CN113101137B - 一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，其特征在于，其机器人本体包括至少一个支承杆、至少一个多轴臂组、连杆组和臂托，臂托通过可提供其竖直方向自由转动的连杆组与可提供其水平方向自由转动的至少一个多轴臂组装配至至少一个支撑杆上，使得设于机器人本体中的传感器组可采集到患者在主动康复训练过程中的训练数据，或可采集到借助于由支撑杆承托其重量的单个电机的驱动而实现的被动康复训练过程中的训练数据。

Description

一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人

技术领域

本发明涉及医疗康复器械技术领域，尤其涉及一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人。

背景技术

我国人口基数大，人口老龄化日益严重，由此所引起的各项健康问题逐渐引起了社会的重视。中风一直是影响着老人健康的一大威胁，中风患者中有85％都患有偏瘫，其中上肢功能障碍的患者大部分都可以通过康复训练来恢复。然而专业康复师一对一的康复训练极其耗费人力物力，无法满足众多患者的需求，通过辅助康复机器人可以很好地缓解这一医疗资源紧张的问题。国外较早开始了医疗康复机器人相关的研究，我国起步虽晚，但也逐渐取得了一些成绩。上肢康复机器人通过科学的计算拟合，可以帮助患者完成一定轨迹的上肢运动，辅助患者进行康复训练。

现有技术中如公开号为CN109568082B的专利文献提出了一种上肢康复训练机器人，包括训练桌，训练桌上设有显示器和至少一个末端执行器；末端执行器用于夹持患者的患侧上肢；末端执行器连接有协作机械臂；协作机械臂能够带动末端执行器运动；和/或患侧上肢通过末端执行器能够拖动协作机械臂运动；显示器的背面设有镜子，末端执行器包括摄像头，用于拍摄镜子中的患者的健侧上肢运动。当进行主动训练时，计算机控制软件设置训练游戏，协作机械臂处于柔顺状态，显示器水平放置并显示设置好的游戏，患者患侧上肢/小臂固定在末端执行器上，显示器将患者患侧上肢在显示器的游戏界面中显示出来，患者具有部分肌力的患侧上肢通过末端执行器拖动协作机械臂在游戏界面中运动，完成游戏的同时进行主动训练。

然而，在其技术方案中，尤其在主动训练模式下，患者全凭自己对虚拟训练环境的理解来主动活动患侧上肢，实际上该模式下的患者运动往往无法达到标准训练要求，无法保证康复效果以及避免运动伤害。此外，在上述情况下所获取到的传感数据，均是患者在未达到标准训练动作下所获取到的，实际上无法用于表征患者运动能力，因此，上述技术方案中基于此类传感数据所做出的康复训练评估具有极大的偏差，无法真实反映患者康复情况。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对目前用于带动患者上肢做出训练动作的上肢康复机器人所存在的无法实现与患者之间交互而导致康复效果和患者体验较差的问题，现有技术中如公开号为CN109568082B的专利文献提出了一种上肢康复训练机器人，其可实现主被动训练并将康复过程通过显示器同步呈现出来。然而，在其技术方案中，尤其在主动训练模式下，患者全凭自己对虚拟训练环境的理解来主动活动患侧上肢，实际上该模式下的患者运动往往无法达到标准训练要求，无法保证康复效果以及避免运动伤害。此外，在上述情况下所获取到的传感数据，均是患者在未达到标准训练动作下所获取到的，实际上无法用于表征患者运动能力，因此，上述技术方案中基于此类传感数据所做出的康复训练评估具有极大的偏差，无法真实反映患者康复情况。

针对现有技术之不足，本申请提出了一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，其特征在于，至少包括：动作监测单元，通过与患者上肢相连的机器人本体来捕捉患者上肢动作相关的训练数据；运动映射单元，根据训练数据在虚拟训练场景内搭建与患者上肢同步运动的第一虚拟三维模型；虚拟场景实现单元，用于读取预储的虚拟训练环境和/或虚拟三维模型，实时展示患者上肢在虚拟训练环境中的运动，通过向虚拟训练场景引入虚拟对象的第二虚拟三维模型与第一虚拟三维模型相交互来指示任务动作路径。第二虚拟三维模型与第一虚拟三维模型相交互，可以是指第一虚拟三维模型的运动参数等相应地影响第二虚拟三维模型的运动参数的过程。

现已提出的上肢康复机器人大多都采用了虚拟环境，可以将患者的运动映射到虚拟对象上以实现患者康复训练时的沉浸感，然而在此类技术方案中，要么只能够主动采集患者的运动数据，不能即时地反馈患者其动作是否规范，要么是通过文字语音的方式来即时提醒患者动作是否规范，文字语音不足以使患者理解如何达到要求动作，往往要求医护在一侧陪护以及具体的指导，导致医护工作量大且要求医护一对一地全程看护康复过程。基于此，本申请提出了采用除与患者对应的第一虚拟三维模型之外的第二虚拟三维模型，患者不再只是单一地关注其运动在虚拟环境中的映射，还可以直观地观察到正确的标准动作，进而实现对患者有效的康复训练引导的目的。此外，两个虚拟三维模型同时同步地展现在虚拟环境中，患者可以直接看到其运动与标准动作之间的差别，即使是在无医护指导的情况下，患者也能够主动地调整自己的动作，以更好地匹配标准动作，以此在实现患者康复训练时充分的沉浸感的同时极大地提升了康复训练效果。

根据一种优选实施方式，虚拟场景实现单元可基于患者上肢动作相关的训练数据来调控第二虚拟三维模型所执行的运动阶段以及运动速度。运动阶段可以是指单个拉桨周期内各阶段，通过调控第一与第二虚拟三维模型保持同一运动阶段，并且结合调控第二虚拟三维模型的运动速度，避免标准动作相对患者适应能力而言过快或过慢，由此可极大地利于患者观察其动作与标准动作之间的差别，快速有效地调整上肢姿势。在虚拟场景实现单元的调控下，为便于患者跟随以及增强患者的沉浸感，第二与第一虚拟三维模型之间的运动时间差不超出两个运动阶段，第二虚拟三维模型的运动速度比第一虚拟三维模型的运动速度快但不超出预设的速度阈值。在第二与第一虚拟三维模型之间的运动时间差达到两个运动阶段时，指示第二虚拟三维模型重复展示与该两个运动阶段相对应的标准动作，直至第一虚拟三维模型完成上述两个运动阶段。重复展示可以是指第二虚拟三维模型仅仅重复与该两个运动阶段相对应的标准动作。

根据一种优选实施方式，虚拟场景实现单元根据患者与虚拟对象所分别对应的两虚拟三维模型之间所形成的动作偏差来划定虚拟训练环境中用以指示任务动作路径的局部区域。

根据一种优选实施方式，虚拟场景实现单元还被配置为：基于患者与虚拟对象所分别对应的两虚拟三维模型之间所形成的动作偏差来划定第一区域；基于第一区域和至少包括上肢运动朝向信息的训练数据来划定第二区域；基于第一与第二区域来划定第三区域。

根据一种优选实施方式，第一至第三区域所对应的清晰度依次递减。

根据一种优选实施方式，第一至第三区域中的至少一个区域可以是以非规则形状来划定的。

本发明还提供了一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，其特征在于，其机器人本体包括至少一个支承杆、至少一个多轴臂组、连杆组和臂托，臂托通过可提供其竖直方向自由转动的连杆组与可提供其水平方向自由转动的至少一个多轴臂组装配至至少一个支撑杆上，使得设于机器人本体中的传感器组可采集到患者在主动康复训练过程中的训练数据，或可采集到借助于由支撑杆承托其重量的单个电机的驱动而实现的被动康复训练过程中的训练数据。

根据一种优选实施方式，多轴臂组的一端以其装配高度可调节的方式装配在支撑杆上且其另一端与连杆组活动连接，以适应于不同患者或不同虚拟训练环境。

根据一种优选实施方式，机器人本体被配置为在被动康复模式下基于预设被动康复方案提供的角速度值来调控电机的运作，患者上肢置于臂托内被动跟随臂托运动以进行康复训练。

根据一种优选实施方式，机器人本体还包括三维场景显示器组和/或医务界面显示器组。

附图说明

图1是本发明提供的一种优选实施方式的机器人本体的简化结构示意图；

图2是本发明提供的一种优选实施方式的虚拟现实平台的简化结构框图；

图3是本发明提供的一种优选实施方式的主被动控制平台的简化整体结构框图；

图4是本发明提供的机器人本体的简化局部结构示意图；

图5为本发明提供的电机安装块的简化装配示意图；

图6为本发明提供的杆件组的简化俯视结构示意图；

图7为本发明提供的臂托的简化整体结构示意图；

图8为本发明提供的AB杆的简化整体结构示意图；

图9为本发明提供的BC杆的简化整体结构示意图；

图10为本发明提供的CD杆的简化整体结构示意图；

图11为本发明提供的电机托板的简化整体结构示意图；

图12为本发明提供的电机连接板的简化整体结构示意图；

图13为本发明提供的杆件组连接板的简化整体结构示意图。

附图标记列表

1：支承杆 2：显示器组 3：电机安装块

4：连杆组 5：安装桌板 6：机器人本体

7：驱动*** 8：传感器组 9：单片机

10：上位机 11：编码器 12：医务界面显示器组

13：三维场景显示器组 14：多轴臂组 15：轴臂

301：电机 302：电机连接板 303：电机托板

401：臂托 402：BC杆 403：AB杆

404：CD杆 405：杆件组连接板 406：轴承

具体实施方式

下面结合附图对本申请进行详细说明。

本申请根据上肢运动拟合出的轨迹曲线提出了一种仅依赖于单自由度的基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，通过不同的电机301控制策略配合本申请所提出的连杆结构，该上肢康复机器人可帮助患者的上肢进行运动，完成主被动结合的康复训练。依靠一个电机301的运转就能完成对人体上肢运动轨迹的拟合，操作简便、成本较低、适宜推广。该机器人可根据不同的电机301控制策略完成不同程度的康复方案，也可接入VR游戏增加康复过程的互动性与趣味性。

自由度指的是根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目。

该上肢康复机器人的机器人本体6主要包括电机安装块3、连杆组4和至少一个显示器组2。连杆组4和显示器组2均以可调节的方式固定设置在安装桌板5上。

连杆组4通过至少一个支承杆1固定设置在安装桌板5上。各支承杆1竖立式装配在安装桌板5上，连杆组4滑动连接在支承杆1的杆体上。操作者可上下调节连杆组4在安装桌板5上的高度，以更好地适应于不同患者使用。

连杆组4中包括彼此依次转动连接的AB杆403、BC杆402和CD杆404。BC杆402上固定装配有臂托401，臂托401用于放置患者上肢小臂。臂托401的形状与人体小臂的形状相适配，其类似于长条U型结构。

AB杆403绕BC杆402转动的轴中心线与CD杆404绕BC杆402转动的轴中心线共面。以此该机器人可支持患者小臂在BC杆402所在的平面中的多姿态运动。

AB杆403上在A支点所对应的端部处配设有一电机安装块3。该电机安装块3中电机301的输出端连接至AB杆403上在A支点处所对应的端部。即，通过调控电机301可实现对AB杆403转动的控制，由于AB杆403、BC杆402和CD杆404之间的联动关系，以此可同步地带动位于BC杆402上的患者小臂的运动。该机器人主体结构为一个四连杆机构，连杆连接处使用带法兰和锁紧螺钉的轴承406连结内外轴，传动简单，结构稳定。

电机安装块3通过多轴臂组14稳定装配在安装桌板5的上方。多轴臂组14的一端与支承杆1相滑动连接以实现连杆组4在安装桌板5上的高度可调节。多轴臂组14的另一端与电机安装块3中的电机托板303相连接以实现对电机安装块3的稳定支承。

多轴臂组14中包括至少一个转轴和彼此依次转动连接的至少一个轴臂15。相邻的两个轴臂15之间可通过设于杆体端部的一转轴彼此转动连接。在支承杆1上可滑动地设置有转轴连接块，在电机托板303的下方设置有转轴连接块，位于多轴臂组14两端的两轴臂15分别与一转轴连接块转动连接。各轴臂15绕彼此转动的轴中心线相互平行。

安装桌板5上设置有两个支承杆1，电机安装块3或AB杆403与CD杆404分别通过一多轴臂组14分别连接至一支承杆1，以此实现支承杆1对连杆组4的可调节支撑。

电机安装块3中电机301的重量主要是通过多轴臂组14转移到支承杆1上，用户上肢运动不会受到电机301重量的影响，以此能够更加准确地评估用户上肢运动情况，保障康复训练效果。电机301通过连接板与托板的安装，既完成了电机301的定位，又将电机301的重量卸载在了支承杆上。

CD杆404的D支点处采用的是带法兰和锁紧螺钉的轴承406连结内外轴，传动简单且结构稳定。

如下对电机安装块3处的具体安装方式进行说明。将电机托板303通过至少一个定位孔例如8个定位孔安装在定位座上。定位座设置在多轴臂组14的一端部上。电机301通过电机连接板302上的至少一个通孔例如4个通孔进行定位安装。之后将电机301放置于电机托板303之上。最后通过电机连接板302上的至少一个长孔例如2个长孔将电机托板303与其连接，完成电机301部分的安装定位。

如下对连杆组4处的具体安装方式进行说明。AB杆403的B端的伸出轴伸入带法兰和锁紧螺钉的轴承406内圈并通过两颗锁紧螺钉紧固。同个轴承406的外圈法兰通过至少一组螺栓螺母例如3组螺栓螺母与BC杆402的B端相连接。BC杆402的C端通过相同的方式与另一轴承406的外圈法兰相连。轴承406的内圈通过锁紧螺钉再与CD杆404C端的伸出轴紧固。CD杆404的D端与带法兰和锁紧螺钉的轴承406外圈法兰连接。该轴承406的内圈与杆件组连接板405上的伸出轴紧固。臂托401通过至少一组螺栓螺母例如2组螺栓螺母安装在BC杆402上。臂托401上的两组方形孔处可缝制两段松紧带进行辅助固定。

连杆组4与电机安装块3之间的连接为电机301的输出轴与AB杆403A端孔的键连接。连杆组4与支承杆1之间通过杆件组连接板405上的至少一个安装定位孔例如8个安装定位孔连接。

使用时，电机301由1个48V电源、1个脉冲控制器及1个驱动器来驱动其旋转。通过键连接，电机301输出轴将运动传递给AB杆403，AB杆403作为曲柄完成完整的圆周运动。同步带动BC杆402与CD杆404按一定轨迹运动。臂托401处的轨迹即为所需的上肢运动的拟合轨迹。

作为一种优选实施方式，如下对本申请所提出的机器人本体6的主要结构尺寸以及主要安装尺寸进行说明。AB杆403两端的中心距离为129.60mm。BC杆402两端的中心距离为187.00mm。CD杆404两端的中心距离为313.80mm。臂托401的长度为150mm，大径为90mm，小径为70mm。带法兰和锁紧螺钉的轴承406内圈直径为22mm，外圈法兰连接直径为60mm。AB杆403A端中点距离CD杆404D端中心的垂直距离为120.32mm，水平距离为290.85mm。臂托401与BC杆402连接的水平倾角为45.5°。CD杆404D端中点距离安装桌板5桌面的垂直高度为165mm。

主被动控制平台用于向机器人本体6发送控制指令以及记录训练数据。主被动控制平台主要包括驱动***7、单片机9、传感器组8、编码器11、上位机10以及显示器组2。

主被动控制平台中设置有至少两个模式，其至少包括被动康复模式和主动康复模式。在被动康复模式下，根据预先设定的被动康复方案，按照被动康复方案中既定的角速度值，由控制器给驱动器发送电机301脉冲指令，驱动器输出给定脉冲驱动步进电机301以一定角速度旋转并带动连杆组4运动，患者的手臂伸入臂托401跟随连杆组4运动完成康复过程。被动康复方案可以是指预先设定好的角速度与时间之间的对应关系。

传感器组8可包括设置在机器人本体6的臂托401上的角度传感器、力传感器和速度传感器中的至少一个。传感器组8可对患者上肢与臂托401之间的压力、患者上肢的运动轨迹、患者上肢的运动速度等进行检测，并将数据传输至单片机9。由单片机9换算获得压力值后通过USB串口传输给上位机10，上位机10在其医务界面上实时显示压力值和上肢转速等数据。

显示器组2包括三维场景显示器组13和医务界面显示器组12。显示器组2均通过设于安装桌板5上的支承杆1以及至少一个多轴臂组14可调节地稳定装配在安装桌板5上。三维场景显示器组13用于展示选定的虚拟场景以供使用该臂托401的患者进行上肢康复时观看，引导患者进行规范有效的康复训练。医务界面显示器组12用于展示设置在连杆组4中的多个传感器的采集数据以及计算分析数据等，医务人员可以更加清楚明确患者的康复训练情况。

作为一种优选实施方式，三维场景显示器组13可以是面向患者所在侧设置的、能够展示三维场景画面的显示器，虚拟现实平台可在显示器上展示可跟随患者的动作而变化的三维场景画面。优选地，三维场景显示器组13可以是采用VR技术、AR技术或MR技术的头戴式显示设备。VR技术(Virtual Reality)，一般指虚拟现实技术，利用VR头戴式显示设备将人的对外界的视觉、听觉封闭，引导患者产生一种身在虚拟环境中的感觉。VR头戴式显示设备比常规显示器的沉浸感更强情景模拟效果更好。除了VR此类纯虚拟数字画面技术，还可以采用AR(Augmented Reality)的虚拟数字画面+裸眼现实技术，或MR(Mediated Reality)的数字化现实+虚拟数字画面技术。

在主动康复模式下，主要是患者的手臂主动运动，而臂托401相关联的连杆组4由患者上肢带动运行。压力传感器与编码器11可检测得到上肢压力值以及上肢带动连杆组4运动的角速度值等训练数据。上肢旋转的角速度由编码器11单位时间内获得的计数脉冲经过单片机9换算后取得，并在医务界面上显示。患者主动运动意愿的涉入可使中枢神经***得到强化，能够有效改善及提高患者的康复效果。

机器人本体6用于辅助患者手臂进行康复训练以及采集训练过程中的训练数据。训练数据主要是指在康复训练过程中通过机器人本体6中包含的电机301以及若干传感器所对应的数据。优选地，该机器人本体6可以是现已有的上肢康复装置。上肢康复装置可以例如是室内用划船机。

上肢康复机器人还包括主被动控制平台和虚拟现实平台。主被动控制平台至少包括动作监测单元，其通过与患者上肢相连的机器人本体来捕捉患者上肢动作相关的训练数据。虚拟现实平台至少包括运动映射单元和虚拟场景实现单元，运动映射单元根据训练数据在虚拟训练场景内搭建与患者上肢同步运动的第一虚拟三维模型，虚拟场景实现单元用于读取预储的虚拟训练环境和/或虚拟三维模型，实时展示患者上肢在虚拟训练环境中的运动，通过向虚拟训练场景引入虚拟对象的第二虚拟三维模型与第一虚拟三维模型相交互来指示任务动作路径。

虚拟现实平台中包括显示设备，显示设备可以是常规显示器、VR头戴式虚拟现实设备、AR头戴式虚拟现实设备或MR头戴式虚拟现实设备。利用显示器可向患者显示虚拟训练环境，以及为患者提供康复训练视觉反馈。

在上肢康复机器人进入主动训练康复模式时，虚拟现实平台通过显示设备向患者显示其所构建的虚拟训练环境，并建立与部分真实对象对应的第一虚拟三维模型，和/或与当前虚拟训练环境相对应的虚拟对象的第二虚拟三维模型。

真实对象指的是现实存在的对象即使用该上肢康复机器人的患者。部分真实对象指的是患者身体部分，其具体可以是患者的上肢或上半身等。建立与部分真实对象对应的第一虚拟三维模型，即在虚拟训练环境中模拟构建出的虚拟三维模型，其可即时地跟随患者上肢运动，即将患者上肢运动映射在显示器上。

虚拟对象指的是虚拟构建的用于引导患者康复训练的对象。虚拟对象与当前虚拟训练环境相对应，即可随虚拟训练环境相应地变化至不同类型的对象。优选地，虚拟对象可以是与患者同行的在虚拟训练环境下做出划船动作的虚拟人物。虚拟对象处于虚拟训练环境中患者可观察到的位置。例如，虚拟对象可以是与患者同乘一条船的、坐在患者所对应的第一虚拟三维模型前方的虚拟船员。虚拟对象所执行的动作应当是与当前虚拟训练环境所对应的标准动作。

现已提出的上肢康复机器人大多都采用了虚拟环境，可以将患者的运动映射到虚拟对象上以实现患者康复训练时的沉浸感，然而在此类技术方案中，要么只能够主动采集患者的运动数据，不能即时地反馈患者其动作是否规范，要么是通过文字语音的方式来即时提醒患者动作是否规范，文字语音不足以使患者理解如何达到要求动作，往往要求医护在一侧陪护以及具体的指导，导致医护工作量大且要求医护一对一地全程看护康复过程。基于此，本申请提出了采用除与患者对应的第一虚拟三维模型之外的第二虚拟三维模型，患者不再只是单一地关注其运动在虚拟环境中的映射，还可以直观地观察到正确的标准动作，进而实现对患者有效的康复训练引导的目的。此外，两个虚拟三维模型同时同步地展现在虚拟环境中，患者可以直接看到其运动与标准动作之间的差别，即使是在无医护指导的情况下，患者也能够主动地调整自己的动作，以更好地匹配标准动作，以此在实现患者康复训练时充分的沉浸感的同时极大地提升了康复训练效果。

优选地，虚拟训练环境可以是随患者使用上肢做出划船动作来变化场景的虚拟空间。虚拟训练环境例如可以是在河道上的船艇、海底的潜水艇、空中的飞行艇、轨道上的船体等等。

虚拟现实平台包括至少两种引导模式，至少包括第一引导模式和第二引导模式。在第一引导模式下，当患者进入虚拟训练环境中时，患者所对应的第一虚拟三维模型坐在船头的位置，此时虚拟训练环境中无第二虚拟三维模型。在第二引导模式下，当患者进入虚拟训练环境中时，患者所对应的第一虚拟三维模型坐在非船头即船中部或尾部的位置，此时虚拟训练环境中具有第二虚拟三维模型。

优选地，当以第一引导模式启动虚拟现实平台时，虚拟现实平台通过显示设备向患者显示其所构建的虚拟训练环境，并建立与部分真实对象对应的第一虚拟三维模型，且当前虚拟训练环境中无第二虚拟三维模型。

优选地，当以第二引导模式启动虚拟现实平台时，虚拟现实平台通过显示设备向患者显示其所构建的虚拟训练环境，并建立与部分真实对象对应的第一虚拟三维模型，以及与当前虚拟训练环境相对应的第二虚拟三维模型。

按照患者的实际情况，可以任意选择虚拟现实平台的第一引导模式或第二引导模式，两种模式的主要区别在于在虚拟训练环境中的大部分时间中患者主要位于船体上哪一位置。第一引导模式相较于第二引导模式，能够使患者获得更开阔的视野以及更好的运动感受，但同时其康复训练引导作用也相对地较弱，第二引导模式下虽然患者的视野中始终存在其他第二虚拟三维模型，但正因此也可以获得更好的康复训练引导作用。由此，医护可以针对康复训练过程中学习能力较强或认知反应等情况较好的患者选择第一引导模式，针对康复训练过程中学习能力较弱、或认知反应等存在一定障碍的患者选择第二引导模式。

在患者使用该上肢康复机器人的过程中，虚拟现实平台对患者运动进行监测，当患者运动与设定动作不符时触发第一动作引导条件，通过向虚拟训练环境引入追随定位点，引导患者调整动作。

本申请所提及的患者运动与设定动作不符，可以是指患者运动的动作偏差度达到第一预设偏差度阈值。动作偏差度可以是患者运动相对标准动作而言的差别程度的量化数据，该量化数据可以是从患者动作的幅度、角度、力量或速度等方面进行计算评价得到的。

在进入主动训练康复模式时，向患者显示其所构建的虚拟训练环境；通过同步或异步建立与部分真实对象对应的第一虚拟三维模型以及与当前虚拟训练环境相对应的虚拟对象的第二虚拟三维模型的方式，和/或通过在患者与虚拟训练环境之间的非接触交互操作下使至少一个虚拟三维模型在当前虚拟训练环境下复制投射的方式，引导患者调整动作。

追随定位点中的定位点可以是指相对第一虚拟三维模型的当前动作而言的标准动作中上肢应当达到的位置点，该位置点可以是与上肢中手掌部、腕关节部、肘关节部等所对应的位置。追随定位点中的追随可以是指该定位点可随着患者动作的改变而相应的移动。完整的拉桨周期下包括提桨入水阶段、拉桨阶段、按桨和推桨开始阶段以及推桨阶段等单一朝向动作，针对不同单一朝向动作，对应有不同的追随定位点，随着患者从一个动作进入下一个动作，追随定位点随着变化，以此显示画面中的追随定位点有限且指定明确，不会对患者造成误导。以此在患者偶尔出现动作不符的情况下，可以及时且有效地引导患者调整动作。追随定位点可以具有延伸至患者上肢的流星状余迹，用以显示指示患者运动的任务动作路径，同时由于流星状余迹具有指向性而使得患者可以明确其运动的跟随朝向。

将第二虚拟三维模型转换为框架结构并选择框架结构上至少一个结构点作为追随定位点。在虚拟现实平台处于第一引导模式而当前虚拟训练环境中仅建立有第一虚拟三维模型的情况下，通过构建第二虚拟三维模型的方式向虚拟训练环境引入追随定位点。虚拟现实平台所构建的数据加载量大且响应延迟的第二虚拟三维模型并不会完全地加载到虚拟训练环境中，而是将其简化为数据处理量更小且响应速度更快的追随定位点，利用追随定位点将标准动作幅度或标准动作路径等转换为了患者能够直观地观察对比的可视化信息。若采用直接引入虚拟三维模型的方式，则当患者出现动作不符时即会导入一次虚拟三维模型，无论在虚拟三维环境展示正确的标准动作与否，患者很难完全跟上正确标准动作，即患者易频繁出现所谓的动作不规范，对此导致***需要多次重复加载隐去不同提示模型，数据加载量大且响应延迟加大。相应地，载入追随定位点所需的数据处理量以及对患者的康复过程的影响都非常小，避免由于患者频繁出现动作不规范而导致***需要多次重复加载隐去不同提示模型的情况。

追随定位点可以是根据已有的第二虚拟三维模型向虚拟训练环境进行复制投射所得到的。在虚拟现实平台处于第二引导模式而当前虚拟训练环境中建立有第一及第二虚拟三维模型的情况下，根据已有的第二虚拟三维模型向虚拟训练环境进行复制投射以引入追随定位点。第二虚拟三维模型的复制投射实际为对第二虚拟三维模型的框架结构的复制投射，选择框架结构上至少一个结构点，以此得到追随定位点。

复制投射可以是指以建立被复制者与复制者之间的同步关联关系的方式复制投射。复制的同时建立追随定位点与第二虚拟三维模型之间的同步关联关系。基于此，追随定位点可保持其与第二虚拟三维模型之间的动态对应关系。

复制投射可以是指以建立复制者与虚拟训练环境之间的同步关联关系的方式复制投射。投射的同时建立追随定位点与虚拟训练环境之间的同步关联关系。基于此，追随定位点可保持其在虚拟训练环境中的相对位置，引导患者以满足康复训练要求的路径进行运动。

在患者使用该上肢康复机器人的过程中，虚拟现实平台对患者运动进行监测，当出现患者运动与设定动作不符的次数达到第一预设次数阈值时触发第二动作引导条件，通过将两个虚拟三维模型进行透明度变化重叠，引导患者调整动作。

两个虚拟三维模型可以是指第二虚拟三维模型与第三虚拟三维模型。

第二虚拟三维模型可以始终是指执行与当前虚拟训练环境所对应的标准动作的虚拟对象。第三虚拟三维模型可以是通过将第一虚拟三维模型进行复制投射所得到的。第三与第一虚拟三维模型处于显示画面中不同位置处。

在将两个虚拟三维模型进行透明度变化重叠的情况下，患者可同时观察到其作为第一视角下的运动映射以及其作为第三视角下的运动映射。由于患者可以同时从第一视角和第三视角来观察其自身运动情况，患者可以更好地更有效地调整自己的动作，以实现更有效的康复训练效果。

透明度变化重叠，其中透明度可以是指显示界面中两个虚拟三维模型所分别对应的可视程度。透明度变化可以是指显示界面中两个虚拟三维模型所对应的透明度并非固定的而是动态可变的。重叠可以是指显示界面中两个虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间位置相同。例如，将两个虚拟三维模型的人体主躯干融合为一个，通过不同上肢运动可分别对应展示两虚拟三维模型。

在透明度变化重叠设置下，虚拟现实平台可以通过调控第二及第三虚拟三维模型的透明度变化，选择性地突出强调出连续运动中具体的与设定动作不符的某一动作。具体地，在触发第二或第三动作引导条件后，患者可能可以同步或几乎同步地跟上做出标准划船动作的虚拟对象，也可能无法跟上而导致其与虚拟对象的动作之间存在一定的时间差，无论哪种情况下都会存在患者的上肢姿势有误或伸展不到位的问题，若仅仅以展示第二虚拟三维模型的方式来引导患者，患者难以同时关注其上肢姿势和其上肢幅度是否需要调整，易出现过度拉伸或未完成当前动作就进入下一阶段的情况。

对此，在本申请所提出的虚拟现实平台中，在触发第二或第三动作引导条件的情况下，当监测到患者训练数据与标准动作相符时，增大至少部分第二虚拟三维模型的透明度。此时患者动作符合康复训练要求，对第二虚拟三维模型依赖性较弱，基于此可降低至少部分第二虚拟三维模型的可视程度，避免两个三维模型交错对患者造成非必要的干扰。

优选地，若患者与虚拟对象处于同步状态则增大与虚拟对象对应的第二虚拟三维模型的透明度。优选地，若患者与虚拟对象处于非完全同步状态则按与上肢运动向背的方向逐渐增大第二虚拟三维模型的透明度。同步状态下的两个虚拟三维模型重合或几乎重合，非完全同步状态下的两个虚拟三维模型存在一定时间差而彼此不完全重合。非完全同步状态与动作不符不同，在同步状态下或在非完全同步状态下都存在动作相符和动作不符两种情况。

当监测到患者训练数据与标准动作不符时，基于第二与第三虚拟三维模型之间的上肢动作偏差来划定第一区域，基于第一区域和上肢运动朝向来划定第二区域，基于第一与第二区域来划定第三区域，第一至第三区域所对应的清晰度依次递减。

第一至第三区域中的至少一个可以是以非规则形状来划定的。

基于第二与第三虚拟三维模型之间的上肢动作偏差来划定第一区域。根据第二与第三虚拟三维模型之间的上肢动作偏差，可得出患者所对应的需调整的运动路径，该运动路径是可通过指示患者的至少一个上肢关节点运动即可完成的，将运动路径对应的至少一个上肢关节点所在区域划定为第一区域。第一区域中同时保留了第二与第三虚拟三维模型的彼此对应的上肢关节点，从而患者可直接通过观察第一区域即可获知需要调整的上肢关节点。上肢关节点例如可以是腕部关节处或肘部关节处。

当上肢动作偏差对应至少两条运动路径的情况下，例如需调节腕部关节处以符合小臂的标准动作且需调节肘部关节处以符合大臂的标准动作，优先按肘部关节处来划定第一区域，再按腕部关节处重新划定第一区域。能够更好地适应人体操作习惯。

将第一预定形状与运动路径所在区域相对应，向外扩张或向内收缩第一预定形状的外边缘以使第一区域内还包含两虚拟三维模型的彼此对应的上肢关节点，基于扩张后的外边缘确定第一区域，以此保证所需内容均被包含，减小不必要的其他画面内容。

第一预定形状可以是预先设置好的形状，例如可以是常规圆形，第一预定形状可以是通过统计并分析每次划定的第一区域的形状来调整为非常规圆形，与第一区域的划分更加吻合。第一预定形状可以是从若干预先设置好的形状中所确定的与上肢动作偏差度相对应的形状。

基于第一区域和上肢运动朝向来划定第二区域。为保证患者能够边调整姿势边不间断地继续执行康复动作，第一区域的外边缘作为第二区域的第二预定形状，向外扩张第二预定形状的外边缘以使第二区域内还包含上肢运动朝向所对应的上臂或小臂所在区域，基于扩张后的外边缘确定第二区域。

第二区域的外边缘作为第三区域的第三预定形状，向外扩张第三预定形状的外边缘以划定第三区域。第三区域并不限定其所需圈设内容。

第一至第三区域所对应的清晰度依次递减。清晰度的减小可以是通过增大对应区域的模糊度来实现的。

训练数据与标准动作不符，可以是指当前患者的训练数据和与之所在位置所对应的标准动作相比对而存在一定偏差的情况。训练数据与标准动作不符，也可以是指虚拟训练环境中某一时刻下患者的训练数据与第二虚拟三维模型的执行动作相比对而存在偏差的情况。基于此，避免***出现由于患者运动速度较慢，未能跟上虚拟对象而导致被频繁提示动作有误的情况，患者可根据自己的体能及感受自主调节运动速度，有利于提升体验感受。

第二虚拟三维模型以其始终与第一虚拟三维模型保持在同一运动阶段的方式按预先设定的速度执行。第二虚拟三维模型的动作速度往往比患者动作快，基于此可有效地向用户展示即将需要执行的标准动作，同时两者始终保持同一运动阶段，限制了两者之间的动作时间差，以此患者可以逐个运动阶段地更好地完成跟练。

现有技术中往往对患者所完成的某一整个连续运动进行提示，例如在患者完成一个拉桨周期后，提示患者完成的动作不符合标准或仅提示其动作幅度不够，对于患者而言其无法具体得知该拉桨周期中哪个动作有问题，仅能够按照自己对提示的理解来进行下一拉桨周期，不利于患者康复。对此，本申请所提出的上肢康复机器人中采用了透明度变化重叠设置，可以将运动提示具体化到拉桨周期中的提桨入水阶段、拉桨阶段、按桨和推桨开始阶段、以及推桨阶段等单一动作中，以此患者可以明确得知其具体存在差距的动作，并且通过透明度变化重叠设置，将患者动作与标准动作之间的差距以可视化的方式呈现至患者端，使得患者能够以可量化的方式调整其自身动作。

虚拟现实平台可以基于患者与虚拟训练环境之间的非接触交互操作来调控透明度变化重叠。非接触交互操作指的是患者不接触显示器屏幕，而是借助于机器人本体6上携带的传感器来将其根据显示器屏幕上的画面所做出的对应运动虚拟映射在显示器屏幕上的过程。非接触交互操作可以是指一个运动过程而并非单个动作，运动过程可以是指单个拉桨周期。

若虚拟现实平台是以第一引导模式启动，则在触发第二动作引导条件时，至少根据训练数据来构建第二与第三虚拟三维模型，并同时切换第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间位置，以使得第二与第三虚拟三维模型能够处于虚拟训练环境中患者可观察到的相对空间位置。

切换第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间位置，可以是指：在第一引导模式下患者对应的第一虚拟三维模型本身处于船头位置，切换其相对空间位置后，第一虚拟三维模型转为非船头即船中部或船尾的位置。第一虚拟三维模型原本所对应的在虚拟训练环境中的相对空间位置空出，以此用于新建第二及第三虚拟三维模型。现有技术所提出的上肢康复机器人中，部分采用了直接在当前虚拟训练环境中***标准动作示范视频，患者只得暂停运动来观看视频，不仅中断患者康复而直接影响了患者的使用感受，并且患者仅能从感官模仿标准动作而无法确定其是否动作符合要求，进而将导致多次中断训练以及***标准动作示范视频，严重影响康复训练。

若虚拟现实平台是以第二引导模式启动，则在触发第二动作引导条件时，维持第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间位置，并至少根据训练数据来向虚拟训练环境引入新构建的第三虚拟三维模型。

维持第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间位置，可以是指：在第二引导模式下患者对应的第一虚拟三维模型本身处于船中部或船尾的位置，无需改变第一虚拟三维模型的当前位置，直接引入新建的第三虚拟三维模型。由于第三虚拟三维模型是根据第一虚拟三维模型复制投射而形成的，所以其模型本身不需要通过对数据处理即可得到，不仅不会对***运行造成过大负担而出现画面卡顿不流畅的问题，并且同时能够使患者能够同时从第一视角和第三视角来观察自身的运动情况，有利于提升康复训练效果。

在患者使用该上肢康复机器人的过程中，虚拟现实平台对患者运动进行监测，当出现患者运动的动作偏差度达到第二预设偏差度阈值的次数超过第二预设次数阈值时触发第三动作引导条件，通过将两个虚拟三维模型进行透明度变化重叠并结合向虚拟训练环境引入追随定位点，引导患者调整动作。将两个虚拟三维模型进行透明度变化重叠的同时引入追随定位点，对于患者而言，可以更好地明确其需要调整的动作以及如何调整，有利于进一步提升康复训练效果。

若虚拟现实平台是以第一引导模式启动，则在触发第三动作引导条件时，至少根据训练数据来构建第二虚拟三维模型，并同时切换第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间视角，通过将第一与第二虚拟三维模型进行透明度变化重叠并结合向虚拟训练环境引入追随定位点，引导患者调整动作。相对空间视角可以是指患者所观察到的第一视角或第三视角，此处切换相对空间视角可以是指通过转动第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中可视面，以实现患者的第一视角转换至第三视角。例如，将虚拟训练环境中的船体以及船上的三维模型人员转至侧面，优选地转至患者的患侧上肢所对应的侧面，以此可以更好地观察患侧上肢的运动情况。在触发第三动作引导条件的情况下，虚拟训练环境中取消第一视角而仅保留第三视角，患者可以直观地观察到其患侧上肢与标准动作之间的差别。并且结合追随定位点，可以增强患者的运动轨迹规范程度。追随定位点，既包括单一朝向动作所需要达到的最高点与最低点，并且还包括单一朝向动作的运动轨迹中的若干定位点，以此患者可以把控运动时上肢的有效弯曲角度或有效伸展角度，实现更好的康复训练效果。

若虚拟现实平台是以第二引导模式启动，则在触发第三动作引导条件时，切换第一虚拟三维模型在虚拟训练环境中的相对空间视角，通过将第一与第二虚拟三维模型进行透明度变化重叠并结合向虚拟训练环境引入追随定位点，引导患者调整动作。第二引导模式下本身已经构建第一与第二虚拟三维模型，基于此，当触发第三动作引导条件时可以将现已构建的第一与第二虚拟三维模型进行透明度变化重叠即可。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (10)

1.一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，其特征在于，其机器人本体包括至少一个支承杆、至少一个多轴臂组、连杆组和臂托，

臂托通过可提供其竖直方向自由转动的连杆组与可提供其水平方向自由转动的至少一个多轴臂组装配至至少一个支撑杆上，使得设于机器人本体中的传感器组可采集到患者在主动康复训练过程中的训练数据，或可采集到借助于由支撑杆承托其重量的单个电机的驱动而实现的被动康复训练过程中的训练数据；

根据训练数据在虚拟训练场景内搭建与患者上肢同步运动的第一虚拟三维模型，通过向虚拟训练场景引入虚拟对象的第二虚拟三维模型与第一虚拟三维模型相交互来指示任务动作路径；

若患者与虚拟对象处于同步状态则增大与虚拟对象对应的第二虚拟三维模型的透明度；若患者与虚拟对象处于非完全同步状态则按与上肢运动向背的方向逐渐增大第二虚拟三维模型的透明度。

2.根据权利要求1所述的上肢康复机器人，其特征在于，多轴臂组的一端以其装配高度可调节的方式装配在支撑杆上且其另一端与连杆组活动连接，以适应于不同患者或不同虚拟训练环境。

3.根据权利要求2所述的上肢康复机器人，其特征在于，机器人本体被配置为在被动康复模式下基于预设被动康复方案提供的角速度值来调控电机的运作，患者上肢置于臂托内被动跟随臂托运动以进行康复训练。

4.根据权利要求3所述的上肢康复机器人，其特征在于，机器人本体还包括三维场景显示器组和/或医务界面显示器组。

5.一种基于运动映射和虚拟现实的上肢康复机器人，其特征在于，至少包括：

动作监测单元，通过与患者上肢相连的机器人本体来捕捉患者上肢动作相关的训练数据；

运动映射单元，根据训练数据在虚拟训练场景内搭建与患者上肢同步运动的第一虚拟三维模型；

虚拟场景实现单元，用于读取预储的虚拟训练环境和/或虚拟三维模型，实时展示患者上肢在虚拟训练环境中的运动，通过向虚拟训练场景引入虚拟对象的第二虚拟三维模型与第一虚拟三维模型相交互来指示任务动作路径；

若患者与虚拟对象处于同步状态则增大与虚拟对象对应的第二虚拟三维模型的透明度；若患者与虚拟对象处于非完全同步状态则按与上肢运动向背的方向逐渐增大第二虚拟三维模型的透明度。

6.根据权利要求5所述的上肢康复机器人，其特征在于，虚拟场景实现单元可基于患者上肢动作相关的训练数据来调控第二虚拟三维模型所执行的运动阶段以及运动速度。

7.根据权利要求6所述的上肢康复机器人，其特征在于，虚拟场景实现单元根据患者与虚拟对象所分别对应的两虚拟三维模型之间所形成的动作偏差来划定虚拟训练环境中用以指示任务动作路径的局部区域。

8.根据权利要求7所述的上肢康复机器人，其特征在于，虚拟场景实现单元还被配置为：

基于患者与虚拟对象所分别对应的两虚拟三维模型之间所形成的动作偏差来划定第一区域；

基于第一区域和至少包括上肢运动朝向信息的训练数据来划定第二区域；

基于第一与第二区域来划定第三区域。

9.根据权利要求8所述的上肢康复机器人，其特征在于，第一至第三区域所对应的清晰度依次递减。

10.根据权利要求9所述的上肢康复机器人，其特征在于，第一至第三区域中的至少一个区域可以是以非规则形状来划定的。

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