CN107209074A - 力值测量装置 - Google Patents

Abstract

力值测量装置包括两个力值输入构件(105，106)、一对悬臂弹簧(101，102)以及一个力值测量装置(107)。每个悬臂弹簧的一端由第一个约束装置(103)固定，每个悬臂弹簧的另一端由第二个约束装置(104)固定，在第一个和第二个约束装置之间的每个悬臂弹簧均具有无约束长度，可以自由弯曲。约束装置(103，104)可以将悬臂弹簧(101，102)保持为平行且相互间隔开的状态。力值输入构件(105，106)可以经由约束装置连接，从而力值输入构件的相对运动可使悬臂弹簧(101，02)弯曲。可以设置力值测量装置(107)，用以测量施加在力值输入构件之间的力度大小。

Description

力值测量装置

本发明涉及一种力值测量装置，应用于康复辅助，并连接计算机和机器人系统使用。

认知能力，特别是注意能力，对受伤后大脑重建和重新学习机能性运动的能力至关重要。对于手臂和手无力的人，传统治疗的作用是结合认知和运动两个方面，执行和重复日常生活所需的任务。增加此类治疗的时间和强度可以改善患者的恢复效果，这已被我们熟知。

迄今为止的许多疗法都卓有成效但受资源限制(例如监督理疗、机器人技术)；或虽为资源节约型疗法但由于缺乏证据、患者身体条件受限或积极性不高而效果不佳(例如基于互联网的练习，治疗性橡皮泥)。具体例子包括：任天堂Wii^TM型接口，不具备力量感测功能，且大多数患者无法使用，或者Tyromotion的“Pablo”^TM手柄，提供力量感测但不符合要求，限制了对力量的控制和反馈。除此之外，目前使用移动硬件(平板电脑和智能手机技术)的基于互联网的/移动应用程序(App)康复软件不涉及有实效功能的运动训练，而是侧重点击、触摸屏幕和滑动动作。

本发明提供一种力值测量机制，包括两个力值输入构件、一对悬臂弹簧和一个力值测量装置。每个悬臂弹簧的一端由第一个约束装置固定，每个悬臂弹簧的另一端由第二个约束装置固定，在第一个和第二个约束装置之间的每个悬臂弹簧的长度均无约束，可以自由弯曲。约束装置可以将悬臂弹簧保持为平行状态且相互间隔开。力值输入构件可以经由约束装置连接，力值输入构件的相对运动能够使悬臂弹簧弯曲。通过对力值测量装置进行设置可以测量施加在力值输入构件之间的力值。感测的应力既可以是压力也可以是拉力，没有摩擦力或后冲力。

此力值测量装置可以内置力度传感器，例如负载传感器，或者可以进行设置用来测量此装置两部分之间的距离的变化，例如测量两个力值输入构件之间的距离。这点可以理解为：输入构件之间或者一个输入构件与此装置中一个或多个其它部件之间的距离，会随作用在力值输入构件上的力度变化而变化。因此，该距离可以用于作用力的测量。或者，此力值测量装置可以内置一个弯曲度传感器，用于测量至少一个弹簧的弯曲。

两个悬臂弹簧可以具有相同的无约束长度。当对输入构件之间施加力时，可以将悬臂弹簧在弯曲时设置为保持平行的状态。

该装置还可以内置第二对悬臂弹簧，其中第二对悬臂弹簧中的每根弹簧的一端可以由第一个约束装置固定，第二对悬臂弹簧中的每根弹簧的另一端可以由第三个约束装置固定。第二对悬臂弹簧中的每根弹簧在第一个和第三个约束装置之间无约束长度，可以自由弯曲。约束装置可以将每对悬臂弹簧固定为平行状态且相互间隔开。这可以理解为：此装置可以内置多对悬臂弹簧，例如三对、四对、五对或更多对悬臂弹簧。

第一个约束装置可以将两对旋臂弹簧约束到一起。第二个和第三个约束装置可以分别单独作用，当作用力施加在力值输入构件上时可以彼此间相对移动。力值输入构件可以附接到单独的约束装置上。力值输入构件可以设计为适合人手的大小。

当力作用在两个力值输入构件之间时，可以通过设置实现第二对悬臂弹簧的弯曲形状同第一对悬臂弹簧保持一致。可以在悬臂弹簧上安装柔度调节构件，用于调节悬臂弹簧的有效弯曲长度。

柔度调节构件可以设置一些开口，悬臂弹簧可以穿过开口延伸。调节构件沿悬臂弹簧的位置可由螺纹轴控制，螺纹轴由调节构件上的螺纹孔相接。或者，调节构件可以借助本身直接延伸出来的突起，沿着弹簧滑动和调节。

该装置还可以内置一个无线传输设备，用于将力度测量工具上的测量数据传送到远程设备上。该装置还可以再内置一个运动传感器，用以感应该装置的动作(在自由空间中)。运动传感器可以包括以下任何部件：加速度计，陀螺仪和磁力计。可以感应此装备的速度、方向和重力。此外，该装置还可以再内置振动触发装置，提供触觉反馈。振动触发装置可以附接到一个力值输入构件上。振动触发装置可以内置振动式电机。

该装置可以反馈力度、位置和触觉信息。例如，该装置还可以内置一个引动装置，向用户提供触觉反馈或刺激。引动装置可以附接到一个力值输入构件上，或装置的其它部分。可以通过设置引动装置，提供以下一项或多项信息：至少一个力值输入构件的震动、形状变化和大小变化。

该装置还可再包含一个可移式覆板，覆盖至少一个力值输入构件，这样至少其中一个力值输入构件的形状、大小和质地可以改变。

本发明还提供了一种内含计算机设备的系统，计算机设备负责运行程序和力度测量装置。该计算机设备从力度测量工具接收力度测量信号，作为输入数据运行该程序。该系统可以为康复系统。

该装置还可以再包括一个或多个功能的任意可行组合，或本发明的优选实施例，现在仅通过示例的方式进行描述，并参考附图。

图1根据本发明的一个实施例显示了力度测量装置；

图2根据本发明的另一个实施例显示了力度测量装置；

图3显示了处于压缩状态的图2装置；

图4显示了处于拉伸状态的图2和图3装置；

图5显示了图2到图4的变型，允许柔度调节；

图6显示了图5装置，降低柔度；

图7根据本发明的另一实施例显示了一种康复设备的分解图；

图8显示了与远程设备相连的图7康复设备；以及

图9根据本发明的另一实施例显示了一种康复设备。

图1显示为力度测量装置100，包括一对悬臂弹簧101和102，位于两个相对的力值输入构件105和106之间。每一根悬臂弹簧由一条弹性材料(比如弹簧钢)组成，彼此平行且相互间隔。悬臂弹簧在一对约束块103和104之间延伸。悬臂弹簧连接到约束块上，可以以任何方法将悬臂弹簧固定于约束块，例如夹紧，接合或焊接。在该示例中，每个悬臂弹簧的末端部分约束在约束块103和104悬臂的表面上。力值输入构件105和106各自牢固地附接到一个相应的约束块上，平行于悬臂弹簧延伸，并且在中立(未负载)状态下与它们间隔开。力值输入构件105和106沿着悬臂弹簧101和102的整个长度延伸，并与它们间隔开。力值输入构件106分为两部分，与约束块相连的内部部件106a和通过负载传感器107连接到内部部件上的外部部件106b，因此如果力值输入部件的外表面相对挤压，负载传感器可以测量出所施加的力度大小。或者，负载传感器107可以直接连接到约束块103一侧，并在另一侧连接到单个的力值输入构件上。

当在力值输入构件105和106之间施力时，悬臂弹簧101和102会产生弯曲。弯曲时，悬臂弹簧保持平行，并且由于悬臂弹簧的无约束长度等于约束块的长度，约束块的另一面也保持平行且不旋转。因此，当在力值输入构件之间施力时，构件保持基本平行。

参考图2，力度测量装置200包含一对力值输入构件205和206，彼此平行并相互间隔。第一对平行的悬臂弹簧201a和201b以及第二对平行的悬臂弹簧202a和202b，位于力值输入构件205和206之间。所有四个悬臂弹簧处于平面状态且彼此间隔。悬臂弹簧也平行于中性(无负载)状态下的力值输入部件。

两对悬臂弹簧中的每一对在公共约束块204与两个单独的约束块203a和203b中的其中一个之间延伸。第一对悬臂弹簧201a和201b在公共约束块204和单独约束块203a之间延伸。第二对悬臂弹簧202a、202b在公共约束块204和单个约束块203b之间延伸。每个悬臂弹簧的一端均固定在公共约束块204处，并且每个杆的一部分被约束在单独的约束块203的其中一个约束块上。第一对悬臂弹簧201在单独约束块203a中具有约束，第二对悬臂弹簧202在另一个单独约束块203b中具有约束。

在公共约束块204中，两对悬臂弹簧的四个约束将悬臂弹簧201a、201b、202a、202b的一部分以平行且线性间隔的位置固定。单独的约束块203将每对悬臂弹簧201a、201b或202a、202b的一端固定在平行且间隔的位置，但是单独约束块203a、203b是独立的约束块，允许一对悬臂弹簧201的末端向相对于另一对悬臂弹簧202的末端移动。单独约束块203通过悬臂弹簧基本上彼此平行固定。

力值输入构件205和206各自连接单独约束块203a和203b。左手力值输入构件205连接对应的左手单独约束块203a，右手力值输入构件206连接对应的右手单独约束块203b。力值输入构件205、206是刚性构件。每个力值输入构件从与单独约束块203的连接处，沿平行于未弯曲的悬臂弹簧的方向，向公共约束块204延伸。

力值输入构件206中的其中一个构件，具有两部分组成，与约束块203b连接的内部部件，和用负载传感器230与内部部分连接的外部构件，这样如果力值输入构件205、206的外表面相对施压，负载传感器230可以测量施力大小。或者，负载传感器230可以直接在一侧与约束块203b相连，在另一侧与单独力值输入构件相连。

当在力值输入构件205和206之间施力时，两对悬臂弹簧201和202产生弯曲。弯曲时，每对悬臂弹簧保持平行，并且由于悬臂弹簧的无约束长度等于约束块204、203a、203b的长度，约束块的相对表面也保持平行且不旋转。因此，当力施加在它们之间时，力值输入构件205、206基本上保持平行。

在图2所示的中立位置中，悬臂弹簧201、202和力值输入构件205、206都位于平行平面中。参考图3，当压力210施加在力值输入构件205、206之间时，悬臂弹簧在约束部分之间弯曲。每对悬臂弹簧彼此平行弯曲，每对悬臂弹簧弯曲的形状与另一对悬臂弹簧保持一致。悬臂弹簧弯曲时，约束块203、204不旋转，所有约束块保持彼此平行。每个悬臂弹簧的作用就像平行四边形连杆中的一个连杆，对边总是保持平行。因此，连接到单独约束块203a、203b的力值输入构件205、206在压力(或张力)作用下不旋转，并且在压力方向向内移动的同时保持彼此平行。

负载传感器230测量施加在力值输入构件205、206之间的力。可以理解为：由于不需要引导装置来保持力值输入部件平行，所以在移动期间不存在摩擦力或后冲力。因此，系统的灵敏度仅受限于与负载传感器相关联的电子设备的分辨率(即预放大和数据采集)。

在图4中，拉力220施加到每个力值输入构件205、206上，具有使悬臂弹簧沿与压力210相反方向弯曲的效果。这可以通过带圈来实现，带圈能够将人拇指和食指抓握的力值输入构件固定住。同样，力值输入构件与约束块的旋转保持平行。

图5显示了具有可调弹性的力值测量装置。该装置与图2的装置相同，附加了柔度可调块(ACB)500。ACB500具有四个开口，每个对应一个悬臂弹簧，可沿着悬臂弹簧的长度滑动。每个开口与每个悬臂弹簧周围紧密贴合，并相对于其它悬臂弹簧，确定每个悬臂弹簧的位置。可以通过减小悬臂弹簧的有效(无约束)长度(L)来增加装置的刚度。这通过将ACB500从最接近公共约束块204的位置向图6所示的单独约束块203滑动来完成。柔量降低了，因为在悬臂弹簧有效长度减少的情况下想要实现相同的压缩位置意味着；悬臂弹簧必须通过更大的弧度弯曲，而额外的弯曲需要增加装置的刚度。

图7是根据本发明另一实施例展现的中风康复装置700。康复辅助装置700包括具有可调柔度的力度测量装置701，等同于图5和6中描述的装置。装置701具有由弹簧钢薄条构成的四个悬臂弹簧702。

共同约束块由三块塑料(PLA)(或其它合适的材料，例如不锈钢)构成，第一个分离块704将第一对悬臂弹簧的两端分离，第二个分离块704将第二对悬臂弹簧的两端分离，第三个分离块703将这两对悬臂弹簧分离。每个分离块都用一对螺栓固定到第三个(中间位置)分离块703上，并且螺栓可将悬臂弹簧的两端固定在分离块之间。约束块706和707通过螺栓连接固定在悬臂弹簧的两端之间。因此，悬臂弹簧的两端可以固定在约束块的相对两面上。或者可以理解为悬臂弹簧和约束块可以制作为一个整体。

力值测量装置701拥有一块可调整性滑块708，它能够以图5和图6所示的方式沿悬臂弹簧上下滑动。第一个分离块703上有垂直孔洞，孔洞方向与悬臂弹簧的方向相平行。螺纹轴709位于孔内，并沿悬臂弹簧间隙向下垂直延伸。螺纹孔位于可调整性滑块708的中心，螺纹轴709穿过螺纹孔并通过螺纹与螺纹孔接合。

装置700包括两个力值输入构件711和713。力值输入构件711包括可调节手柄711b和支撑件711a，其中可调节手柄与支撑件相互关联。支撑件711b使用螺栓固定在其中一块约束块706的一端，悬臂弹簧也由螺栓进行固定。支撑件711a在与悬臂弹簧相邻且平行的方向上延伸到相对自由(无约束)端。支撑件711a具有刚性非柔性结构的通道。可调节手柄711b装配在支撑件711a上方，并可通过一系列的齿条相对于支撑件进行定位，锁定装置721允许齿条接合和分离以固定或调整可调节手柄的位置，由此可以增加或减少手柄的周长以适应不同的手掌尺寸。当然可以使用诸如无头螺钉等其它调节装置。

负载传感器712装配到第三个约束块707上，且位于第二个力值输入部件713和外部悬臂弹簧702之间。第二个力值输入构件713包括支撑件714和底座715，该构件内部有容纳电池716的隔层，蓝牙通信装置717和印刷电路板(PCB)718。振动马达719固定在支撑件714上，它通过电池716接收电力并控制来自印刷电路板718的信号。固定手柄720通过螺栓连接到支撑件713上，该支撑件713与可调节手柄711b相邻。印刷电路板718由微处理器、模拟信号调理子电路和连接器组成。印刷电路板718还可以包括附加的机载传感器，例如惯性测量单元(由加速度计，陀螺仪和磁力计组成)，以便实现例如通过空间跟踪手掌的运动。

在使用过程中，康复辅助装置700可为手臂虚弱的患者或因脑损伤(例如中风、多发性硬化、创伤性脑损伤等)引发手部灵活度缺陷的患者进行评估和康复辅助。病人的握力可通过病人挤压可调节手柄711和固定手柄720的力度来评估。当患者抓住装置手柄时，力度测量装置701的悬臂弹簧702会向内弯曲，从而使得固定手柄和可调节手柄的力值输入部件一起移动。施加到手柄的力可通过负载传感器712进行传递，该负载传感器可通过印刷电路板718将代表力值的信号发送到蓝牙装置717，并最终将信号传输到诸如平板电脑800此类的远程设备上。当然，也可以使用诸如电缆、红外线或Wi-Fi网络此类的信号传输手段。

图8展示的是带有远程设备的康复辅助装置700，在本例中的远程设备是平板电脑800。平板电脑包括蓝牙发射机/接收机801和处理器802。康复辅助装置700可以经由其蓝牙装置717从平板电脑发送和接收信号。平板电脑的处理器上有运行的计算机游戏，患者需要使用康复辅助装置进行某些力值输入。该游戏旨在对患者的精细运动技能和注意力提出要求。

警报可以通过传送蓝牙信号的方式从平板电脑800发送到康复辅助装置，在该装置上，蓝牙设备717接收信号并通过印刷电路板718将信号发送到振动马达719，由此警报信号传送到患者。振动马达719可以向用户提供触觉反馈，例如，当预先设定的力或一定数量的力输入之后，振动马达719就会被激活。印刷电路板718或外部设备可能会产生警报。

旋转主轴可以控制悬臂弹簧702上的可调节滑块的位置。旋钮710位于主轴709的顶部，可以实现用手来旋转主轴。

该装置可以通过移动与支撑件711a相对的可调节把手711b，来扩大或缩小手柄，由此使得手柄大小与患者手掌尺寸相符。这是通过释放锁定装置721，移动与支撑件771a上的齿条相对的可调整力值输入构件并重新锁紧锁定装置来实现的。

抓握/挤压等手掌功能运动对日常生活十分重要。康复援助装置是一种经济实惠、易于使用且高度敏感的装置，能够在广泛的力量(包括最严重受损程度>0.1N的闪烁运动)范围内记录患者的握力。通过蓝牙，手柄能够连接所有兼容的数字硬件(PC、平板电脑、手机)，并通过将握力的变化作为控制方法，实现与引导性和激励性康复游戏软件的交互。这种交互作用需要结合认知能力和功能运动的使用，从而实现对传统治疗的补充。

该装置的便携式特性和连接到移动技术硬件的能力意味着，手握式不仅可以在受监督的健身房环境中由治疗师轻松应用，而且可以在无人监督的治疗中让患者在床边实现锻炼，也可以在家庭环境或让患者在“去旅行”这种自我激励治疗中轻松使用。

此处还可以理解为图7系统中的弹簧装置可以加以改进，以同图1的装置相对应。在本发明的另一实施例中，可以对上述任何实施例进行进一步的修改，如图9展示的大致修改，它可以详细地对应图7中的康复辅助装置。力度测量装置，而不是负载传感器，可以用于测量两个力值输入构件905和906之间的距离。例如，力度测量装置可以包含一个光学传感器，用于测量部件907和908两者之间的距离，力值输入部件905和906各安装一个。不过，也可以使用诸如感应器或电容传感器等其它形式的距离测量设备。可以理解为，即使力值输入构件905,906是不完全刚性且有些柔性的，施加在两个力值输入构件905和906之间的力与它们之间的距离之间也存在着某种固定关系。在这种配置的改进版中，可以在与图中所示设备的一端相对的位置上添加另一个距离测量设备。通过分离的两个输入构件两端得到的两个测量结果，可以获得施力的位置以及将输入构件905和906自身灵活性考虑在内的更好的测量方法。

此外，在该实施例中，力值输入构件906包括一个相对刚性的内部构件906a和一个相对柔性且覆盖内部构件906a外表面的外层或外壳906b。在内部构件906a和外部构件906b之间有一排引动器910，每个构件可用于控制内部构件906a和外部构件906b在相应区域上的距离变化。由于外部构件906b是柔性的，引动器910可以独立或以协调的方式进行操作，以便改变力值输入构件906的外表面形状。这就允许装置给出不同类型的主动反馈或刺激。例如，可以控制910中的一个或多个引动器以提供振动反馈或刺激，或者可以修改力值输入构件的形状以使其适应于特定用户或特定任务。尽管图示中仅标注了其中某一个输入构件906，但是这种装置可以在两个输入构件905和906上安装。

加热元件912也可以嵌入到力值输入构件906中。图中所示的嵌入位置是靠近输入构件中心的某点，但也可以将其设计为条带或片材的形式，用于加热力值输入构件的对应区域，由此为客户提供反馈、刺激或舒适度。同样，这种装置可以设计在输入构件905和906中的任一个或两者上。

力值输入构件905的另一端外表面有可移式覆板914，在这种情况下，可以通过卡扣紧固件或钢夹916连接到输入构件905上。在这种设计的改进中，覆板914可以是柔性的。并且可以按照输入构件905的形状设计覆板形状。覆板914可以是刚性且有固定形状的，或可以是柔性的，例如以薄膜覆盖物的形式。两个或多个可移式覆板可以设计成不同的形状和/或纹理和/或厚度，从而使得力值测量装置适用于不同活动或用户。再次，输入构件905和906上均可安装可移式覆板，也可单独安装或是与外部构件906b组合在一起。

可以理解为，本文所公开的弹性装置可以按比例放大或缩小以测量其它身体运动，例如手指捏力计。在不同的外壳中，该装置可以通过将力施加到力值测量装置上的方法来评估和训练脚及脚踝的运动。例如，这对于改进汽车离合器的控制十分有益。

可以理解为，本文所公开的弹性装置也可以应用于康复以外的其它领域。例如，该装置可应用于通用计算机游戏控制器、通用计算机鼠标或控制机器人系统的接口。或者，该装置可应用于脚踏开关，用来控制需要高度敏感的力度控制的机器人手术中所使用的切割工具，或者应用于交互式运动训练设备，如用于训练登山者的训练握把设备。

Claims (22)

1.力值测量装置包括两个力值输入构件、一对悬臂弹簧和一个力度测量装置，其中每个悬臂弹簧的一端均由第一个约束装置所固定，并且每个悬臂弹簧的另一端均由第二个约束装置所固定；第一和第二个约束装置之间悬臂弹簧具有自由弯曲的无约束长度，约束装置将悬臂弹簧保持平行且相互间隔的位置，力值输入构件通过约束装置连接，使得力值输入构件的相对运动引起悬臂弹簧的弯曲，并且该力值测量装置被布置为用于测量施加在力值输入构件之间的力度大小。

2.根据权利要求1所述的装置，该装置中的两个悬臂弹簧的无约束长度相等。

3.根据前述任一项权利要求所述的装置，当于力值输入构件之间施力时，该装置中的两个悬臂弹簧在弯曲时应保持平行状态。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置中还包含第二对悬臂弹簧，其中第二对悬臂弹簧的一端应由所述的第一个约束装置固定，并且第二对悬臂弹簧的另一端应由第三个约束装置；其中位于第一和第三个约束装置之间的第二对悬臂弹簧应具有自由弯曲的无约束长度，并且约束装置将每对悬臂弹簧保持在平行且相互间隔的位置。

5.根据权利要求4所述的装置，该装置的第一个约束装置应用于两对悬臂弹簧使其彼此相对。

6.根据权利要求5所述的装置，该装置的特征在于：当在力值输入构件之间施力时，第二和第三个约束装置应是各自独立的约束装置且能相对彼此移动。

7.根据权利要求6所述的装置，该装置的力值输入构件应连接到独立的约束装置上。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置的力值输入构件尺寸应与人的手掌尺寸相符。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的装置，当在力值输入构件之间施加力时，该装置的第二对悬臂弹簧的弯曲程度应与成第一对悬臂弹簧的弯曲形状一致。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置的柔度调节构件应与悬臂弹簧相适应，悬臂弹簧能操作调节其自身有效弯曲长度。

11.根据权利要求10所述的装置，该装置的柔性调节构件应含许多孔洞，且悬臂弹簧应延伸穿过上述孔洞。

12.根据权利要求10和11所述的装置，该装置中沿着悬臂弹簧安装排列的柔度调节构件的位置应由螺纹轴控制，螺纹轴与柔度调节构件中的螺纹孔相连接。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置还包括一个无线传输设备，用于将测量的力值数据从力值测量装置传送到远程设备。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置还包括一个运动感应器，用于测量该装置的运动。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置还包括一个传动装置，用于向用户提供触觉反馈或刺激。

16.根据权利要求15所述的装置，该装置中的传动装置应连接到某一个力值输入构件。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的装置，该装置的传动装置用于产生以下至少一种反馈：至少一个力值输入构件的振动、形状变化和尺寸变化。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置中至少一个力值输入构件还包括一个可移式覆板，由此可以改变至少一个力值输入构件的形状、尺寸和结构。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，该装置还包括一个加热装置，用于加热至少一个力值输入装置，从而向用户提供反馈或刺激。

20.一种包括计算机设备和根据前述权利要求中任一项所述的力值测量装置的系统，所述计算机设备被布置为运行程序，由此在程序运转时，所述计算机设备被布置为将接收力值测量装置发出的力值测量信号以信号输入的形式接收。

21.此处所描述的力值测量装置可参考本文附图。

22.此处所描述的康复系统可参考本文附图。