一種基于實(shí)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(dòng)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(mén)新興的、具有很大潛力的學(xué)科，其旨在消除人類(lèi)功能障礙。隨著社會(huì)老齡化嚴(yán)重，社會(huì)對(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。而現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的復(fù)健醫(yī)療器械因其高昂的價(jià)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(duì)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(dòng)、復(fù)健計(jì)劃科學(xué)全面，同時(shí)含有沉浸式、互動(dòng)式體驗(yàn)元素的復(fù)健系統(tǒng)才能真正得到消費(fèi)者和市場(chǎng)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(lè)趣，達(dá)到良好的復(fù)健效果。
[0004]研宄者將最新的3D實(shí)感技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)意識(shí)和復(fù)健興趣，使枯燥煩悶的訓(xùn)練計(jì)劃變得生動(dòng)有趣。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明提供一種基于實(shí)感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置和方法，使上肢運(yùn)動(dòng)能力缺失病人在虛擬場(chǎng)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(shí)感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置，該裝置包括計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、3D實(shí)感攝像頭、牽引支架；其中，計(jì)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(jì)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(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)康復(fù)者上肢運(yùn)動(dòng)；3D實(shí)感攝像頭與計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連，通過(guò)3D實(shí)感攝像頭獲取康復(fù)者的上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的手掌跟蹤和手勢(shì)識(shí)別，同時(shí)將結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場(chǎng)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)康復(fù)者上肢的肩肘關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；傳感器設(shè)置在康復(fù)者上肢的肌膚表面，通過(guò)傳感器檢測(cè)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)力大小；機(jī)械連接件將上述各部分連接成一個(gè)整體。
[0009]一種基于實(shí)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(jì)劃輸入計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中；然后在虛擬場(chǎng)景中通過(guò)完成不同類(lèi)型的游戲按計(jì)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(shí)感技術(shù)與康復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合，采用3D實(shí)感攝像頭，提高了手掌跟蹤和手勢(shì)識(shí)別的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，用戶(hù)體驗(yàn)更順暢。
[0012]2)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與復(fù)健系統(tǒng)相結(jié)合，使病人沉浸在虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)游戲互動(dòng)得分過(guò)關(guān)，在玩中訓(xùn)練，提高復(fù)健樂(lè)趣。
[0013]3)適用于整個(gè)復(fù)健周期，對(duì)于上肢無(wú)法進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)的病人，牽引支架可帶動(dòng)其上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)意識(shí)的恢復(fù)；對(duì)于具有一定上肢運(yùn)動(dòng)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(dòng)協(xié)調(diào)性。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為一種基于實(shí)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(shí)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(dòng)圖。
[0017]圖4為輔助上肢復(fù)健測(cè)點(diǎn)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(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]一種基于實(shí)感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置，該裝置包括計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、控制電路、3D實(shí)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(shí)感攝像頭與計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連；計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架通過(guò)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(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)一、測(cè)點(diǎn)二布置在上肢的上表面；測(cè)點(diǎn)三布置在上肢的下表面；通過(guò)三組測(cè)點(diǎn)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(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)，用以評(píng)測(cè)康復(fù)者當(dāng)前的發(fā)力大小。
[0024]一種基于實(shí)感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的方法，該方法是在計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬場(chǎng)景中通過(guò)游戲進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練。
[0025]具體操作如下，
[0026]在計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬游戲場(chǎng)景，根據(jù)預(yù)置的訓(xùn)練計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)搭載于上肢復(fù)健支架(5)上的康復(fù)者的上肢運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(dòng)、肘部屈伸運(yùn)動(dòng)、前臂的旋前旋后運(yùn)動(dòng)；
[0027]3D實(shí)感攝像頭跟蹤康復(fù)者的上肢移動(dòng)并識(shí)別其動(dòng)作姿勢(shì)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬場(chǎng)景中，在顯示器上顯示模擬過(guò)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(shí)感攝像頭跟蹤康復(fù)者上肢移動(dòng)并識(shí)別動(dòng)作姿勢(shì)，將結(jié)果反饋到虛擬場(chǎng)景中，給出游戲結(jié)果和得分。
[0029]在具體實(shí)施中，3D實(shí)感攝像頭采用Intel Senz3D攝像頭，結(jié)合配套的軟件開(kāi)發(fā)包實(shí)現(xiàn)手掌跟蹤和手勢(shì)識(shí)別；牽引支架由兩個(gè)垂直組裝的57步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)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(tái)上，再在垂直放置的步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)上沿水平方向用三個(gè)995舵機(jī)和機(jī)械連接件搭建一個(gè)在兩個(gè)自由度上旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂，使康復(fù)者上肢搭載于這個(gè)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(hào)在控制電路中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中。
[0030]計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬游戲場(chǎng)景用Unity Technologies公司的一款專(zhuān)門(mén)用于開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)的三維游戲的軟件開(kāi)發(fā)工具Unity 3D進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于實(shí)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(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)、控制電路、3D實(shí)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(shí)感攝像頭與計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連；計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)與牽引支架通過(guò)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(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)一、測(cè)點(diǎn)二布置在上肢的上表面；測(cè)點(diǎn)三布置在上肢的下表面；通過(guò)三組測(cè)點(diǎn)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(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)，用以評(píng)測(cè)康復(fù)者當(dāng)前的發(fā)力大小。
2.一種基于實(shí)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(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)內(nèi)置的虛擬場(chǎng)景中通過(guò)游戲進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練； 具體操作如下， 在計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中構(gòu)建虛擬游戲場(chǎng)景，根據(jù)預(yù)置的訓(xùn)練計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)搭載于上肢復(fù)健支架(5)上的康復(fù)者的上肢運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(dòng)、肘部屈伸運(yùn)動(dòng)、前臂的旋前旋后運(yùn)動(dòng)； 3D實(shí)感攝像頭跟蹤康復(fù)者的上肢移動(dòng)并識(shí)別其動(dòng)作姿勢(shì)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)中的虛擬場(chǎng)景中，在顯示器上顯示模擬過(guò)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(shí)感攝像頭跟蹤康復(fù)者上肢移動(dòng)并識(shí)別動(dòng)作姿勢(shì)，將結(jié)果反饋到虛擬場(chǎng)景中，給出游戲結(jié)果和得分。
【專(zhuān)利摘要】一種基于實(shí)感技術(shù)的輔助上肢復(fù)健的裝置及方法，計(jì)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(jì)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(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)康復(fù)者上肢運(yùn)動(dòng)；3D實(shí)感攝像頭與計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)相連，通過(guò)3D實(shí)感攝像頭獲取康復(fù)者的上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的手掌跟蹤和手勢(shì)識(shí)別，同時(shí)將結(jié)果反饋到計(jì)算機(jī)或帶顯示器的處理器系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中。將實(shí)感技術(shù)與康復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合，采用3D實(shí)感攝像頭，提高了手掌跟蹤和手勢(shì)識(shí)別的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，用戶(hù)體驗(yàn)更順暢。對(duì)于具有一定上肢運(yùn)動(dòng)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(dòng)協(xié)調(diào)性。
【IPC分類(lèi)】A61B5-11, A61B5-0488, A61H1-00, A61B5-22, A63B23-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104873356
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510282005
【發(fā)明人】韓德強(qiáng), 王宗俠, 徐偉誠(chéng)
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月27日