本发明属于机械和传感器，涉及一种用于肌张力评估的力反馈装置及方法。
背景技术：
1、肌张力是指肌肉在被动拉伸过程中所表现出来的抗阻力，是神经系统功能状态和偏瘫状态的重要指标。肌张力通常可以通过刚度来体现。传统的肌张力评估一般采用触诊的方法，主要依赖于医生的手感和经验，具有一定的主观性和不确定性，难以进行量化和标准化。
2、远程医疗作为现代医疗技术的重要组成部分，正逐渐成为解决医疗资源分布不均和提高医疗服务效率的重要手段。然而，在远程医疗环境中，由于医生和患者之间的物理距离，远程触诊方法无法直接应用，这限制了远程医疗的诊断准确性和全面性。
3、力反馈技术的发展为远程触诊的实现提供了新的可能性。通过力反馈装置，医生可以在远程操作中获得类似于直接触诊的触觉反馈，从而提高远程诊断的精度和可靠性。目前，已有一些力反馈装置应用于远程医疗领域，但在结构设计和使用上仍存在一定的挑战，例如装置的精度不足、安全性不高、使用不便以及与其他远程医疗系统的兼容性问题。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明设计一种用于肌张力评估的力反馈装置及方法。力反馈装置的力感知利用弹性元件实现，同时通过特殊设计的变刚度机构可以改变弹性元件和输出点之间的有效杠杆臂长度，进而实现装置的表征刚度可控。测量弹性元件在负载下的形变量即可计算获得反馈力。另一方面，通过设计的电吸附装置也可以选择是否开启力觉交互。需要注意的是，在该力反馈装置中，电机仅改变弹性元件的着力点位置，并提供必要的水平方向的平衡力，并不直接参与反馈力的输出，因此该套装置是一种准被动的力反馈装置。
2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
3、一种用于肌张力评估的力反馈装置，包括支撑机构、刚度调整机构、扭矩输出机构、电吸附装置、传感器单元、控制处理单元和电源模块；所述支撑机构包括握把和与握把连接的基座；所述刚度调整机构包括安装在基座上的刚度电机以及与刚度电机出轴连接的滑块座，滑块座上固定有弹性元件；所述扭矩输出结构安装在所述刚度调整机构的上端并与刚度调整机构滑动连接，其两端通过轴承安装在支撑机构的内部，扭矩输出结构包括与刚度调整机构接触的压缩杆，压缩杆一侧被按压时，按压力能够作用于刚度调整机构的弹性元件，弹性元件由于压缩形成的反作用力能够作用于手指从而实现扭矩的感知；所述电吸附装置与所述扭矩输出结构相连，包括电吸附阳极和电吸附阴极，通过电源的通断控制阴极阳极吸附从而开闭力觉交互；所述传感器单元用于弹性元件的压缩量的检测与计算；所述刚度调整机构、传感器单元与控制处理单元相连，所述刚度调整机构、传感器单元和控制处理单元均与电源模块相连。
4、进一步的，所述支撑机构包括基座、基座连接件、握把、握把连接件、编码器承接件、位置滑轮和偏转角滑轮；所述基座连接件为u形，其底部固定在l形基座下方；握把连接件和编码器承接件分别固定安装在基座连接件的前后两端，握把与握把连接件固定连接，两个编码器分别固定在编码器承接件的左右两侧，位置滑轮和偏转角滑轮分别与两个编码器的出轴同轴配合。
5、进一步的，所述刚度调整机构包括刚度电机、刚度导轨、刚度滑块、刚度滑块阻挡件、滑块座、左弹簧、右弹簧、前平衡块、后平衡块、上弹簧固定件、下弹簧固定件、弹簧块、前轴承螺丝和后轴承螺丝；所述刚度电机安装在基座的尾部，刚度导轨固定安装在基座上部，刚度滑块与刚度导轨配合安装并能够沿着刚度导轨方向移动；所述刚度滑块阻挡件固定在所述基座前部用于防止刚度滑块脱落；所述滑块座固定安装在刚度滑块上部，且尾部与所述前平衡块和后平衡块固定连接，滑块座还与刚度电机出轴连接；所述左弹簧和右弹簧设置在上弹簧固定件和下弹簧固定件之间，下弹簧固定件固定在滑块座的上部，上弹簧固定件固定在弹簧块的底部，所述前轴承螺丝与后轴承螺丝分别安装在弹簧块两侧。
6、进一步的，所述前轴承螺丝与后轴承螺丝安装在弹簧块的前、后两侧中心位置。
7、进一步的，所述上弹簧固定件和下弹簧固定件上分别设置有用于约束弹簧的通孔。
8、进一步的，所述扭矩输出机构包括扭矩导轨、扭矩滑块、前压缩杆，后压缩杆、前固定杆、后固定杆、支撑架、扳机、扳机转轴、基座滑轮和压缩杆滑轮；所述扭矩导轨与滑块座连接，扭矩导轨方向与刚度导轨方向相互垂直；所述扭矩滑块与扭矩导轨配合安装并可沿着扭矩导轨方向移动，扭矩滑块与所述弹簧块固定连接；所述前压缩杆的出轴与基座连接件和前固定杆通过轴承连接，所述后压缩杆的出轴与基座连接件和后固定杆通过轴承连接；支撑架固定在前、后固定杆内侧；所述扳机转轴固定在前、后固定杆之间，扳机和扳机转轴一端通过轴承连接；所述基座滑轮和压缩杆滑轮通过pu带分别和位置滑轮和偏转角滑轮配合传动。
9、进一步的，所述电吸附装置包括电吸附架、前摆杆、后摆杆、电吸附座、电吸附上盖、电吸附阳极、电吸附阴极和电吸附轴；所述电吸附架下部两侧分别与前、后压缩杆固定连接，上部两侧分别通过轴承与所述前摆杆和后摆杆连接；所述电吸附座两端与电吸附阴极固定，其中一端还与电吸附轴固定连接；所述电吸附阳极设置在电吸附座和电吸附阴极之间，且两端分别与电吸附上盖和前、后摆杆固定，所述电吸附轴两端通过轴承分别安装在前、后固定杆之间。
10、进一步的，所述传感器单元包括刚度电机编码器、位置编码器和偏转角编码器，刚度电机编码器集成在刚度电机末端，用于采集电机的出轴长度信息；位置编码器和偏转角编码器安装在编码器承接件左右两侧，位置编码器的出轴与位置滑轮固定，通过pu带传动用于测量食指按压的实时角度，偏转角编码器的出轴与偏转角滑轮固定，通过pu带传动用于测量计算弹簧的压缩角度。
11、一种用于肌张力评估的力反馈方法，基于用于肌张力评估的力反馈装置实现，包括如下步骤：
12、电吸附装置通电，电吸附阳极和电吸附阴极紧密吸附；
13、按压板机，压力经由前压缩杆、后压缩杆传递到前轴承螺丝和后轴承螺丝，使左弹簧和右弹簧发生形变并产生反作用力，形成力反馈；
14、通过编码器单元和控制处理单元获取力反馈装置的表征刚度和反馈扭矩；
15、当需要调节表征刚度时，控制刚度电机运动，使得前轴承螺丝和后轴承螺丝在前压缩杆和后压缩杆上的接触点产生变化。
16、进一步的，所述力反馈装置的刚度δ和反馈扭矩τo通过以下公式计算：
17、
18、其中，k为弹簧刚度系数，θτ为通过偏转角编码器得到的食指按压板机的压缩角度，lsd为通过刚度电机编码器得到的弹簧块和旋转中心之间的等效长度。
19、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
20、本发明通过所设计的电吸附装置的通断可以控制装置力觉交互功能的开关，电吸附装置在通路时相当于一个紧固的整体，此时食指按压扳机会使弹簧产生形变并反馈一个反作用力，形成力反馈作用。力反馈的大小不仅取决于食指的按压程度，还取决于装置的表征刚度，本发明利用刚度电机的直线运动控制弹簧-支点之间的有效杠杆臂长度从而控制力反馈装置的表征刚度，使得用户在按压扳机过程中感受到的装置刚度是可控的，为用户提供了更高质量的刚度反馈和力反馈，同时弹簧的特性也使得本发明的力反馈装置具备更高的安全性。本发明的刚度电机仅用于调整表征刚度，并提供必要的水平方向的平衡力，并不直接参与反馈力的输出，因此该套装置是一种准被动的力反馈装置。
1.一种用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，包括：支撑机构、刚度调整机构、扭矩输出机构、电吸附装置、传感器单元、控制处理单元和电源模块；所述支撑机构包括握把和与握把连接的基座；所述刚度调整机构包括安装在基座上的刚度电机以及与刚度电机出轴连接的滑块座，滑块座上固定有弹性元件；所述扭矩输出结构安装在所述刚度调整机构的上端并与刚度调整机构滑动连接，其两端通过轴承安装在支撑机构的内部，扭矩输出结构包括与刚度调整机构接触的压缩杆，压缩杆一侧被按压时，按压力能够作用于刚度调整机构的弹性元件，弹性元件由于压缩形成的反作用力能够作用于手指从而实现扭矩的感知；所述电吸附装置与所述扭矩输出结构相连，包括电吸附阳极和电吸附阴极，通过电源的通断控制阴极阳极吸附从而开闭力觉交互；所述传感器单元用于弹性元件的压缩量的检测与计算；所述刚度调整机构、传感器单元与控制处理单元相连，所述刚度调整机构、传感器单元和控制处理单元均与电源模块相连。
2.根据权利要求1所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述支撑机构包括基座、基座连接件、握把、握把连接件、编码器承接件、位置滑轮和偏转角滑轮；所述基座连接件为u形，其底部固定在l形基座下方；握把连接件和编码器承接件分别固定安装在基座连接件的前后两端，握把与握把连接件固定连接，两个编码器分别固定在编码器承接件的左右两侧，位置滑轮和偏转角滑轮分别与两个编码器的出轴同轴配合。
3.根据权利要求1所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述刚度调整机构包括刚度电机、刚度导轨、刚度滑块、刚度滑块阻挡件、滑块座、左弹簧、右弹簧、前平衡块、后平衡块、上弹簧固定件、下弹簧固定件、弹簧块、前轴承螺丝和后轴承螺丝；所述刚度电机安装在基座的尾部，刚度导轨固定安装在基座上部，刚度滑块与刚度导轨配合安装并能够沿着刚度导轨方向移动；所述刚度滑块阻挡件固定在所述基座前部用于防止刚度滑块脱落；所述滑块座固定安装在刚度滑块上部，且尾部与所述前平衡块和后平衡块固定连接，滑块座还与刚度电机出轴连接；所述左弹簧和右弹簧设置在上弹簧固定件和下弹簧固定件之间，下弹簧固定件固定在滑块座的上部，上弹簧固定件固定在弹簧块的底部，所述前轴承螺丝与后轴承螺丝分别安装在弹簧块两侧。
4.根据权利要求3所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述前轴承螺丝与后轴承螺丝安装在弹簧块的前、后两侧中心位置。
5.根据权利要求3所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述上弹簧固定件和下弹簧固定件上分别设置有用于约束弹簧的通孔。
6.根据权利要求1所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述扭矩输出机构包括扭矩导轨、扭矩滑块、前压缩杆，后压缩杆、前固定杆、后固定杆、支撑架、扳机、扳机转轴、基座滑轮和压缩杆滑轮；所述扭矩导轨与滑块座连接，扭矩导轨方向与刚度导轨方向相互垂直；所述扭矩滑块与扭矩导轨配合安装并可沿着扭矩导轨方向移动，扭矩滑块与所述弹簧块固定连接；所述前压缩杆的出轴与基座连接件和前固定杆通过轴承连接，所述后压缩杆的出轴与基座连接件和后固定杆通过轴承连接；支撑架固定在前、后固定杆内侧；所述扳机转轴固定在前、后固定杆之间，扳机和扳机转轴一端通过轴承连接；所述基座滑轮和压缩杆滑轮通过pu带分别和位置滑轮和偏转角滑轮配合传动。
7.根据权利要求1所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述电吸附装置包括电吸附架、前摆杆、后摆杆、电吸附座、电吸附上盖、电吸附阳极、电吸附阴极和电吸附轴；所述电吸附架下部两侧分别与前、后压缩杆固定连接，上部两侧分别通过轴承与所述前摆杆和后摆杆连接；所述电吸附座两端与电吸附阴极固定，其中一端还与电吸附轴固定连接；所述电吸附阳极设置在电吸附座和电吸附阴极之间，且两端分别与电吸附上盖和前、后摆杆固定，所述电吸附轴两端通过轴承分别安装在前、后固定杆之间。
8.根据权利要求1所述的用于肌张力评估的力反馈装置，其特征在于，所述传感器单元包括刚度电机编码器、位置编码器和偏转角编码器，刚度电机编码器集成在刚度电机末端，用于采集电机的出轴长度信息；位置编码器和偏转角编码器安装在编码器承接件左右两侧，位置编码器的出轴与位置滑轮固定，通过pu带传动用于测量食指按压的实时角度，偏转角编码器的出轴与偏转角滑轮固定，通过pu带传动用于测量计算弹簧的压缩角度。
9.一种用于肌张力评估的力反馈方法，其特征在于，基于权利要求1-8中任意一项所述的用于肌张力评估的力反馈装置实现，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的用于肌张力评估的力反馈方法，其特征在于，所述力反馈装置的刚度δ和反馈扭矩τo通过以下公式计算：
