一种上肢康复训练装置的制作方法

本申请涉及医疗康复技术领域，尤其涉及一种基于帮助病人上肢康复而开发的一种基于虚拟现实技术的上肢康复训练装置。

背景技术：

近年来，康复产业运动治疗需求激增，以“脑卒中”患者为例，作为致残率最高的中枢神经系统疾病之一，85％的患者在确诊发病时就伴有上肢功能障碍。而脑卒中的运动康复训练能够大幅降低患者肢体残疾的风险。目前传统的一对一的康复训练模式正面临着极大的挑战，首先是康复训练师的人数缺口，目前全国康复训练师与实际需求比例仅为4:100万人，康复训练师的匮乏使得众多患者不得不寻找其他出口；其次是传统训练方式需要患者有极强的毅力，即时患者能够得到康复训练师的帮助，单调枯燥且漫长的训练过程使得患者坚持训练的意志迅速减弱。最后，传统的康复训练没有具体的评估标准，无法量化评估训练成果，也无法根据患者的具体情况定制治疗方案。

基于上述问题，将虚拟现实技术引入，作为是改善脑卒中患者运动功能障碍的一种替代方案，有着显著的优势，在国内外进行了广泛的探讨。

亚洲权威机构xsens网站，曾研发了基于虚拟现实技术的动作捕捉套装为帮助脑卒中患者改善运动功能，该套装通过记录患者运动时的肌肉数据，为患者提供了针对肌肉恢复状况的功能指标，实现了对脑卒中患者运动功能的量化评

加拿大渥太华大学ruba等人利用虚拟现实技术设计制作了触觉反馈手套，同时研发了配套的运动康复系统，设计了多种日常生活场景例如：置物、斟茶、盛汤等训练模块，并对针对不同患者设定了不同的难易模式，经过临床分析验证了该训练系统的有效性。但由于该系统设备价格昂贵穿戴复杂，且虚拟场景渲染简陋，导致训练单调无法支持患者长期训练

综上所述，现有的虚拟现实上肢康复训练系统，虽然实现了沉浸式的交互训练过程，但是在实际应用的过程当中还有诸多不足：

1.沉浸式体验差。由于需要康复训练师配合反复指导，患者往往无法获得完整的沉浸式体验。

2.仍需要康复师配合，传统的虚拟现实康复训练设备能一定程度上缓解康复训练师的压力，但仍需要训练师全程配合以及从旁指导。

3.穿戴复杂，对人体有束缚。传统的虚拟现实康复训练设备往往系统庞大，要配合多种外设，患者需要捆绑多套传感器，结构复杂，穿戴不便，也不利于患者的运动训练。

4.虚拟场景的训练效果不佳。没有一个完整的训练计划以及个体化自适应的矫正提示，搭建的虚拟场景往往也比较单一，画面简陋，无法支持患者进行长效的训练。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术不足，公开一种上肢康复训练装置，借助于虚拟现实技术，通过定位系统和支持多向“拉力”及实时反馈互动“反拉”的上肢活动交互式物理训练设备，实时捕捉训练动作和动作力度，通过拉力分析反馈模块实时调整交互式物理训练设备“反拉”使得患者体验到超强的真实手感和沉浸感，通过康复活动应用模块、康复评估模块，使得患者在快乐的虚拟现实娱乐活动中被系统引导、激励和规范康复训练。

本发明需要保护的技术方案表征为：

一种上肢康复训练装置，包括：交互式物理训练设备、定位模块(手柄感应器、臂环感应器)、数据处理终端、头戴式显示器。

交互式物理训练设备，支持多向“拉力”及实时反馈互动“反拉”的上肢活动，提供拉力数据给处理终端，同时受控于处理终端。

定位模块用于提供定位数据给处理终端。

数据处理终端与交互式物理训练设备、定位模块、头戴式显示器互联。

数据处理终端包括训练应用模块、常模数据库、位置换算模块、拉力分析反馈模块、数据整合模块、数据评估模块、评估提示模块、虚拟画面生成模块：

一方面实现，结合交互式物理训练设备传输来的受力数据、位置数据转化来的动作数据，结合拉力分析反馈模型，患者能获得实时真实手感的强沉浸式体验，而被激励坚持完成整个康复动作要求。

另一方面实现，患者在虚拟现实场景下执行康复训练应用模块一系列动作时，系统通过精确监测患者实际动作，与常模数据库中动作数据比对匹配，判断患者动作是否正确，并实时作出评估反馈提示；通过拉力传感器传回的患者拉力数据判断患者动作完成程度，评估结果并展示在头戴式虚拟显示设备中。

同时整个评估过程获得的数据存储积累，可用于跟踪和制定患者个性化康复训练计划。

系统实现：

各部分设计如下：

所述交互式物理训练设备，包括数控滑轨组件、手柄组件、中枢组件。所述数控滑轨组件,包括滑台基座(14)、数控滑台(13)、横向轨道(11)、升降轨道(12)；所述数控滑台(13)活动连接于横向轨道(11)上，数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机，通过滑块与横向轨道(11)咬合，通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向d1和位移s1；所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上；滑台基座(14)包括基座和基座步进电机，通过基座与升降轨道(12)咬合，通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向d2和位移s2；所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43)，所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上，弹力拉绳的一端连接于滑台，其另一端连接于手柄，所述舵机输出轴连接退线器转轴，退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳，调节弹力拉绳(41)长度。所述弹力拉绳(41)具有弹性,固有的弹性系数f。所述中枢组件包括控制器(32)、拉力传感器和遥控器(34)；所述拉力传感器设置于手柄组件上，用于采集弹力拉绳的拉力状态数据(拉力大小n和方向d3)并提供给控制器(32)；滑块步进电机、基座步进电机、舵机，它们的驱动器连接受控于控制器(32)。所述遥控器(34)连接于控制器(32)，用于上肢活动前初始设置或者重新设置滑台基座(14)在升降轨道(12)之上的高度位置、拉绳操作长短以适应用户需求。拉力传感器将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给控制器(32)。

所述定位模块,包括手柄感应器、臂环感应器硬件。所述手柄感应器，设置于由使用者握持的手柄(43)之上，用于获得手柄(43)在交互式物理训练设备的数控滑轨组件所设立空间的相对空间位置，并提供给终端处理器中的位置换算模块。所述臂环感应器，设置于使用者的肘关节上，同样也获得臂环感应器所在点在设立空间的相对空间位置，也提供给位置换算模块。通过联合手柄感应器、臂环感应器两个点的位置信息，系统可获得手肘的动作数据。

数据处理终端包括训练应用模块、常模数据库、位置换算模块、拉力分析反馈模块、数据整合模块、数据评估模块、评估提示模块、虚拟画面生成模块；

所述训练应用模块，设置有康复训练动作序列规划，依据不同患者康复程度设置有不同级别的多套各个阶段的训练动作应用。

所述常模数据库，为康复训练动作标准库，针对不同肌力训练强度对应患者力反馈耐受度不一样而设置有相应多套的康复训练动作标准。

所述位置换算模块将采集使用者上肢位置并进行空间计算得出对应虚拟空间的位置；设交互式物理训练设备的数控滑台(13)为位置采集点0(x0、y0、z0)，作为空间坐标的原点，使用者手臂上的臂环感应器作为采集点1(x1、y1、z1)，加长杆上感应器作为采集点2(x2、y2、z2)，握持杆上的传感器作为采集点3(x3、y3、z3)，在不使用加长的情况下采集点2和采集点3同为一点；当采集点0处在高于采集点2(3)的位置时，将判定点4(x4、y4、z4)确定在采集点0处与采集点2(3)的延长线上；当采集点0处在低于采集点2(3)的位置时，将判定点4确定在采集点0处与采集点2(3)的延长线或者重力抛物线上。

所述拉力分析反馈模块：根据数控滑台(13)所在的横向位移s1竖向位移s2，弹力拉绳(41)的拉力方向d3、大小n状态数据，以及结合弹力拉绳(41)固有的弹性系数f，在遵循动作镜像模型的活动形式和约束下，拉力分析反馈模块通过分析处理并做出反馈，指令舵机控制数控退线器执行收绳及放绳动作，实时调节弹力拉绳(41)长度，进而改变虚拟对象的拉力高度及拉力大小，促使使用者在进行上肢活动过程中能够感受到真实的力对抗；指令数控滑台(13)在横向滑轨上左右位移，进而改变拉力方向，使得用户获得与自己视觉、触觉及运动觉感知及判断相一致的拉力方向反馈，增强使用者的虚拟现实沉浸式体验。

所述数据整合模块，结合定位数据转化为当前上肢运动动作，提供给数据评估模块。

所述数据评估模块，分别与数据整合模块、常模数据库、拉力分析反馈模块、评估提示模块连接，将当前上肢运动动作与常模数据库进行对比，并判断患者拉力的反馈以及训练动作是否正确，是否需要修正，通过评估提示模块输出动作校准提示，评估提示模块通过画面实时渲染显像；同时根据拉力分析反馈模块指令交互式物理训练设备实时调整拉力大小和方向，保证真实拉力手感。

进一步的，所述数据评估模块与训练应用模块连接；所述数据评估模块存储个体化的训练记录，依据积累的记录和当前记录进行效果评估，用于跟踪该患者训练情况，动态调整个体化训练计划，以更新对启用该患者当前的训练应用模块。

所述虚拟画面生成模块，可以为vr眼镜，用于显示虚拟康复训练场景及播放声音。为常规技术，不做限定。

本发明系统实现方面的创新

1、本发明系统的交互设备占空小，可布置在小居室内。

2、本交互设备首次公开了一种专用多向拉力交互新模式。

3、本交互设备中舵机顺应控制器可以适应拉力绳的收拉，首次公开了一种专用双向拉力交互新模式。

4、本发明是在康复训练中的应用创新。

本申请系统占地面积小，将多向拉力交互新模式创新点再融合虚拟现实技术，并在拉力分析反馈上再创新，致使用者在真实手感、沉浸感方面的体验发挥到极致。

附图说明

图1为本交互设备原理示意图

图2为交互设备结构示意图

图3为本交互设备中拉力传感构成示意图

图4为本交互设备中枢组件构成示意图

图5为本装置虚拟现实环境中的拉力触发对象的呈像方位运算方法示意图

图6为本装置加长杆安装示意图

图7为系统现场示意图

图8为训练步骤及动作例举。

数字标记：

滑轨组件1、横向滑轨11、升降轨道12、数控滑台13、滑台基座14、罩15；

中枢组件3、电源模块31、电源线插头311、单片机32、蓝牙模块33、升降遥控器34；

弹力拉绳41、数控退线器42、数控退线器转轴421、手柄43、拉力传感器44、加长杆(45)。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本实施例软硬件结合。

如图7所示。

场地空间：室内、外都可，空间占地小。

构成：

1、壁架式的互动控制设备，用于支持多向活动。

2、通过布设传感器，实现上肢握持部的位置定位系统、主动施加模式下的拉力、被动模式下的回拉拉力。

3、上肢活动的表达形式。有弹性的绳子。

4、数据处理、反馈指令。

5、上肢康复训练应用。

6、显示。

如图1所示，上肢活动虚拟现实系统包括：交互式物理训练设备、定位模块(手柄感应器、臂环感应器、头盔等)、处理终端、头戴式显示器。

一、交互式物理训练设备，包括数控滑轨组件、手柄组件、中枢组件，如图2、图3、图4所示。

所述数控滑轨组件,安装于墙体或者支架等，包括滑台基座(14)、数控滑台(13)、横向轨道(11)、升降轨道(12)；

所述数控滑台(13)活动连接于横向轨道(11)上，数控滑台(13)包括滑块和滑块步进电机，通过滑块与横向轨道(11)咬合，通过滑块步进电机驱动转轴转化为整个数控滑台(13)在横向轨道(11)上的横向活动方向d1和位移s1；

所述横向轨道(11)安装于滑台基座(14)后整体再活动连接于升降轨道(12)上；

滑台基座(14)包括基座和基座步进电机，通过基座与升降轨道(12)咬合，通过基座步进电机驱动转轴转化为整个滑台基座(14)在升降轨道(12)上的升降方向d2和位移s2；

所述手柄组件包括弹力拉绳(41)、数控退线器(42)、舵机、手柄(43)，所述弹力拉绳缠绕于退线器转轴上，弹力拉绳的一端连接于滑台，其另一端是用于连接手柄，所述舵机输出轴连接退线器转轴，退线器转轴用于收纳或者释放弹力拉绳，调节弹力拉绳(41)长度。仅作为例子，不做为限定，弹力拉绳的一端为固定端，可以通过退线器一起固定于滑台。

所述弹力拉绳(41)具有弹性,固有的弹性系数f。

所述手柄(43)，还可以设置加长杆(45)，加设于弹力拉绳(41)自由端与手柄(43)之间，用于模拟个别特殊类型应用项目，例如模拟用钓竿钓鱼等上肢活动。手柄(43)作为握持杆，而加长杆(45)作为握持杆的加长杆。

所述中枢组件包括控制器(32)、拉力传感器和遥控器(34)；所述拉力传感器设置于手柄组件上，用于采集弹力拉绳的拉力状态数据(拉力大小n和方向d3)并提供给控制器(32)；滑块步进电机、基座步进电机、舵机，它们的驱动器连接受控于控制器(32)。所述遥控器(34)连接于控制器(32)，用于上肢活动前初始设置或者重新设置滑台基座(14)在升降轨道(12)之上的位置、拉绳操作长短以适应用户需求。

所述控制器，作为举例可选择单片机来实现。

所述中枢组件还可以包括电源模块(31)，系统供电技术属于常规技术，非必要限定。所述电源模块(31)为中枢组件供电。

所述通信模块(10)用于实现控制器(32)与手柄、臂环及遥控器(34)之间的通信连接，属于常规技术，非必要限定。

具体的说，所述遥控器(34)用于控制设备电源开关，也通过遥控器上下按键控制滑台基座(14)在升降轨道(12)之上的初始高度位置；所述手柄(43)的上下按键则用来控制拉绳伸缩。用户可自行调节硬件设备初始状态，以适应于用户个体化操控的身体姿态(如站姿、坐姿)及拉绳长度(初始高度及对抗力的初始大小)。遥控器(34)及手柄(43)都通过通讯模块将用户设置的数控基座(14)初始高度数据及拉绳初始拉力大小数据传输给单片机传感器。此类皆属于常规技术，非必要限定。

拉力传感器将用户拉力大小及拉力方向数据实时传给控制器(32)。

二、定位模块,包括手柄感应器、臂环感应器硬件。

所述手柄感应器，设置于由使用者握持的手柄(43)、加长杆(45)之上，用于获得手柄(43)在交互式物理训练设备的所设立空间的相对空间位置，并提供给终端处理器中的位置换算模块。

所述臂环感应器，设置于使用者的肘关节上，同样也获得臂环感应器所在点在设立空间的相对空间位置，也提供给位置换算模块。

各位置感应器可以通过蓝牙与终端处理器连接，为常规技术。

三、数据处理终端包括训练应用模块、常模数据库、位置换算模块、拉力分析反馈模块、数据整合模块、数据评估模块、评估提示模块、虚拟画面生成模块。

所述训练应用模块，设置有康复训练动作序列规划，依据不同患者康复程度设置有不同级别的多套各个阶段的训练动作应用。如图8所示。

所述常模数据库，为康复训练动作标准库，针对1-4级训练强度对应患者力反馈耐受度不一样而设置有相应多套的康复训练动作标准。

所述位置换算模块：将采集使用者上肢位置并进行空间计算得出对应虚拟空间的位置；

设交互式物理训练设备的数控滑台(13)为位置采集点0(x0、y0、z0)，作为空间坐标的原点，

使用者手臂上的臂环感应器作为采集点1(x1、y1、z1)，

加长杆上感应器作为采集点2(x2、y2、z2)，握持杆上的传感器作为采集点3(x3、y3、z3)，在不使用加长的情况下采集点2和采集点3同为一点；

当采集点0处在高于采集点2(3)的位置时，将判定点4(x4、y4、z4)确定在采集点0处与采集点2(3)的延长线上(使用者虚拟感知到的判定点，增强沉浸式体验)。如图5(b)所示：向下拉活动中，拉力触发对象所在的点4(x4、y4、z4)应该在采集点0处与采集点2(3)的延长线上。应用于放风筝等应用项目。

当采集点0处在低于采集点2(3)的位置时，将判定点4确定在采集点0处与采集点2(3)的延长线或者重力抛物线上(使用者虚拟感知到的判定点，增强沉浸式体验)。如图5(a)所示：向上拉活动中，拉力触发对象所在的点4(x4、y4、z4)应该在采集点0处与采集点2(3)的延长线或者重力抛物线上。应用于钓鱼等应用项目。

所述拉力分析反馈模块：根据数控滑台(13)所在的横向位移s1竖向位移s2，弹力拉绳(41)的拉力方向d3、大小n状态数据，以及结合弹力拉绳(41)固有的弹性系数f，在遵循动作镜像模型的活动形式和约束下，拉力分析反馈模块通过分析处理并做出反馈，指令舵机控制数控退线器执行收绳及放绳动作，实时调节弹力拉绳(41)长度，进而改变虚拟对象的拉力高度及拉力大小，促使使用者在进行上肢活动过程中能够感受到真实的力对抗；指令数控滑台(13)在横向滑轨上左右位移，进而改变拉力方向，使得用户获得与自己视觉、触觉及运动觉感知及判断相一致的拉力方向反馈，大大增强使用者的虚拟现实沉浸式体验。

所述数据整合模块，结合定位数据转化为当前上肢运动动作，提供给数据评估模块。

通过联合手柄感应器、臂环感应器两个点的位置信息，系统可获得手肘的“上、下、左、右、前、后、水平旋转、垂直旋转”这些动作数据。

为提高精度，再联合虚拟现实头戴显示器第三个位置数据，系统可精确检测手臂空间位置及具体动作。

所述数据评估模块，分别与数据整合模块、常模数据库、拉力分析反馈模块、评估提示模块连接，将当前上肢运动动作与常模数据库进行对比，并判断患者拉力的反馈以及训练动作是否正确，是否需要修正，通过评估提示模块输出动作校准提示，评估提示模块通过画面实时渲染显像；同时根据拉力分析反馈模块指令交互式物理训练设备实时调整拉力大小和方向，保证真实拉力手感。

进一步的，所述数据评估模块与训练应用模块连接；所述数据评估模块存储个体化的训练记录，依据积累的记录和当前记录进行效果评估，用于跟踪该患者训练情况，动态调整个体化训练计划，以更新对启用该患者当前的训练应用模块。

四、头戴式虚拟显示设备

所述虚拟画面生成模块，可以为vr眼镜，用于显示虚拟康复训练场景及播放声音。为常规技术，不做限定。

头戴式虚拟显示设备通过数据线或者蓝牙模块与终端处理器连接，显示并播放通过终端处理器渲染的虚拟场景及交互内容。

具体实现技术方案时，实施例的电源模块(8)还可以包括适配器、电源线插头(11)，通过电源线插头(11)连接外部市电，通过适配器将外部市电转化成符合实际中枢组件的供电电压。

具体实现技术方案时，实施例的通信模块(10)可以选择蓝牙模块实现。

本申请与现有技术相比，的有益效果如下：

本申请系统占地面积小，将多向拉力交互新模式创新点再融合虚拟现实技术，并在拉力分析反馈上再创新，致使用者在真实手感、沉浸感方面的体验发挥到极致。利用虚拟现实技术带入一个有趣的场景，进行虚拟娱乐活动，跟着训练应用模块患者执行完一套手部动作，执行中由于系统实时收集患者手部运动数据和拉力数据，根据镜像反馈模块系统主动调整物理交互设备，使得患者获得真实的力感知，患者在整个康复训练过程中获得更实用、有趣和真实的训练体验。

本发明的互动性好，患者在使用过程中沉浸感强，填补了基于虚拟现实技术的上肢康复训练系统中缺少物理训练的空白，同时兼顾了趣味性和实用性，在医疗康复、运动健身、虚拟交互等领域提供了很大益处。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。