专利名称：基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统及其训练方法
技术领域：
本发明涉及一种属于生物医学工程、计算机和自动控制领域的康复训练技术，具体涉及一种基于体感外设的手臂运动追踪的康复训练系统及其训练方法。
背景技术：
体感(Natural User Interface)是一种识别三维空间中肢体动作的人机交互技术，近年来受到广泛的关注。微软公司推出的Kinect设备(即体感外设)，由一个RGB摄像头和两个深度摄像头构成，能够捕捉深度信息，提供丰富和准确的三维运动信息。中风后的功能缺失是一种常见的后遗症，所以病人通常需要进行长期的康复性训 练恢复功能。在传统的功能康复治疗中，主要是靠理疗师来一对一的进行病人的康复训练，这样的方式使得工作效率较低。在新颖的体感技术下，理疗师站在Kinect传感器前做一些康复性动作,Kinect实时地捕获到理疗师各个关节的三维坐标，通过对三维坐标的解析实时给出机械手臂控制命令，实现机械手臂带动患者进行康复性训练。这种技术不但可以实时处理理疗师的动作，还能根据需要存储理疗师的动作，以方便单个甚至多个患者进行准确的、周期的康复性训练。这些是传统理疗师对病人进行康复性训练做不到的。
发明内容
本发明提供一种基于体感周边外设手臂运动追踪的康复训练系统及其训练方法，通过理疗师示范指导性的康复动作，精准地映射成机械手臂控制命令，通过机械手臂运动带动患者手臂进行准确地、重复地、长期地训练，最终提升中风患者康复效果。为实现上述目的，本发明提供一种基于体感周边外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特点是，该系统包含基于体感外设的骨骼数据处理子系统，电路连接基于体感外设的骨骼数据处理子系统输出端的机械手臂控制子系统，以及电路连接机械手臂控制子系统输出端的康复机械手臂。上述的基于体感外设的骨骼数据处理子系统采用微软公司的Kinect设备。上述的康复机械手臂包含上臂部件，分别设置在上臂部件两端的下臂部件和肩部部件，以及机械手臂基座；
上述下臂部件与上臂部件之间还设有肘部屈伸旋转部件，下臂部件与上臂部件通过该肘部屈伸旋转部件转动连接；
上述上臂部件与肩部部件之间还设有肩关节前后转动部件，上臂部件与肩部部件通过该肩关节前后转动部件转动连接；
上述肩部部件的顶端设有肩关节上下转动部件，肩部部件通过该肩关节上下转动部件与机械手臂基座转动连接；
上述肘部屈伸旋转部件通过转轴连接有肘部屈伸旋转驱动电机；上述肩关节前后转动部件通过转轴连接有肩部前后旋转驱动电机；
上述肩关节上下转动部件通过转轴连接有肩部上下旋转电机。上述上臂部件与下臂部件都设有呈半圆弧形的支撑结构。一种适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特点是，该方法包含以下步骤
步骤I、基于体感外设的骨骼数据处理子系统每秒对手腕、手肘、肩、双肩中点、另一侧肩的关节点捕获30次三维坐标；取各点最近五次的三维坐标数值，并分别计算取其平均数值；
步骤2、基于体感外设的骨骼数据处理子系统每次捕获上述五个关节点的三维坐标后，计算肘部关节的旋转关系和肩部关节的前后旋转关系； 步骤2. I、基于体感外设的骨骼数据处理子系统计算肘部关节的旋转关系，设手腕的三维坐标为A、手肘的三维坐标为B、肩的三维坐标为C ；
计算关节旋转角度的公式如下
权利要求
1.一种基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在干，该系统包含基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I )，电路连接所述基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)输出端的机械手臂控制子系统(2)，以及电路连接所述机械手臂控制子系统(2)输出端的康复机械手臂(22)。
2.如权利要求I所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述的基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)采用微软公司的Kinect设备。
3.如权利要求I所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述的康复机械手臂(22)包含上臂部件(224)，分别设置在上臂部件(224)两端的下臂部件(226)和肩部部件(221)，以及机械手臂基座； 所述下臂部件(226)与上臂部件(224)之间还设有肘部屈伸旋转部件(225)，下臂部件(226)与上臂部件(224)通过该肘部屈伸旋转部件(225)转动连接； 所述上臂部件(224)与肩部部件(221)之间还设有肩关节前后转动部件(223)，上臂部件(224)与肩部部件(221)通过该肩关节前后转动部件(223)转动连接； 所述肩部部件(221)的顶端设有肩关节上下转动部件(222)，肩部部件(221)通过该肩关节上下转动部件(222)与机械手臂基座转动连接； 所述肘部屈伸旋转部件(225)通过转轴连接有肘部屈伸旋转驱动电机(229)； 所述肩关节前后转动部件(223)通过转轴连接有肩部前后旋转驱动电机(228)； 所述肩关节上下转动部件(222)通过转轴连接有肩部上下旋转电机(227)。
4.如权利要求2所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述上臂部件(224)与下臂部件(226)都设有呈半圆弧形的支撑结构。
5.一种适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在干，该方法包含以下步骤 步骤I、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)每秒对手腕、手肘、肩、双肩中点、另ー侧肩的关节点捕获30次三维坐标；取各点最近五次的三维坐标数值，井分别计算取其平均数值； 步骤2、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)毎次捕获上述五个关节点的三维坐标后，计算肘部关节的旋转关系和肩部关节的前后旋转关系； 步骤3、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)通过手腕、手肘、肩和另ー侧肩的关节点的三维坐标，判断手臂在身体的前方还是右侧； 步骤4、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)通过储存任意一个被测关节的任意相邻两个时刻的三维坐标，计算出该关节的运动速度； 关节点的速度计算公式如下V= >2-神 0.033 其中，Pl是前ー时刻被测关节三维坐标，P2是后ー时刻被测关节三维坐标，0. 033为相邻两次三维坐标捕获时刻的时间间隔； 步骤5、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)将获取和计算得的关节运动的角度和速度数值实时传输至机械手臂控制子系统(2)； 机械手臂控制子系统(2)根据关节运动的角度和速度数值，向康复机械手臂(22)发送控制指令； 步骤6、康复机械手臂(22)根据机械手臂控制子系统(2)所发送的控制指令带动患者的手臂进行康复运动。
6.如权利要求5所述的适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤 步骤2. I、基于体感外设的骨骼数据处理子系统(I)计算肘部关节的旋转关系，设手腕的三维坐标为A、手肘的三维坐标为B、肩的三维坐标为C ； 计算关节旋转角度的公式如下
7.如权利要求5所述的适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤 步骤3. I、计算过手腕、手肘、肩三点三维坐标的平面方程的表达式(Ax +By +Cz +D=0)，跳转到步骤3. 2 ； 步骤3. 2、计算另一侧肩的三维坐标到手腕、手肘、肩三点所在平面的距离，跳转到步骤3.3 ； 步骤3. 3、判断另ー侧肩的三维坐标到手腕、手肘、肩三点所在平面的距离是否大于O.2米，若是，则判定手臂在身前运动，并跳转到步骤4 ;若否，则判定手臂在身侧运动，并跳转到步骤4。
全文摘要
本发明公开一种基于体感周边外设手臂运动追踪的康复训练系统，该系统包含基于体感外设的骨骼数据处理子系统，电路连接基于体感外设的骨骼数据处理子系统输出端的机械手臂控制子系统，以及电路连接机械手臂控制子系统输出端的康复机械手臂；基于体感外设的骨骼数据处理子系统采用微软公司的Kinect设备。本发明采用Kinect设备捕获的手臂三维坐标数据，控制外部机械手臂运动，通过机械手臂带动患者进行康复运动，不用理疗师戴任何电子器件，解决了传统理疗师只能一对一治疗中风患者的限制，同时还提升了患者进行多次康复性训练的精准度，不仅减轻了理疗师的负担，也增强了患者接受康复性训练后的效果。
文档编号A61H1/00GK102727362SQ20121025243
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者夏斌, 杨文璐, 谢宏, 郭明 申请人:上海海事大学