專利名稱：基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及其訓(xùn)練方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屬于生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的康復(fù)訓(xùn)練技術(shù)，具體涉及一種基于體感外設(shè)的手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及其訓(xùn)練方法。
背景技術(shù)：
體感(Natural User Interface)是一種識(shí)別三維空間中肢體動(dòng)作的人機(jī)交互技術(shù)，近年來(lái)受到廣泛的關(guān)注。微軟公司推出的Kinect設(shè)備(即體感外設(shè))，由一個(gè)RGB攝像頭和兩個(gè)深度攝像頭構(gòu)成，能夠捕捉深度信息，提供豐富和準(zhǔn)確的三維運(yùn)動(dòng)信息。中風(fēng)后的功能缺失是一種常見(jiàn)的后遺癥，所以病人通常需要進(jìn)行長(zhǎng)期的康復(fù)性訓(xùn) 練恢復(fù)功能。在傳統(tǒng)的功能康復(fù)治療中，主要是靠理療師來(lái)一對(duì)一的進(jìn)行病人的康復(fù)訓(xùn)練，這樣的方式使得工作效率較低。在新穎的體感技術(shù)下，理療師站在Kinect傳感器前做一些康復(fù)性動(dòng)作,Kinect實(shí)時(shí)地捕獲到理療師各個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)三維坐標(biāo)的解析實(shí)時(shí)給出機(jī)械手臂控制命令，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)性訓(xùn)練。這種技術(shù)不但可以實(shí)時(shí)處理理療師的動(dòng)作，還能根據(jù)需要存儲(chǔ)理療師的動(dòng)作，以方便單個(gè)甚至多個(gè)患者進(jìn)行準(zhǔn)確的、周期的康復(fù)性訓(xùn)練。這些是傳統(tǒng)理療師對(duì)病人進(jìn)行康復(fù)性訓(xùn)練做不到的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于體感周邊外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)及其訓(xùn)練方法，通過(guò)理療師示范指導(dǎo)性的康復(fù)動(dòng)作，精準(zhǔn)地映射成機(jī)械手臂控制命令，通過(guò)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患者手臂進(jìn)行準(zhǔn)確地、重復(fù)地、長(zhǎng)期地訓(xùn)練，最終提升中風(fēng)患者康復(fù)效果。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于體感周邊外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，該系統(tǒng)包含基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，電路連接基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)輸出端的機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)，以及電路連接機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)輸出端的康復(fù)機(jī)械手臂。上述的基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)采用微軟公司的Kinect設(shè)備。上述的康復(fù)機(jī)械手臂包含上臂部件，分別設(shè)置在上臂部件兩端的下臂部件和肩部部件，以及機(jī)械手臂基座；
上述下臂部件與上臂部件之間還設(shè)有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件，下臂部件與上臂部件通過(guò)該肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
上述上臂部件與肩部部件之間還設(shè)有肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件，上臂部件與肩部部件通過(guò)該肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
上述肩部部件的頂端設(shè)有肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件，肩部部件通過(guò)該肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件與機(jī)械手臂基座轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
上述肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；上述肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肩部前后旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
上述肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肩部上下旋轉(zhuǎn)電機(jī)。上述上臂部件與下臂部件都設(shè)有呈半圓弧形的支撐結(jié)構(gòu)。一種適用于基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，其特點(diǎn)是，該方法包含以下步驟
步驟I、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)每秒對(duì)手腕、手肘、肩、雙肩中點(diǎn)、另一側(cè)肩的關(guān)節(jié)點(diǎn)捕獲30次三維坐標(biāo)；取各點(diǎn)最近五次的三維坐標(biāo)數(shù)值，并分別計(jì)算取其平均數(shù)值；
步驟2、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)每次捕獲上述五個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)后，計(jì)算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和肩部關(guān)節(jié)的前后旋轉(zhuǎn)關(guān)系； 步驟2. I、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)計(jì)算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，設(shè)手腕的三維坐標(biāo)為A、手肘的三維坐標(biāo)為B、肩的三維坐標(biāo)為C ；
計(jì)算關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在干，該系統(tǒng)包含基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I )，電路連接所述基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)輸出端的機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)(2)，以及電路連接所述機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)(2)輸出端的康復(fù)機(jī)械手臂(22)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)采用微軟公司的Kinect設(shè)備。
3.如權(quán)利要求I所述的基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述的康復(fù)機(jī)械手臂(22)包含上臂部件(224)，分別設(shè)置在上臂部件(224)兩端的下臂部件(226)和肩部部件(221)，以及機(jī)械手臂基座； 所述下臂部件(226)與上臂部件(224)之間還設(shè)有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件(225)，下臂部件(226)與上臂部件(224)通過(guò)該肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件(225)轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述上臂部件(224)與肩部部件(221)之間還設(shè)有肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件(223)，上臂部件(224)與肩部部件(221)通過(guò)該肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件(223)轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述肩部部件(221)的頂端設(shè)有肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件(222)，肩部部件(221)通過(guò)該肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件(222)與機(jī)械手臂基座轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件(225)通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(229)； 所述肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)部件(223)通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肩部前后旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(228)； 所述肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動(dòng)部件(222)通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接有肩部上下旋轉(zhuǎn)電機(jī)(227)。
4.如權(quán)利要求2所述的基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征在于，所述上臂部件(224)與下臂部件(226)都設(shè)有呈半圓弧形的支撐結(jié)構(gòu)。
5.一種適用于基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，其特征在干，該方法包含以下步驟 步驟I、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)每秒對(duì)手腕、手肘、肩、雙肩中點(diǎn)、另ー側(cè)肩的關(guān)節(jié)點(diǎn)捕獲30次三維坐標(biāo)；取各點(diǎn)最近五次的三維坐標(biāo)數(shù)值，井分別計(jì)算取其平均數(shù)值； 步驟2、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)毎次捕獲上述五個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)后，計(jì)算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和肩部關(guān)節(jié)的前后旋轉(zhuǎn)關(guān)系； 步驟3、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)通過(guò)手腕、手肘、肩和另ー側(cè)肩的關(guān)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，判斷手臂在身體的前方還是右側(cè)； 步驟4、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)通過(guò)儲(chǔ)存任意一個(gè)被測(cè)關(guān)節(jié)的任意相鄰兩個(gè)時(shí)刻的三維坐標(biāo)，計(jì)算出該關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度； 關(guān)節(jié)點(diǎn)的速度計(jì)算公式如下V= >2-神 0.033 其中，Pl是前ー時(shí)刻被測(cè)關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)，P2是后ー時(shí)刻被測(cè)關(guān)節(jié)三維坐標(biāo)，0. 033為相鄰兩次三維坐標(biāo)捕獲時(shí)刻的時(shí)間間隔； 步驟5、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)將獲取和計(jì)算得的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和速度數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)(2)； 機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)(2)根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度和速度數(shù)值，向康復(fù)機(jī)械手臂(22)發(fā)送控制指令； 步驟6、康復(fù)機(jī)械手臂(22)根據(jù)機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)(2)所發(fā)送的控制指令帶動(dòng)患者的手臂進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)。
6.如權(quán)利要求5所述的適用于基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，其特征在于，所述的步驟2包含以下步驟 步驟2. I、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)計(jì)算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，設(shè)手腕的三維坐標(biāo)為A、手肘的三維坐標(biāo)為B、肩的三維坐標(biāo)為C ； 計(jì)算關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的公式如下
7.如權(quán)利要求5所述的適用于基于體感外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練方法，其特征在于，所述的步驟3包含以下步驟 步驟3. I、計(jì)算過(guò)手腕、手肘、肩三點(diǎn)三維坐標(biāo)的平面方程的表達(dá)式(Ax +By +Cz +D=0)，跳轉(zhuǎn)到步驟3. 2 ； 步驟3. 2、計(jì)算另一側(cè)肩的三維坐標(biāo)到手腕、手肘、肩三點(diǎn)所在平面的距離，跳轉(zhuǎn)到步驟3.3 ； 步驟3. 3、判斷另ー側(cè)肩的三維坐標(biāo)到手腕、手肘、肩三點(diǎn)所在平面的距離是否大于O.2米，若是，則判定手臂在身前運(yùn)動(dòng)，并跳轉(zhuǎn)到步驟4 ;若否，則判定手臂在身側(cè)運(yùn)動(dòng)，并跳轉(zhuǎn)到步驟4。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于體感周邊外設(shè)手臂運(yùn)動(dòng)追蹤的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，電路連接基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)輸出端的機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)，以及電路連接機(jī)械手臂控制子系統(tǒng)輸出端的康復(fù)機(jī)械手臂；基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)采用微軟公司的Kinect設(shè)備。本發(fā)明采用Kinect設(shè)備捕獲的手臂三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，控制外部機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械手臂帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，不用理療師戴任何電子器件，解決了傳統(tǒng)理療師只能一對(duì)一治療中風(fēng)患者的限制，同時(shí)還提升了患者進(jìn)行多次康復(fù)性訓(xùn)練的精準(zhǔn)度，不僅減輕了理療師的負(fù)擔(dān)，也增強(qiáng)了患者接受康復(fù)性訓(xùn)練后的效果。
文檔編號(hào)A61H1/00GK102727362SQ20121025243
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者夏斌, 楊文璐, 謝宏, 郭明 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)