一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種肢體復(fù)健的裝置及方法，特別是涉及一種上肢復(fù)健的裝置及方法，用于上肢運(yùn)動能力缺失病人的輔助復(fù)健，屬于康復(fù)醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]康復(fù)醫(yī)學(xué)是一門新興的、具有很大潛力的學(xué)科，其旨在消除人類功能障礙。隨著社會老齡化嚴(yán)重，社會對于復(fù)健醫(yī)學(xué)的需求日益上升。
[0003]傳統(tǒng)的復(fù)健運(yùn)動需要在醫(yī)生的指導(dǎo)下，在家人或護(hù)士的全程幫助下才能得以實現(xiàn)，需要耗費(fèi)大量的時間和精力。而現(xiàn)在市場上已有的復(fù)健醫(yī)療器械因其高昂的價格，單一生硬的復(fù)健方式而很難得到廣大消費(fèi)者的認(rèn)可和應(yīng)用。對于醫(yī)院式的傳統(tǒng)復(fù)健流程和已有復(fù)健器械僵硬的復(fù)健方式，患者往往表現(xiàn)出耐心、信心和興趣上的不足，最終導(dǎo)致復(fù)健的低效和病情反復(fù)。所以一種訓(xùn)練方式新穎、生動、復(fù)健計劃科學(xué)全面，同時含有沉浸式、互動式體驗元素的復(fù)健系統(tǒng)才能真正得到消費(fèi)者和市場的認(rèn)可。使患者可以在玩中訓(xùn)練，在訓(xùn)練中玩，真正將訓(xùn)練當(dāng)作一種樂趣，達(dá)到良好的復(fù)健效果。
[0004]研宄者將最新的3D實感技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)與復(fù)健系統(tǒng)相結(jié)合，使患者在游戲中訓(xùn)練，以激發(fā)患者的運(yùn)動意識和復(fù)健興趣，使枯燥煩悶的訓(xùn)練計劃變得生動有趣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置和方法，使上肢運(yùn)動能力缺失病人在虛擬場景游戲中達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。
[0006]本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置，該裝置包括計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、3D實感攝像頭、牽引支架；其中，計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架連接，康復(fù)者的上肢置于牽引支架上；計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)用以控制牽引支架運(yùn)動，進(jìn)而帶動康復(fù)者上肢運(yùn)動；3D實感攝像頭與計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連，通過3D實感攝像頭獲取康復(fù)者的上肢運(yùn)動數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時的手掌跟蹤和手勢識別，同時將結(jié)果反饋到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場景中。
[0008]所述牽引支架由步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、傳感器、控制電路及機(jī)械連接件組成；其中控制電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動康復(fù)者上肢的肩肘關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動；傳感器設(shè)置在康復(fù)者上肢的肌膚表面，通過傳感器檢測康復(fù)者上肢的細(xì)微電壓，進(jìn)而搜集康復(fù)者當(dāng)前發(fā)力大??；機(jī)械連接件將上述各部分連接成一個整體。
[0009]一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的方法，具體步驟為:根據(jù)醫(yī)生建議將訓(xùn)練計劃輸入計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中；然后在虛擬場景中通過完成不同類型的游戲按計劃進(jìn)行每日的上肢康復(fù)訓(xùn)練，最后將訓(xùn)練結(jié)果反饋給康復(fù)者。
[0010]本發(fā)明的積極效果在于:
[0011]I)將實感技術(shù)與康復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合，采用3D實感攝像頭，提高了手掌跟蹤和手勢識別的實時性和準(zhǔn)確性，用戶體驗更順暢。
[0012]2)將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與復(fù)健系統(tǒng)相結(jié)合，使病人沉浸在虛擬場景中，通過游戲互動得分過關(guān)，在玩中訓(xùn)練，提高復(fù)健樂趣。
[0013]3)適用于整個復(fù)健周期，對于上肢無法進(jìn)行自主運(yùn)動的病人，牽引支架可帶動其上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動，緩解肌肉萎縮和關(guān)節(jié)痙攣癥狀；配合牽引游戲，進(jìn)行啟發(fā)式訓(xùn)練，幫助運(yùn)動意識的恢復(fù)；對于具有一定上肢運(yùn)動能力的病人，可以擺脫牽引支架進(jìn)行自主游戲，增加上肢力量，提尚運(yùn)動協(xié)調(diào)性。
【附圖說明】
[0014]圖1為一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置的系統(tǒng)框圖。
[0015]圖2為一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的方法的步驟流程圖。
[0016]圖3為輔助上肢復(fù)健的裝置驅(qū)動圖。
[0017]圖4為輔助上肢復(fù)健測點布置圖。
[0018]圖中:1、步進(jìn)電機(jī)a，2、步進(jìn)電機(jī)b，3、伺服電機(jī)a，4、伺服電機(jī)b，5、上肢復(fù)健支架，
6、上肢復(fù)健底托。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置，該裝置包括計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、控制電路、3D實感攝像頭和牽引支架；其中牽引支架由步進(jìn)電機(jī)a(l)、步進(jìn)電機(jī)b (2)、伺服電機(jī)a (3)、伺服電機(jī)b (4)、上肢復(fù)健支架(5)、上肢復(fù)健底托￠)、傳感器組成，連接關(guān)系如圖1、圖3、圖4所不。
[0021]其中，步進(jìn)電機(jī)a(l)的輸出軸與第一絲杠連接；第一絲杠上設(shè)置有滑塊，滑塊上設(shè)置有與第一絲杠相垂直的第二絲杠，第二絲杠與步進(jìn)電機(jī)b(2)的輸出軸相連；第二絲杠上設(shè)置有滑塊，滑塊上設(shè)置有伺服電機(jī)a (3)，伺服電機(jī)a (3)的輸出軸與U型連接件相連，U型連接件上設(shè)置有伺服電機(jī)b (4)，伺服電機(jī)b (4)的輸出軸與上肢復(fù)健底托(6)相連；上肢復(fù)健底托(6)與第一絲杠平行；上肢復(fù)健底托(6)上布置有上肢復(fù)健支架(5);所述上肢復(fù)健支架(5)用以固定康復(fù)者的上肢；固定康復(fù)者的上肢上布置有傳感器；步進(jìn)電機(jī)a(l)、步進(jìn)電機(jī)b⑵、伺服電機(jī)a (3)、伺服電機(jī)b⑷與控制電路連接。
[0022]3D實感攝像頭與計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連；計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架通過控制電路連接。
[0023]固定康復(fù)者的上肢上布置的傳感器共分三個測點，其中測點一、測點二布置在上肢的上表面；測點三布置在上肢的下表面；通過三組測點采集康復(fù)者上肢肌膚表面處的細(xì)微電壓值，并將結(jié)果傳回至計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)，用以評測康復(fù)者當(dāng)前的發(fā)力大小。
[0024]一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的方法，該方法是在計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬場景中通過游戲進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。
[0025]具體操作如下，
[0026]在計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬游戲場景，根據(jù)預(yù)置的訓(xùn)練計劃，選擇當(dāng)前要完成的游戲關(guān)卡，若需進(jìn)行牽引訓(xùn)練或啟發(fā)式訓(xùn)練，則計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)根據(jù)游戲需要向牽引支架發(fā)送控制命令，控制電路接收到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)發(fā)送的控制命令后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)a、步進(jìn)電機(jī)b和伺服電機(jī)a、伺服電機(jī)b啟動，進(jìn)而帶動搭載于上肢復(fù)健支架(5)上的康復(fù)者的上肢運(yùn)動，實現(xiàn)康復(fù)者的肩部水平和垂直方向的外展內(nèi)收運(yùn)動、肘部屈伸運(yùn)動、前臂的旋前旋后運(yùn)動；
[0027]3D實感攝像頭跟蹤康復(fù)者的上肢移動并識別其動作姿勢，并將檢測結(jié)果反饋到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬場景中，在顯示器上顯示模擬過程，給出游戲結(jié)果和得分；
[0028]若需進(jìn)行自主訓(xùn)練，則脫離牽引支架進(jìn)行，直接利用3D實感攝像頭跟蹤康復(fù)者上肢移動并識別動作姿勢，將結(jié)果反饋到虛擬場景中，給出游戲結(jié)果和得分。
[0029]在具體實施中，3D實感攝像頭采用Intel Senz3D攝像頭，結(jié)合配套的軟件開發(fā)包實現(xiàn)手掌跟蹤和手勢識別；牽引支架由兩個垂直組裝的57步進(jìn)電機(jī)滑臺搭建，其中垂直放置的步進(jìn)電機(jī)固定在水平放置的步進(jìn)電機(jī)滑臺上，再在垂直放置的步進(jìn)電機(jī)滑臺上沿水平方向用三個995舵機(jī)和機(jī)械連接件搭建一個在兩個自由度上旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂，使康復(fù)者上肢搭載于這個機(jī)械臂上；傳感器采用Advancer Technologies公司推出的Muscle Sensor v3肌表電壓傳感器，將傳感器輸出的模擬信號在控制電路中進(jìn)行信號調(diào)理和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中。
[0030]計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬游戲場景用Unity Technologies公司的一款專門用于開發(fā)實時的三維游戲的軟件開發(fā)工具Unity 3D進(jìn)行開發(fā)。
【主權(quán)項】
1.一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置，其特征在于:該裝置包括計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、控制電路、3D實感攝像頭和牽引支架；其中牽引支架由步進(jìn)電機(jī)a(l)、步進(jìn)電機(jī)b (2)、伺服電機(jī)a (3)、伺服電機(jī)b (4)、上肢復(fù)健支架(5)、上肢復(fù)健底托￠)、傳感器組成； 其中，步進(jìn)電機(jī)a(l)的輸出軸與第一絲杠連接；第一絲杠上設(shè)置有滑塊，滑塊上設(shè)置有與第一絲杠相垂直的第二絲杠，第二絲杠與步進(jìn)電機(jī)b (2)的輸出軸相連；第二絲杠上設(shè)置有滑塊，滑塊上設(shè)置有伺服電機(jī)a (3)，伺服電機(jī)a (3)的輸出軸與U型連接件相連，U型連接件上設(shè)置有伺服電機(jī)b (4)，伺服電機(jī)b (4)的輸出軸與上肢復(fù)健底托(6)相連；上肢復(fù)健底托(6)與第一絲杠平行；上肢復(fù)健底托(6)上布置有上肢復(fù)健支架(5);所述上肢復(fù)健支架(5)用以固定康復(fù)者的上肢；固定康復(fù)者的上肢上布置有傳感器；步進(jìn)電機(jī)a(l)、步進(jìn)電機(jī)b(2)、伺服電機(jī)a(3)、伺服電機(jī)b(4)與控制電路連接； 3D實感攝像頭與計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連；計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架通過控制電路連接； 固定康復(fù)者的上肢上布置的傳感器共分三個測點，其中測點一、測點二布置在上肢的上表面；測點三布置在上肢的下表面；通過三組測點采集康復(fù)者上肢肌膚表面處的細(xì)微電壓值，并將結(jié)果傳回至計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)，用以評測康復(fù)者當(dāng)前的發(fā)力大小。
2.一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的方法，其特征在于:該方法是在計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬場景中通過游戲進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練； 具體操作如下， 在計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬游戲場景，根據(jù)預(yù)置的訓(xùn)練計劃，選擇當(dāng)前要完成的游戲關(guān)卡，若需進(jìn)行牽引訓(xùn)練或啟發(fā)式訓(xùn)練，則計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)根據(jù)游戲需要向牽引支架發(fā)送控制命令，控制電路接收到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)發(fā)送的控制命令后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)a、步進(jìn)電機(jī)b和伺服電機(jī)a、伺服電機(jī)b啟動，進(jìn)而帶動搭載于上肢復(fù)健支架(5)上的康復(fù)者的上肢運(yùn)動，實現(xiàn)康復(fù)者的肩部水平和垂直方向的外展內(nèi)收運(yùn)動、肘部屈伸運(yùn)動、前臂的旋前旋后運(yùn)動； 3D實感攝像頭跟蹤康復(fù)者的上肢移動并識別其動作姿勢，并將檢測結(jié)果反饋到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬場景中，在顯示器上顯示模擬過程，給出游戲結(jié)果和得分; 若需進(jìn)行自主訓(xùn)練，則脫離牽引支架進(jìn)行，直接利用3D實感攝像頭跟蹤康復(fù)者上肢移動并識別動作姿勢，將結(jié)果反饋到虛擬場景中，給出游戲結(jié)果和得分。
【專利摘要】一種基于實感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置及方法，計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架連接，康復(fù)者的上肢置于牽引支架上；計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)用以控制牽引支架運(yùn)動，進(jìn)而帶動康復(fù)者上肢運(yùn)動；3D實感攝像頭與計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連，通過3D實感攝像頭獲取康復(fù)者的上肢運(yùn)動數(shù)據(jù)，進(jìn)行實時的手掌跟蹤和手勢識別，同時將結(jié)果反饋到計算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場景中。將實感技術(shù)與康復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合，采用3D實感攝像頭，提高了手掌跟蹤和手勢識別的實時性和準(zhǔn)確性，用戶體驗更順暢。對于具有一定上肢運(yùn)動能力的病人，可以擺脫牽引支架進(jìn)行自主游戲，增加上肢力量，提高運(yùn)動協(xié)調(diào)性。
【IPC分類】A61B5-11, A61B5-0488, A61H1-00, A61B5-22, A63B23-12
【公開號】CN104873356
【申請?zhí)枴緾N201510282005
【發(fā)明人】韓德強(qiáng), 王宗俠, 徐偉誠
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月27日