專利名稱：基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統及其訓練方法
技術領域：
本發明涉及一種屬于生物醫學工程、計算機和自動控制領域的康復訓練技術，具體涉及一種基于體感外設的手臂運動追蹤的康復訓練系統及其訓練方法。
背景技術：
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，近年來受到廣泛的關注。微軟公司推出的Kinect設備(即體感外設)，由一個RGB攝像頭和兩個深度攝像頭構成，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節的三維坐標，通過對三維坐標的解析實時給出機械手臂控制命令，實現機械手臂帶動患者進行康復性訓練。這種技術不但可以實時處理理療師的動作，還能根據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。這些是傳統理療師對病人進行康復性訓練做不到的。

發明內容
本發明提供一種基于體感周邊外設手臂運動追蹤的康復訓練系統及其訓練方法，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。為實現上述目的，本發明提供一種基于體感周邊外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，其特點是，該系統包含基于體感外設的骨骼數據處理子系統，電路連接基于體感外設的骨骼數據處理子系統輸出端的機械手臂控制子系統，以及電路連接機械手臂控制子系統輸出端的康復機械手臂。上述的基于體感外設的骨骼數據處理子系統采用微軟公司的Kinect設備。上述的康復機械手臂包含上臂部件，分別設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有肘部屈伸旋轉部件，下臂部件與上臂部件通過該肘部屈伸旋轉部件轉動連接；
上述上臂部件與肩部部件之間還設有肩關節前后轉動部件，上臂部件與肩部部件通過該肩關節前后轉動部件轉動連接；
上述肩部部件的頂端設有肩關節上下轉動部件，肩部部件通過該肩關節上下轉動部件與機械手臂基座轉動連接；
上述肘部屈伸旋轉部件通過轉軸連接有肘部屈伸旋轉驅動電機；上述肩關節前后轉動部件通過轉軸連接有肩部前后旋轉驅動電機；
上述肩關節上下轉動部件通過轉軸連接有肩部上下旋轉電機。上述上臂部件與下臂部件都設有呈半圓弧形的支撐結構。一種適用于基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統的訓練方法，其特點是，該方法包含以下步驟
步驟I、基于體感外設的骨骼數據處理子系統每秒對手腕、手肘、肩、雙肩中點、另一側肩的關節點捕獲30次三維坐標；取各點最近五次的三維坐標數值，并分別計算取其平均數值；
步驟2、基于體感外設的骨骼數據處理子系統每次捕獲上述五個關節點的三維坐標后，計算肘部關節的旋轉關系和肩部關節的前后旋轉關系； 步驟2. I、基于體感外設的骨骼數據處理子系統計算肘部關節的旋轉關系，設手腕的三維坐標為A、手肘的三維坐標為B、肩的三維坐標為C ；
計算關節旋轉角度的公式如下
權利要求
1.一種基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，其特征在干，該系統包含基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I )，電路連接所述基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)輸出端的機械手臂控制子系統(2)，以及電路連接所述機械手臂控制子系統(2)輸出端的康復機械手臂(22)。
2.如權利要求I所述的基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，其特征在于，所述的基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)采用微軟公司的Kinect設備。
3.如權利要求I所述的基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，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)之間還設有肘部屈伸旋轉部件(225)，下臂部件(226)與上臂部件(224)通過該肘部屈伸旋轉部件(225)轉動連接； 所述上臂部件(224)與肩部部件(221)之間還設有肩關節前后轉動部件(223)，上臂部件(224)與肩部部件(221)通過該肩關節前后轉動部件(223)轉動連接； 所述肩部部件(221)的頂端設有肩關節上下轉動部件(222)，肩部部件(221)通過該肩關節上下轉動部件(222)與機械手臂基座轉動連接； 所述肘部屈伸旋轉部件(225)通過轉軸連接有肘部屈伸旋轉驅動電機(229)； 所述肩關節前后轉動部件(223)通過轉軸連接有肩部前后旋轉驅動電機(228)； 所述肩關節上下轉動部件(222)通過轉軸連接有肩部上下旋轉電機(227)。
4.如權利要求2所述的基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，其特征在于，所述上臂部件(224)與下臂部件(226)都設有呈半圓弧形的支撐結構。
5.一種適用于基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統的訓練方法，其特征在干，該方法包含以下步驟 步驟I、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)每秒對手腕、手肘、肩、雙肩中點、另ー側肩的關節點捕獲30次三維坐標；取各點最近五次的三維坐標數值，井分別計算取其平均數值； 步驟2、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)毎次捕獲上述五個關節點的三維坐標后，計算肘部關節的旋轉關系和肩部關節的前后旋轉關系； 步驟3、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)通過手腕、手肘、肩和另ー側肩的關節點的三維坐標，判斷手臂在身體的前方還是右側； 步驟4、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)通過儲存任意一個被測關節的任意相鄰兩個時刻的三維坐標，計算出該關節的運動速度； 關節點的速度計算公式如下V= >2-神 0.033 其中，Pl是前ー時刻被測關節三維坐標，P2是后ー時刻被測關節三維坐標，0. 033為相鄰兩次三維坐標捕獲時刻的時間間隔； 步驟5、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)將獲取和計算得的關節運動的角度和速度數值實時傳輸至機械手臂控制子系統(2)； 機械手臂控制子系統(2)根據關節運動的角度和速度數值，向康復機械手臂(22)發送控制指令； 步驟6、康復機械手臂(22)根據機械手臂控制子系統(2)所發送的控制指令帶動患者的手臂進行康復運動。
6.如權利要求5所述的適用于基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統的訓練方法，其特征在于，所述的步驟2包含以下步驟 步驟2. I、基于體感外設的骨骼數據處理子系統(I)計算肘部關節的旋轉關系，設手腕的三維坐標為A、手肘的三維坐標為B、肩的三維坐標為C ； 計算關節旋轉角度的公式如下
7.如權利要求5所述的適用于基于體感外設手臂運動追蹤的康復訓練系統的訓練方法，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)，跳轉到步驟3. 2 ； 步驟3. 2、計算另一側肩的三維坐標到手腕、手肘、肩三點所在平面的距離，跳轉到步驟3.3 ； 步驟3. 3、判斷另ー側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，并跳轉到步驟4 ;若否，則判定手臂在身側運動，并跳轉到步驟4。
全文摘要
本發明公開一種基于體感周邊外設手臂運動追蹤的康復訓練系統，該系統包含基于體感外設的骨骼數據處理子系統，電路連接基于體感外設的骨骼數據處理子系統輸出端的機械手臂控制子系統，以及電路連接機械手臂控制子系統輸出端的康復機械手臂；基于體感外設的骨骼數據處理子系統采用微軟公司的Kinect設備。本發明采用Kinect設備捕獲的手臂三維坐標數據，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 優先權日2012年7月20日
發明者夏斌, 楊文璐, 謝宏, 郭明 申請人:上海海事大學