专利名称：三自由度平移机械手背俞穴阻抗检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种使用三自由度平移机械手进行背俞穴阻抗检测的系统。
背景技术：
传统医学经络学说认为脏腑之气输注于背腰部的腧穴，称为"背俞穴，，(back Shu point),又称为"俞穴"。六脏六腑各有一背俞穴，共12个。背俞穴均位于背 腰部足太阳膀胱经第1侧线上，即后正中线旁开1.5寸，大体依脏腑位置的高低 而上下排列，并分别冠以脏腑之名。依据GB 12346-90具体穴位的名称与位置 如下
肺俞Feishu (BL13)，在背部，当第3胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 厥阴俞Jueyinshu(BL14)，在背部，当第4胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 心俞Xinshu(BL15)，在背部，当第5胸椎棘突下，旁开1. 5寸。 督俞Dushu (BL16)，在背部，当第6胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 膈俞Geshu (BL17)，在背部，当第7胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 肝俞Ganshu(BLI8)，在背部，当第9胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 胆俞Danshu (BL19)，在背部，当第10胸椎棘突下，旁开1. 5寸。 脾俞Pishu (BL20)，在背部，当第ll胸椎棘突下，旁开l. 5寸。 胃俞weishu (BL21)，在背部，当第12胸椎棘突下，旁开1. 5寸。 三焦俞Sanjiaoshu (BL22)，在腰部，当第1腰椎棘突下，旁开1. 5寸。 肾俞Shenshu (BL23)，在腰部，当第2腰椎棘突下，旁开1. 5寸。 气海俞Qihaishu (BL24)，在腰部，当第3腰椎棘突下，旁开1. 5寸。 大肠俞Dachangshu (BL25)，在腰部，当第4腰椎棘突下，旁开l. 5寸。 关元俞Guanyuanshu (BL26)，在腰部，当第5腰椎棘突下，旁开l. 5寸。 小肠俞xinochaogshu(BL27)，在骶部，当骶正中嵴旁l. 5寸，平第一骶后 孔。
膀胱俞Pangguangshu (BL28)在骶部，当骶正中嵴旁1. 5寸，平第二骶 后孔。
现代研究认为，背俞穴十分邻近脊神经后根，分布规律与脊神经节段性分
3布特点大致吻合，内脏疾病的体表反应区常是相应穴位所在。经络学说认为背 俞穴为五脏六腑之经气输注出入之处，生理上不仅与脏腑有着特定联系，并且 与脏腑的病理密切相关。当脏腑发生疾病时，往往在背俞穴上有所反应。临床 发现脏腑有疾时，在相应的背俞穴处常可出现阳性反应区、反应点和反应物。 通过检测观察背俞穴处的皮下组织有无隆起、凹陷、松驰、和皮肤色泽改变、 温度异常、阻抗变化等反应现象，可用于诊察相应的脏腑病症。
由于敏感、压痛、结节、凹陷、出血点、丘疹等现象凭主观判断存在误差， 且不容易客观化，检测背俞穴阻抗变化相对容易获得客观数据。然而依靠人工
进行检测阻抗，存在定位不准以及检测探头使用的角度、压力难以统一从而影 响到数据的客观与标准化。本实用新型提出一种由计算机控制一个三自由度平 移机械手沿着膀胱经背俞穴段直线运动完成阻抗检测的系统，为客观化检测背 俞穴阻抗提供便利，并最终为依据阻抗变化进行疾病诊断提供基础。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种利用三自由度平移机械手进行背俞穴阻抗检
测的系统。背俞穴分布在人体背部中线两侧旁开1.5寸的直线上，沿中线左右对 称。三自由度平移机械手带动探测电极沿着该直线匀速运动，并在运动过程中 根据人体表面起伏调节机械手高度，使得探测电极在人体表面的作用力维持恒 定，由此获得的人体背俞穴阻抗数据是在恒定的测量压力下获得的，具有较强 的客观性。
本实用新型采用的技术方案如下-
1、三自由度平移机械手背俞穴阻抗检测系统
包括机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴、光线投射器、力传感器、探
测电极、参考电极、电机驱动及运动控制卡、计算机。
机械手X轴、机械手Y轴和机械手Z轴相互垂直，呈正交连接。
机械手X轴带动探测电极沿着与人体双肩平行的方向运动，也就是用于寻
找人体中线两侧旁开1.5寸(注本申请所述的寸为传统医学中用于穴位定位
的特殊单位，肩胛骨内缘与后正中线之间的距离为三寸，所以1寸的绝对长度
因人而异。)的位置。
机械手Y轴带动探测电极沿着人体脊柱方向运动，也就是当机械手X轴已
经定位到人体中线两侧旁开1.5寸的位置时，Y轴带动探测电极沿着膀胱经第一
侧线运动。
机械手Z轴用于带动探测电极沿着垂直与人体背部的方向运动，也就是当探测电极沿着膀胱经第一侧线运动时，机械手Z轴根据检测到的探测电极对人 体的压力上下运动，使得探测电极对人体的压力保持恒定。
三自由度平移机械手的X轴、Y轴和Z轴的运动控制由计算机发出指令给 电机驱动及运动控制卡完成，其动力来自机械手上安装的步进电机、伺服电机 或者直线电机，三个轴上的坐标定位可以根据电机每转动单位角度和该转动产 生的直线运动距离之间的比例关系完成，也可以根据外置的位移或者角度传感 器完成o
光线投射器可以向人体表面投射出十字型的高亮度光束，当十字形的交叉 点与人体表面某个定位标志重合时，记录此时的坐标可协助计算机系统定位人 体背俞穴的坐标。
力传感器与探测电极之间采用弹性连接，用于检测探测电极对人体的压力。 由于在弹簧弹力范围内，受力正比于弹簧的位移，因此力传感器也可以用位移
传感器来替代。机械手z轴可以根据力传感器的反馈上下运动，使探测电极对
人体的压力维持恒定。
探测电极与人体接触的部分由导体制成，为了使运动平滑以及减少对人体 的刺激，探测电极与人体接触的部分为圆弧状。
参考电极贴在人体表面，如手心的位置，与人体接触面积较大。如果把人 体看成一个电阻，它与探测电极构成人体电阻的两个引脚，测量两个电极之间 的电压与电流，即可得到两电极间的人体阻抗。
电机驱动及运动控制卡与机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴以及计算 机连接，它接受计算机来的信号控制机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴的 运动并将状态反馈给计算机。
计算机用于机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴的控制以及采集力传感 器输出和人体阻抗信号。
附图1是本实用新型的结构原理框图。
图中1、机械手Y轴，2、机械手X轴，3、机械手Z轴，4、力传感器5、 光线投射器，6、探测电极，7、人体。
附图2是背俞穴以及体表定位标志示意图。背俞穴沿着脊柱中线左右对称， 为了便于表达，图左侧显示了体表定位标志，右侧显示了背俞穴。
具体实施方式
如附图所示，本实用新型它包括、机械手Z轴3、力传感器4、光线投射器 5、探测电极6，机械手X轴2与机械手Y轴1垂直连接，机械手Z轴3与机械 手Y轴2垂直连接。力传感器4、光线投射器5、探测电极6与机械手Z轴3 相连。
本实用新型采用的技术方案如下-
1、三自由度平移机械手背俞穴阻抗检测系统
包括机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴、光线投射器、力传感器、探 测电极、参考电极、电机驱动及运动控制卡、计算机。
机械手X轴、机械手Y轴和机械手Z轴相互垂直，呈正交连接。
机械手X轴可选用和利时电机技术有限公司的直线运动单元 060G005ZX12JNM0500GD，它内部装有步进电机，带动探测电极沿着人体水平 方向运动，也就是用于寻找人体中线两侧旁开1.5寸的位置。
机械手Y轴可选用和利时电机技术有限公司的直线运动单元 060G005ZX12JNM1000GD，它内部装有步进电机，带动探测电极沿着人体脊柱 方向运动，也就是当机械手X轴已经定位到人体中线两侧旁开1.5寸的位置时， Y轴带动探测电极沿着膀胱经第一侧线运动。
机械手Z轴可选用和利时电机技术有限公司的直线运动单元 060G005ZX12JNM0500GD,它内部装有步进电机，带动探测电极沿着垂直与人 体背部的方向运动，也就是当探测电极沿着膀胱经第一侧线运动时，机械手Z 轴根据检测到的探测电极对人体的压力上下运动，使得探测电极对人体的压力 保持恒定。
光线投射器采用莱赛光电技术有限公司的小型十字激光标线仪LS612 II， 它向人体表面投射出十字型的高亮度光束，当十字形的交叉点与人体表面某个 定位标志重合时，记录此时的坐标可协助计算机系统定位人体背俞穴的位置。
力传感器采用Trans-Tek公司的直流LVDT差动变压位移传感器 0244-00000，量程为2.54厘米。探测电极安装在位移传感器的测头上，并与测 头绝缘。差动变压位移传感器测头内部装有弹簧，由于在弹簧弹力范围内，测 头受力正比于弹簧的位移，因此位移传感器的输出正比于测头及测头上连接的 探测电极。机械手Z轴根据位移传感器的输出上下运动，使位移传感器的输出 保持恒定，也即探测电极对人体的压力维持恒定。为了便于位移传感器能顺利 地随着人体表面起伏，位移传感器安装与Z轴略有一角度。探测电极与人体接触的部分由导体制成，为了使运动平滑以及减少对人体 的刺激，探测电极与人体接触的部分为圆弧状。
参考电极贴在人体表面如掌心的位置，与人体接触面积较大，与人体接触 的部分为导体。人体可以等价为一个电阻，参考电极与探测电极构成人体电阻 的两个引脚，测量两个电极之间的电压与电流，即可得到两电极间的人体阻抗。
电机驱动及运动控制卡与机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴以及计算 机连接，它接受计算机来的信号控制机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴的 运动并将状态反馈给计算机。电机驱动及运动控制卡由三个电机驱动器及运动 控制卡组成，三个电机驱动器分别驱动机械手X轴、机械手Y轴和机械手Z轴， 均选用和利时电机技术有限公司的两相混合式步进电机细分驱动器SH-20403。 运动控制卡采用和利时电机技术有限公司的PCI接口 6030全数字伺服/步进电 机控制卡，插在计算机的PCI卡槽上。三自由度平移机械手的坐标定位根据步 进电机每单位运动角度与因此产生的直线运动距离之间的比例关系完成，也可 以通过外置位移传感器完成。
计算机用于机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴的控制以及采集力传感 器输出和人体阻抗信号。
2、三自由度平移机械手背俞穴阻抗检测方法
(1) 首先建立统一的坐标系。
人体背卧在检查床上，肩部延展的方向为X轴，其中右手侧为正方向，左 手侧为负方向；人体脊柱方向为Y轴，其中腿侧为正方向，头侧为负方向；Z 轴垂直于X和Y轴，其中人体面部方向为正方向，背部为负方向；
初始情况下三自由度平移机械手坐标为(0， 0， 0)即原点，此时机械手X 轴处于行程的最左侧，机械手Y轴处于行程最前侧，机械手Z轴处于行程最上
(2) 根据体表定位标志确定部分背俞穴水平及垂直坐标。 背俞穴位于后正中线旁开1.5寸。按照中华人民共和国国家标准GB
12346-90，肩胛骨内缘一后正中线为3横寸，用于确定腰背部经穴的横向距离。 因此只要获得肩胛骨内缘一后正中线的距离就可得到背俞穴的横向距离。 ①确定后正中线位置。
令受测者背卧在检测床上，双手自然贴在身体两侧。两手垂于躯体两侧时，
7两肩胛冈连线平第三胸椎棘突，两肩胛骨下角连线平第七胸椎棘突。第十 二肋与竖脊肌外缘交点，相当第一腰椎水平。两季肋下缘连线平第二腰椎棘突。 两髂嵴最高点连线平第四腰椎棘突(即十六椎)。两髂后上棘平第二骶椎(即十 九椎)中部。依据这些定位参考可以进行如下的定位。
令光线投射器投出十字光线，移动机械手使十字光线中的垂直线与人体背 部中线吻合。如果十字光线中的竖线与受测者中线略有角度，微调受测者的位 置使得其中线与十字光线中的垂直线吻合。记录此时的X轴坐标为X'eenter。
注肩胛冈(肩上横骨)肩胛骨背面的高嵴。它与前方的锁骨共同围成内 连颈根的肩上区，肩胛冈内侧端与第三胸椎棘突(即肺俞穴)相平。
② 用具有弹性的绑带固定受测者的锊部和腿部，避免检测过程中位肯变动；
③ 确定左右肩胛冈位置
如上所述，肩胛骨内缘到后正中线为3横寸，因此肩胛骨内缘到后正中线 一半的位置即是背俞穴水平位置；两肩胛冈连线平第三胸椎棘突，即肺俞穴， 作为测量起点；
沿着XY方向移动机械手，使十字光线中的水平线穿过左侧肩胛冈，十字 光线中的垂直线与左肩胛骨内缘相切；记录此时的X轴坐标为X'3l， Y轴坐标 为Y'3;
沿着X方向移动机械手，使十字光线中的垂直线与右肩胛骨内缘相切；记 录此时的X轴坐标为X'3R;
④ 确定肩胛骨下角坐标
肩胛骨下角连线平第七胸椎棘突即膈俞的水平位置；
沿着Y方向移动机械手，使十字光线中的水平线与肩胛骨下缘相切；记录
此时的Y轴坐标为Y'7;
(D确定第十二肋与竖脊肌外缘交点位置，相当第一腰椎(平三焦俞)水平。 沿着Y方向移动机械手，使十字光线中的水平线穿过左右第十二肋与竖脊
肌外缘交点。记录此时的Y轴坐标为Y'13。
⑥ 确定两髂嵴最高点连线位置。
髂嵴是髂骨上缘的弧形隆起，其最高点平第四腰椎棘突(即十六椎，平大 肠俞)。
记录此时的Y轴坐标为Y'16。
⑦ 确定两髂后上棘平第二骶椎(即十九椎平膀胱俞)中部位置。 髂后上棘髂嵴后端。瘦弱者呈隆起头，年青或肥胖者皮肤表面呈现一凹陷。为骶髂关节中心点和第二骶椎中部的标志。记录此时的Y轴坐标为Y'19。
由于光线投射器中心与探测电极中心存在坐标差，X方向上的坐标差为A X， Y方向上的坐标差为AY。
因此以探测电极中心位置为准的背部中线X轴坐标为XeentCT= X'eentCT + △ X;
以探测电极中心位置为准的左侧肩胛冈X轴坐标为X31=X'3L+AX，右侧肩 胛冈X轴坐标为X3R=X'3R+ A X，；
以探测电极中心位置为准的第三胸椎棘突即肺俞穴Y轴坐标为Y3 = Y'3 + A Y，肩胛骨F角连线平第七胸椎棘突即膈俞Y轴坐标坐标Y尸Y'7 + AY,第十二 肋与竖脊肌外缘交点，相当第一腰椎(三焦俞)水平，Y轴坐标为Y13= Y'13 + △ Y;两髂嵴最高点连线平第四腰椎棘突(十六椎，即大肠俞)，Y轴坐标为lf Y'16 + A Y;两髂后上棘平第二骶椎(十九椎即膀胱俞)中部，Y轴坐标为Y19=Y'19 + A Y;
(3) 阻抗扫描。
① 移动三自由度平移机械手，令探测电极在Z轴上投影中心位于坐标 ((Xcenter+X3L) /2， Y3, 0)处。
② 移动三自由度平移机械手的Z轴，使得力传感器的输出达到设定值，即 探测电极以设定的压力作用于人体背部。
(D输出阻抗检测激励信号，同时移动三自由度平移机械手的Y轴以恒定的 速度沿着X轴坐标(Xeenter+X3L) /2移动(即沿着人体正中线左侧旁开1.5寸的 位置进行直线运动)并记录阻抗信号。为保证探测电极以恒定的压力作用于人 体背部，需要上下移动Z轴，使Z轴上的力传感器保持恒定输出。PID控制。 当Y轴坐标到达Y,9时，断开阻抗检测激励信号，并提升机械手的Z轴至坐标 零点，然后移动三自由度平移机械手，令探测电极在Z轴上投影中心位于坐标 ((Xcenter+X3R) /2， Y3,0)处。
④输出阻抗检测激励信号，同时移动三自由度平移机械手的Y轴以恒定的 速度沿着X轴坐标(Xeenter+X3R) /2移动(即沿着人体正中线右侧旁开1.5寸的 位置进行直线运动)并同步记录阻抗信号与Y轴坐标。同样移动过程中上下移 动Z轴，使Z轴上的力传感器保持恒定输出。PID控制。当Y轴坐标到达Y^ 时，断开阻抗检测激励信号，并移动三自由度平移机械手至零点，至此阻抗检 测结束。
(4) 计算各背俞穴的几何坐标。
由上所述根据体表定位标志己知第三胸椎棘突即肺俞穴Y轴坐标为Y3，肩胛骨下角连线平第七胸椎棘突即膈俞Y轴坐标为Y7，第十二肋与竖脊肌外 缘交点，相当第一腰椎(三焦俞)水平，Y轴坐标为Yu。两髂嵴最高点连线平 第四腰椎棘突(十六椎，即大肠俞)。Y轴坐标为Y16。两髂后上棘平第二骶椎 (十九椎即膀胱俞)中部。Y轴坐标为Y，
一般情况下，可以认为脊椎长度分段均匀分布，由此
肺俞的Y轴坐标为Y3。
厥阴俞的Y轴坐标为Y4=Y3+ (Y7-Y3) /4。
心俞的Y轴坐标为Y5=Y3+2* (Y7-Y3) /4。
督俞的Y轴坐标为Y6=Y3+3* (Y7-Y3) /4。
膈俞的Y轴坐标为Y7。
肝俞的Y轴坐标为Y9=Y7+2* (Y13-Y7) /6。
胆俞的Y轴坐标为Y1()= Y7+3* (Y13 -Y7) /6。
脾俞的Y轴坐标为Y = Y7+4* (Y13 -Y7) /6。
胃俞的Y轴坐标为Y12=Y7+5* (Y13-Y7) /6。
三焦俞的Y轴坐标为Y13。
肾俞的Y轴坐标为Y14=Y13+ (Y16-Y13) /3。
气海俞的Y轴坐标为Y15=Y13+2* (Y16-Y13) /3。
大肠俞的Y轴坐标为Y16。
关元俞的Y轴坐标为Y17= Y16+ (Y19 - Y16) /3。
小肠俞的Y轴坐标为Y18= Y16+2* (Y19 -Y16) /3。
膀胱俞的Y轴坐标为Y19。
本实用新型具有的有益的效果是根据人体体表定位标志进行背俞穴定位 并利用三自由度平移机械手根据定位信息以恒定的压力检测人体背俞穴的阻 抗，精度和可重复性较人工检测大大提高。 (5)获得某个穴位的阻抗；
由于同步记录阻抗信号与Y轴坐标，因此只要根据前述得到的背俞穴某穴 位Y轴坐标即可查询到对应的阻抗。
为了减少人体移动以及定位方法及系统带来的误差，可以在系统所认定的 膀胱经第一侧线附近作多次测量，选取平均值作为最终检测结果。
10
权利要求1、三自由度平移机械手背俞穴阻抗检测系统，其特征在于包括机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴、光线投射器、力传感器、探测电极、参考电极、电机驱动及运动控制卡、计算机；机械手X轴、机械手Y轴和机械手Z轴相互垂直，呈正交滑动连接，机械手Z轴上依次设置力传感器、光线投射器，力传感器上装有探测电极；1)机械手X轴带动探测电极沿着人体水平方向运动，也就是用于寻找人体中线两侧旁开1.5寸的位置；2)机械手Y轴带动探测电极沿着人体脊柱方向运动，也就是当机械手X轴已经定位到人体中线两侧旁开1.5寸的位置时，Y轴带动探测电极沿着膀胱经第一侧线运动；3)机械手Z轴用于带动探测电极沿着垂直与人体背部的方向运动，也就是当探测电极沿着膀胱经第一侧线运动时，机械手Z轴根据检测到的探测电极对人体的压力上下运动，使得探测电极对人体的压力保持恒定；4)光线投射器向人体表面投射出十字型的高亮度光束；5)力传感器用于检测探测电极对人体的压力，探测电极与力传感器之间采用弹性连接；力传感器也可以用位移传感器来替代；6)探测电极与人体接触的部分由导体制成，探测电极与人体接触的部分为圆弧状；7)参考电极由导体制成。
专利摘要传统医学认为位于人体背腰部足太阳膀胱经第1侧线上的背俞穴阻抗与脏腑的病理密切相关。本实用新型提出一种由计算机控制一个三自由度平移机械手沿着膀胱经背第一侧线进行阻抗检测的系统。包括机械手X轴、机械手Y轴、机械手Z轴、光线投射器、力传感器、探测电极、参考电极、电机驱动及运动控制卡、计算机；机械手X轴、机械手Y轴和机械手Z轴相互垂直，呈正交滑动连接，机械手Z轴上依次设置力传感器、光线投射器，力传感器上装有探测电极；三自由度平移机械手带动探测电极沿着背第一侧线匀速运动，并在运动过程中根据人体表面起伏调节探测电极高度，使得探测电极在人体表面的作用力维持恒定，由此获得人体背俞穴阻抗数据，为客观化检测背俞穴阻抗提供便利。
文档编号A61B5/053GK201253209SQ20082012059
公开日2009年6月10日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者刘晓晖, 涛 张, 江 李, 陈正亮 申请人:浙江大学