專利名稱：基于體感外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)及其訓練方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屬于生物醫(yī)學工程、計算機和自動控制領(lǐng)域的康復訓練技術(shù)，具體涉及一種基于體感外設(shè)的手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)及其訓練方法。
背景技術(shù)：
體感(Natural User Interface)是一種識別三維空間中肢體動作的人機交互技術(shù)，近年來受到廣泛的關(guān)注。微軟公司推出的Kinect設(shè)備(即體感外設(shè))，由一個RGB攝像頭和兩個深度攝像頭構(gòu)成，能夠捕捉深度信息，提供豐富和準確的三維運動信息。中風后的功能缺失是一種常見的后遺癥，所以病人通常需要進行長期的康復性訓 練恢復功能。在傳統(tǒng)的功能康復治療中，主要是靠理療師來一對一的進行病人的康復訓練，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性動作,Kinect實時地捕獲到理療師各個關(guān)節(jié)的三維坐標，通過對三維坐標的解析實時給出機械手臂控制命令，實現(xiàn)機械手臂帶動患者進行康復性訓練。這種技術(shù)不但可以實時處理理療師的動作，還能根據(jù)需要存儲理療師的動作，以方便單個甚至多個患者進行準確的、周期的康復性訓練。這些是傳統(tǒng)理療師對病人進行康復性訓練做不到的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于體感周邊外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)及其訓練方法，通過理療師示范指導性的康復動作，精準地映射成機械手臂控制命令，通過機械手臂運動帶動患者手臂進行準確地、重復地、長期地訓練，最終提升中風患者康復效果。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于體感周邊外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)，其特點是，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)輸出端的機械手臂控制子系統(tǒng)，以及電路連接機械手臂控制子系統(tǒng)輸出端的康復機械手臂。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。上述的康復機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該肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動連接；
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)動部件，上臂部件與肩部部件通過該肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動連接；
上述肩部部件的頂端設(shè)有肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件，肩部部件通過該肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件與機械手臂基座轉(zhuǎn)動連接；
上述肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件通過轉(zhuǎn)軸連接有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機；上述肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動部件通過轉(zhuǎn)軸連接有肩部前后旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機；
上述肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件通過轉(zhuǎn)軸連接有肩部上下旋轉(zhuǎn)電機。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)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)的訓練方法，其特點是，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)每秒對手腕、手肘、肩、雙肩中點、另一側(cè)肩的關(guān)節(jié)點捕獲30次三維坐標；取各點最近五次的三維坐標數(shù)值，并分別計算取其平均數(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)每次捕獲上述五個關(guān)節(jié)點的三維坐標后，計算肘部關(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)計算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，設(shè)手腕的三維坐標為A、手肘的三維坐標為B、肩的三維坐標為C ；
計算關(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)手臂運動追蹤的康復訓練系統(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)輸出端的機械手臂控制子系統(tǒng)(2)，以及電路連接所述機械手臂控制子系統(tǒng)(2)輸出端的康復機械手臂(22)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于體感外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(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)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)，其特征在于，所述的康復機械手臂(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)通過該肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件(225)轉(zhuǎn)動連接； 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)動部件(223)，上臂部件(224)與肩部部件(221)通過該肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動部件(223)轉(zhuǎn)動連接； 所述肩部部件(221)的頂端設(shè)有肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件(222)，肩部部件(221)通過該肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件(222)與機械手臂基座轉(zhuǎn)動連接； 所述肘部屈伸旋轉(zhuǎn)部件(225)通過轉(zhuǎn)軸連接有肘部屈伸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(229)； 所述肩關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動部件(223)通過轉(zhuǎn)軸連接有肩部前后旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(228)； 所述肩關(guān)節(jié)上下轉(zhuǎn)動部件(222)通過轉(zhuǎn)軸連接有肩部上下旋轉(zhuǎn)電機(227)。
4.如權(quán)利要求2所述的基于體感外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(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)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)的訓練方法，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)每秒對手腕、手肘、肩、雙肩中點、另ー側(cè)肩的關(guān)節(jié)點捕獲30次三維坐標；取各點最近五次的三維坐標數(shù)值，井分別計算取其平均數(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)毎次捕獲上述五個關(guān)節(jié)點的三維坐標后，計算肘部關(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)通過手腕、手肘、肩和另ー側(cè)肩的關(guān)節(jié)點的三維坐標，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)通過儲存任意一個被測關(guān)節(jié)的任意相鄰兩個時刻的三維坐標，計算出該關(guān)節(jié)的運動速度； 關(guān)節(jié)點的速度計算公式如下V= >2-神 0.033 其中，Pl是前ー時刻被測關(guān)節(jié)三維坐標，P2是后ー時刻被測關(guān)節(jié)三維坐標，0. 033為相鄰兩次三維坐標捕獲時刻的時間間隔； 步驟5、基于體感外設(shè)的骨骼數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)(I)將獲取和計算得的關(guān)節(jié)運動的角度和速度數(shù)值實時傳輸至機械手臂控制子系統(tǒng)(2)； 機械手臂控制子系統(tǒng)(2)根據(jù)關(guān)節(jié)運動的角度和速度數(shù)值，向康復機械手臂(22)發(fā)送控制指令； 步驟6、康復機械手臂(22)根據(jù)機械手臂控制子系統(tǒng)(2)所發(fā)送的控制指令帶動患者的手臂進行康復運動。
6.如權(quán)利要求5所述的適用于基于體感外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)的訓練方法，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)計算肘部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，設(shè)手腕的三維坐標為A、手肘的三維坐標為B、肩的三維坐標為C ； 計算關(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)手臂運動追蹤的康復訓練系統(tǒng)的訓練方法，其特征在于，所述的步驟3包含以下步驟 步驟3. I、計算過手腕、手肘、肩三點三維坐標的平面方程的表達式(Ax +By +Cz +D=0)，跳轉(zhuǎn)到步驟3. 2 ； 步驟3. 2、計算另一側(cè)肩的三維坐標到手腕、手肘、肩三點所在平面的距離，跳轉(zhuǎn)到步驟3.3 ； 步驟3. 3、判斷另ー側(cè)肩的三維坐標到手腕、手肘、肩三點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動，并跳轉(zhuǎn)到步驟4 ;若否，則判定手臂在身側(cè)運動，并跳轉(zhuǎn)到步驟4。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于體感周邊外設(shè)手臂運動追蹤的康復訓練系統(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)輸出端的機械手臂控制子系統(tǒng)，以及電路連接機械手臂控制子系統(tǒng)輸出端的康復機械手臂；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數(shù)據(jù)，控制外部機械手臂運動，通過機械手臂帶動患者進行康復運動，不用理療師戴任何電子器件，解決了傳統(tǒng)理療師只能一對一治療中風患者的限制，同時還提升了患者進行多次康復性訓練的精準度，不僅減輕了理療師的負擔，也增強了患者接受康復性訓練后的效果。
文檔編號A61H1/00GK102727362SQ20121025243
公開日2012年10月17日 申請日期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 申請人:上海海事大學