CN105769225B - 基于多方向扰动力矩的精确抓握功能定量评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置及方法。该装置可产生绕冠状轴、矢状轴和垂直轴的正向及反向力矩。各力矩的幅度随时间发生周期性的改变。这种扰动力矩能够有效地刺激不同触觉感受体的编码，对抓握功能的准确评估创造了条件。测试得到的拇指和食指指尖三维空间力、力矩和压力中心点向量通过近似熵分析获得反映信号变异复杂度的指标，通过互近似熵分析获得反映拇指和食指对应信号间的耦合性指标。

Description

基于多方向扰动力矩的精确抓握功能定量评估装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于多方向扰动力矩的精确抓握功能定量评估装置及方法。

背景技术

对精确抓握功能的定量评估是衡量手的精细运动控制能力的重要途径。但目前尚缺乏准确客观地衡量精确抓握功能的装置和方法。最新的基础研究发现，精确抓握中的力矩感知和控制能更灵敏地反映手部感知运动功能异常。

但如何实现对这种力矩感知控制能力的定量评估是技术上的难点，目前尚无器件能够实现手指精确抓握的力矩感知控制能力进行测量与评估。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置及方法。该装置可产生绕冠状轴、矢状轴和垂直轴的正向及反向力矩且各力矩的幅度随时间发生周期性的改变。这种扰动力矩能够有效地刺激不同触觉感受体的编码，对抓握功能的准确评估创造了条件。测试得到的拇指和食指指尖三维空间力、力矩和压力中心点向量通过近似熵分析获得反映信号变异复杂度的指标，通过互近似熵分析获得反映拇指和食指对应信号间的耦合性指标。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置，包括底座，所述底座上的质心位置上垂直设置有一支架，所述支架上设置有沿其对称分布的传感器，所述传感器外侧设置有用于向传感器施加力的抓捏接触片，所述支架上端设置有水平位置矫正器和空中姿态记录仪；

所述底座的中心与端部均设置有固定机构，将重物固定在固定机构上，产生围绕冠状轴和矢状轴的正反方向作用且幅度随时间周期性变化的扰动力矩，采集分析装置的在三维空间中运动过程中的空中姿态、距离坐标原点的距离和角度信息，计算得到三维空间力、力矩和压力中心点向量的近似熵值与互近似熵指数，感知被测试者的手部运动控制能力。

优选的，所述支架沿其轴线对称设置有两个空心金属框，所述空心金属框中各设置有传感器，所述传感器的外侧与空心金属框的内边沿紧密连接，所述空心金属框的外侧覆盖有抓捏接触片。

优选的，所述空心金属框为梯形，且短边侧靠近支架，所述支架外沿与空心金属框形状相匹配。

优选的，所述底座为十字型，其中心位置和四个端部的底部各设置有一个固定机构，且端部设置的固定机构与中心位置的距离相等。

优选的，所述固定机构包括挂钩、滑轮、固定钮或铆钉等可以固定、悬挂重物的元件。

优选的，所述重物包括小球或砝码。

优选的，所述传感器为六维力/力矩传感器。

优选的，所述水平位置矫正器和空中姿态记录仪设置于支架的轴心位置。

优选的，所述底座的端部设置有滑轮座，且滑轮座包括两个，分别设置位于同一轴向方向的底座两侧。

一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估方法，包括以下步骤：

(1)判断是否为首次测试，如果是则在底座中心上固定重物，测试无偏转力矩状态的信号，否则进入步骤(2)；

(2)将重物随机放置于底座一侧端部的底部上，测试单摆作用下产生的分别绕冠状轴和矢状轴正反方向扰动力矩状态的信号；

(3)将重物固定在底座的两个端部处，产生绕测试仪垂直轴的正反方向扰动力矩状态的信号；

(4)测试者抓握住抓捏接触片，将测试装置悬空保持稳定达到设定时间，传感器记录抓握过程中的力、力矩信号，形成信号集合；

(5)根据测量的拇指、食指侧三维力、力矩信号，计算得到压力中心点信号，对力、力矩和压力中心点信号进行重构，获得各信号的近似熵值和互近似熵指数。

所述步骤(2)中，当重物随机放置于底座一侧端部的底部时，其重物质量与放置于底座中心时重物的质量一致，当在底座两端端部的滑轮座上设置重物时，其重物质量为放置于底座中心的底端时重物质量的一半。

所述步骤(3)中，具体方法为：记录抓握过程中拇指和食指的力、力矩信号，去除设定时间的前Ns秒及最后Ns秒的记录值，形成成对信号。

优选的，Ns∈[5,15]。

所述步骤(5)中，将各手指力、力矩及压力中心点信号中的任意一路信号设为x(i)，构造向量(1≤i≤N-m+1)；其中，m为重构维数,N为数据长度，对任一正整数j且1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

式中r为构造向量间距的阈值，||||为欧几里得距离算符，随后，计算相似向量的归一化数目

计算的均值并取对数，即可得到下式：

其中，Φ^(m)(r)为的对数平均值；

将重构维数m自增1，重复计算(4)-(6)各步，得到Φ^(m+1)(r)，Φ^(m+1)(r)为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)，然后根据式(7)可得近似熵ApEn(m,r,N)值：

ApEn(m,r,N)＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (7)

将式(1)中得到的各路信号进行式(4)-(7)的相同运算，获得各信号的近似熵值。

所述步骤(5)中，对拇指和食指各路信号计算互近似熵值，设拇指的某动力学信号x(i)|_1≤i≤N和y(i)|_1≤i≤N，将重构维数设为m，构造向量和(1≤i≤N-m+1)，设阈值为r，对1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

计算双路信号x(i)和y(i)间相似向量的归一化数目：

通过式(10)获得的对数平均值：

将m自增1，重复计算(8)-(10)式，获得Φ^(m+1)(r)|_y→x，Φ^(m+1)(r)|_y→x为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)|_y→x，以此计算出互近似熵值：

CrossApEn(m,r,N)|_y→x＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (11)。

对公式(1)中拇指侧和食指侧各对应信号进行上述互近似熵分析，得到力、力矩和压力中心点信号的变异相关性指标。通过各信号的近似熵和互近似熵指数获得对精确抓握功能的量化估计。

本发明的有益效果为：

(1)本发明设计了一个“十”字型底座，底座中心及周边四个位置上安装可悬挂单摆的挂钩，且距离中心位置的挂钩距离相等，产生围绕冠状轴和矢状轴的正反方向作用且幅度随时间周期性变化的扰动力矩；

(2)本发明设置定滑轮系统，定滑轮相对于测试仪质心的位置恒定，当定滑轮上安放相同质量的小球，并给小球赋予初始角度后下落，这时小球的运动呈近似简谐振动，这时通过定滑轮的转型作用，产生围绕垂直轴正向或反向的力偶，而该力偶的幅度随时间变化，在该力偶的作用下，测试装置能够产生围绕垂直轴正向或反向的扰动力矩；

(3)本发明通过计算手指力、力矩和压力中心点等动力学信号各自的近似熵和互新近似熵信息，得到反映各信号随时间变化的信号变异性和协调性。通过这些分析并获得各参数的准确数值，可以评估精确抓握感知物体力矩以及协调控制物体力矩时的精确运动控制能力；

(4)本发明为客观、准确、可靠地评估人体精确抓握功能提供了新装置，利用了多方向的扰动力距感知控制效应，计算的结果能够充分地反映手部感知运动的功能状态，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的底座构造示意图；

图3(a)为本发明产生绕矢状轴负方向的扰动力矩情形图；

图3(b)为本发明产生绕矢状轴正方向的扰动力矩情形图；

图3(c)为本发明产生绕冠状轴负方向的扰动力矩情形图；

图3(d)为本发明产生绕冠状轴正方向的扰动力矩情形图；

图3(e)为本发明产生绕垂直轴负方向的扰动力矩情形图；

图3(f)为本发明产生垂直轴正方向的扰动力矩情形图；

图4为本发明的测试方法流程图。

其中：1为水平位置矫正器，2为空中姿态记录仪，3为拇指侧六维力/力矩传感器，4为食指侧六维力/力矩传感器，5为矢状轴(y轴)，以向内为正方向，6为拇指侧抓捏接触片，7为食指侧抓捏接触片，8为测试仪底座，9为测试仪支架，10为梯形金属，11为十字型底座，12为居于中间位置用于悬挂单摆的挂钩，同时改位置也是垂直轴(z轴)的位置，以向内为正方向，13-16为位于十字型底座不同位置的悬挂单摆挂钩，1-1为矢状轴(y轴)，以向内为正方向；1-2为产生绕矢状轴(y轴)负方向扰动力矩时的摆动金属球，1-3为无伸缩性的拉绳，1-4为冠状轴(x轴)，1-5为垂直轴(z轴)，1-6为产生绕垂直轴的扰动力矩时的定滑轮，1-7为产生绕垂直轴(z轴)正方向的扰动力矩时的金属小球。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，将两个六维力/力矩传感器3和4相对放置，牢固安装在测试仪支架9上。两个传感器的轴心对齐。传感器外侧与两个梯形金属(10)紧密相连，金属外侧覆盖可更换捏片6和7。测试仪顶端安放一个水平位置矫正器1和一个空中姿态记录仪2，分别用于对测试仪的水平姿态进行实时反馈矫正，以及由于记录测试仪空中姿态的运动学信息。测试仪三个轴的定义分别为：冠状轴，即图1所示的x轴，以食指侧为正方向；矢状轴，即图1所示的y轴，以远端为正方向，垂直轴，即图1所示的z轴，以垂直向上为正方向。三轴交汇于测试仪的质心位置5。测试仪支架9安装在十字型底座8上。底座的具体构造如图2所示。在十字型底座的正中心和周边等距离的四个位置上安装了可悬挂单摆的挂钩，用于产生围绕冠状轴和矢状轴正反方向运动的扰动偏转力矩。而十字型支架配合定滑轮系统，能够产生围绕垂直轴正反向运动的扰动力矩。

该测试装置的抓握姿势和空中姿态为被测试者抓握两个可更换捏片。其中两个定滑轮以及两个金属小球产生随时间改变的力偶系统。测试中要求受试者轻轻抓握测试装置并使之在空中保持稳定。在正式测试扰动力矩效应之前，需要将小球悬挂在十字型底座正中心并保持小球静止。这样做得目的是为随后开展的扰动力矩测试定标。

当金属小球随机悬挂在十字型底座四周的挂钩上时，能够产生分别绕冠状轴和矢状轴的正反方向的偏转力矩(图3a-3d)。而通过定滑轮系统悬挂成对且质量减半的小球，能够产生绕测试仪垂直轴的正反方向偏转力矩(图3e-3f)。在小球悬挂好后，给与小球初始角度使之下落，在小球重力和牵拉绳拉力的联合作用下，小球围绕悬挂中线做近似简谐运动，其周期为L为牵拉绳长度，g为重力加速度值。

受试者测试的流程如图4所示。首次测试时，单摆位于测试装置十字型底座正中位置，此时无偏转力矩产生。若非首次测试，单摆随机出现在测试装置十字型底座的其他位置，或出现在定滑轮上。当测试开始后，受试者用拇指和食指抓握测试仪将其悬于半空中保持稳定60秒钟。记录抓握过程中拇指和食指的力、力矩等信号，去掉开始的10秒钟及最后10秒钟，形成如下的成对信号。

其中，F_x1(t)、F_y1(t)、F_z1(t)为拇指侧的三维力向量，T_x1(t)、T_y1(t)、T_z1(t)为拇指侧的三维力矩向量，P_x1(t)和P_y1(t)为拇指侧的压力中心点坐标，其计算方法为：

式(1)中，F_x2(t)、F_y2(t)、F_z2(t)为食指侧的三维力向量，T_x2(t)、T_y2(t)、T_z2(t)为食指侧的三维力矩向量，P_x2(t)和P_y2(t)为食指侧的压力中心点坐标，其计算方法为：

将各手指力、力矩及压力中心点信号中的任意一路信号设为x(i)，构造向量(1≤i≤N-m+1)；其中，m为重构维数,N为数据长度，对任一正整数j且1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

式中r为构造向量间距的阈值，||||为欧几里得距离算符，随后，计算相似向量的归一化数目

计算的均值并取对数，即可得到下式：

其中，Φ^(m)(r)为的对数平均值；

将重构维数m自增1，重复计算(4)-(6)各步，得到Φ^(m+1)(r)，Φ^(m+1)(r)为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)，然后根据式(7)可得近似熵ApEn(m,r,N)值：

ApEn(m,r,N)＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (7)

将式(1)中得到的各路信号进行式(4)-(7)的相同运算，获得各信号的近似熵值。

对拇指和食指各路信号计算互近似熵值，设拇指的某动力学信号x(i)|_1≤i≤N和y(i)|_1≤i≤N，将重构维数设为m，构造向量和(1≤i≤N-m+1)，设阈值为r，对1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

计算双路信号x(i)和y(i)间相似向量的归一化数目：

通过式(10)获得的对数平均值：

将m自增1，重复计算(8)-(10)式，获得Φ^(m+1)(r)|_y→x，Φ^(m+1)(r)|_y→x为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)|_y→x，以此计算出互近似熵值：

CrossApEn(m,r,N)|_y→x＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (11)。

对公式(1)中拇指侧和食指侧各对应信号进行上述互近似熵分析，得到力、力矩和压力中心点信号的变异相关性指标。通过各信号的近似熵和互近似熵指数获得对精确抓握功能的量化估计。

本发明利用了两个六维力/力矩传感器，将其成对安放，并在测试仪顶端安装空中姿态记录仪，实时记录测试仪在三维空间中运动过程中的运动学信息。

本发明设计了一个“十”字型底座，底座中心及周边四个位置上安装可悬挂单摆的挂钩，且距离中心位置的挂钩距离相等。测试时，单摆在挂钩上的位置随机选择。在抓握提起测试装置后，单摆上的小球赋予初始角度，就会在牵拉绳的作用下围绕挂钩做近似简谐运动，运动的周期有牵拉绳长度决定。这样就可以产生围绕冠状轴和矢状轴的正反方向作用且幅度随时间周期性变化的扰动力矩。

本发明通过设置定滑轮系统，定滑轮相对于测试仪质心的位置恒定，当定滑轮上安放相同质量的小球，并给小球赋予初始角度后下落，这时小球的运动呈近似简谐振动。这时通过定滑轮的转型作用，产生围绕垂直轴正向或反向的力偶，而该力偶的幅度随时间变化。在该力偶的作用下，测试装置能够产生围绕垂直轴正向或反向的扰动力矩。

本发明通过计算手指力、力矩和压力中心点等动力学信号各自的近似熵和互新近似熵信息，得到反映各信号随时间变化的信号变异性和协调性。通过这些分析并获得各参数的准确数值，可以评估精确抓握感知物体力矩以及协调控制物体力矩时的精确运动控制能力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置，其特征是：包括底座，所述底座上的质心位置上垂直设置有一支架，所述支架上设置有沿其对称分布的传感器，所述传感器外侧设置有用于向传感器施加力的抓捏接触片，所述支架上端设置有水平位置矫正器和空中姿态记录仪；

所述传感器为两个六维力/力矩传感器，两个六维力/力矩传感器相对放置，安装在测试仪支架上，所述底座为十字型，其中心位置和四个端部的底部各设置有一个固定机构，且端部设置的固定机构与中心位置的距离相等；

所述底座的中心与端部均设置有固定机构，将重物固定在固定机构上，产生围绕冠状轴和矢状轴的正反方向作用且幅度随时间周期性变化的扰动力矩，采集分析装置的在三维空间中运动过程中的空中姿态、距离坐标原点的距离和角度信息，计算得到三维空间力、力矩和压力中心点向量的近似熵值与互近似熵指数，感知被测试者的手部的运动控制能力。

2.如权利要求1所述的一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置，其特征是：所述支架沿其轴线对称设置有两个空心金属框，所述空心金属框中各设置有传感器，所述传感器的外侧与空心金属框的内边沿紧密连接，所述空心金属框的外侧覆盖有抓捏接触片。

3.如权利要求1所述的一种基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置，其特征是：所述固定机构为滑轮座，且滑轮座包括两个，分别设置于同一轴向方向底座外端的侧面上。

4.一种基于如权利要求1-3中任一项所述的基于多方向的扰动偏转力矩精确抓握功能定量评估装置的评估方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)判断是否为首次测试，如果是则在底座中心上固定重物，测试无偏转力矩状态的信号，否则进入步骤(2)；

(2)将重物随机放置于底座一侧端部的底部上，测试单摆情况下的产生分别绕冠状轴和矢状轴的正反方向的偏转力矩状态的信号；

(3)将重物固定在底座的两个端部处，产生绕测试仪垂直轴的正反方向偏转力矩状态的信号；

(4)测试者的食指和拇指抓握住抓捏接触片，将测试装置悬空保持稳定达到设定时间，传感器记录抓握过程中的力、力矩信号，形成信号集合；

(5)根据测量的拇指、食指侧三维力、力矩信号，计算得到压力中心点信号，对力、力矩和压力中心点信号进行重构，获得各信号的近似熵值和互近似熵指数。

5.如权利要求4所述的评估方法，其特征是：所述步骤(2)中，当重物随机放置于底座一侧端部的底部时，其重物质量与放置于底座中心时重物的质量一致，当在底座两端端部的滑轮座上设置重物时，其重物质量为放置于底座中心的底端时重物质量的一半。

6.如权利要求4所述的评估方法，其特征是：所述步骤(3)中，具体方法为：记录抓握过程中拇指和食指的力、力矩信号，去除设定时间的前Ns秒及最后Ns秒的记录值，形成成对信号，Ns∈[5,15]。

7.如权利要求4所述的评估方法，其特征是：所述步骤(5)中，将各手指力、力矩及压力中心点信号中的任意一路信号设为x(i)，构造向量其中，m为重构维数,N为数据长度，对任一正整数j且1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

$N_j=\Σj{|}_{j\∈\left(\right||X_i^{\left(m\right)},X_j^{\left(m\right)}||\≤r)}---\left(4\right)$

式中r为构造向量间距的阈值，|| ||为欧几里得距离算符，随后，计算相似向量的归一化数目

$B_i^{\left(m\right)}\left(r\right)=N_j/(N-m+1)---\left(5\right)$

计算的均值并取对数，即可得到下式：

${\mathrm{\Φ}}^{\left(m\right)}\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{N-m+1}{\Σ}}{\log }_2{B}_i^{\left(m\right)}\left(r\right)/(N-m+1)---\left(6\right)$

其中，Φ^(m)(r)为的对数平均值；

将重构维数m自增1，重复计算(4)-(6)各步，得到Φ^(m+1)(r)，Φ^(m+1)(r)为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)，然后根据式(7)可得近似熵ApEn(m,r,N)值：

ApEn(m,r,N)＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (7)

将式(1)中得到的各路信号进行式(4)-(7)的相同运算，获得各信号的近似熵值。

8.如权利要求4所述的评估方法，其特征是：所述步骤(5)中，对拇指和食指各路信号计算互近似熵值，设拇指的某动力学信号x(i)|_1≤i≤N和y(i)|_1≤i≤N，将重构维数设为m，构造向量和Y_i ^(m)＝{x_i,x_i+1,...,x_i+m-1}，(1≤i≤N-m+1)，设阈值为r，对1≤j≤N-m+1，计算相似向量数目N_j：

$N_j=\Σj{|}_{j\∈\left(\right||X_i^{\left(m\right)},Y_j^{\left(m\right)}||\≤r)}---\left(8\right)$

计算双路信号x(i)和y(i)间相似向量的归一化数目：

$C_i^{\left(m\right)}\left(r\right){|}_{y\→x}=N_j/(N-m+1)---\left(9\right)$

通过式(10)获得的对数平均值：

${\mathrm{\Φ}}^{\left(m\right)}\left(r\right){|}_{y\→x}=\underset{i=1}{\overset{N-m+1}{\Σ}}{\log }_2{C}_i^{\left(m\right)}\left(r\right){|}_{y\→x}/(N-m+1)---\left(10\right)$

将m自增1，重复计算(8)-(10)式，获得Φ^(m+1)(r)|_y→x，Φ^(m+1)(r)|_y→x为重构维数m+1时的Φ^(m)(r)|_y→x，以此计算出互近似熵值：

CrossApEn(m,r,N)|_y→x＝Φ^(m)(r)-Φ^(m+1)(r) (11)。