【摘 要】
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手是人体所有活动中占比最大的部位,也是最容易受到损伤的部位,手指康复治疗在康复医学领域中占有很大的比重。手部功能的减弱和缺失不仅会使患者无法参加社会劳动,甚至使其丧失自理能力,在各方面造成极大的困难与负担。本文提出一种基于霍尔压力感知的柔性手指康复握力器,用以解决手指康复后期患者的主动康复问题。首先针对手指压力的获取设计柔性霍尔压力传感器。通过将压力施加在柔性体上使其产生形变,从而改变永磁体与霍尔
【基金项目】
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国家自然科学基金,与深圳大学、深圳职业病防治院合作,联合基金项目,重点支持项目:基于人体关节模型的顺应康复外骨骼设计和控制；
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手是人体所有活动中占比最大的部位,也是最容易受到损伤的部位,手指康复治疗在康复医学领域中占有很大的比重。手部功能的减弱和缺失不仅会使患者无法参加社会劳动,甚至使其丧失自理能力,在各方面造成极大的困难与负担。本文提出一种基于霍尔压力感知的柔性手指康复握力器,用以解决手指康复后期患者的主动康复问题。首先针对手指压力的获取设计柔性霍尔压力传感器。通过将压力施加在柔性体上使其产生形变,从而改变永磁体与霍尔传感器之间的距离,根据霍尔传感器的数值变化,即可测得压力的大小。基于此,进行传感器的结构设计和尺寸选型。传感器的设计过程包括对永磁体的计算选型,柔性体的材料及尺寸确定。具体过程是在永磁体的理论计算、Maxwell仿真验证、实际永磁体标定试验基础上,利用Ecocflex材料设计专用模具制作柔性体,通过柔性体的性能对比,确定其材料以及尺寸。设计的柔性霍尔压力传感器的特性曲线为分段函数,当压力较小时,灵敏度约为0.039V/N;压力增大后,灵敏度约为0.085 V/N,最小电压值约1.75V,最大压力值约10N。在此基础上,根据人体手掌的实际结构,设计手指康复握力器,主要包括握力器壳体、导向装置、柔性霍尔压力传感器、采集模块等四部分,能够实现人体五根手指按压过程中按压力的实时测量。握力器壳体作为各个部件的主要承载部分,主要结构包括导向槽、传感器槽、采集模块槽、连接槽、手掌支撑等。导向装置限制手指压力的作用方向为竖直方向。采集模块利用STM32F103C8T6最小系统板的ADC功能,将柔性霍尔压力传感器采集到的模拟量转换为数字量,并通过串口传递给上位机。同时,为了使康复人员具有沉浸式的康复体验,设计康复游戏。康复游戏采用Unity编写,利用通过串口输入的手指压力数据,控制游戏人物的移动,并记录手指压力数据,跟踪康复过程。康复游戏的制作首先确定游戏内容,主要为跳跃避障形式,随着输入压力值大小的不同,游戏人物可跳起不同的高度,从而跃过障碍物。游戏场景为五条平行的跑道,五根手指分别控制五个不同的人物。经过人物形象设计、障碍物及其他物品、界面UI等设计后,通过编程完成串口通信、数据保存、碰撞检测、血量控制、障碍物生成等功能。最后完成握力器的软硬件集成,并对握力器的使用效果进行实际评测,包含手指按压测试和握力器控制康复游戏结果评测。对不同被测人员进行多次实际测试,实验过程中手指实际压力值的最大值与平均值可表征手指的力量强度,手指按压速度的最大值与平均值可表征手指的灵活程度,结果显示不同人员手指的差别可以通过握力器较为明显的反映出来。
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