一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪及方法技术

本发明专利技术公开了一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪及方法，可产生抓握过程中不同方向的稳定偏转力矩，建立基于多层复合网络的手指动力学协调性计算方法。该抓握测试分析仪包括测试装置和处理器；所述测试装置用于测量被试者的五指抓举测过程中产生的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述处理器用于获取测试装置测得的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据，以递归网络为基础，建立多指动力学协同网络；计算多指动力学协同网络的特征参数；利用多指动力学协同网络的特征参数度量多指动力学协同网络结构指标；根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。

A Grasp Test and Analysis Instrument and Method for Finger Dynamics Coordination Assessment

【技术实现步骤摘要】
一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪及方法
本公开涉及手指抓握测试
，具体涉及一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪及方法。
技术介绍
人类手部最基本和最主要的功能即抓握功能。在抓握物体过程中，多个手指间需要密切配合，使各手指的力量、力矩、压力中心点等动力学信号协调一致，完成抓握动作。对抓握过程中各手指动力学协调性的测试分析可用于观察神经系统的感知运动能力、肌肉骨骼系统的精确运动控制能力、手部技巧性操作能力等，对中枢和外周神经功能测试评估、手部康复治疗效果评估等方面都将发挥重要作用。当前对于手部抓握评估研究多基于任务完成情况与手抓握力的分析，而对手抓握运动控制的，尚缺乏对精确抓握时五指间动力学参数协调性评估的仪器装置。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪及方法，可产生抓握过程中不同方向的稳定偏转力矩，测量五指指尖所产生的三维力、力矩以及压力中心点信号，建立基于多层复合网络的手指动力学协调性计算方法。本公开一方面提供的一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪的技术方案是：一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，包括测试装置和处理器；所述测试装置，用于测量被试者的五指抓举测过程中产生的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述处理器，用于获取测试装置测得的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据，以递归网络为基础，建立多指动力学协同网络；计算多指动力学协同网络的特征参数；利用多指动力学协同网络的特征参数度量多指动力学协同网络结构指标；根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。进一步的，所述测试装置包括可分离的圆柱形底座、设置在底座上的圆柱形外杯体、位于外杯体内部的圆柱形内杯体以及设置在外杯体顶部的顶盖；所述底座的中心处设置有用于盛放砝码的圆柱形储物腔体，所述底座的内侧面与储物腔体的外侧面之间连接有多个沿底座中心圆周布置的隔板，形成多个用于盛放砝码的腔体。进一步的，所述外杯体包括相对设置的第一半圆形接触片和由四个互不接触的弧形接触片组成的第二半圆形接触片。进一步的，所述内杯体的外侧壁上沿圆周方向敷设有连接片，所述连接片与第一半圆形接触片之间连接有用于检测拇指的力和力矩的六维力/力矩传感器，所述连接片与每个弧形接触片之间连接有用于检测食指、中指、无名指或小指的力和力矩的六维力/力矩传感器。进一步的，所述处理器包括数据获取模块、网络构建模块、网络特征参数计算模块和网络结构指标计算模块，其中：所述数据获取模块，用于获取测试装置测得的被试者的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述网络构建模块，用于将得到的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据形成时间序列；将时间序列进行相空间重构，并建立递归网络的邻接矩阵；在递归网络的邻接矩阵基础上，建立多指动力学协同网络的整体邻接矩阵。所述网络特征参数计算模块，用于计算多指动力学协同网络任意两层的相似性，得到多指动力学协同网络的层间互信息；度量多指动力学协同网络结构间的相关性，计算多指动力学协同网络的平均边重叠度；利用多指动力学协同网络的层间相互信息，计算加权聚类系数；利用多指动力学协同网络任意两个结点之间的加权最短路径长度，计算多指动力学协同网络的平均最短路径长度；所述网络结构指标计算模块，用于将多指动力学协同网络结构间的相关性参数与平均边重叠度相比，得到多指动力学协同网络结构指标；根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。本公开另一方面提供的一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪的技术方案是：一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析方法，该方法包括以下步骤：测量被试者的五指抓举测试装置过程中产生的多方向三维力、三维力矩以及指尖压力中心点坐标数据；以递归网络为基础，根据得到的五指的多方向三维力、三维力矩以及指尖压力中心点坐标数据，建立多指动力学协同网络；计算多指动力学协同网络的特征参数；利用多指动力学协同网络的特征参数度量多指动力学协同网络结构指标，根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。进一步的，所述测量被试者的五指抓举测试装置过程中产生的多方向三维力、三维力矩以及指尖压力中心点坐标数据的步骤包括：将额定砝码放置于测试装置的底座内一腔体中；被试者使用五只手指以自然抓握姿态抓举抓握测试装置，将其以自然速度平稳举起至规定高度后做喝水动作，将其平稳举起至设定高度后保持30秒钟抓取姿势不动，结束后将水杯平稳放置于原位；将额定砝码放置于测试装置的底座内另一腔体中，重复上述步骤，直到得到五指所产生的八个方向上的三维力、三维力矩以及指尖压力中心点坐标数据；去除最初5秒钟与最后5秒钟测量的数据，得到所需的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据。进一步的，所述多指动力学协同网络的构建方法为：根据得到的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据，建立时间序列；将时间序列进行相空间重构，并建立递归网络的邻接矩阵；在递归网络的邻接矩阵基础上，建立多指动力学协同网络的整体邻接矩阵。进一步的，所述多指动力学协同网络的特征参数的计算方法为：计算多指动力学协同网络任意两层的相似性，得到多指动力学协同网络的层间互信息；度量多指动力学协同网络结构间的相关性，计算多指动力学协同网络的平均边重叠度；利用多指动力学协同网络的层间相互信息，计算加权聚类系数；利用多指动力学协同网络任意两个结点之间的加权最短路径长度，计算多指动力学协同网络的平均最短路径长度。进一步的，所述多指动力学协同网络结构指标的度量方法为：将多指动力学协同网络结构间的相关性参数与平均边重叠度相比，得到多指动力学协同网络结构指标；多指动力学协同网络结构指标越大，手指抓握协调性越强，反之越弱。通过上述技术方案，本公开的有益效果是：(1)本公开通过测试装置，实现对各个手指的三维力、三维力矩和压力中心点坐标等动力学实时数据准确测量，测试装置上设置了拇指与四指呈相对位置的五个六维力/力矩传感器，其位置分布符合人手抓握物体时手指放置位置的分布。(2)本公开可产生多个方向的稳定偏转力矩，设置了一个可分离的圆柱空心底座，底座中心和周围八个位置可放置额定砝码以产生偏转力矩；周围八个位置分别位于以底座为中心，指定半径的圆周上，相邻位置的间隔角度相等；额定砝码位于周边位置时将产生指定方向上的幅度不变的稳定偏转力矩，而额定砝码位于中部时无偏转力矩产生。(3)本公开实现对抓握中测量的多路实时动力学信号的分析与处理，获得反映手指动力学协调性特征参数与评估指标；以递归网络为基础，建立能够反映多指动力学系统协同工作能力的多层复合网络，通过定义网络的层间互信息、平均边重叠度、协同网络加权聚类系数及平均最短路径长度等特征参数，获得反映多指动力学协同网络结构指标，并以此对抓握手指动力学协调性进行准确评估。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。图1是实施例一抓握测试分析仪的测试装置外部构造示意图；图2是实施例一抓握测试分析仪的测试装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，包括测试装置和处理器；所述测试装置，用于测量被试者的五指抓举测过程中产生的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述处理器，用于获取测试装置测得的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据，以递归网络为基础，建立多指动力学协同网络；计算多指动力学协同网络的特征参数；利用多指动力学协同网络的特征参数度量多指动力学协同网络结构指标；根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。

【技术特征摘要】
1.一种用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，包括测试装置和处理器；所述测试装置，用于测量被试者的五指抓举测过程中产生的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述处理器，用于获取测试装置测得的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据，以递归网络为基础，建立多指动力学协同网络；计算多指动力学协同网络的特征参数；利用多指动力学协同网络的特征参数度量多指动力学协同网络结构指标；根据多指动力学协同网络结构指标对手指抓握协调性进行评估。2.根据权利要求1所述的用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，所述测试装置包括可分离的圆柱形底座、设置在底座上的圆柱形外杯体、位于外杯体内部的圆柱形内杯体以及设置在外杯体顶部的顶盖；所述底座的中心处设置有用于盛放砝码的圆柱形储物腔体，所述底座的内侧面与储物腔体的外侧面之间连接有多个沿底座中心圆周布置的隔板，形成多个用于盛放砝码的腔体。3.根据权利要求2所述的用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，所述外杯体包括相对设置的第一半圆形接触片和由四个互不接触的弧形接触片组成的第二半圆形接触片。4.根据权利要求3所述的用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，所述内杯体的外侧壁上沿圆周方向敷设有连接片，所述连接片与第一半圆形接触片之间连接有用于检测拇指的力和力矩的六维力/力矩传感器，所述连接片与每个弧形接触片之间连接有用于检测食指、中指、无名指或小指的力和力矩的六维力/力矩传感器。5.根据权利要求1所述的用于手指动力学协调性评估的抓握测试分析仪，其特征是，所述处理器包括数据获取模块、网络构建模块、网络特征参数计算模块和网络结构指标计算模块，其中：所述数据获取模块，用于获取测试装置测得的被试者的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据；所述网络构建模块，用于将得到的五指的三维力向量、三维力矩向量以及指尖压力中心点坐标数据形成时间序列；将时间序列进行相空间重构，并建立递归网络的邻接矩阵；在递归网络的邻接矩阵基础上，建立多指动力学协同网络的整体邻接矩阵；所述网络特征参数计算模块，用于计算多指动力学协同网络任意两层的相似性，得到多指动力学协同网络的层间互信息；度量多指动力学协同网络结构间的相关性，计算多指动力学协同网络的平均边重叠度；利用多指动力学协同网络的层间相互信息，计算加权聚类系数；利用多指动力学协同网络任意两个结点之间的加权最短路径长度，计算多指动力学协同网络的平均最短路径长度；所述网络结构指标计算模块，用于将多指动力学协同网络结构间的相关性参数与平...

【专利技术属性】
技术研发人员：李可，刘孟杰，何文晶，王琳，岳寿伟，魏娜，侯莹，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37