振动触觉致动器及控制方法、评估方法和可穿戴康复装置转让专利
申请号 : CN202410025213.3
文献号 : CN117519489B
文献日 : 2024-03-19
发明人 : 徐晗 , 徐东 , 李益斌 , 张珝
申请人 : 同济大学浙江学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种振动触觉致动器,其特征在于,包括多个LRA致动器,多个LRA致动器采用机械隔离的方式单独布置形成空间四面体结构,所述空间四面体结构用于合成产生任意方向的触觉力矢量;
通过设计计算和数值仿真确立三维线性力矢量和三维扭矩矢量的矢量力触觉致动器的空间阵列布置构型和机械解耦隔振形式;
所述LRA致动器设置为6个。
2.一种如权利要求1所述的振动触觉致动器的控制方法,其特征在于,所述方法包括:当LRA致动器在控制周期内输出冲量为0的情况下,通过控制LRA质量块往返的时间差,获得在力脉冲幅值更高方向上的更大的皮肤变形;
通过对空间阵列的多个LRA致动器的有序非对称控制来合成实现指定方向上的选择性振动,形成以三维空间力矢量和三维空间扭矩矢量合成的六维的矢量力触觉反馈。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,基于所述振动触觉致动器的LRA致动器布置构型及频响特性,建立输出任意指定矢量力和矢量扭矩的矩阵方程,并以各LRA致动器的共振频率点为控制输出信号频率,获得最优的矢量力触觉合成控制效果。
4.一种上肢可穿戴康复装置,其特征在于,包括若干个节点,每个节点内设置有如权利要求1所述的振动触觉致动器、IMU传感器以及动态量化评估装置;
所述动态量化评估装置包括:
构建模块,被配置为建立多关节约束滤波模型,以监测人体动态动作并获取自定义评估指标,所述自定义评估指标包括运动速度、路径比、加速度变化率、终点偏差、触觉力、路径偏差和动作符合度中的一种及其组合;
评估模块,被配置为根据所述自定义评估指标判断康复训练任务的动态训练质量和上肢功能状态评估;
所述上肢可穿戴康复装置用于实现对角线螺旋运动模式的康复动作的训练任务,融合矢量触觉反馈,引导患者完成对角线螺旋运动模式训练,并通过所述动态量化评估装置实现训练的动态量化评估。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述构建模块被进一步配置为:以加速度计和磁强计计算静止时的初始姿态角;
以陀螺仪测量模型建立系统状态方程,以加速度计和磁强计测量值建立系统观测方程,建立基于扩展卡尔曼滤波算法人体运动时的姿态最优估计模型;
将人体多个关节建立全局坐标系,采用估计投影法将人体关节约束引入扩展卡尔曼滤波算法模型中,实现多关节约束滤波模型的构建。
说明书 :
振动触觉致动器及控制方法、评估方法和可穿戴康复装置
技术领域
背景技术
牵引力等)的感知,极大地增强了虚拟康复的沉浸感、交互性和构想性。
动机和联动装置利用来自桌子的反作用力来推动用户。Geomagic公司的 Touch系列,Force
Dimension公司的 Omega和 Delta系列等均为这类设备。Pruna等人利用Geomagic Touch力
反馈设备设计了虚拟浇花任务程序,显著提升患者康复兴趣和参与愿望。Hussain等人基于
同样的设备开发了一套虚拟目标指向任务用于评估患者上肢的转移活动能力。Kim等基于
Novint Falcon的3D Touch haptic Controller 开发了虚拟3D空间曲线引导任务游戏,分
析了康复模型与任务难度之间的关系。Fluet等则利用Phantom Omni力反馈设备开发了一
套虚拟的钉板测试系统来评估患者的定位能力。南开大学的孙宁团队使用Omega.7 力反馈
设备设计了用于上肢功能训练的精细运动控制任务。北航的樊瑜波团队则同样基于
Omega.7 力反馈设备开发了一套虚拟手功能评测系统(VBBT),该系统使用力渲染算法来计
算触觉交互作用,实现对抓握物体的重量和抓握力的记录。高敏等基桌面力反馈设备设计
了意向名为“循圆”的虚拟任务,用于对处于BS VI阶段的患者进行腕部环绕的的协调功能
训练评估。
CyberGrasp系统,开发了多种虚拟抓握任务,用于患者康复进展的评估。李敏等开发了具有
指尖皮肤触觉刺激的外骨骼手功能康复系统,结果显示额外的触觉刺激显著提供了参与者
的注意力水平。Leonardis等开发了一套调节指尖皮肤拉伸形变的可穿戴触觉装置,该装置
提供触觉反馈时,被试者可以更精确的执行抓取任务,抓取力也更接近自然状态。Uchiyama
等研究了基于振动马达3x3阵列布置的触觉手套。Karime等开发了用于腕关节康复的振动
触觉手套,使用布置在手背的两个振动马达来指示规定的动作。
体积大,价格昂贵,并且大部分局限于手指的抓握或力反馈,运动范围极小,难以胜任居家
的肢体康复任务。可穿戴设备的研究也都主要集中在对指尖等部位提供压迫型力触觉反
馈,但是穿戴复杂,设备结构也复杂,且作用范围和适用位置有较大局限性;或采用多个振
动马达组合实现震动触觉指示,而且触觉反馈的力的方向单一,组合的触觉感受还需要大
脑进一步加工理解其指示意义,加大患者理解和使用难度,并且难以应用在肢体的大范围
康复引导上。
康复一样的效果。然而,如何有效监测并评价患者居家康复进程、功能状况以帮助康复医师
进一步制定个体化的康复治疗方案,一直是居家康复发展的瓶颈。
者的居家监护。Patel等用加速度传感器来自动估计 Wolf 运动功能评价量表(WMFT‑FAS)
得分;王景丽等利用极限学习机建立了FMA量表得分自动预测模型,该模型可对肩肘部得分
进行精确地自动预测;王纪平等基于GRNN模型,利用两个惯性传感器获取患者运动数据,提
出了Brunstrom自动评估方法;朱吉鸽等基于运动姿态与肌电融合信息构建了模糊支持向
量机,实现脑卒中患者上肢运动功能的实时Brunstrom分期评估。
运动范围为参考指标,验证了Kinect骨骼跟踪系统在运动功能评估过程中的有效性和可靠
性;张哲等运用姿态传感器分别测试了健康受试者与脑卒中患者对同一上肢评估动作的位
姿数据,并通过计算二者之间的动态时间规整距离,较为准确地区分了不同病情患者的上
肢运动功能;席旭刚等研究通过融合时域、时‑频域及熵域内的表面肌电特征,并运用支持
向量机验证了表面肌电信号在运动康复监测中的有效性。
虑康复过程中的康复动作、康复方案是否符合预期,而且也没有将康复训练过程与康复评
价有机结合,没有实现实时动态评估,存在一定的局限性。
发明内容
康复状态进行动态量化评估,建立一套触觉刺激‑神经冲动传导‑动作产生‑量化评估‑动态
纠正的人‑机闭环的康复训练模式,并以此为基础研发一套面向居家康复的可穿戴康复系
统,为实现患者康复的居家化、日常化、智能化和自适应化,具有重要的实际应用意义和社
会经济价值。
产生任意的触觉力矢量。
频率,获得最优的矢量力触觉合成控制效果。
合度中的一种及其组合;
力、路径偏差和动作符合度中的一种及其组合;
述上肢可穿戴康复装置用于实现对角线螺旋运动模式的康复动作的训练任务,融合矢量触
觉反馈,引导患者完成对角线螺旋运动模式训练,并通过所述动态量化评估装置实现训练
的动态量化评估。
验证,面向康复训练过程,通过应用多源信息传感融合技术获取评估基础数据,提出并构建
多元生物力学参数体系并完成动态量化评估模型的建立与验证,并以此设计开发针对上肢
康复的可穿戴康复系统及对应的的康复训练任务。
训练模式,建立面向康复训练过程及运动表现特征的运动康复体系,实现居家康复训练智
能辅助决策,进而达到康复的智能化、自适应化,极大的减轻患者居家康复的难度和成本,
提升康复的效果。
附图说明
具体实施方式
述,但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤,如果彼此之间没有前后关系的必
要性,则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制,本领域技术人员应知道可以
对其进行顺序调整,只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
可以实现在指定方位上的有没有,有多少的触觉感受,但往往采用商业的桌面型力反馈设
备,难以小型化,可穿戴化和低成本化。从人体的触觉感受特性上来看,人体皮肤上负责触
觉感知的机械性刺激感受器具有不同的特性,梅斯纳氏小体(Meissner corpuscle)对动态
皮肤变形敏感,可以检测到振动引起的对皮肤的各方向的拉动,帕西尼氏小体(Pacinian
corpuscle)对高频振动敏感,但不能感觉振动的方向。
者神经兴奋性和患者的主管感受,激发患者积极性和主观能动性,从而更为有效的促进脑
神经重塑,实现患者运动功能障碍等的改善或者康复的关键问题之一。
布置构型和机械解耦隔振形式;采用结构紧凑,各LRA又可由单独布置的空间四面体结构构
成基础构型(如图2),该布置形式通过使用6个完全相同的LRA致动器,来合成产生任意的触
觉力矢量。通过分析现有文献的方案,采用各LRA机械隔离的方式安放布置,以使各LRA的振
动能够不失真的传递到皮肤上引发皮肤变形,从而刺激皮肤机械感受器,产生触觉。
零的情况下,通过控制LRA质量块往返的时间差,从而获得在力脉冲幅值更高方向上的较大
的皮肤变形,进而由对此更敏感的梅斯纳氏小体感知,见图3。通过对空间阵列的多个LRA的
有序非对称控制来合成实现指定方向上的选择性振动,进而形成以3维空间力矢量和3维空
间扭矩矢量合成的6维的矢量力触觉反馈。
得最优的矢量力触觉合成控制效果。
患者运动动作、任务的完成质量。本实施例初步拟采用表1所示的与运动表现和任务轨迹关
联度较高的多种生物力学参数进行综合加权评估。
路径比 真实运动轨迹长度/起点‑终点距离 转移/定位 运动效率
加速度变化率 运动轨迹的3阶导数 转移/引导 运动平滑性
终点偏差 实际到达终点与目标点的偏差 定位 运动控制失调
触觉力 虚拟任务下的触觉交互力 引导/定位 触觉灵敏性
路径偏差 实际轨迹与目标路径归一化后的偏差 引导/定位 运动控制能力
动作符合度 完成动作与标准动作的符合程度,关键点的位置、角度误差加权综合 引导/定位 运动控制能力/运动灵活性[0053] 根据本实施例提出的动作符合度评估指标参数,人体动作监测的准确度是非常重
要的一环。本课题拟建立基于多源运动学传感传感信息的人体运动时的局部肢体姿态最优
估计模型,然后将人体局部多个关节建立全局坐标系(如图4),采用估计投影法将人体局部
关节约束引入姿态最优估计模型中,实现人体动作监测的多关节约束滤波模型的构建。
尔曼滤波(EKF)算法人体运动时的姿态最优估计模型;然后将人体多个关节建立全局坐标
系,采用估计投影法将人体关节约束引入扩展卡尔曼滤波算法模型中(如图5),实现人体动
作监测的多关节约束滤波模型的构建。
技术,对传感器采集的数据信息进行扩展卡尔曼滤波融合,并转变成为评估模型输入所需
的部分主要输入参数。
交互,实现康复训练的视觉、听觉和触觉反馈,同时使患者及时获取康复训练情况和质量的
评估结果。
究作为PNF治疗技术精髓和日常生活动作主要形式的对角线螺旋运动模式的康复动作的训
练任务,融合矢量触觉反馈,引导患者完成对角线螺旋运动模式训练,并实现训练的动态量
化评估,进而验证本课题在任务完成效率,完成质量,动作规范程度和参与感受上的优势。
矢量的6自由度力触觉合成,可在较大程度上实现昂贵的桌面式力反馈设备的丰富触觉感
受;本项目研究了基于设计构型的矢量力触觉合成控制理论,为触觉致动器更广泛的应用
提供理论控制基础;
训练质量和上肢功能状态评估。建立局部多关节约束的EKF算法模型,用于人体动态动作监
测并实现自定义评估指标的获取。
康复训练模式,建立面向康复训练过程及运动表现特征的运动康复体系,实现居家康复训
练智能辅助决策,进而达到康复的智能化、自适应化,极大的减轻患者居家康复的难度和成
本,提升康复的效果。
另外,在上述具体实施方式中,各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为
一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反,本发明的主题可以
少于特定的发明的实施例的全部特征。从而,以下权利要求书作为示例或实施例在此并入
具体实施方式中,其中每个权利要求独立地作为单独的实施例,并且考虑这些实施例可以
以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的
等同形式的全部范围来确定。