改，例如更为为椭圆形等。

在本公开的实施例子中，五指抓握装置用以检测与记录五指指尖力、力矩以及压力中心点实时信号数据。本仪器机构外型设计为圆柱水杯状，内含5个六维力/力矩传感器，对应测量单手五指的实时信号数据。其中拇指处传感器与其余四指呈相对位置，各传感器分布位置符合人体日常抓握行为状态。

关于多方向扰动力矩的产生。本公开在多指精准抓握装置杯体下方设计了可拆底座，底座中心位置的下方连有电磁铁，通电产生磁场。砝码由弹性绳索连接至以底座中点为圆心的等间距的八个标记位置，分别是正前侧开始，逆时针旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的八个位置，电磁铁通电时产生磁场，将砝码吸附固定于侧边，此时弹性绳索上无作用力产生。电磁铁突然断电瞬间，砝码只受重力影响向下坠落，牵拉弹性绳索，从而产生指定方向的扰动力矩。

装置产生多方向扰动力矩的方法如图4所示。将额定砝码以弹性绳索相连，分次固定于以底座为圆心的等间距的八个标记位置上，从而产生指定方向上的扰动力矩。图4(a)-图4(h)分别对应以底座中心为圆心，从正前侧起逆时针旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的八个位置，产生八种不同方向的扰动力矩。一共测试八次，形成八组序列，每组序列包括每个手指的三维力、三维力矩以及压力中心点数据。

实施例子二

该实施例公开了基于多向扰动偏转力矩感知控制的多指抓握功能测试分析方法，实验流程如图5所示。首先对受试者信息进行采集，并介绍实验流程。将额定砝码由弹性绳索连接至指定位置，进行给定方向上的扰动力矩的抓握测试，即使用右手五指将装置平稳端起，举至指定目标高度后保持10s，然后再平稳放置于桌面初始位置。一次测试后改变额定砝码的连接位置以产生不同方向的扰动力矩进行下一次测试，一共测试八次，得到八组数据，将测试所得每一组数据的力与力矩以及压力中心点原始时变信号序列进行存储与分析。得到数据如下：

{F_xk(t),F_yk(t),F_zk(t),T_xk(t),T_yk(t),T_zk(t),P_xk(t),P_yk(t)} (1)

其中，k＝1,2,3,4,5，代表拇指、食指、中指、无名指和小指五个手指。F_xk(t)、F_yk(t)、F_zk(t)为某一手指的三维力向量时间序列，T_xk(t)、T_yk(t)、T_zk(t)为手指的三维力矩向量时间序列和。P_xk(t)＝-T_yk(t)/F_zk(t)和P_yk(t)＝-T_xk(t)/F_zk(t)为手指的压力中心点坐标。

对每组数据五指的时间序列组x(k)，k＝1,2,...,5，求其联合递归矩阵：

其中，i,j＝1,...,N，N为时间序列长度，ε^k为给定阈值，表示两个点相邻关系，

Θ为赫维赛德函数，||·||是相空间采用的欧几里得函数。在JRP图中值为1的点展示为黑色，值为0则为白色。

基于递归密度的测度：RR是递归率，用于衡量联合递归图中递归点的密度，反映了相点递归频率以及轨迹在相空间的聚集度，可更好的区分产生的同步性。

基于递归对角线的测度：DET，当序列相关特性较弱时，随机或者混沌的特性将造成非常短的对角线或者没有对角线，而确定性序列的联合递归图上会显示较长的对角线以及较少的孤立递归点。P(l)为在对角线上长度为l的频率分布，L为联合递归图中对角线的最大长度值。该测度描述了基于联合递归图上构成45°对角线结构的递归点的百分比，数值越大表明确定性越强，同理数值越小则随机性越强。

基于递归垂直线的测度：P(υ)表示联合递归图上长度为υ的垂直线的频率分布，V为联合递归图中垂直线的最大长度值。而联合递归图中构成垂直线结构的递归点在整个图中的百分比则表示为LAM，一定程度上反映***状态变化相对快慢的程度，也从另一个角度体现了***的稳定性。

m是一个变量，指的是0到υ-1的数值；利用上述参数进行分析处理，RR、DET、LAM参数反映了***相关性与复杂性。通过对DET和LAM的分析，初步对***相关性与复杂性进行判断。研究动力学***的相关关系，分析***的复杂性，从而得到评估手指间协调性与抓握功能的动态指标。统计健康受试者RR值的水平，计算其均值与分布范围，得到均值RR_H，定义抓握功能指标GI，

其中μ为统计的健康受试者的RR值的标准差。通过进行任务导向型的功能性抓握训练，并配合功能评估，可更好地实现手功能的恢复训练。该装置及方法可用于功能性抓握训练与评估，对手功能的精准评估有重要意义。

本公开对装置采集的多路时序信号进行处理，提取有效参数分析动态***的相关关系与复杂性，得到评估手指间协调性与全手抓握功能的指标。本装置使用联合递归定量分析方法，对各手指的三维力、三维力矩与压力中心点坐标数据进行分析处理，获得联合递归图与反映***相关性与复杂性的特征参数，得到全手抓握功能评估参数与各手指指尖抓握耦合性指标。

用于全手精准抓握功能的测试与评估，对手功能损伤程度的诊断与手功能恢复训练具有重要的应用价值。该方法通过多方向扰动力矩感知运动控制为基本测试机制，通过联合递归定量分析计算多通道信号之间的动态耦合复杂性，对手部精准抓握功能的协调性进行测试评估。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，包括：

圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内盛装流体；

所述电磁铁装置包括电磁铁、额定砝码及弹性绳索，底座由中心向下连有电磁铁，将额定砝码由弹性绳索分次连于底座中心的等间距的若干个标记位置；

所述电磁铁装置用于产生作用于底座底部的指定方向瞬时突变扰动力矩，具体过程为：通过所述电磁铁的断电实现额定砝码的突然坠落，从而产生指定方向瞬时突变扰动力矩；

所述力矩传感器检测待测试者在瞬时突变扰动力矩作用下的各手指指尖的三维力、三维力矩与压力中心点实时坐标数据信号，利用该数据信号进行处理后得到全手抓握功能评估参数与各手指指尖抓握耦合性指标；

所述求取全手抓握功能评估参数，具体为：

统计健康受试者RR值的水平，计算其均值与分布范围，得到均值RR_H，定义抓握功能指标GI，

其中μ为统计的健康受试者的RR值的标准差，RR是递归率，用于衡量联合递归图中递归点的密度；

所述力矩传感器通过联合递归定量分析计算多通道信号之间的动态耦合复杂性，得到全手抓握功能评估参数与各手指指尖抓握耦合性指标。

2.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，拇指侧力的力矩传感器及四指侧力的力矩传感器分别通过各自对应的连接片与圆柱形壳体外侧接触平面固定连接。

3.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，所述底座为圆柱形。

4.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，所述力矩传感器将测试所得力与力矩以及压力中心点原始时变信号序列进行存储与分析，得到数据如下：

{F_xk(t),F_yk(t),F_zk(t),T_xk(t),T_yk(t),T_zk(t),P_xk(t),P_yk(t)}

其中，k＝1,2,3,4,5，代表拇指、食指、中指、无名指和小指五个手指，F_xk(t)、F_yk(t)、F_zk(t)为某一手指的三维力向量时间序列，T_xk(t)、T_yk(t)、T_zk(t)为手指的三维力矩向量时间序列，P_xk(t)＝-T_yk(t)/F_zk(t)和P_yk(t)＝-T_xk(t)/F_zk(t)为手指的压力中心点坐标。

5.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，所述力矩传感器对每组数据五指的时间序列组x(k)，k＝1,2,...,5，求其联合递归矩阵：

其中，i,j＝1,...,N，N为时间序列长度，ε^k为给定阈值，表示点与点之间相邻关系，

Θ为赫维赛德函数，||·||是相空间采用的欧几里得函数，在JRP图中值为1的点展示为黑色，值为0则为白色。

6.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，所述力矩传感器基于递归密度的测度：RR是递归率，用于衡量联合递归图中递归点的密度，反映了相点递归频率以及轨迹在相空间的聚集度，可更好的区分产生的同步性；其中，i,j＝1,...,N，N为时间序列长度，ε^k为给定阈值，表示点与点之间相邻关系，

Θ为赫维赛德函数，||·||是相空间采用的欧几里得函数，在JRP图中值为1的点展示为黑色，值为0则为白色；

7.如权利要求1所述的基于多向扰动力矩控制的多指功能性抓握分析装置，其特征是，所述力矩传感器基于递归对角线的测度：DET，当序列相关特性较弱时，随机或者混沌的特性将造成非常短的对角线或者没有对角线，而确定性序列的联合递归图上会显示较长的对角线以及较少的孤立递归点，P(l)为在对角线上长度为l的频率分布，L为联合递归图中对角线的最大长度值；该测度描述了基于联合递归图上构成45°对角线结构的递归点的百分比，数值越大表明确定性越强，同理数值越小则随机性越强；

基于递归垂直线的测度：P(υ)表示联合递归图上长度为υ的垂直线的频率分布，V为联合递归图中垂直线的最大长度值，υ是联合递归图上垂直线的长度，υ_min则是联合递归图上垂直线的最小长度；i,j＝1,...,N，N为时间序列长度；而联合递归图中构成垂直线结构的递归点在整个图中的百分比则表示为LAM，一定程度上反映***状态变化相对快慢的成度，也从另一个角度体现了***的稳定性；

Θ为赫维赛德函数，||·||是相空间采用的欧几里得函数，在JRP图中值为1的点展示为黑色，值为0则为白色；m是一个变量，指的是0到υ-1的数值；

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