CN107537135A - 一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置，其包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口；所述运动数据接口用于连接运动捕捉设备并与其进行数据交互；所述机器人交互接口用于连接下肢康复机器人并与其进行数据交互；所述显示输出端口用于连接显示装置，以输出图像信号；所述数据处理模块根据所述运动捕捉设备和所述下肢康复机器人采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号和/或向所述康复机器人提供驱动指令。本发明还提供了一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统。

Description

一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置及系统

技术领域

本发明涉及康复机器人领域，尤其涉及一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置及系统。

背景技术

随着我国社会老龄化程度的加剧，由于脑卒中引起的下肢运动功能障碍患者正不断地增加。此外，由于工伤、交通事故、疾病等原因造成精神或肢体损伤的患者也显著增加，严重影响患者的生活质量，并给患者家庭及社会带来极大负担。研究表明，及时进行一定程度的集中和重复训练可以修复受损的中枢神经，有助于下肢运动功能的恢复。传统的康复训练存在医师不足、设备功能单一且成本较高、康复周期长、过程乏味主动性差以及无法进行准确的康复状态评价等缺陷，因此研制能够克服上述缺点的下肢康复训练及评价设备显得尤为必要。

下肢康复机器人作为一种康复医疗设备，通过辅助患者进行科学地、有效地康复训练，从而达到恢复患者运动功能的目的。它在康复训练中为患者提供安全保护的同时，加强患者的主动运动意图对患者运动功能康复具有强化和促进作用，有利于保持患者精神紧张度，加强神经肌肉运动通路的修复。

虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术在运动障碍康复训练领域已经得到广泛应用，与传统的康复训练方法相比，基于虚拟现实的康复手段具有趣味性、针对性强等优势，并可以提供视觉、听觉等多种反馈以提高患者对康复效果的感知来激发和维持患者对于训练的积极性，达到提高训练效果的目的。国外已经出现不少成熟的产品，例如Hocoma公司的Lokomat、美国伊利诺大学的CAVE系统、Motek的CAREN系统等。传统的虚拟现实康复训练方法包括：处理设备确定患者当前的训练姿势和模式；运动捕捉模块接收到数据请求后，获取患者的肢体动作数据；处理设备接收肢体动作数据后，根据肢体动作数据发出驱动信号，驱动三维人物模型的动作变化并实时显示；根据肢体动作数据对患者的训练情况进行评估并显示评估结果；在训练结束后，处理设备选择难度与患者的康复情况匹配的游戏，供所述患者进行训练，并根据患者完成游戏任务的程度，记录所述患者的康复情况。

上述虚拟现实技术应用于康复训练的传统方法对下肢康复机器人，尤其是针对于平衡及步行训练的下肢康复机器人存在以下不足：

1、整套设备及软件合成的成本较高，且大部分需要较大的空间。目前成熟的虚拟现实应用均为国外的公司，在中国售价都非常高。

2、应用的场景多属于开阔环境中漫步，无法达到患者对于回归家庭和社会这个康复目标的训练效果。

3、患者在使用虚拟现实进行训练的过程中，无法得到其自身形态的反馈。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置，其包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口；所述运动数据接口用于连接运动捕捉设备并与其进行数据交互；所述机器人交互接口用于连接下肢康复机器人并与其进行数据交互；所述显示输出端口用于连接显示装置，以输出图像信号；所述数据处理模块根据所述运动捕捉设备和所述下肢康复机器人采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号和/或向所述下肢康复机器人提供驱动指令。

进一步地，所述数据处理模块包括：

人体模型子模块，用于人体三维模型的建立；

场景处理子模块，用于人体三维模型和场景模型的合成；

预设场景子模块，用于存储预设的场景模型，为所述场景处理子模块提供所述场景信息；

图像处理子模块，用于根据所述场景处理子模块提供的数据形成输出图像。

进一步地，所述预设场景子模块中的场景包括交通工具场景。

进一步地，所述数据处理模块包括运动评估子模块，用于将患者姿态信息与预设指标比较，并得出评价结果。

进一步地，还包括人机交互接口，用于外部操作所述康复训练装置。

进一步地，所述人机交互接口连接移动终端，通过所述移动终端进行对所述康复训练装置的操作。

进一步地，所述运动数据接口和/或所述机器人交互接口采用无线通信协议。

本发明还提供了一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统，其包括下肢康复训练装置、下肢康复机器人、运动捕捉设备和显示装置；所述下肢康复训练装置包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口；所述运动数据接口用于连接所述运动捕捉设备并与其进行数据交互；所述机器人交互接口用于连接所述下肢康复机器人并与其进行数据交互；所述显示输出端口用于连接所述显示装置，以输出图像信号；所述数据处理模块根据所述运动捕捉设备和所述下肢康复机器人采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号和/或向所述下肢康复机器人提供驱动指令。

进一步地，所述患者姿态信息包括骨盆姿态、前后交互力。

进一步地，所述下肢康复机器人包括跑台，所述下肢康复训练装置提供给所述下肢康复机器人的指令包括对所述跑台启、停、加速、减速的控制。

进一步地，所述数据处理模块包括：

人体模型子模块，用于人体三维模型的建立；

场景处理子模块，用于人体三维模型和场景模型的合成；

预设场景子模块，用于存储预设的场景模型，为所述场景处理子模块提供所述场景信息；

图像处理子模块，用于根据所述场景处理子模块提供的数据形成输出图像。

进一步地，所述预设场景子模块中的场景包括交通工具场景。

进一步地，所述数据处理模块包括运动评估子模块，用于将患者姿态信息与预设指标比较，并得出评价结果。

进一步地，还包括人机交互接口，用于外部操作所述康复训练装置。

进一步地，所述人机交互接口连接移动终端，通过所述移动终端进行对所述康复训练装置的操作。

进一步地，所述运动数据接口和/或所述机器人交互接口采用无线通信协议。

本发明的基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置具有良好的通用性，可以任意结合现有的下肢康复机器人、运动捕捉设备和显示设备，从而构成一套虚拟现实康复训练系统，相对于目前国外的产品，大大降低了整套系统的成本。此外从系统功能来看，本发明的装置和系统通过模拟公交、地铁等更贴近实际的场景，向患者提供更有针对性的训练体验；通过捕捉和绑定患者的躯干和肢体形态，向患者提供直接的体位反馈，从视觉角度增强本体感知，提高康复训练的效果；通过标准化对比与评估，向患者和医师提供客观的训练结果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统的装置示意图；

图2是本发明的一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统的系统框图；

图3是图1中系统的一种训练方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

图1示出了本实施例的基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统，其中包括下肢康复机器人1、下肢康复训练装置2、显示器3以及运动捕捉设备4、5。下肢康复机器人1包括骨盆机构10和跑台11，骨盆机构10结合下肢康复机器人1上的相应传感装置可获得患者的姿态信息，包括骨盆姿态、前后交互力等。本实施例中的运动捕捉设备4、5采用微软公司的Kinect产品。

如图2所示，下肢康复训练装置2包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口和人机交互接口；运动数据接口用于连接运动捕捉设备4、5并与其进行数据交互；机器人交互接口用于连接下肢康复机器人1并与其进行数据交互；显示输出端口用于连接显示器3，以输出图像信号；数据处理模块根据运动捕捉设备4、5和下肢康复机器人1采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号，并且还可向康复机器人1提供驱动指令；人机交互接口用于治疗师或使用者指令整套系统的相关操作。

下肢康复训练装置2具体包括：

人体模型子模块，用于人体三维模型的建立；

场景处理子模块，用于将人体三维模型结合到具体场景中；

预设场景子模块，用于存储预设的场景信息，为场景处理子模块提供场景信息；

图像处理子模块，用于根据场景处理子模块提供的数据形成输出图像；

运动评估子模块，用于将患者姿态信息与预设指标比较，并得出评价结果。

图3示出了图2中系统的数据处理流程，运动捕捉设备4、5捕捉人体躯干及肢体运动姿态传送给下肢康复训练装置2；下肢康复机器人1将其运行时的各项参数以及患者的姿态信息(骨盆姿态、前后交互力)传送给下肢康复训练装置2；下肢康复训练装置2接收上述信息，并且在人体模型子模块中进行人体三维模型构建(包括静态和动态)，在场景处理子模块中进行人体结合场景的构建，并建立后的相关数据传送给图像处理子模块形成输出图像，并由显示输出端口传送给显示器3进行显示。

当人体模型子模块中已经有预设的人体三维模型，或在对使用者的静态模型构建完成后(真人高还原度模型)后，人体模型子模块的主要工作在于根据患者姿态信息，形成驱动三维模型的运动信号，形成动态效果。

场景处理子模块中的场景构建，包括场景主题、场景视角变化信息、场景速度变化信息，其中场景主题由预设场景子模块提供，优选采用交通工具场景，如公交车、地铁、轮船、飞机等一些会产生空间位置、速度变化的场景。

运动评估子模块将评估结果同样输出到图像处理子模块，由其处理并最后将相关的评价结果显示在显示器3上。

结合场景处理子模块的处理结果，下肢康复训练装置2向下肢康复机器人1传送对于跑台11的控制指令，具体可以包括启、停、加速、减速等，从而不但从视觉上模拟了真实场景，同时给患者实时模拟了交通工具的运动状态，并且也起到对患者的足底施加前后的干扰的作用。

在整个使用过程中，治疗师可以通过人机交互接口来介入患者的康复治疗，如对于场景的选择、真实环境难度的选择、对于下肢康复机器人1的驱动等等。人机交互接口可以采用触摸屏的方式，优选地，采用移动终端(如手机、平板等)连接下肢康复训练装置2进行相关操作，既拓展了通用性，同时也降低了成本。

下肢康复训练装置2与下肢康复机器人1和运动捕捉设备4、5的连接可以采用有线方式，优选采用无线连接方式，如Wifi、蓝牙、Zigbee等无线协议。

图3示出了本实施例中系统的一种训练方法的流程图。

本实施例的基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统，系统搭建的成本相对于现有产品大大降低，其中的下肢康复训练装置具有良好的通用性，可以任意结合现有的下肢康复机器人、运动捕捉设备和显示设备，从而以较低的成本构成一套虚拟现实康复训练系统。此外，本系统通过模拟公交、地铁等更贴近实际的场景，向患者提供更有针对性的训练体验；通过捕捉和绑定患者的躯干和肢体形态，向患者提供直接的体位反馈，从视觉角度增强本体感知，提高康复训练的效果；通过标准化对比与评估，向患者和医师提供客观的训练结果。训练方法既可以满足以回归家庭和社会的康复训练目标，又能对患者的抗干扰能力进行评估。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练装置，其特征在于，包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口；所述运动数据接口用于连接运动捕捉设备并与其进行数据交互；所述机器人交互接口用于连接下肢康复机器人并与其进行数据交互；所述显示输出端口用于连接显示装置，以输出图像信号；所述数据处理模块根据所述运动捕捉设备和所述下肢康复机器人采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号和/或向所述康复机器人提供驱动指令。

2.如权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

人体模型子模块，用于人体三维模型的建立；

场景处理子模块，用于人体三维模型和场景模型的合成；

预设场景子模块，用于存储预设的场景模型，为所述场景处理子模块提供所述场景信息；

图像处理子模块，用于根据所述场景处理子模块提供的数据形成输出图像。

3.如权利要求2所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述预设场景子模块中的场景包括交通工具场景。

4.如权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述数据处理模块包括运动评估子模块，用于将患者姿态信息与预设指标比较，并得出评价结果。

5.如权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，还包括人机交互接口，用于外部操作所述康复训练装置。

6.如权利要求5所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述人机交互接口连接移动终端，通过所述移动终端进行对所述康复训练装置的操作。

7.如权利要求1所述的下肢康复训练装置，其特征在于，所述运动数据接口和/或所述机器人交互接口采用无线通信协议。

8.一种基于虚拟现实技术的下肢康复训练系统，其特征在于，包括下肢康复训练装置、下肢康复机器人、运动捕捉设备和显示装置；所述下肢康复训练装置包括数据处理模块、运动数据接口、机器人交互接口、显示输出端口；所述运动数据接口用于连接所述运动捕捉设备并与其进行数据交互；所述机器人交互接口用于连接所述下肢康复机器人并与其进行数据交互；所述显示输出端口用于连接所述显示装置，以输出图像信号；所述数据处理模块根据所述运动捕捉设备和所述下肢康复机器人采集到的患者姿态信息，输出相应的虚拟现实图像信号和/或向所述下肢康复机器人提供驱动指令。

9.如权利要求8所述的下肢康复训练系统，其特征在于，所述患者姿态信息包括骨盆姿态、前后交互力。

10.如权利要求8所述的下肢康复训练系统，其特征在于，所述下肢康复机器人包括跑台，所述康复训练装置提供给所述下肢康复机器人的指令包括对所述跑台启、停、加速、减速的控制。