CN110742774A - 一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及康复设备领域,具体公开了一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,包括健侧信息采集模块、上位机控制模块、下位机控制模块和执行模块;健侧信息采集模块包括Leap Motion设备,设于正对人体健侧手心下方的位置;执行模块是包含手部康复驱动装置和手部固定装置;上位机控制模块与健侧信息采集模块通过数据线通信;下位机控制模块包括依次相连的数控单元、传感单元和电机驱动单元;本发明通过采用视觉传感捕捉运动信息,可以捕捉更为多样的运动动作,丰富了手部训练动作的多样性,通过实现主动控制的训练方式,进一步集中患者的注意力,激发镜像神经元***,实现健患侧的协同运动,能够提升患者的主动参与度,提高康复效果和复健效率。
Description
技术领域
本发明涉及康复设备领域,具体公开了一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***。
背景技术
脑卒中是我国成年人致死、致残的首位病因,具有发病率高、致残率高、死亡率高和复发率高的特点。据国家卫计委统计,目前我国有超过1200万脑卒中幸存患者,每年发病人群以200-300万的速度递增,并且有年轻化的趋势。而75%以上的幸存者存在不同程度肢体功能障碍,其中手功能障碍最为常见,手部作为人体最灵活的肢体,处于运动神经末端,手的运动功能康复难度最大,其运动功能康复是目前医学界研究的热点和难点问题。目前,脑卒中患者单侧复健中,传统的手部或手指康复治疗的方法,主要采用治疗师对患者进行一对一的物理疗法,但这种方式劳动强度大,康复效果无法保证。近年来,随着机器人技术的快速发展,研究人员研发出多种用于手指康复训练的手部外骨骼机器人,这些机器人可以带动患肢进行持续可靠的康复训练,但这种方式患者接受的是完全被动的康复训练,患者主动参与度不高,因此康复效果一般。
同时,很多研究人员利用带传感的数据手套捕捉健侧手的运动信息,但由于传感器和穿戴方式的限制,通常仅能检测关节的角度变化,检测设备的硬件成本较高,仅能实现对手指的屈曲/伸展动作的简单捕捉,应用难度大,穿戴使用不便,影响恢复训练的效果。
发明内容
为了克服现有的手部外骨骼机器人康复治疗患者参与度不高、训练效率低、治疗成本高和效果一般的问题,使得患者神经***能够有效刺激、增加训练过程的真实性和沉浸感,促进大脑神经通道重塑,本发明提供一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***。
本发明采用的技术方案是:一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,包括健侧信息采集模块、上位机控制模块、下位机控制模块和执行模块,其特征是:
所述的健侧信息采集模块包括用于采集人体健侧手部运动信息的Leap Mo tion设备,Leap Motion设备设于正对人体健侧手心下方的位置;
所述的执行模块是包含手部康复驱动装置和手部固定装置,手部固定装置是用于固定患者患侧手部的支架,手部康复驱动装置包括用于带动人体患侧手部运动的多个电机以及传动件;
上位机控制模块是用于对采集的健侧手部运动信息进行处理,同时完成坐标变换的控制***,该***是基于Processing开发环境,用于通过调用Leap Motion forProcessing库函数实现对手部运动信息的提取,上位机控制模块与健侧信息采集模块通过数据线相连;
下位机控制模块是用于接收上位机控制模块采集的手部运动数据并转换为控制指令的控制电路,下位机控制模块包括依次相连的数控单元、传感单元和电机驱动单元,下位机控制模块与上位机控制模块通过串口相连,电机驱动单元与执行模块相连,传感单元设于手部固定装置上以检测手部康复驱动装置的运动状态。
作为优选的,所述的健侧信息采集模块还包括手部支撑装置,手部支撑装置是固定在桌面上的用于固定人体健侧小臂的硬质支架,Leap Motion设备在对应人体健侧手心下方的位置与手部支撑装置固定相连。
优选的,所述的手部支撑装置上设有用于固定人体健侧手部的扎带,扎带上设有魔术贴。
优选的,所述的执行模块还包含用于支撑和固定人体患侧小臂的复健支撑装置,复健支撑装置与固定康复驱动装置和手部固定装置固定相连,复健支撑装置固定在桌面上。
优选的,所述的数控单元采用Arduino UNO作为控制器,用于接收上位机的手部运动信息,同时将手部运动信息转换为相应的控制指令。
优选的,所述的Arduino UNO控制器还用于接收传感单元的信号,以实现整套设备的闭环控制。
优选的,所述的电机驱动单元用于接收控制板发出的PWM波,控制电机进行运动,包括三个电机驱动器,分别与Arduino UNO控制板相连,每个电机驱动器与一个电机对应相连。
优选的,所述的上位机控制***可以对采集的手部运动信息中的异常值进行剔除,保证训练的安全性。
优选的,所述的控制***是电脑或者个人智能终端。
优选的,所述的传感单元包括多个角度传感器、压力传感器、行程开关和电机编码器。
本发明的有益效果是:通过采用视觉传感捕捉运动信息,相比于传统的数据手套数据采集,Leap Motion可以捕捉更为多样的运动动作,丰富了手部训练动作的多样性,使用方便高效,舒适度高,为基于运动捕捉的镜像治疗方法提供了新的解决方案。该***通过实现主动控制的训练方式,与传统的被动训练相比,能够进一步集中患者的注意力,激发运动想象镜像神经元***,对促进中枢神经及周边神经康复更为有利。***能实现健患侧的协同运动,能够提升患者的主动参与度,增加康复训练的趣味性,提高康复效果和复健效率。
附图说明
图1是本发明的***结构图。
图2是本发明的原理流程图。
具体实施方式
参见图1和图2,本发明是一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,包括健侧信息采集模块、上位机控制模块、下位机控制模块和执行模块。
健侧信息采集模块包括用于采集人体健侧手部动作信息的Leap Motion设备和手部支撑装置,Leap Motion设备设于正对人体健侧手心下方的位置;手部支撑装置是固定在桌面上的用于固定人体健侧小臂的硬质支架,Leap Motion设备在对应人体健侧手心下方的位置与手部支撑装置固定相连;手部支撑装置上设有用于固定人体健侧手部的扎带,扎带上设有魔术贴。
Leap Motion设备是基于双目红外视觉技术的体感交互设备,有两个摄像头,传感器根据它们从不同角度捕捉的画面,通过算法分析,得到真实世界三维空间中手掌的运动信息。Leap Motion设备中建立有直角坐标系,坐标原点位于传感器的中心,利用它可以采集各手指关节与指尖运动的连续坐标信息。
执行模块用于接受控制指令后带动患侧手部进行运动训练;执行模块是包含手部康复驱动装置和手部固定装置,手部固定装置是用于固定患者患侧手部的支架,手部康复驱动装置包括用于带动人体患侧手部运动的多个电机以及传动件;执行模块还包含用于支撑和固定人体患侧小臂的复健支撑装置,复健支撑装置与固定康复驱动装置和手部固定装置固定相连,复健支撑装置固定在桌面上。
上位机控制模块是用于对采集的患者健侧手指位置信息进行处理并完成坐标变换的控制***,控制***内部安装有Leap Motion驱动软件和Leap Motio n forProcessing库,上位机控制模块与健侧信息采集模块通过数据线相连,本实施例的数据线是USB数据线。
下位机控制模块是用于接收上位机控制模块采集的手指位置数据并转换为控制指令的控制电路,下位机控制模块包括依次相连的数控单元、传感单元和电机驱动单元,下位机控制模块与上位机控制模块数据相连,电机驱动单元与执行模块相连,传感单元设于手部固定装置上以检测手部康复驱动装置的运动状态,传感单元包括多个角度传感器、压力传感器、行程开关和电机编码器。
电机驱动单元是将数字信号转换成控制电机的脉冲电流的电机驱动器。
本发明的其中一个实施例如下:
下位机控制模块中的数控单元采用Arduino UNO作为控制器。下位机控制模块与上位机控制模块通过串行接口进行通信连接;控制***是安装有Leap Motion设备驱动软件的电脑。
手部支撑装置将患者健侧的手和手臂固定在合适的位置,使手心正对LeapMotion设备的摄像头,起到减少手的晃动,以保证采集数据的稳定性的作用。
通过本实施例,以患者的拇指锻炼为例,针对患者的拇指进行实现健患侧协同拇指训练方法,具体步骤如下:
S1、在开始训练前,患者将健侧手放在手部支撑装置上,调整手的位置,使拇指掌指关节处于Leap Motion设备的正上方,用魔术贴将健侧手臂固定;
S2、在患侧手上穿戴上运动执行装置,并将手和手臂固定在手部固定装置上;
S3、健侧拇指开始运动,包括屈曲、伸展、外展、内收、拇指环绕等动作,LeapMotion设备将采集到的拇指运动坐标信息传输至上位机控制模块,上位机控制模块将传入的坐标数据与数据特征库的数据进行对比,若各轴对应坐标超出特征库范围,则判定为异常坐标值,异常值将被过滤,同时将传入的坐标值进行坐标变换;
S4、完成坐标变换的数据通过串口传输至下位机控制模块,下位机控制模块的数控单元将接收到的坐标信息进行分析计算,将控制指令分解,计算出各方向运动距离或角度,并发送数据至电机驱动单元;
S5、电机驱动单元将接收到的数据转换成控制电机运动的脉冲信号,并发送给运动执行装置,运动执行装置运动从而辅助拇指进行相应动作的训练,达到健患侧协同运动的目的;
S6、传感单元实时检测运动执行装置的运动状态,确保训练动作准确并检测患侧拇指的复健数据。
其中采集健侧手部运动数据的具体方法,是通过上位机控制模块调用LeapMotion for Processing库,得到手部运动信息,再通过Pvector PositionOfJoint Tip=fingerThumb.getRawPositionOfJointTip()函数得到拇指指尖的原始数据,将其分解为X、Y、Z三轴的坐标值进行存储、传输。
异常数据处理的具体方法,是在患者进行康复训练前,对拇指各动作最大运动范围进行多组测量,建立数据特征库,将新采集的数据与特征库数据进行对比,若各轴对应坐标超出特征库范围,则判定为异常坐标值,异常值将被过滤。
本实施例的上位机控制模块中安装的软件是:Processing 3.3.5版本的软件。
本发明通过采用视觉传感捕捉运动信息,相比于传统的数据手套数据采集,LeapMotion可以捕捉更为多样的运动动作,丰富了手部训练动作的多样性,解决了数据手套只能捕捉屈曲、伸展动作的问题,为基于运动捕捉的镜像治疗方法提供了新的解决方案。该***通过实现主动控制的训练方式,与传统的被动训练相比,能够进一步集中患者的注意力,激发运动想象镜像神经元***,对促进中枢神经及周边神经康复更为有利。***能实现健患侧的协同运动,能够提升患者的主动参与度,增加康复训练的趣味性,提高康复效果和复健效率。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出,对于该技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形、改进和替代,这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,包括健侧信息采集模块、上位机控制模块、下位机控制模块和执行模块,其特征是:
所述的健侧信息采集模块包括用于采集人体健侧手部运动信息的Leap Mo tion设备,Leap Motion设备设于正对人体健侧手心下方的位置;
所述的执行模块是包含手部康复驱动装置和手部固定装置,手部固定装置是用于固定患者患侧手部的支架,手部康复驱动装置包括用于带动人体患侧手部运动的多个电机以及传动件;
上位机控制模块是用于对采集的健侧手部运动信息进行处理,同时完成坐标变换的控制***,该***是基于Processing开发环境,用于通过调用Leap Motion for Processing库函数实现对手部运动信息的提取,上位机控制模块与健侧信息采集模块通过数据线相连;
下位机控制模块是用于接收上位机控制模块采集的手部运动数据并转换为控制指令的控制电路,下位机控制模块包括依次相连的数控单元、传感单元和电机驱动单元,下位机控制模块与上位机控制模块通过串口相连,电机驱动单元与执行模块相连,传感单元设于手部固定装置上以检测手部康复驱动装置的运动状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的健侧信息采集模块还包括手部支撑装置,手部支撑装置是固定在桌面上的用于固定人体健侧小臂的硬质支架,Leap Motion设备在对应人体健侧手心下方的位置与手部支撑装置固定相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的手部支撑装置上设有用于固定人体健侧手部的扎带,扎带上设有魔术贴。
4.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的执行模块还包含用于支撑和固定人体患侧小臂的复健支撑装置,复健支撑装置与固定康复驱动装置和手部固定装置固定相连,复健支撑装置固定在桌面上。
5.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的数控单元采用Arduino UNO作为控制器,用于接收上位机的手部运动信息,同时将手部运动信息转换为相应的控制指令。
6.根据权利要求5所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的Arduino UNO控制器还用于接收传感单元的信号,以实现整套设备的闭环控制。
7.根据权利要求5所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的电机驱动单元用于接收控制板发出的PWM波,控制电机进行运动,包括三个电机驱动器,分别与Arduino UNO控制板相连,每个电机驱动器与一个电机对应相连。
8.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的上位机控制***可以对采集的手部运动信息中的异常值进行剔除,保证训练的安全性。
9.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的控制***是电脑或者个人智能终端。
10.根据权利要求1所述的一种基于Leap Motion的健患侧协同手部训练***,其特征是:所述的传感单元包括多个角度传感器、压力传感器、行程开关和电机编码器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200204 |