一種用于手指精細運動功能評估和訓練的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種用于手指精細運動功能評估和訓練的方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 手指的精細運動功能是人類用手完成各種復雜操作的重要基礎。目前對手的精細 運動功能的測試評估多采用調(diào)查問卷或基于行為表現(xiàn)的量化計分。W最常使用的普渡釘板 測試為例，該測試要求受試者在規(guī)定的時間內(nèi)抓取細小的螺釘和螺母，并將其插在小孔中， 通過規(guī)定時間內(nèi)完成的個數(shù)進行評估。運些評估方法的主要缺點是測試精確度差，靈敏度 低，可靠性差，過于依賴患者的臨場操作和測試人員的主觀評價。
[0003] 而對于手的精細運動功能的訓練和改善，尚缺乏相應的訓練設備。目前廣泛使用 的力量牽引訓練機等，只適合大肌群收縮下的高幅度力量訓練，對手的精確運動功能的訓 練效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種用于手指精細運動功能評估和訓練的方法 及裝置，本發(fā)明能實現(xiàn)對手指精細運動功能的評估和訓練，在測試精度、評估的可靠性、訓 練的有效性方面較傳統(tǒng)技術有顯著的提高。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] -種用于手指精細運動功能評估和訓練的裝置，包括支架、位置姿態(tài)傳感器、多軸 力敏傳感器、控制器和手指捏片，其中，支架兩側(cè)分別設置有對稱布設的多軸力敏傳感器， 所述多軸力敏傳感器上連接有手指捏片，支架頂端設置有位置姿態(tài)傳感器，多軸力敏傳感 器采集手指=維空間力信號，位置姿態(tài)傳感器采集裝置的空間位置數(shù)據(jù)，控制器根據(jù)多軸 力敏傳感器和位置姿態(tài)傳感器采集的信息，生成姿態(tài)視覺反饋，進行實時顯示。
[0007] 所述支架設置于底座上，支架保持豎直。
[000引所述兩個多軸力敏傳感器的軸屯、線對齊，坐標系不同，坐標原點在同一水平線上。
[0009] 進一步的，左側(cè)的多軸力敏傳感器坐標系=軸方向分別為：X軸正方向為豎直向 上，y軸正方向為水平向外，Z軸正方向為水平向右;右側(cè)多軸力敏傳感器的坐標系=軸方向 分別為:X軸正方向為豎直向上，y軸正方向為水平向內(nèi)，Z軸正方向為水平向左。
[0010] 所述控制器包括顯示模塊和反饋模塊，其中，顯示模塊顯示指力的目標幅度值和 多個目標位置，反饋模塊接收位置姿態(tài)傳感器和多軸力敏傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其在顯示 模塊上進行顯示。
[0011] 所述手指捏片外側(cè)設有保護層，且保護層可拆卸。
[0012] 基于上述裝置的工作方法，包括W下步驟：
[0013] (1)控制器初始化，設置工作模式、重復次數(shù)、設定時間或/和總測試時間；
[0014] (2)控制器通過顯示模塊隨機給出目標姿態(tài)、位置和目標力量幅度值，并使其在設 定時間內(nèi)保持不變；
[0015] (3)控制器抓取位置姿態(tài)傳感器和多軸力敏傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷其是否與目 標姿態(tài)、位置和目標力量幅度值一致；
[0016] (4)如果到達設定時間，目標消失，并返回步驟(2)，如果沒有到達設定時間，則重 復步驟(3);
[0017] (5)不斷重復步驟(2)-(4)，直到滿足重復次數(shù)或者總測試時間，計算指力控制分 數(shù)和位置及姿態(tài)控制分數(shù)，進行指力控制能力和位置和姿態(tài)控制能力評估。
[0018] 所述步驟(1)中的目標幅度值的獲取方法通過結合裝置在不同的空中姿態(tài)下的受 力分析獲得，保證指力與裝置的重力的合力和合力矩為零，求解合力和合力矩方程得到各 手指指力的目標值。
[0019] 所述步驟(1)中，控制器設置為訓練模式還是測試模式，根據(jù)不同模式設定不同的 測試時間和重復次數(shù)。
[0020] 所述步驟(5)中，評估指力控制分數(shù)的計算方法為對測試時間內(nèi)指力幅值與目標 線力量幅值差值絕對值的累加。
[0021] 所述步驟(5)中，評估位置及姿態(tài)控制分數(shù)的計算方法為裝置實際位置與目標位 置的差值與裝置實際角度矩陣和目標角度矩陣差值乘積的累加。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：
[0023] (1)本發(fā)明能夠?qū)Ω鲄⑴c手指的力量控制能力和姿態(tài)位置控制能力進行有效的測 試，測試精確度高，靈敏度高，重復測試ICO90%，能夠客觀準確地反映出受試者的手指精 確力量和姿態(tài)位置的控制能力，不再依賴測試者的主觀經(jīng)驗和判斷；
[0024] (2)將手的精細運動功能的測試評估和訓練改善結合起來，對改善手的操控能力 有重要的應用價值，可廣泛用于手功能測試評估和腦卒中后手指功能的改善訓練中。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的裝置結構示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明的生物反饋指導界面示意圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明的測試和訓練方法流程圖；
[0028] 其中，1為左側(cè)多軸力敏傳感器、2為右側(cè)多軸力敏傳感器、3為位置姿態(tài)傳感器、4 為左側(cè)傳感器坐標系、5為右側(cè)傳感器坐標系、6為位置姿態(tài)傳感器坐標系、7為系統(tǒng)坐標系、 8為裝置底座、9為傳感器支架、10為捏片、11為可更換保護墊。
【具體實施方式】：
[0029] 下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0030] 本發(fā)明提供一種裝置，通過力敏傳感器獲得反映手指=維空間力向量信號，然后 獲得力的幅值;通過電磁式位置追蹤傳感器獲得裝置的實時空間位置數(shù)據(jù)。將力和空間位 置坐標進行配準，統(tǒng)一在全局坐標系中。設計科學合理的生物反饋指導界面和程序，引導受 試者抓取控制裝置完成指定測試和訓練任務。提取有效參數(shù)，對測試進行評估，并引導完成 訓練。
[0031] 如圖1所示，該裝置包括如下幾個部分:首先是兩個相對擺放的多向力敏傳感器。 傳感器的軸線精確對齊，分別安裝在傳感器支架的左右兩側(cè)。左側(cè)傳感器的坐標系如圖1中 的4所示，右側(cè)傳感器的坐標系如圖I中的5所示，在傳感器支架9上部正中位置安放位置姿 態(tài)傳感器，用于實施記錄裝置的空間位置和姿態(tài)。傳感器上安裝捏片10。捏片10外部覆蓋與 手指相接觸的可更換保護墊11。
[0032] 左右力敏傳感器獲得的力向量為:左側(cè)向量：/i = Uy ?'?+ Gy ?/+ a,-房
[0033] 式中，ax、ay、az分別表示左側(cè)力敏傳感器坐標系中Xi，yi ,ZiS方向的力量分量， 了、I、忘代表該坐標系下S軸方向，芭為合力向量。
[0034] 右側(cè)向量運=挺.t + fey: . / +拓-累；
[00巧]式中，bx、by、bz分別表示右側(cè)力敏傳感器坐標系中X2，y2，Z2S方向的力量分量， 氏I、S代表該坐標系下的S軸方向，哀為合力向量。
[0036] 將整個系統(tǒng)的全局坐標系設為XYZ，將各力敏傳感器坐標向系統(tǒng)坐標系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換 矩陣設為TlB和T2B，則全局坐標系下的指力向量為：& = /i X 7\g和戶2二/2 X Tzg。.位置姿態(tài) 傳感器的=維位置坐標記為[Px，Py，Pz]，空中姿態(tài)由歐拉角表示，其中章動角為0，進動角為 W，自轉(zhuǎn)角取。
[0037] 評估和測試的反饋界面設計如圖2所示。其中A為裝置實時姿態(tài)標志、B為指力的法 向分量標志框、C為左側(cè)手指指力幅度目標線、D為右側(cè)手指指力的幅度目標線、E為左側(cè)手 指力向量的幅度值、F為右側(cè)手指力向量的幅度值、G為初始時刻下的目標框、H為初始時刻 標準位置目標點、I為評估訓練過程中的目標框和標準位置目標點、J為目標框所在圓環(huán)。圖 2中的1表示的是裝置的姿態(tài)，=角形左右兩邊的矩形方框表示的是拇指和食指的力向量幅 值，其中5表示的是拇指的力向量幅值，6表示的是與拇指相對手指的力向量幅值。橫直在左 右兩個矩形框中間的線表示各自手指力向量的目標幅度值，該目標幅度值由裝置在不同的 空中姿態(tài)下的受力分析獲得。獲得的方法是保證指指力與裝置的重力形成的合力及合力矩 為零，即：茲=.1巧'+姑巧二0.和巧=1巧?成+煙留?'電二0，.其中M為裝置質(zhì)重，g為重力加速 度，di為第i各手指指力距物體質(zhì)屯、的垂直距離;dg為裝置重力距離裝置質(zhì)屯、的垂直距離。 求解運個方程組，即可得到各手指指力目標值。
[0038] 當測試開始的時候，屏幕正中屯、圓環(huán)圓屯、處出現(xiàn)一個S角形（圖2中的G所示），同 時=角形頂點上有一個圓點（圖2中的H)，用來表示正方向。該位置即為起始時刻的位置。之 后，圓屯、處的目標=角會消失，然后圓周邊8個位置