专利名称：基于虚拟现实的手部多功能康复系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及人体上肢功能康复设备，具体是指一种手部多功能的康复系统。该系 统可辅助患者进行手部握力、捏力、腕关节灵活性、单个手指灵活性及手指协调性等的康复训练。
背景技术：
人手作为人体最重要的功能器官之一，其纵横交错的神经血管、遍布全手的小肌 肉导致手部外伤的治疗要求高、难度大、康复期长。同时人手也是极其容易损伤的器官之 一，手外伤可导致手部肌肉萎缩、关节僵硬等症状，严重影响正常的生活和工作。有研究指 出一定的辅助康复训练将有助于手外伤后手功能的康复。随着近年来一些伤病事故和中风 患者的增多，采用人工的康复训练效果不够理想、康复时间长、成本较高，越来越成为社会 和家庭的负担。
针对以上问题，很多科研院校、公司和个人都努力尝试设计出一种能够替代人工 的手部功能康复训练设备，并取得了一定的成果。英国曼切斯特大学科研人员设计的一种 外骨骼式康复系统，采用模块化的设计思想，实现四个手指的康复运动。整个结构有三部分 组成外骨架模块、手套模块和电机驱动模块；哈尔滨工程大学研制的一种新型康复机械 手，采用齿轮转动，集成角度传感器和伺服电机等实现手指的运动。但是，目前这些设备具 有以下主要缺点未结合虚拟环境或所结合的虚拟环境沉浸感不足，一定程度上影响了康 复疗效；未提供准确的康复评价机制。发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于虚拟现实的手部多功能康复系统，该系统包含 摇杆装置、带有力传感器的握力圈装置，虚拟现实模块，能够完成针对患手握力、捏力、腕关 节灵活性、单个手指灵活性及手指协调性等的康复训练。此系统针对手外伤群体的兴趣进 行了问卷调查，并以此作为设计虚拟现实的依据，同时利用沉浸感的相关理论提高虚拟现 实的沉浸感，在康复过程中，还将对患手的信息进行实时的在线检测和存储，以用于虚拟现 实的实时响应和后期定量的康复评价，从而解决了现存设备虚拟现实沉浸感不足、未结合 准确的康复评价机制等问题。
为实现本发明的目的所采用的具体技术方案为
本发明基本包含三个部分摇杆装置、握力圈装置和虚拟现实模块。所述摇杆装置 与所述握力圈连接，患手放置在握力圈凹槽中，产生握力或捏力并带动摇杆偏转，力传感器 实时读取的患手握力或捏力，以及摇杆偏转角度的大小和速度，传送给所述虚拟现实模块， 以操纵模块中的游戏角色进行康复训练，同时该虚拟现实模块存储康复训练数据，以用于 训练后的康复评价。
所述摇杆装置包括摇杆和底座，该摇杆固定在底座上，可在两维空间内偏转，其偏 转角度和速度用来控制虚拟现实模块中的游戏角色的位置和速度，以达到利用摇杆实时控制虚拟角色的目的，从而增强虚拟现实的沉浸感。此外，摇杆的偏转角度和速度也反映了患 手腕关节的灵活性，故亦可用于后期的康复评价。患手通过握取、捏取并移动握力圈使摇杆 偏转，从而使摇杆完成上述功能。
所述的带有力传感器的握力圈装置是一个带有凹槽结构的圆环装置，患手可通过 握取、捏取握力圈以完成对患手握力、捏力的康复训练。握力圈上的力传感器为贴片式力传 感器，其贴在握力圈上的凹槽上，用于实时感应和读取患手的握力或捏力，用于后期的康复 评价和控制虚拟现实中的游戏角色。
所述的虚拟现实模块包括虚拟游戏单元和存储单元，所述虚拟游戏单元提供虚拟 游戏，利用患手产生的握力或捏力以及患手腕关节转动对摇杆装置产生的角度和速度，相 应地控制游戏中的角色进行游戏，实现对患手的握力、捏力、单个手指灵活性、多手指协调 性以及腕关节灵活性等的康复训练。所述存储单元存储训练中产生的握力以及角度和速度 等数据，以用于后期的康复训练评价。
虚拟游戏包括射击游戏、赛车游戏、手势变换游戏，分别用来对患手进行握力、捏 力、单个手指灵活性、多手指协调性以及腕关节灵活性等的康复训练。三个虚拟环境均是通 过问卷调查的方式，根据患者群体的兴趣进行开发设计。
本发明的优点在于针对患者的兴趣设计虚拟环境，保证了虚拟环境的沉浸感， 并在具体康复训练过程中根据患者的人体指标不断优化虚拟环境的沉浸感，以提高康复效 果，缩短康复时间。整个训练过程均是针对患手的主动训练，很大程度上保证了康复过程的 安全性。此装置结构简单、设计巧妙，成本不高，有利于推广使用。
另外，该发明从患手握力、捏力、手指灵活性等方面进行准确的康复评价，并结合 问卷调查、人体指标分析等定性和定量的方法对虚拟环境沉浸感模型的建立进行探讨，以 用于虚拟现实的不断优化和该发明装置的未来改进。
本发明针对现有设备的以上缺陷公开了一种手部功能康复系统。它在降低设备成 本的同时，使用问卷调查、分析人体相关指标等方案提高所结合虚拟现实的沉浸感，并提供 了准确的康复评价机制。可完成对手部握力、捏力、单个手指灵活性、多手指协调性以及腕 关节灵活性等的康复训练，另外，本发明设计巧妙、结构简单，变被动训练为主动训练，基本 上杜绝了康复过程中的不安全因素。
本发明提供的基于虚拟现实的手部功能康复系统的特征在于康复训练为主动训 练，且成本较低、操作简单，不需要医师的长期监护，可在家庭中自主使用，大大增大了其可 应用范围。
本发明是一种可广泛应用于临床和家庭中的手部功能康复系统。
图1为本发明的手外伤多功能康复系统示意图2为患手握力及腕关节可活动范围康复训练示意图3为患手捏力及腕关节可活动速度康复训练示意图4为患手单个手指灵活性及各手指之间协调能力康复训练示意图中1为握力圈，2为力传感器，3为摇杆，4为底座。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明
如图1-4所示，本发明的手部多功能康复系统由摇杆装置、带有力传感器的握力 圈装置、虚拟现实模块组成。
摇杆装置包括底座4和其上面的摇杆3，底座4用来固定整个装置，摇杆3的角度 偏移范围和速度反应了患手腕关节的灵活性，可控制虚拟游戏中的特定角色的某些属性， 同时，此角度偏移范围和移动速度也会被存储以用于后期的康复评价。
带有力传感器的握力圈装置包括含有凹槽结构的握力圈1和贴片式压力传感器 2，其中握力圈1和摇杆3连接，在患手握取、捏取并移动握力圈1的时候，摇杆3也将随之 偏转，从而使摇杆装置完成其功能。握力圈1上面贴有若干个力传感器2，可读取患手握力、 捏力和各个手指所施加的力。此装置将完成提高患手握力、捏力、改善腕关节灵活性、单个 手指灵活性及手指的协调能力的功能。
所述的虚拟现实模块包括虚拟游戏单元和存储单元，所述虚拟游戏单元提供虚拟 游戏，利用患手产生的握力或捏力以及患手腕关节转动对摇杆装置产生的角度和速度，相 应地控制游戏中的角色进行游戏，实现对患手的握力、捏力、单个手指灵活性、多手指协调 性以及腕关节灵活性等的康复训练。所述存储单元存储训练中产生的握力以及角度和速度 等数据，以用于后期的康复训练评价。
虚拟游戏包括射击游戏、赛车游戏、手势变换游戏，分别用来对患手进行握力、捏 力、单个手指灵活性、多手指协调性以及腕关节灵活性等的康复训练。三个虚拟环境均是通 过问卷调查的方式，根据患者群体的兴趣进行开发设计。
本发明针对手外伤群体，对随机抽取的52人做了问卷调查，得出此群体最喜欢的 几种虚拟游戏，进行设计和开发。每种虚拟游戏均可完成以下所述的一种或多种的康复训 练功能提高患手的握力和捏力、增大患手腕关节的灵活性、改善单个手指的灵活性以及各 手指之间的协调功能等。以下将详细介绍各虚拟游戏。
虚拟游戏包括射击游戏，可完成改善患手腕关节的灵活性、提高患手的握力、捏力 等康复训练。此虚拟游戏中，摇杆3的偏移角度和速度用来控制坦克的瞄准点及其改变速 度；力传感器2所读取患手的握力或捏力大小若大于一定阈值，坦克发射炮弹。患者需要 实时调节摇杆的偏转方向和速度以及握力、捏力大小以便尽可能使坦克击中游戏中其他角 色。此虚拟游戏中不断移动或固定的其他角色(直升机、机器人等)被击中的次数和游戏 运行的时间将决定游戏的升级和完成。患者也可根据自己对游戏熟悉水平和康复程度人为 地设置上述阈值大小、游戏级别和其他角色的移动速度和出现频率等。
虚拟游戏还包括赛车游戏，此虚拟游戏也能完成改善患手腕关节的灵活性、提高 患手的握力和捏力等康复训练。此虚拟游戏中，摇杆3的偏移角度和速度用来控制游戏中 跑车转弯的方向和速度；力传感器2所读取患手的握力或捏力大小用来控制跑车的前进速 度。患者需要根据地形和道路的曲折变化实时调整跑车的前进速度和方向，以用最短的时 间完成一条跑道的行驶。
虚拟游戏还包括手势变换游戏，此虚拟游戏完成改善单个手指灵活性以及各手指 之间协调能力的康复训练。此游戏将根据握力圈1上粘贴的4个力传感器所读取的力觉信 息大小作为区分手势变换和单个手指是否运动的标准。本游戏可完成对食指、中指、无名指单独运动能力恢复及患手完成“剪刀、石头、布”等手势变换的康复训练。患者需实时地根 据虚拟环境中虚拟手的各手指活动及手势变换不断地调整患手单个手指或手势以完成此 阶段的康复训练。
此外，上述虚拟环境均会通过实时记录力传感器2的大小变化与平均值和摇杆3 的偏转角度与速度等来反映患手的各种康复信息，如患手握力、捏力、腕关节可活动范围和 速度、一次康复训练所用时间和虚拟游戏完成程度等进行后期的康复评价。
本发明的使用首先，医师对患者的手进行相关评估，引导患者采用正确的姿势握 取、捏取握力圈1，并选择合适的虚拟游戏；然后，注册或登录虚拟环境，前5分钟用来熟悉 本设备和虚拟游戏，接着进入20分钟的康复训练阶段，此阶段中，患手需要实时调整摇杆3 的偏转和施加在力传感器1上的力大小，以完成相应的虚拟游戏；最后，患者可选择填写或 口述对本设备及虚拟环境的感受，以配合本发明设备的改进和虚拟环境沉浸感的提高。本 发明的康复评价机制还将在每次康复训练结束时给出此次训练相对于先前训练手功能变 化的相关信息，当患手的上述各功能达到康复评价指标时，则患手得到康复，整个训练过程 也宣告完成。
权利要求
1.一种手部多功能康复系统，用于对患手手部功能进行康复训练，该系统包括摇杆装 置、握力圈装置以及虚拟现实模块，所述摇杆装置与所述握力圈装置连接，一起用于操纵所 述虚拟现实模块提供的虚拟游戏中的游戏角色；患手放置在握力圈凹槽中，产生握力或捏力并带动摇杆偏转，所述握力或捏力、以及摇 杆偏转角度和速度被读取并传送给所述虚拟现实模块，控制所述虚拟现实模块中的游戏角 色完成游戏，实现对患手进行康复训练。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟现实模块能够存储康复训练中 的各类数据，以用于训练后的康复评价。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的虚拟现实模块包括虚拟游戏单 元和存储单元，所述虚拟游戏单元提供虚拟游戏，利用患手产生的握力或捏力以及对摇杆 装置的转动产生的角度和速度，相应地控制游戏中的角色进行游戏，实现对患手的康复训 练；所述存储单元实现对存储康复训练中的各类数据的存储。
4.根据权利要求1-3之一所述的系统，其特征在于，所述握力圈上的凹槽上设置有力 传感器，用于实时感应和读取患手施加在握力圈上的握力或捏力。
5.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，摇杆装置包括底座(4)和摇杆(3)， 所述底座(4)用来固定整个装置，所述摇杆(3)设置在该底座(4)上，另一端与所述握力圈 装置连接。
6.根据权利要求3-5之一所述的系统，其特征在于，虚拟游戏包括射击游戏、赛车游戏 和手势变换游戏。
全文摘要
本发明公开了一种手部多功能康复系统，包括摇杆装置、握力圈装置以及虚拟现实模块，所述摇杆装置与所述握力圈装置连接，一起用于操纵所述虚拟现实模块中的游戏角色，患手放置在握力圈凹槽中，产生握力或捏力并带动摇杆偏转，所述握力或捏力、以及摇杆偏转角度和速度被读取并传送给所述虚拟现实模块，操纵模块中的游戏角色完成游戏，实现对患手进行康复训练。本发明的康复系统为主动训练，且成本较低、操作简单，不需要医师的长期监护，可在家庭中自主使用，大大增大了其可应用范围。
文档编号A63B23/14GK102039031SQ20101060866
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者张金龙, 杨朝晖, 王永骥, 霍卫光, 黄剑 申请人:华中科技大学