CN107049325A - 一种新型的穿戴式手部外骨骼力‑位移实时检测系统及检测方法 - Google Patents

一种新型的穿戴式手部外骨骼力‑位移实时检测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的穿戴式手部外骨骼的力‑位移实时检测系统，所述手部外骨骼穿戴在患病手部，包括：穿戴在患病手部的弹性压力衣手套；位于弹性压力衣手套内且固定在患病手部待检测位置的压力传感器和角度传感器；与压力传感器和角度传感器信号连接的计算机。该检测系统能够快速准确地检测患病手部的手指的角位移以及与该角位移所对应的压力值，并能够迅速地根据角位移和压力值对手指的活动状况进行评估。

Description

一种新型的穿戴式手部外骨骼力-位移实时检测系统及检测 方法
技术领域
本发明属于医疗康复设备领域，尤其涉及一种新型的穿戴式手部外骨骼力-位移实时检测系统及检测方法。
背景技术
许多意外事故和疾病，如外伤、脑卒中等可能会导致人手的感觉和运动功能丧失。其中脑卒中后遗症患者的手在后期往往因肌肉痉挛，形成一个屈曲的半握拳姿势，手功能的康复最为困难。现代医学理论和实践证明：有效的肢体训练可以防止手功能患者肌肉的“废用性”萎缩，而人手康复外骨骼可以改进传统的康复治疗手段和提高康复治疗效果。
人手康复外骨骼的主要功能是辅助手外伤患者进行术后的康复训练，依据现代循证医学(Evidence Based Medicine，EBM)和连续被动运动(Continuous Passive Motion，CPM)理论，可以使患者在尽可能短的时间内恢复健康。
如图1所示，手部外骨骼的机械结构采用可穿戴的手套形式，穿戴在人手外部，一般包括手部外骨骼动力输出机构101、手指驱动机构102和控制系统盒。其工作方式是通过动力输出机构101分别与五个手指驱动机构102连接，驱动手指进行康复训练。手部外骨骼不仅可以对患者的手施加精确的力和运动控制，还可以实时记录详实的患者信息和治疗数据，并将信息可视化，为临床康复医生提供客观、准确、直观的治疗和评价参数。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型的穿戴式手部外骨骼力-位移实时检测系统及检测方法，该系统能够准确地实时检测相应手指所受的驱动力和所能达到的位移，在提高工作效率的同时也提高了检测的准确性。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统，所述手部外骨骼穿戴在患病手部，其特征在于，包括：
穿戴在患病手部的弹性压力衣手套；
位于弹性压力衣手套内且固定在患病手部待检测位置的压力传感器和角度传感器；
与压力传感器和角度传感器信号连接的计算机。
优选地，所述压力传感器通过压力采集部件与计算机信号连接，所述角度传感器通过角度检测部件与计算机信号连接。
优选地，所述压力传感器设置在患病手部的手指的中节指骨上，角度传感器设置在患病手部的手指的PIP关节处。
优选地，所述检测系统还能够根据获得的压力值和角位移对患病手部进行评估。
本发明还提供了一种基于上述检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对压力传感器和角度传感器反馈的数据进行标定；
步骤2：对获得的压力值和角位移进行初步处理以消除噪声；
步骤3：对步骤2得到的压力值和角位移进行处理得到患病手部的手指上每个指骨的所受的驱动力和每个关节屈曲/伸展的角位移；
优选地，在步骤3中，采用二次插值法对步骤2中获得的压力值进行处理。
优选地，在步骤3中，采用线性插值法对步骤2中获得的角度值进行处理。
优选地，还包括步骤4：通过步骤3得到的驱动力与角位移的对应关系进行评估患病手部是否符合人手生物力学安全性。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
该检测系统通过检测手指所受的驱动力以及手指屈曲/伸展的角位移来对患病手指的恢复状况进行评估，采用自动检测技术，采集效率高，采集的数据准确，并能够迅速评估出患者手部是否符合人手生物力学安全性，具有效率高，准确性高，安全性高的优点。
附图说明
图1是根据本发明的所采用的手部外骨骼
图2是根据本发明的一个优选实施例的原理图
图3是根据本发明的一个优选实施例的某手指受力的示意图
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
如图1所示，该检测系统包括计算机8、角度传感器1、压力传感器3、弹性压力衣手套2、手部外骨骼、压力采集部件5、角度检测部件6，所述弹性压力衣手套2穿戴 在患病手部，3个压力传感器3和3个角度传感器1分别位于在手套内并固定在患病手部的检测位置，所述压力传感器3与压力采集部件5信号连接，所述角度传感器1与角度检测部件6信号连接，所述压力采集部件5和角度检测部件6分别通过具有多个接口的HUB与计算机8信号连接，手部外骨骼4佩戴在患病手部上。通过手部外骨骼4带动患病手部的手指运动进行康复训练，在训练的过程中压力传感器3和角度传感器1将检测的数据反馈的计算机中，计算机根据收集的压力和角度数据对关节恢复状况做出相应的评估。
在该检测系统中，外骨骼的控制系统已经设置了外骨骼驱动手指PIP关节屈曲/伸展的范围，同时设置了限位装置，以确保患手关节活动度不会超出表1中的运动范围。
表1 正常成人手指活动范围
手指关节 运动方式 活动范围(度)
近端指间关节PIP 屈曲/伸展 0～110
远端指间关节DIP 屈曲/伸展 0～70
所述压力采集部件5和角度检测部件6的作用就是将压力传感器3和角度传感器1的模拟信号转化为计算机8可接收的数字信号。压力采集部件5和角度检测部件6可以同时采集数据也可以分开采集数据。
在本实施例中，压力传感器3分别固定在拇指、食指和中指的中节指骨上用以检测每个手指的中节指骨所受到的实时压力，角度传感器1分别固定在拇指、食指和中指的PIP关节(PIP，proximal interphalangeal point，近端指间关节)处用以检测PIP关节的实时的屈曲/伸展角度。进而通过实时采集到的压力值和角度值就可以得到在设定的角度变化的范围内，PIP关节在不同角度时中节指骨所受到的压力并在计算机内显示压力-角度曲线，计算机8通过不同角度所对应的压力与正常人的数据进行比较做出评估。
计算机8的操作系统为Windows7以上版本，并且在计算机中安装有基于Labview2014的检测软件。
角度传感器1的主要参数如下：
1)弯曲传感器厚度＜0.43mm；
2)工作温度-35℃-80℃之间；
3)测量精度：校正前＞±8％FS，校正后＜6％FS；
4)支持多达八个通道的模拟数据输入或四个通道的差压信号输入；
5)采样频率＞100Hz；
6)USB供电，不需外接供电。
压力传感器3的主要参数如下：
1)测试用的薄膜传感器厚度＜0.3mm；
2)量程110N；
3)工作温度-9℃-60℃之间
4)八路独立USB采集通道USB、HANDLE；
5)USB供电，八通道数据通过USB、HUB传到电脑；
6)测量精度：校正前＞±8％FS，校正后＜6％FS；
7)采样频率＞100Hz。
针对上述检测系统，本发明还提供了相应的检测方法：
步骤1：系统标定
由于压力采集部件5和角度检测部件6采集的数据并不是压力值和角度值，而是电压等相应的数据，通过标定将电压等相应的数据转换为压力值和角度值。
对压力采集部件5进行标定时，将标定砝码置于压力传感器3上，压力采集部件5采集数据，根据标定砝码的重量与压力采集部件5采集的数据确定压力采集部件5采集到的数据与压力之间的关系式。
对角度检测部件6进行标定时，通过量角器将健康人手的PIP关节分别弯曲为30°、60°和90°，角度检测部件6采集数据，根据在不同角度时角度检测部件6采集到的数据计算出屈曲/伸展角度与检测部件6所采集的数据对应的关系式。
步骤2：角度和中节指骨压力数据采集
角度检测部件6和压力采集部件5采集数据并将采集到的数据进行初步处理，以消除噪声；
步骤3：数据处理
为了得到更加准确的中节指骨所受到的压力，对测得的每个手指的中节指骨的压力值采用基于二次插值法进行处理得到每个手指的中节指骨所受到的压力Ffinger(如图3所示)，然后计算出每个手指的各个关节驱动力：
τfinger＝JTFfinger
式中Ffinger＝[Fx Fy Fz]T-中节指骨坐标系中中节指骨所受的三维力向量(N)；
τfinger＝(τ0 τ1 τ2 τ3)，其中τ0为手掌基坐标系关节驱动力，τ1、τ2、τ3为手指MCP、PIP和DIP的关节驱动力(N)；
J为手指所受驱动力的雅可比矩阵。
为了得到更加准确的PIP关节的屈曲/伸展角度，采用线性插值法对测得的手指的PIP关节的屈曲/伸展角度进行处理。
近端指间关节PIP的关节屈曲/伸展角度θ2和远端指间关节DIP的关节屈曲/伸展角度θ3之间存在如下生物力学上的约束关系：进而通过测量的关节屈曲/伸展角度θ2能够得到屈曲/伸展角度θ3。
步骤4：结果评估
将步骤3计算的实时的驱动力与正常人手指所需的驱动力在同样屈曲/伸展角度下进行比较，进而评估人手主动、被动康复训练时的关节角位移的大小是否符合人手生物力学的安全性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统，所述手部外骨骼穿戴在患病手部，其特征在于，包括：
穿戴在患病手部的弹性压力衣手套；
位于弹性压力衣手套内且固定在患病手部待检测位置的压力传感器和角度传感器；
与压力传感器和角度传感器信号连接的计算机。
2.根据权利要求1所述的一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统，其特征在于，所述压力传感器通过压力采集部件与计算机信号连接，所述角度传感器通过角度检测部件与计算机信号连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统，其特征在于，所述压力传感器设置在患病手部的手指的中节指骨上，角度传感器设置在患病手部的手指的PIP关节处。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统，其特征在于，所述检测系统还能够根据获得的压力值和角度值对患病手部进行评估。
5.一种基于上述权利要求1-4任一项所述的一种新型的穿戴式手部外骨骼的力-位移实时检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对压力传感器和角度传感器反馈的数据进行标定；
步骤2：对获得的角位移和压力值进行初步处理以消除噪声；
步骤3：对步骤2得到的角位移和压力值进行处理得到患病手部的手指上每个关机的活动度以及所受的压力值。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤3中，采用二次插值法对步骤2中获得的压力值进行处理。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤3中，采用线性插值法对步骤2中获得的角度值进行处理。
8.根据权利要求5-7任一项所述的检测方法，其特征在于，还包括步骤4：通过步骤3得到的驱动力与角位移的对应关系进行评估患病手部是否符合人手生物力学安全性。
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