一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种肢体复健的装置及方法，特别是涉及一种上肢复健的装置及方法，用于上肢运动能力缺失病人的辅助复健，属于康复医学技术领域。
【背景技术】
[0002]康复医学是一门新兴的、具有很大潜力的学科，其旨在消除人类功能障碍。随着社会老龄化严重，社会对于复健医学的需求日益上升。
[0003]传统的复健运动需要在医生的指导下，在家人或护士的全程帮助下才能得以实现，需要耗费大量的时间和精力。而现在市场上已有的复健医疗器械因其高昂的价格，单一生硬的复健方式而很难得到广大消费者的认可和应用。对于医院式的传统复健流程和已有复健器械僵硬的复健方式，患者往往表现出耐心、信心和兴趣上的不足，最终导致复健的低效和病情反复。所以一种训练方式新颖、生动、复健计划科学全面，同时含有沉浸式、互动式体验元素的复健系统才能真正得到消费者和市场的认可。使患者可以在玩中训练，在训练中玩，真正将训练当作一种乐趣，达到良好的复健效果。
[0004]研宄者将最新的3D实感技术和虚拟现实技术与复健系统相结合，使患者在游戏中训练，以激发患者的运动意识和复健兴趣，使枯燥烦闷的训练计划变得生动有趣。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置和方法，使上肢运动能力缺失病人在虚拟场景游戏中达到康复训练的目的。
[0006]本发明采用的具体技术方案如下:
[0007]一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置，该装置包括计算机或带显示器的处理器系统、3D实感摄像头、牵引支架；其中，计算机或带显示器的处理器系统与牵引支架连接，康复者的上肢置于牵引支架上；计算机或带显示器的处理器系统用以控制牵引支架运动，进而带动康复者上肢运动；3D实感摄像头与计算机或带显示器的处理器系统相连，通过3D实感摄像头获取康复者的上肢运动数据，进行实时的手掌跟踪和手势识别，同时将结果反馈到计算机或带显示器的处理器系统构建的虚拟场景中。
[0008]所述牵引支架由步进电机、伺服电机、传感器、控制电路及机械连接件组成；其中控制电路驱动步进电机和伺服电机转动，带动康复者上肢的肩肘关节进行运动；传感器设置在康复者上肢的肌肤表面，通过传感器检测康复者上肢的细微电压，进而搜集康复者当前发力大小；机械连接件将上述各部分连接成一个整体。
[0009]一种基于实感技术的辅助上肢复健的方法，具体步骤为:根据医生建议将训练计划输入计算机或带显示器的处理器系统中；然后在虚拟场景中通过完成不同类型的游戏按计划进行每日的上肢康复训练，最后将训练结果反馈给康复者。
[0010]本发明的积极效果在于:
[0011]I)将实感技术与康复系统相结合，采用3D实感摄像头，提高了手掌跟踪和手势识别的实时性和准确性，用户体验更顺畅。
[0012]2)将虚拟现实技术与复健系统相结合，使病人沉浸在虚拟场景中，通过游戏互动得分过关，在玩中训练，提高复健乐趣。
[0013]3)适用于整个复健周期，对于上肢无法进行自主运动的病人，牵引支架可带动其上肢关节运动，缓解肌肉萎缩和关节痉挛症状；配合牵引游戏，进行启发式训练，帮助运动意识的恢复；对于具有一定上肢运动能力的病人，可以摆脱牵引支架进行自主游戏，增加上肢力量，提尚运动协调性。
【附图说明】
[0014]图1为一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置的系统框图。
[0015]图2为一种基于实感技术的辅助上肢复健的方法的步骤流程图。
[0016]图3为辅助上肢复健的装置驱动图。
[0017]图4为辅助上肢复健测点布置图。
[0018]图中:1、步进电机a，2、步进电机b，3、伺服电机a，4、伺服电机b，5、上肢复健支架，
6、上肢复健底托。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0020]一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置，该装置包括计算机或带显示器的处理器系统、控制电路、3D实感摄像头和牵引支架；其中牵引支架由步进电机a(l)、步进电机b (2)、伺服电机a (3)、伺服电机b (4)、上肢复健支架(5)、上肢复健底托￠)、传感器组成，连接关系如图1、图3、图4所不。
[0021]其中，步进电机a(l)的输出轴与第一丝杠连接；第一丝杠上设置有滑块，滑块上设置有与第一丝杠相垂直的第二丝杠，第二丝杠与步进电机b(2)的输出轴相连；第二丝杠上设置有滑块，滑块上设置有伺服电机a (3)，伺服电机a (3)的输出轴与U型连接件相连，U型连接件上设置有伺服电机b (4)，伺服电机b (4)的输出轴与上肢复健底托(6)相连；上肢复健底托(6)与第一丝杠平行；上肢复健底托(6)上布置有上肢复健支架(5);所述上肢复健支架(5)用以固定康复者的上肢；固定康复者的上肢上布置有传感器；步进电机a(l)、步进电机b⑵、伺服电机a (3)、伺服电机b⑷与控制电路连接。
[0022]3D实感摄像头与计算机或带显示器的处理器系统相连；计算机或带显示器的处理器系统与牵引支架通过控制电路连接。
[0023]固定康复者的上肢上布置的传感器共分三个测点，其中测点一、测点二布置在上肢的上表面；测点三布置在上肢的下表面；通过三组测点采集康复者上肢肌肤表面处的细微电压值，并将结果传回至计算机或带显示器的处理器系统，用以评测康复者当前的发力大小。
[0024]一种基于实感技术的辅助上肢复健的方法，该方法是在计算机或带显示器的处理器系统内置的虚拟场景中通过游戏进行上肢康复训练。
[0025]具体操作如下，
[0026]在计算机或带显示器的处理器系统中构建虚拟游戏场景，根据预置的训练计划，选择当前要完成的游戏关卡，若需进行牵引训练或启发式训练，则计算机或带显示器的处理器系统根据游戏需要向牵引支架发送控制命令，控制电路接收到计算机或带显示器的处理器系统发送的控制命令后驱动步进电机a、步进电机b和伺服电机a、伺服电机b启动，进而带动搭载于上肢复健支架(5)上的康复者的上肢运动，实现康复者的肩部水平和垂直方向的外展内收运动、肘部屈伸运动、前臂的旋前旋后运动；
[0027]3D实感摄像头跟踪康复者的上肢移动并识别其动作姿势，并将检测结果反馈到计算机或带显示器的处理器系统中的虚拟场景中，在显示器上显示模拟过程，给出游戏结果和得分；
[0028]若需进行自主训练，则脱离牵引支架进行，直接利用3D实感摄像头跟踪康复者上肢移动并识别动作姿势，将结果反馈到虚拟场景中，给出游戏结果和得分。
[0029]在具体实施中，3D实感摄像头采用Intel Senz3D摄像头，结合配套的软件开发包实现手掌跟踪和手势识别；牵引支架由两个垂直组装的57步进电机滑台搭建，其中垂直放置的步进电机固定在水平放置的步进电机滑台上，再在垂直放置的步进电机滑台上沿水平方向用三个995舵机和机械连接件搭建一个在两个自由度上旋转的机械臂，使康复者上肢搭载于这个机械臂上；传感器采用Advancer Technologies公司推出的Muscle Sensor v3肌表电压传感器，将传感器输出的模拟信号在控制电路中进行信号调理和模/数转换后发送到计算机或带显示器的处理器系统中。
[0030]计算机或带显示器的处理器系统中的虚拟游戏场景用Unity Technologies公司的一款专门用于开发实时的三维游戏的软件开发工具Unity 3D进行开发。
【主权项】
1.一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置，其特征在于:该装置包括计算机或带显示器的处理器系统、控制电路、3D实感摄像头和牵引支架；其中牵引支架由步进电机a(l)、步进电机b (2)、伺服电机a (3)、伺服电机b (4)、上肢复健支架(5)、上肢复健底托￠)、传感器组成； 其中，步进电机a(l)的输出轴与第一丝杠连接；第一丝杠上设置有滑块，滑块上设置有与第一丝杠相垂直的第二丝杠，第二丝杠与步进电机b (2)的输出轴相连；第二丝杠上设置有滑块，滑块上设置有伺服电机a (3)，伺服电机a (3)的输出轴与U型连接件相连，U型连接件上设置有伺服电机b (4)，伺服电机b (4)的输出轴与上肢复健底托(6)相连；上肢复健底托(6)与第一丝杠平行；上肢复健底托(6)上布置有上肢复健支架(5);所述上肢复健支架(5)用以固定康复者的上肢；固定康复者的上肢上布置有传感器；步进电机a(l)、步进电机b(2)、伺服电机a(3)、伺服电机b(4)与控制电路连接； 3D实感摄像头与计算机或带显示器的处理器系统相连；计算机或带显示器的处理器系统与牵引支架通过控制电路连接； 固定康复者的上肢上布置的传感器共分三个测点，其中测点一、测点二布置在上肢的上表面；测点三布置在上肢的下表面；通过三组测点采集康复者上肢肌肤表面处的细微电压值，并将结果传回至计算机或带显示器的处理器系统，用以评测康复者当前的发力大小。
2.一种基于实感技术的辅助上肢复健的方法，其特征在于:该方法是在计算机或带显示器的处理器系统内置的虚拟场景中通过游戏进行上肢康复训练； 具体操作如下， 在计算机或带显示器的处理器系统中构建虚拟游戏场景，根据预置的训练计划，选择当前要完成的游戏关卡，若需进行牵引训练或启发式训练，则计算机或带显示器的处理器系统根据游戏需要向牵引支架发送控制命令，控制电路接收到计算机或带显示器的处理器系统发送的控制命令后驱动步进电机a、步进电机b和伺服电机a、伺服电机b启动，进而带动搭载于上肢复健支架(5)上的康复者的上肢运动，实现康复者的肩部水平和垂直方向的外展内收运动、肘部屈伸运动、前臂的旋前旋后运动； 3D实感摄像头跟踪康复者的上肢移动并识别其动作姿势，并将检测结果反馈到计算机或带显示器的处理器系统中的虚拟场景中，在显示器上显示模拟过程，给出游戏结果和得分; 若需进行自主训练，则脱离牵引支架进行，直接利用3D实感摄像头跟踪康复者上肢移动并识别动作姿势，将结果反馈到虚拟场景中，给出游戏结果和得分。
【专利摘要】一种基于实感技术的辅助上肢复健的装置及方法，计算机或带显示器的处理器系统与牵引支架连接，康复者的上肢置于牵引支架上；计算机或带显示器的处理器系统用以控制牵引支架运动，进而带动康复者上肢运动；3D实感摄像头与计算机或带显示器的处理器系统相连，通过3D实感摄像头获取康复者的上肢运动数据，进行实时的手掌跟踪和手势识别，同时将结果反馈到计算机或带显示器的处理器系统构建的虚拟场景中。将实感技术与康复系统相结合，采用3D实感摄像头，提高了手掌跟踪和手势识别的实时性和准确性，用户体验更顺畅。对于具有一定上肢运动能力的病人，可以摆脱牵引支架进行自主游戏，增加上肢力量，提高运动协调性。
【IPC分类】A61B5-11, A61B5-0488, A61H1-00, A61B5-22, A63B23-12
【公开号】CN104873356
【申请号】CN201510282005
【发明人】韩德强, 王宗侠, 徐伟诚
【申请人】北京工业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月27日