腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，包括機電單元、計算單元以及顯示單元，通過機電單元捕捉雙指的動作軌跡，將動作軌跡輸入計算單元并進行運算，所述運算的步驟包括:(1)同步來自機電單元的動作軌跡數據；(2)進行3D圖像的運算以及渲染；(3)根據雙指夾捏觸感模型運算力反饋的大小，運算的圖像結果輸出至顯示單元，運算的力量結果輸出至機電單元以產生力反饋。本發明腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置通過人機介面，同步捕捉雙指指腹夾捏動作，實現雙指動作、力反饋和視覺反饋的實時交互，以及實現雙指指腹夾捏取物的擬真觸覺。
【專利說明】
腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置
技術領域
[0001]本發明涉及虛擬現實技術，更具體地說，涉及一種基于虛擬現實觸覺仿真的腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置。
【背景技術】
[0002]因腦損造成的各式上肢運動障礙，包括肩、臂、肘、腕、掌、指等不同動作功能，必須針對各個的動作實施不同的康復任務訓練，達到康復的目的。對于手部指腹夾捏的功能，例如以食指和拇指協同運作夾捏取物，傳統臨床康復提供病患實物進行指腹夾捏訓練。
[0003]隨著科技的進步，各式的人機交互技術結合虛擬現實，逐漸地被應用于手部手指功能的訓練，這些人機交互技術包括數據手套、力反饋手套或是機器手臂等，但是這些技術在實用上，都存在著不同的問題與缺點:(I)數據手套，缺乏力反饋；(2)力反饋手套，無法適合各式大小形狀的手型，一旦手套大小與手型不一致，將產生數據采集的偏差，因此不易實用于臨床；(3)機器手臂，雖然可以提供力反饋，但是通常過于昂貴且笨重，也不易普遍實用于臨床。
[0004]上述力反饋手套或機器手臂的力反饋設計，僅能提供個別手指力量的牽引或是力量的阻抗，但是無法進行精細的觸覺模型的模擬，所以，這些設備雖然可以對于個別手指功能進行訓練，仍然無法對于需要協同運作的精細高功能(例如:指腹夾捏)進行訓練。
[0005]雕刻機為可編程的力反饋設備，例如NovintFalcon，具有三個自由度的力量輸出，可以進行精細的觸覺模型的模擬，已經大量地應用于3D模型的雕刻制作，同時也應用于數字游戲，雖然也逐漸被應用于康復訓練系統，但是由于只能對于單點進行力量輸出，加上端點的機構設計，只能以手掌握住進行手臂功能康復訓練，不僅缺乏連接手指與雕刻機的人機介面，同時也無法以單機實用于需要雙指協同運作的指腹夾捏功能的康復訓練。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，能提供實時的力反饋以及實現精細的觸感模擬。
[0007]為了實現上述目的，本發明腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置的技術方案為:一種腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，包括機電單元、計算單元以及顯示單元，通過機電單元捕捉雙指的動作軌跡，將動作軌跡輸入計算單元并進行運算，所述運算的步驟包括:(I)同步來自機電單元的動作軌跡數據；(2)進行3D圖像的運算以及渲染；(3)根據雙指夾捏觸感模型運算力反饋的大小，運算的圖像結果輸出至顯示單元，運算的力量結果輸出至機電單元以產生力反饋。
[0008]作為本發明的一種改進，所述機電單元包括人機介面和兩臺雕刻機，以并聯的方式分別連接雙指，人機介面的一端為與雕刻機相容的接頭，同時嵌入可以觸發雕刻機運作的電路，另一端為圓筒形指套以包覆手指關節以上部分，兩端的中間為方格式結構。
[0009]作為本發明的一種改進，在所述顯示單元上虛擬現實雙指夾捏，以第一球體作為左指于虛擬環境中的代表，以第二球體作為右指于虛擬環境中的代表，用于夾取虛擬環境中的虛擬方塊;隨著左右兩指的運動，左右兩指的動作軌跡通過計算單元同步并傳輸至虛擬環境，第一球體與第二球體也伴隨著運動，作為使用者的視覺反饋，使用者通過視覺反饋感知雙指的動作，達到視覺與動作的實時交互。
[0010]作為本發明的一種改進，設置力量誘發的起始點為第一球體距離虛擬方塊左側邊緣d的地方，反饋力F的方向為左方，反饋力的大小隨著第一球體向右方移動的距離S而增加，增加的程度依據反饋力變化曲線而計算，當第一球體移動至虛擬方塊右側邊緣d的地方，反饋力不再繼續增加并維持一個固定的量值；其中，d和虛擬方塊的邊長L成正比例關系，由系數α控制，F和S的關系由β和γ控制:(1 = €[札，？1 =辟5\
[0011]作為本發明的一種改進，當€(= 0.05，0 = 0.65，γ =2.15時為最佳觸感仿真。
[0012]與現有技術相比，本發明腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置通過人機介面，同步捕捉雙指指腹夾捏動作，實現雙指動作、力反饋和視覺反饋的實時交互，以及實現雙指指腹夾捏取物的擬真觸覺。
【附圖說明】
[0013]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明的結構及其有益技術效果進行詳細說明。
[0014]圖1為本發明的組成示意框圖。
[0015]圖2為本發明的人機介面結構示意圖。
[0016]圖3為本發明的視覺反饋示意圖。
[0017]圖4為本發明的力量誘發范圍圖。
[0018]圖5為本發明的反饋力變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發明的發明目的、技術方案及其有益技術效果更加清晰，以下結合附圖和【具體實施方式】，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的【具體實施方式】僅僅是為了解釋本發明，并非為了限定本發明。
[0020]請參閱圖1，為了實現具有觸覺仿真的虛擬現實雙指指腹夾捏任務，本發明腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置包括三個部分:機電單元、計算單元以及顯示單元，機電單元包括雙雕刻機以及人機介面，計算單元以電腦來實現。通過機電單元捕捉雙指的動作軌跡，將動作軌跡輸入計算單元并進行運算，運算流程首先同步來自兩臺雕刻機的動作軌跡數據，接著進行3D圖像的運算以及渲染，最后根據雙指夾捏觸感模型運算力反饋的大小，運算的圖像結果輸出至顯示單元，運算的力量結果輸出至機電單元以產生力反饋，以上過程周而復始的運作(每秒約60-100次)達到實時交互。
[0021]請參閱圖2，在機電單元的部分，為了實現雙指夾捏任務，運用兩臺雕刻機，以并聯的方式分別連接雙指，同步捕捉雙指的動作軌跡，也同步雙指輸出雙指的力反饋。為了連接雕刻機以及手指，人機介面的一端為與雕刻機相容的接頭設計，也同時嵌入可以觸發雕刻機運作的電路，另一端為圓筒形指套設計以包覆手指關節以上部分，兩端的中間則設計了方格式結構，以實現輕量且高勁度。
[0022]請參閱圖3，在顯示單元的部分，以游戲開發軟件Unity3D開發了虛擬現實雙指夾捏任務，其中的紅色球體(第一球體)作為左指于虛擬環境中的代表，黃色球體(第二球體)作為右指于虛擬環境中的代表，隨著左右兩指的運動，左右兩指的動作軌跡通過計算單元同步并傳輸至虛擬環境，紅色與黃色球體也伴隨著運動，作為使用者的視覺反饋，使用者通過視覺反饋感知雙指的動作，達到視覺與動作的實時交互。任務的內容為通過雙指協同運作，夾取虛擬方塊，并將虛擬方塊舉起至一個目標高度。
[0023]請參閱圖4和圖5，為了實現雙指夾捏的觸感，觸感模型的設計原理，主要是通過力量誘發范圍的設計和反饋力變化曲線的設計。以左指為例，力量誘發的起始點為紅色球體距離虛擬方塊左側邊緣d的地方，反饋力F的方向為左方，然后反饋力的大小隨著紅色球體向右方移動的距離S而增加，增加的程度依據反饋力變化曲線而計算，當紅色球體移動至虛擬方塊右側邊緣d的地方，反饋力不再繼續增加并維持一個固定的量值。其中，d和虛擬方塊的邊長L成正比例關系，由系數α控制，F和S的關系由β和γ控$1」。經過研究測試，本觸感模型采用α = 0.05，β = 0.65, γ = 2.15以達到最佳觸感仿真。另外，當虛擬方塊被舉起的時候，將施加一個向下的力量W，模擬虛擬方塊的重量，此時，左指和右指分別承受左方向和右方向的水平力量，也同時承受向下的力量。
[0024]根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。
【主權項】
1.一種腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，包括機電單元、計算單元以及顯示單元，其特征在于，通過機電單元捕捉雙指的動作軌跡，將動作軌跡輸入計算單元并進行運算，所述運算的步驟包括: (1)同步來自機電單元的動作軌跡數據； (2)進行3D圖像的運算以及渲染； (3)根據雙指夾捏觸感模型運算力反饋的大小，運算的圖像結果輸出至顯示單元，運算的力量結果輸出至機電單元以產生力反饋。2.根據權利要求1所述的腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，其特征在于，所述機電單元包括人機介面和兩臺雕刻機，以并聯的方式分別連接雙指，人機介面的一端為與雕刻機相容的接頭，同時嵌入可以觸發雕刻機運作的電路，另一端為圓筒形指套以包覆手指關節以上部分，兩端的中間為方格式結構。3.根據權利要求2所述的腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，其特征在于，在所述顯示單元上虛擬現實雙指夾捏，以第一球體作為左指于虛擬環境中的代表，以第二球體作為左指于虛擬環境中的代表，用于夾取虛擬環境中的虛擬方塊;隨著左右兩指的運動，左右兩指的動作軌跡通過計算單元同步并傳輸至虛擬環境，第一球體與第二球體也伴隨著運動，作為使用者的視覺反饋，使用者通過視覺反饋感知雙指的動作，達到視覺與動作的實時交互。4.根據權利要求3所述的腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，其特征在于，設置力量誘發的起始點為第一球體距離虛擬方塊左側邊緣d的地方，反饋力F的方向為左方，反饋力的大小隨著第一球體向右方移動的距離S而增加，增加的程度依據反饋力變化曲線而計算，當第一球體移動至虛擬方塊右側邊緣d的地方，反饋力不再繼續增加并維持一個固定的量值；其中，d和虛擬方塊的邊長L成正比例關系，由系數α控制，F和S的關系由β和γ控制: d = a 氺 LFr = 0*SY。5.根據權利要求4所述的腦損傷雙指指腹夾捏康復訓練裝置，其特征在于，當a= 0.05，￠=0.65, γ =2.15時為最佳觸感仿真。
【文檔編號】A63B23/16GK105999652SQ201610269922
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】葉士青
【申請人】珠海云智醫療科技有限公司