CN104220859B - 用于测试手掌抓握力的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量手掌抓握力的系统，其包括用于测量所述手掌抓握力的设备(1)，其中所述设备包括：手柄，其经配置以接收手掌抓握力；力传感器(3)；以及电子模块(6)，其集成在所述设备中并且包括连接至所述传感器(3)的至少一个微控制器(61)并且能够处理源自于所述传感器(3)的数据，其特征在于所述力传感器包括带有最小50g精度的压力计；还提供控制系统并且其包括能做如下操作的装置：使用线性校准曲线校准所述传感器；并且将传感器测量值传输至显示器单元(8)和/或存储单元和/或处理单元，优选经由有线或无线装置。

Description

用于测试手掌抓握力的系统

技术领域

本发明涉及用于测量手掌抓握力的方法和设备的领域，从而评估肌肉控制和效应器的整体性，尤其是个人的前臂和手。

因此，本发明形成度量衡学领域的一部分；其使测量力成为可能。

在个人的肌肉功能评估期间，因为手掌抓握力构成了整个肌肉能力、营养状态、自主以及整体上个人的健康的良好指标，所以手掌抓握力是最感兴趣的功能之一。

已知的设备使量化病理性的或受伤后的状态并且验证神经肌肉系统的治疗效果成为可能，尤其是在再教育方面。

在本文中，已经研发了对承受例如神经肌肉病理的病人并且他的手掌抓握力有时非常弱的需要。在这些力的水平下，对于测量设备，其是足够敏感并且精确从而可靠地评估病人的手掌抓握力是重要的。监控非常弱的病人所产生的力的变化是测量的一种情况。

此外，对于测量设备，使得其可能测量健康状态良好的人和运动员的手掌抓握力也是重要的。

背景技术

在临床环境中，手掌抓握的评估受手动测试方式的影响，例如受理疗医师的影响。已知的是这种手动测试不能为严格监控提供精度要求，尤其是在治疗测试的情形下。

现有技术提出装备有传感器的测量设备。一般来说，这些设备不可能使其精确地测量大范围的力并且其对最微弱病人所产生的小的力不敏感。

例如，第一组抓握是已知的，包括机械测力计，其中传感器的响应由弹簧或金属片的变形确定。当应力测量仪用于将机械部件的变形转换成电压时，通常通过针盘的方式或通过数字显示的方式读取这些测量值。这些测力计的缺点在于精度，尤其是在于针式测力计中的精度。而且，因为显示的类型不合适，所以很难在给定的强度处记录力。这是因为大多数这种测力计仅仅保留最大的抓握值。

第二组抓握是已知的，包括液压测力计，其中握把包含液体，液体的挤压引起膜的变形。此显示由针盘或数字盘提供。正如与机械抓握一样，通常很难要求物体保持给定水平的力，使得测量值很难得到。

抓握的另一组包括能够连接至诸如计算机的数据处理模块的电子系统。后一组的主要缺点在于高价格，尤其是由于用于采集从所使用的传感器发出的处理数据的卡的使用。这是因为，为了得到精确的并且可靠的测量值，受所述卡影响的数据采集和处理是基于复杂的过程，这些复杂的过程包含长的计算时间、高的能量消耗以及多个和/或昂贵的部件。此外，大多数当前的电子系统设置有缆线连接的通信装置，这当病人在轮椅上或例如在床上不能动时具有不实用的缺点。

而且，现有系统的敏感度和精度可以证明对最微弱的病人是不足够的。

其他的设备包括与由计算机程序实施的校准方法相关联的传感器。

因此，通过文件WO 2011/044520，用于执行诊断目的或治疗目的等量的运动的系统、方法和装置是已知的。所公开的装置包括计算机外部的通信端口，尤其是计算机使对所述通信端口进行编程成为可能。该装置包括负载传感器和与模数转换器相关联的电子放大装置。本文件还公开了通过与平均二次误差类型的计算相关联的六种标准质量的19种组合对该装置的校准。

然而，因为这种系统包括基于复杂计算的校准，而复杂计算产生了长的计算时间和昂贵的计算装置，所以这种类型的系统不是最优的。

发明内容

本发明旨在弥补现有技术的缺陷，尤其是提出一种用于测量手掌抓握力的系统，该系统包括用于测量所述手掌抓握力的设备，该设备包括

-握把，其经配置接收手掌抓握力，

-力传感器，其经配置以测量所述手掌抓握力，

-电子模块，其集成在该设备中并且包括至少一个微控制器，该微控制器连接至该传感器并且能够处理从所述传感器发出的数据，

根据第一个有利方面，该系统包括能够从零值或几乎零值中检测力的应力计,并且该应力计具有用于范围从0至90kg的测量范围在最小约50g的精度，并且其具有在最小约50g的精度和/或小于约10g的敏感度。

根据另一个有利方面，电子模块包括适于执行如下操作的装置：

(a)–校准所述传感器,其中：

(a1)–该传感器接收多个校准力，

(a2)–从校准点建立线性校准函数，这些校准点的第一坐标是传感器测量值并且这些校准点的第二坐标是所述校准力的值，所述校准函数是分段线性的，

(b)–根据线性校准函数的点的第一坐标记录手掌抓握力值，并且确定对应于该线性校准函数的所述点的第二坐标的校准力值。

因此，根据本发明的测量系统具有现有技术无法达到的高度有利的敏感度。此外，本系统能够适用于大范围的测量，并且因此适用于从有肌肉缺陷的人至高级运动员的大量的可能的应用。

优选地，传感器的校准在3个校准测量值上实施。

有利地，电子模块还包括将所述校准后的力值传输至显示单元和/或存储单元和/或数据处理单元的装置。

优选地，该显示单元和/或该存储单元和/或该处理单元设置在该测量设备的电子模块中。

因此，根据本发明的系统提供测量值，该测量值对非常弱肌肉能力的病人和身体健康或高级运动人员均从精度地角度进行了改进。

此外，在这种测量系统中，分辨率被明显地改进。具体地，能够实现约10g的分辨率。

因此，可能通过简化功能的方式校准传感器。这样的计算简化使得可能使用比现有技术的微控制器更不复杂的微控制器。结果是在成本和能量支出上的明显降低。此外，可以使用小的微控制器。

根据优选的变体，显示单元和/或存储单元和/或处理单元和/或信号传输单元设置在连接至该测量设备的所述电子模块的特定模块中，所述传输是有线的和/或无线的。

例如，数据的显示和/或存储在计算机上执行，这使得可能为所测量到的信号的采集和显示提供科学的和/或游戏软件。这个特征使得假想大量的不同评估、再教育或培新协议成为可能。

优选地，传感器在至少三个校准测量值处校准。

有利的，测量设备的握把包括由若干元件形成的外部框架以及至少一个内部杆，该内部杆平行于该外部框架的第一元件并且能够朝向该外部框架的所述第一元件平移移动；力传感器经配置测量与所述平移相关联的力。

根据变体，该手柄包括用于调整可移动内部杆与该外部框架的该第一元件之间的初始分离的装置。

优选地，该测量系统包括用于从如下选择操作模式的装置：

-用于手掌抓握力的所述测量的所谓的测量模式，

-用于实施所述校准的所谓的校准模式。

根据一个有利的方面，测量系统包括有线和/或无线连接至控制单元的装置。

本发明的另一个主题由计算机程序产品组成，该计算机程序产品能够装载到计算机的存储器和/或电子模块的微控制器中，其包括用于执行校准和用于测量先前所描述的手掌抓握力的系统的测量步骤的软件代码部件。

附图说明

将参照附图，阅读以下描述将显露出本发明的其他特征、细节和优势，这些附图图示出：

-图1A和图1B示出根据配置用于根据本发明的系统的本发明的第一变体的设备；

-图2示出用于根据本发明的设备的电子模块的图形；

-图3示出该传感器的校准的图形表示。

为了更清晰，在所有附图上，相同的和相似的元件用相同的附图标记标示。

具体实施方式

根据图1A和图1B的表示，根据本发明的第一变体的设备1包括由两个横向杆15和顶部杆11形成的外部框架。该设备还包括平行于杆15的两个有导向的并置的横向杆14形成的内部框架；顶部杆12平行于杆11而布置。内部框架还包括底部杆13。内部框架12、13、14具有大致长方形形状；顶部杆12将由用户的手抓握，该用户将同时抓握顶部杆11。内部框架可以是单一件，例如通过塑料注塑成形得到。

此外，可选地，外部框架的横向杆15可以包括在平面上用于放置握把的底座4。

包括电子模块的电子电路6’被固定至外部框架。由高精度的应力计组成的传感器3抵靠电子电路6’而布置并且通过平行于杆15的主轴7而附接并且自身固定至内部框架的杆13。因此，这个传感器3固定至内部框架并且连接至电子模块6。正如下文所解释，这种布置使得可能测量与内部框架的顶部杆12朝向外部框架的顶部杆11的移动相关的力。

握把还包括用于调节握把的开度的装置，尤其是由用户握住并且致动的杆11与杆12之间的初始分离。此处的这种调整装置包括与带抽头的部件72协作的带螺纹的主轴71。带螺纹的主轴71在第一面上旋至传感器3上，而带抽头的部件72固定至内部框架12、13、14。此处调节轮73设置在杆13处，以便调节内部框架与外部框架之间的初始分离。图1A示出与外部框架接触的内部框架，而图1B示出远离外部框架的位置中的内部框架。与主轴71对准的第二主轴71’附接至传感器的另一侧。

为了使这些力更稳定且更平衡，握把的主轴7，尤其是带螺纹的内部主轴71被固定至与顶部杆11相对的杆16的中间处的外部框架。此处，包含枢轴螺钉系统的固定装置74允许传感器3的主轴71’的自由移动。

所用的传感器是由Interface公司营销的低高度负荷电池的SML传感器。该优选的传感器具有约89kgf(200lbf)的标称容量。

参照图1B，电子电路6’、传感器3以及带螺纹的内部主轴71的部件容纳在具有按键9和屏幕(例如LCD类型屏幕8)的盒子中。例如按键9用于将设备设置在校准模式或测量模式并且显示屏8使得直接看到所测量的力成为可能。因此，这种变体可以自主使用，也就是说，不需要连接至计算机或任何其他数据存储和处理设备。

如图2所图示，电子模块6能够连接至计算机2。诸如RS 232电缆的有线连接装置22能够用于此目的。优选使用诸如射频发射器62的无线连接装置21。因此，根据本发明的设备可以与实施从所述力传感器3接收到的信息的显示和处理的计算机程序协作。可以实施游戏界面而不背离本发明的范围。

参照图2，电子模块6包括具体旨在用于设备的电源和再充电的子模块66、67。通过图示，在图2中可以看到用于将外部当前电源连接至设备1的所谓的“电源插座”子模块69、电路充电子模块68、电池子模块67以及调节和供应子模块66。

电子模块6还包括子模块，诸如：所谓的“参考电源”子模块65，其旨在固定这些测量值的参考电压；应力计子模块63；电压放大子模块64；微控制器子模块61。

微控制器61有利地包括EPROM。

微控制器61能够通过串行端口的方式通过有线连接22连接至计算机2。发射器62还使得例如发送信息至计算机2成为可能，如标记21所表示的(无线连接)。

微控制器模块61将若干部件，具体地将RAM、FLASH存储器以及模数转换器集成。这些部件经配置以允许通过根据本发明的设备的传感器3的方式对施加至应力计63的力的测量的校准。为了此目的，根据给定的方法，将计算机程序装载到微控制器61的存储器中，使得所述校准和所述测量值有效。

至计算机的优选地无线连接在握把的使用中具有特别的优势。例如，软件可以安装在计算机(与合适的无线接收器结合)上，这使得可能实时地观察所测量的力的采集，以及与已经采集到的测量值的比较等。测试过的病人或运动员因此能够实时地监控其进展。因此，在测试期间，病人的注意力集中在这些图示上，这在评估测试期间是有利的，尤其对小孩子的测试。

此外，此类软件的使用使得可能确保对测量值的更好监控从而更容易地产生统计，并且因此进行进一步地数据分析。

图3示出根据本发明的系统中的传感器3的校准。本质上，图形图示的目的是解释测量系统作出的计算。正如在本图中可以看到的，5个原始测量值在0、100、300、600以及900N处得出。在图3中，原始测量值在参考系上的分布由校准曲线B以实线表示。0c至4c的每个校准点通过与坐标轴X上的传感器的原始测量值X0至X4相关联以及与坐标轴Y上的对应的校准力的实际值Y0至Y4相关联而产生。原始测量点0b至4b具有相同的横坐标以及对应于原始测量值(不需要校准)的相同坐标。

因此，为了补偿传感器中的线性误差，可能限定校准曲线使得可能在握把上显示传感器所记录的原始测量值X_Z的纠正后的测量值Y_Z。

有利的是，强调通过质量证实到在0.001g内的方式实施校准。这产生了校准点的极大准确度。

当质量应用已知值时，此原理包含读取传感器所记录的原始值。为了建立此曲线，有利地是，需要删除任何先前的校准，使得握把显示传感器所记录的原始值。

此校准曲线通过测量5个校准点来限定：X0，Y0；X1，Y1；X2，Y2；X3，Y3；X4，Y4。

对于施加到握把的每个已知质量，显示在屏幕上的传感器的未校准的原始测量0b至被4b被记录并且对应于坐标X(X0至X4)。施加的质量的已知的真实测量值对应于坐标Y(Y0至Y4)。在图3中，值X对应于传感器在给定的质量下记录的值。投射到实线的校准曲线上使得可能得到值Y，这个值是在校准后传感器所显示的值。

然后使用所测量的5个校准点来建立每个分段的一条曲线。在每个分段上，对于传感器所记录的值X，存在对应于接近参考值的校正值。

一旦建立此校准曲线并且被数据处理系统记录，当未知的质量Z施加到握把上时，传感器记录原始值X_Z，这个值根据分段而被校正，在该分段上，它适合与公式Y’＝a X’+b一致。由显示装置8显示的测量值则是坐标Y_Z，这对应于质量Z的校正后的测量值。点Zc是校准后的测量点，而点Zb对应于原始测量值。因此，点Zc的坐标Y_Z对应于校正后的测量值，也就是说，校准后的测量值。

在变体中，校准点0至4被强加在0N和890N处。根据握把的使用的范围，必须仔细地作出校准点1、2和3的选择。

建议选择点100、300和500N用于成人抓握而点100、200和300N用于小孩抓握。

在实际中，校准程序如下：

在开始采集软件并删除任何先前的校准之后，调整抓握的宽度，优先地在中间凹口上。然后将抓握设置在校准模式。

“0”校准点优选地是在握把被放置为平的而没有负载时传感器的测量值。对于其他点，握把通过两个皮带的方式从水平的固定杆悬起。在一个变体中，环可以设置在握把的结构中，其中钩插入用于握把的悬起。

优选地，通过水平测量仪核查握把的纵向轴是竖直的。

当握把悬起时，记录第二个“0”校准点。利用对应的质量，选择三个其他的校准点。

所得到的全部测量值与横坐标X相关联，并且真实值与坐标Y相关联。以此方式，得到的校准曲线通过分段是线性的。

还可能核查握把提供的值是准确的。为此目的，将已知质量的标准重量施加到握把上并且将参考值与握把所显示的值进行比较。

为了做到这点，先前公开的步骤再次在利用500g至60kg的标准质量校准的传感器上实施。一旦记录好测量值，依照如下公式计算“握把平面”的力值：

握把平面x kg的测量值＝握把悬起x kg的测量值–握把悬起0kg的测量值+握把平面0kg的测量值。

然后将得到的这些值与参考值进行比较。

如果传感器传送的测量值不是基本上线性的，或者如果测量值相对于参考值呈现出略微差异，则有必要执行握把的新校准。

根据本发明的系统的使用已经使得可能基本上准确确定某些病人的肌肉条件的变化。通过图示的方式，证实设备性能的结果根据承受杜氏肌营养不良或脊髓病性肌萎缩的病人得到，因为小于几百克的最大抓握力能够记录到。此外，在成人或小孩、健康或患病的一些人口中证实了测量的可重复性。

可以设想大量的组合而不背离本发明的范围；本领域的普通技术人员根据他将不得不遵守的经济的、人类工程学的、二维的或其他的限制将选择一个或其他一些限制。

Claims (9)

1.用于测量手掌抓握力的系统，包括用于测量所述手掌抓握力的设备(1)，所述设备包括

-握把，其经配置以便接收手掌抓握力，

-力传感器(3)，其经配置以便测量所述手掌抓握力，

-电子模块(6)，其集成在所述设备(1)中并且包括至少一个微控制器(61)，所述微控制器连接至所述力传感器(3)并且能够处理从所述力传感器(3)发出的数据，

其特征在于所述系统包括能够检测从零值的力的应力计(63)，并且所述应力计具有用于范围从0至90kg的测量范围的最小50g的精度，和/或小于10g的敏感度，

并且所述电子模块(6)包括适于执行如下操作的装置：

(a)–校准所述力传感器(3)，其中：

(a1)–所述力传感器(3)接收多个校准力(F0、F1、F2、F3、F4)，

(a2)–从校准点(0c、1c、2c、3c、4c)建立线性校准函数(D)，这些校准点的第一坐标是传感器测量值(X0-X4)并且这些校准点的第二坐标(Y0-Y4)是所述校准力的值，所述校准函数是分段线性的，

(b)–根据所述线性校准函数(D)的点的第一坐标(X_Z)记录手掌抓握力值，并且确定对应于所述线性校准函数(D)的所述点的第二坐标(Y_Z)的校准后的力值。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于所述电子模块(6)包括用于将所述校准后的力值传输至显示单元(8)和/或存储单元和/或数据处理单元的装置。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于所述显示单元和/或所述存储单元和/或所述数据处理单元设置在所述测量设备的所述电子模块(6)中。

4.根据权利要求2或3所述的测量系统，其特征在于所述显示单元和/或所述存储单元和/或所述数据处理单元设置在连接至所述测量设备的所述电子模块的特定模块中，所述传输是有线的和/或无线的。

5.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于所述力传感器(3)的所述校准通过至少三个校准测量值完成。

6.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于所述测量设备的所述握把包括由若干元件形成的外部框架以及至少一个内部杆(12)，所述内部杆平行于所述外部框架的第一元件(11)并且能够朝向所述外部框架的所述第一元件平移移动，并且所述力传感器(3)经配置测量与所述平移相关联的力。

7.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于所述握把包括调整在所述可移动的内部杆(12)与所述外部框架的所述第一元件(11)之间的初始分离的装置(7)。

8.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于它包括用于从如下项选择操作模式的装置(9)：

-用于手掌抓握力的所述测量的所谓的测量模式，

-用于实施所述校准的所谓的校准模式。

9.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于它包括有线和/或无线连接至控制单元的装置。