一种用于手指精细运动功能评估和训练的方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于手指精细运动功能评估和训练的方法及装置，包括支架、位置姿态传感器、多轴力敏传感器、控制器和手指捏片，其中，支架两侧分别设置有对称布设的多轴力敏传感器，所述多轴力敏传感器上连接有手指捏片，支架顶端设置有位置姿态传感器，多轴力敏传感器采集手指三维空间力信号，位置姿态传感器采集装置的空间位置数据，控制器根据多轴力敏传感器和位置姿态传感器采集的信息，生成姿态视觉反馈，进行实时显示。本发明能够对各参与手指的力量控制能力和姿态位置控制能力进行有效的测试，测试精确度高，灵敏度高，重复测试ICC>90％，能够客观准确地反映出受试者的手指精确力量和姿态位置的控制能力，不再依赖测试者的主观经验和判断。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于手指精细运动功能评估和训练的方法及装置。

背景技术

手指的精细运动功能是人类用手完成各种复杂操作的重要基础。目前对手的精细运动功 能的测试评估多采用调查问卷或基于行为表现的量化计分。以最常使用的普渡钉板测试为例， 该测试要求受试者在规定的时间内抓取细小的螺钉和螺母，并将其插在小孔中，通过规定时 间内完成的个数进行评估。这些评估方法的主要缺点是测试精确度差，灵敏度低，可靠性差， 过于依赖患者的临场操作和测试人员的主观评价。

而对于手的精细运动功能的训练和改善，尚缺乏相应的训练设备。目前广泛使用的力量 牵引训练机等，只适合大肌群收缩下的高幅度力量训练，对手的精确运动功能的训练效果不 佳。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于手指精细运动功能评估和训练的方法及装置， 本发明能实现对手指精细运动功能的评估和训练，在测试精度、评估的可靠性、训练的有效 性方面较传统技术有显著的提高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于手指精细运动功能评估和训练的装置，包括支架、位置姿态传感器、多轴力敏 传感器、控制器和手指捏片，其中，支架两侧分别设置有对称布设的多轴力敏传感器，所述 多轴力敏传感器上连接有手指捏片，支架顶端设置有位置姿态传感器，多轴力敏传感器采集 手指三维空间力信号，位置姿态传感器采集装置的空间位置数据，控制器根据多轴力敏传感 器和位置姿态传感器采集的信息，生成姿态视觉反馈，进行实时显示。

所述支架设置于底座上，支架保持竖直。

所述两个多轴力敏传感器的轴心线对齐，坐标系不同，坐标原点在同一水平线上。

进一步的，左侧的多轴力敏传感器坐标系三轴方向分别为：x轴正方向为竖直向上，y轴 正方向为水平向外，z轴正方向为水平向右；右侧多轴力敏传感器的坐标系三轴方向分别为： x轴正方向为竖直向上，y轴正方向为水平向内，z轴正方向为水平向左。

所述控制器包括显示模块和反馈模块，其中，显示模块显示指力的目标幅度值和多个目 标位置，反馈模块接收位置姿态传感器和多轴力敏传感器采集的数据，将其在显示模块上进 行显示。

所述手指捏片外侧设有保护层，且保护层可拆卸。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)控制器初始化，设置工作模式、重复次数、设定时间或/和总测试时间；

(2)控制器通过显示模块随机给出目标姿态、位置和目标力量幅度值，并使其在设定 时间内保持不变；

(3)控制器抓取位置姿态传感器和多轴力敏传感器采集的数据，判断其是否与目标姿 态、位置和目标力量幅度值一致；

(4)如果到达设定时间，目标消失，并返回步骤(2)，如果没有到达设定时间，则重 复步骤(3)；

(5)不断重复步骤(2)-(4)，直到满足重复次数或者总测试时间，计算指力控制分 数和位置及姿态控制分数，进行指力控制能力和位置和姿态控制能力评估。

所述步骤(1)中的目标幅度值的获取方法通过结合装置在不同的空中姿态下的受力分析 获得，保证指力与装置的重力的合力和合力矩为零，求解合力和合力矩方程得到各手指指力 的目标值。

所述步骤(1)中，控制器设置为训练模式还是测试模式，根据不同模式设定不同的测试 时间和重复次数。

所述步骤(5)中，评估指力控制分数的计算方法为对测试时间内指力幅值与目标线力量 幅值差值绝对值的累加。

所述步骤(5)中，评估位置及姿态控制分数的计算方法为装置实际位置与目标位置的差 值与装置实际角度矩阵和目标角度矩阵差值乘积的累加。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够对各参与手指的力量控制能力和姿态位置控制能力进行有效的测试， 测试精确度高，灵敏度高，重复测试ICC>90％，能够客观准确地反映出受试者的手指精确力 量和姿态位置的控制能力，不再依赖测试者的主观经验和判断；

(2)将手的精细运动功能的测试评估和训练改善结合起来，对改善手的操控能力有重 要的应用价值，可广泛用于手功能测试评估和脑卒中后手指功能的改善训练中。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为本发明的生物反馈指导界面示意图；

图3为本发明的测试和训练方法流程图；

其中，1为左侧多轴力敏传感器、2为右侧多轴力敏传感器、3为位置姿态传感器、4为 左侧传感器坐标系、5为右侧传感器坐标系、6为位置姿态传感器坐标系、7为系统坐标系、 8为装置底座、9为传感器支架、10为捏片、11为可更换保护垫。

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。

本发明提供一种装置，通过力敏传感器获得反映手指三维空间力向量信号，然后获得力 的幅值；通过电磁式位置追踪传感器获得装置的实时空间位置数据。将力和空间位置坐标进 行配准，统一在全局坐标系中。设计科学合理的生物反馈指导界面和程序，引导受试者抓取 控制装置完成指定测试和训练任务。提取有效参数，对测试进行评估，并引导完成训练。

如图1所示，该装置包括如下几个部分：首先是两个相对摆放的多向力敏传感器。传感 器的轴线精确对齐，分别安装在传感器支架的左右两侧。左侧传感器的坐标系如图1中的4 所示，右侧传感器的坐标系如图1中的5所示，在传感器支架9上部正中位置安放位置姿态 传感器，用于实施记录装置的空间位置和姿态。传感器上安装捏片10。捏片10外部覆盖与 手指相接触的可更换保护垫11。

左右力敏传感器获得的力向量为：左侧向量：

式中，a_x、a_y、a_z分别表示左侧力敏传感器坐标系中x₁,y₁,z₁三方向的力量分量，代表该坐标系下三轴方向，为合力向量。

右侧向量$\overrightarrow{f_2}=b_x·\overrightarrow{i}+b_y·\overrightarrow{j}+b_z·\overrightarrow{k};$

式中，b_x、b_y、b_z分别表示右侧力敏传感器坐标系中x₂,y₂,z₂三方向的力量分量，代表该坐标系下的三轴方向，为合力向量。

将整个系统的全局坐标系设为XYZ，将各力敏传感器坐标向系统坐标系转换，转换矩阵 设为T_1B和T_2B，则全局坐标系下的指力向量为：和位置姿态传 感器的三维位置坐标记为[p_x,p_y,p_z]，空中姿态由欧拉角表示，其中章动角为θ，进动角为Ψ， 自转角

评估和测试的反馈界面设计如图2所示。其中A为装置实时姿态标志、B为指力的法向 分量标志框、C为左侧手指指力幅度目标线、D为右侧手指指力的幅度目标线、E为左侧手指 力向量的幅度值、F为右侧手指力向量的幅度值、G为初始时刻下的目标框、H为初始时刻标 准位置目标点、I为评估训练过程中的目标框和标准位置目标点、J为目标框所在圆环。图2 中的1表示的是装置的姿态，三角形左右两边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表示的是与拇指相对手指的力向量幅值。横亘在左右 两个矩形框中间的线表示各自手指力向量的目标幅度值，该目标幅度值由装置在不同的空中 姿态下的受力分析获得。获得的方法是保证指指力与装置的重力形成的合力及合力矩为零， 即：和其中M为装置质量，g为重力加速度，di 为第i各手指指力距物体质心的垂直距离；dg为装置重力距离装置质心的垂直距离。求解这 个方程组，即可得到各手指指力目标值。

当测试开始的时候，屏幕正中心圆环圆心处出现一个三角形(图2中的G所示)，同时 三角形顶点上有一个圆点(图2中的H)，用来表示正方向。该位置即为起始时刻的位置。之 后，圆心处的目标三角会消失，然后圆周边8个位置上会随机出现一个相同的三角目标区， 但圆点表明的正位置的方向是根据三角形出现的位置而不同的，其角度分别为：0°/360°、45°、 90°、135°、180°、225°、270°、315°。

目标的形状，如三角形可以根据本领域技术人员的常规知识替换为矩形、梯形、五角星、 椭圆等等其他形状，均属于简单替换，理应在本发明的保护范围内。

其次，角度的设置方式或者其他目标区域的设置方式也可以根据具体情况进行调整，属 于简单替换，理应在本发明的保护范围内。

测试过程由图3所示。测试开始时，首先输入受试者基本信息，并设定工作模式为测试 还是训练。然后设备开始运行，受试者首先根据测试要求选用拇指和另外一个手指(可选择 食指、中指或无名指等任一手指与拇指配对)抓取装置悬于空中，保持装置底座与桌面水平。 这时反馈界面上的圆心处出现目标三角形。受试者此时要调整装置的位置和姿态，使装置在 屏幕上的标志A移动到目标三角区上，并根据圆点将装置姿态摆正，同时调整两个手指的力 量幅度，尽可能地接近各自力量方框中的目标线。在该起始位置保持10秒之后，圆中心处的 目标三角形消失，之后三角形会随机出现在圆周围各位置上的任一位置处。测试者此时应移 动装置使代表装置的三角形与目标三角形重合，并根据目标三角形上的圆点调整装置三角形 的姿态。在此过程中，仍然要保持各手指力量的幅度与接近力量幅度目标线。当目标三角形 出现在某个位置10s之后，目标三角形消失，然后随机出现在圆周上其他某个位置。测试者 需要尽快移动装置到新得位置，并重复上述过程。如果此时的工作模式是测试，则如此进行 3分钟后程序停止，受试者将装置放回原处休息，屏幕上出现测试表现评分。如果工作模式 使训练，则受试者要持续进行这样的过程直到规定的时间结束。而这个时间可以根据受试者 自身情况进行设定。在做训练时，测试结果会不断在屏幕上出现和更新。受试者可以根据表 现情况不断调整训练中的状态。当训练结束的时候，受试者将装置放回原处。受试者还可根 据需要选择是否重新开始测试或训练。

测试评分方法如下：

设指力幅值为指力控制能力分数S_dig的计算方法：

$S_{\mathrm{dig}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{t=\mathrm{as}}{\overset{\mathrm{bs}}{\Sigma }}\left|\right|\left|\overrightarrow{F_i\left(t\right)}\right||-F_i^{\mathrm{tgt}}\left(n\right)|$

其中，t为时间参数，设定为b秒重合时间的最后b-a秒钟，即第a至b秒，N为目标形 状出现在目标位置的次数，如果是测试模式，在3分钟时间内共出现18次，即N＝18；如果 是训练模式，N＝1，即仅计算上一次目标出现时的得分。i为拇指和与之配对的手指；为 第i个手指出现在第n个位置时的目标线幅值。

位置和姿态控制能力分数S_att的计算方法为：

位置误差的计算：

$[{\mathrm{\Delta p}}_x\left(t\right),{\mathrm{\Delta p}}_y\left(t\right),{\mathrm{\Delta p}}_z\left(t\right)]=[p_x\left(t\right),p_y\left(t\right),p_z\left(t\right)]-[p_x^{tgt}\left(n\right),p_y^{tgt}\left(n\right)]$

其中，p_x(t)、p_y(t)、p_z(t)为装置的实时三维空间位置，为出 现在第n个位置处的目标三维空间坐标。Δp_x(t)、Δp_y(t)、Δp_z(t)为装置实施空间位置距离目 标位置的误差。

旋转矩阵计算：

其中，θ为章动角，Ψ为进动角，为自转角。

当目标三角形出现在圆周任一位置n时，旋转矩阵为:

其中，θ、Ψ、为目标出现在第n个位置时的章动角、进动角和自转角。

则旋转矩阵的变化为：

位置和姿态控制能力分数S_att为：

$S_{att}={\Sigma }_x^{y,z}{\Sigma }_{n=1}^N{\Sigma }_{t=a}^b[{\mathrm{\Delta p}}_x\left(t\right),{\mathrm{\Delta p}}_y\left(t\right),{\mathrm{\Delta p}}_z\left(t\right)]\times {\mathrm{\Delta T}}_a\left(t\right),$其中，t为时间参数，设定为b 秒重合时间的最后b-a秒钟，即第a至b秒，N为目标形状出现在目标位置的次数，如果是 测试模式，在3分钟时间内共出现18次，即N＝18；如果是训练模式，N＝1，即仅计算上一 次的出现时的得分。

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。