本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及人機交互技術(shù)，更具體地說，涉及一種基于虛擬現(xiàn)實力反饋的腦損傷手腕動作智能康復(fù)訓(xùn)練裝置。

背景技術(shù)：

因腦損造成的各式上肢運動障礙，包括肩、臂、肘、腕、掌、指等不同動作功能，必須針對各個的動作實施不同的康復(fù)任務(wù)訓(xùn)練，達到康復(fù)的目的。對于手腕動作功能，包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后，傳統(tǒng)臨床康復(fù)通常僅要求病患重復(fù)進行上述動作，一方面枯燥單調(diào)，另一方面缺乏量化的標準，同時也缺乏力反饋。

隨著科技的進步，各式的人機交互技術(shù)結(jié)合虛擬現(xiàn)實，逐漸地被應(yīng)用于手腕動作功能的訓(xùn)練，這些人機交互技術(shù)包括數(shù)據(jù)手套以及機器手臂等，但是這些技術(shù)在實用上，都存在著不同的問題與缺點。(1)數(shù)據(jù)手套：雖然通過傳感器可以量化動作，但是缺乏力反饋，同時，手套無法適合各式大小形狀的手型，一旦手套大小與手型不一致，將產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集的偏差，因此不易實用于臨床。(2)機器手臂：雖然可以提供力反饋，但是通常過于昂貴且笨重，也不易普遍使用于臨床，而且未能將上述所有手腕動作功能集成于單一設(shè)備。

雕刻機為可編程的力反饋設(shè)備，例如：novintfalcon，具有三個自由度的力量輸出，可以進行精細的觸覺模型的模擬，已經(jīng)大量地應(yīng)用于3d模型的雕刻制作，同時也應(yīng)用于數(shù)字游戲，雖然也逐漸被應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，但是由于只能對于單點進行力量輸出，加上端點的機構(gòu)設(shè)計，只能以手掌握住進行手臂功能康復(fù)訓(xùn)練，無法適應(yīng)于各式手腕功能的動作姿態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種腦損傷手腕動作智能康復(fù)訓(xùn)練裝置，能同時覆蓋手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等手腕動作功能，也能根據(jù)臨床評定的功能高低提供不同的智能力反饋模式。

本發(fā)明技術(shù)方案如下所述：

腦損傷手腕動作智能康復(fù)訓(xùn)練裝置，其特征在于，包括機電單元、計算單元以及顯示單元，

所述機電單元捕捉手腕的動作并將動作輸入所述計算單元進行運算，運算的圖像結(jié)果輸出至所述顯示單元，運算的力量結(jié)果輸出至所述機電單元以產(chǎn)生力反饋，完成一個周期；

所述計算單元運算的步驟包括：

(a)動作感知與計算，包括旋轉(zhuǎn)量、偏移量的計算；

(b)進行3d圖像的運算以及渲染；

(c)根據(jù)智能力反饋模式運算反饋力的大小與方向。

進一步的，每秒完成的周期數(shù)量為60-100次。

進一步的，所述機電單元包括手腕動作人機介面和兩臺雕刻機，兩臺所述雕刻機以并聯(lián)的方式連接所述手腕動作人機介面；

所述手腕動作人機介面包括手柄、連桿、連臂、卡座軸以及觸指座，所述觸指座內(nèi)嵌入有觸發(fā)雕刻機運作的電路，所述卡座軸的一端為與所述雕刻機相容的接頭，其另一端和所述連臂通過第一單自由度旋轉(zhuǎn)接頭連接，所述連臂和連桿之間通過第二單自由度旋轉(zhuǎn)接頭連接，并且所述手柄和所述連桿可拆卸連接。

更進一步的，所述手柄和所述連桿以螺旋接口連接。

更進一步的，所述雕刻機為novintfalcon雕刻機。

進一步的，所述顯示單元為虛擬現(xiàn)實功能性任務(wù)，其包括視覺反饋設(shè)計單元、任務(wù)模式設(shè)計單元、難易度設(shè)計單元以及運動動力輸出分析單元，所述虛擬現(xiàn)實功能性任務(wù)為通過不同的手腕動作控制虛擬環(huán)境中的物體，并使其順利穿越一個接一個的長方形框架，

所述視覺反饋設(shè)計單元通過虛擬環(huán)境中可視化物體的姿態(tài)與位置，提供視覺反饋，讓使用者得以感知動作的姿態(tài)與位置，

所述任務(wù)模式設(shè)計單元通過不同的模式適應(yīng)于手腕屈伸、尺撓側(cè)偏移、前臂旋前旋后等不同手腕運動模式，

所述難易度設(shè)計單元通過虛擬環(huán)境中物體的速度以及長方形框架的大小、位置、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，提供不同的任務(wù)難易度，

所述運動動力輸出分析單元通過使用者任務(wù)過程記錄關(guān)于動作的位置、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)以及反饋力，計算分析運動與動力指標。

更進一步的，所述任務(wù)模式設(shè)計單元包括第一任務(wù)模式、第二任務(wù)模式以及第三任務(wù)模式，

所述第一任務(wù)模式為以手腕屈伸動作控制物體上下位置以穿越長方形框架，所述第二任務(wù)模式為以手腕尺側(cè)或撓側(cè)偏移動作控制物體左右位置以穿越長方形框架，所述第三任務(wù)模式為以前臂旋前或旋后動作控制物體旋轉(zhuǎn)姿態(tài)以穿越長方形框架。

更進一步的，所述計算單元包括動作感知計算和智能力反饋模式設(shè)計，所述動作感知計算通過兩臺雕刻機端點的空間位置，計算手腕的旋轉(zhuǎn)角度、水平偏移量以及垂直偏移量，所述智能力反饋模式設(shè)計包括包括助動模式、主動模式、阻動模式三種力反饋模式，

根據(jù)所述力反饋模式?jīng)Q定反饋力的方向，同時，依據(jù)手部動作與目標動作之間的差距決定反饋力的大小，在助動模式下，差距愈大反饋力愈大，反饋力方向為朝向目標動作方向；在主動模式下，沒有反饋力；在阻動模式下，差距愈小反饋力愈大，反饋力方向為朝向目標動作的反方向，具體的，

定義反饋力為f，手部動作與目標動作之間的差距為d，k為反饋力f和差距d的關(guān)系系數(shù)，fmax為最大限定輸出力量，反饋力f＝0時的差距d為s，框架的高度為l、寬度為r，

根據(jù)三種不同的任務(wù)模式，三種智能力反饋模式分別如下：

(a)助動模式：三種任務(wù)模式均為f＝kd；

(b)主動模式：三種任務(wù)模式均為f＝0；

(c)阻動模式：

手腕屈伸和尺、撓側(cè)偏移：d＞0＝＞f＝(-fmax/s)*d+fmax

d＜0＝＞f＝(-fmax/s)*d-fmax

前臂旋前、旋后：d＞0＝＞f＝(-fmax/180)*d+fmax

d＜0＝＞f＝(-fmax/180)*d-fmax。

更進一步的，手部動作與目標動作之間的差距包括距離差距或角度差距。

更進一步的，不同任務(wù)模式下，三種智能力反饋模式的最佳模型為：

(a)助動模式：k＝0.675；

(b)主動模式：k＝0；

(c)阻動模式：

手腕屈伸：s＝1.5l，fmax＝18nt

手腕尺、撓側(cè)偏移：s＝1.25r，fmax＝18nt

前臂旋前、旋后：fmax＝18nt。

根據(jù)上述方案的本發(fā)明，其有益效果在于：

本發(fā)明可以同時感知使用者不同的手腕動作，包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等。

本發(fā)明設(shè)計的虛擬現(xiàn)實手腕動作功能性任務(wù)，可以適應(yīng)于不同的康復(fù)目標與需求，通過完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)，誘發(fā)不同的手腕動作功能，包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等。

本發(fā)明的多種智能力反饋模式，對于不具自主活動能力的病患，可以引導(dǎo)病患完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)；對于自主活動能力的病患，可以提供阻抗力以提高完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)的難度，并借此增進肌耐力。

本發(fā)明實現(xiàn)了手腕動作、力反饋和視覺反饋的實時交互。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；

圖2為本發(fā)明中手腕動作人機介面的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中手腕動作人機介面運作模式的示意圖；

圖4為本發(fā)明的虛擬現(xiàn)實任務(wù)模式示意圖；

圖5為本發(fā)明的運動感知計算示意圖；

圖6為本發(fā)明的手腕屈伸任務(wù)的智能力反饋模式示意圖；

圖7為本發(fā)明的手腕尺側(cè)或撓側(cè)偏移任務(wù)的智能力反饋模式示意圖；

圖8為本發(fā)明的前臂旋前或旋后任務(wù)任務(wù)的智能力反饋模式示意圖。

在圖中，10、手腕動作人機介面；11、手柄；12、連桿；13、連臂；14、卡座軸；15、觸指座；16、第一單自由度旋轉(zhuǎn)接頭；17、第二單自由度旋轉(zhuǎn)接頭；20、雙雕刻機；21、第一雕刻機端點；22、第二雕刻機端點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及實施方式對本發(fā)明進行進一步的描述：

如圖1所示，腦損傷手腕動作智能康復(fù)訓(xùn)練裝置，包括機電單元、計算單元以及顯示單元，機電單元包括雙雕刻機20以及手腕動作人機介面10，計算單元以電腦來實現(xiàn)，顯示單元則通過虛擬現(xiàn)實功能性任務(wù)軟件的運行結(jié)果將圖像顯示于顯示器，虛擬現(xiàn)實功能性任務(wù)包括視覺反饋設(shè)計、任務(wù)模式設(shè)計、難易度設(shè)計以及運動動力數(shù)據(jù)分析。

在本實施例中，通過機電單元捕捉手腕的動作(手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后)，將動作數(shù)據(jù)輸入計算單元并進行運算，運算流程首先同步來自兩臺雕刻機的動作數(shù)據(jù)，然后進行動作感知計算，接著進行3d圖像的運算以及渲染，最后根據(jù)智能力反饋模型運算力反饋的大小，運算的圖像結(jié)果輸出至顯示單元，運算的力量結(jié)果輸出至機電單元以產(chǎn)生力反饋，以上過程周而復(fù)始的運作(每秒約60-100次)達到實時交互。

如圖2所示，機電單元包括手腕動作人機介面10和兩臺novintfalcon雕刻機，兩臺雕刻機以并聯(lián)的方式連接人機介面，人機介面包括手柄11、連桿12、連臂13、卡座軸14、觸指座15，觸指座15嵌入可以觸發(fā)雕刻機運作的電路，卡座軸14的一端為與雕刻機相容的接頭，另一端和連臂13以第一單自由度旋轉(zhuǎn)接頭16連接，連臂13和連桿12以第二單自由度旋轉(zhuǎn)接頭17連接，手柄11和連桿12以螺旋接口連接，手柄11和連桿12依動作需要可以便利拆卸，使用者得以通過單一一種人機介面進行多種手腕動作，包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等。

如圖3所示，為了誘發(fā)手腕動作的不同功能(包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等)，人機介面具有兩種工作模式，一種是具有一垂直向上的握把(手柄11)，可以支持前臂旋前、旋后等動作功能；另一種是僅具有一橫桿(連桿12)，可以支持腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移等動作功能，兩種模式通過可拆卸的手柄11可以輕易地進行切換。

如圖4所示，在顯示單元的部分，以游戲開發(fā)軟件unity3d開發(fā)了虛擬現(xiàn)實手腕動作任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容與目標為通過不同的手腕動作控制虛擬環(huán)境中的一臺飛機，以順利穿越一個接一個的長方形框架。虛擬現(xiàn)實功能性任務(wù)包括視覺反饋設(shè)計、任務(wù)模式設(shè)計、難易度設(shè)計、運動動力輸出分析。通過虛擬環(huán)境中可視化飛機的姿態(tài)與位置，提供視覺反饋，讓使用者得以感知動作的姿態(tài)與位置；為了適應(yīng)不同的手腕運動模式，設(shè)計了三種任務(wù)模式，模式1為以手腕屈伸動作控制飛機上下位置以穿越長方形框架，模式2為以手腕尺側(cè)或撓側(cè)偏移動作控制飛機左右位置以穿越長方形框架，模式3為以前臂旋前或旋后動作控制飛機旋轉(zhuǎn)姿態(tài)以穿越長方形框架；同時，為了適應(yīng)不同功能高低的臨床需求，也設(shè)計了一系列物理參數(shù)以調(diào)控任務(wù)的難度，包括飛機的速度、長方形框架的大小、位置、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，提供不同的任務(wù)難易度；通過使用者任務(wù)過程記錄關(guān)于動作的位置、旋轉(zhuǎn)姿態(tài)以及反饋力，計算分析運動與動力指標。

如圖5所示，在計算單元部分，包括動作感知計算和智能力反饋模式設(shè)計。動作感知計算通過第一雕刻機端點21和第二雕刻機端點22的空間位置，計算手腕的旋轉(zhuǎn)角度、水平偏移量和垂直偏移量。智能力反饋模式設(shè)計，包括助動、主動、阻動三種力反饋模式，助動模式通過力量的牽引，帶動使用者達到目標動作，完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)；阻動模式通過反向力量的阻抗，誘發(fā)使用者以較強的肌耐力，完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)；主動模式則不施加任何力量，使用者以自主的動作與力量完成虛擬現(xiàn)實任務(wù)。以下針對虛擬現(xiàn)實任務(wù)的三種任務(wù)模式，分別就智能力反饋模型的三種模式進行說明：

1、如圖6所示，手腕屈伸任務(wù)：

本任務(wù)通過手腕的屈伸控制飛機的上下，手腕的屈或伸分別帶動雙雕刻機20的下或上，反之，雙雕刻機20的下或上也分別帶動手腕的屈或伸，為了進一步描述智能反饋模型，定義飛機中心點與長方形框架中心點的距離為d，框架的高度為l。

(1)助動模式：反饋力的大小隨著d的增加而增加，反饋力的大小與d的關(guān)系由系數(shù)k控制，反饋力的方向則是一直朝向長方形框架的中心點，本模式采用k＝0.675以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(2)阻動模式：反饋力的大小隨著d的增加而減小，反饋力的方向則是朝向長方形框架中心點的反方向，即：

d＞0＝＞f＝(-fmax/s)*d+fmax

d＜0＝＞f＝(-fmax/s)*d-fmax

同時也定義了邊界條件：d＝0時的最大反饋力fmax，以及f＝0時的d為s。本模式采用fmax＝18nt以及s＝1.5l以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(3)主動模式：不施加任何的力反饋。

2、如圖7所示，手腕尺側(cè)或撓側(cè)偏移任務(wù)：

本任務(wù)通過手腕的尺側(cè)或撓側(cè)偏移控制飛機的左右，手腕的尺側(cè)偏移或撓側(cè)偏移分別帶動雙雕刻機的左或右，反之，雙雕刻機的左或右也分別帶動手腕的尺側(cè)偏移或撓側(cè)偏移，為了進一步描述智能反饋模型，定義飛機中心點與長方形框架中心點的距離為d，框架的寬度為r。

(1)助動模式：反饋力的大小隨著d的增加而增加，反饋力的大小與d的關(guān)系由系數(shù)k控制，反饋力的方向則是一直朝向長方形框架的中心點，本模式采用k＝0.675以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(2)阻動模式：反饋力的大小隨著d的增加而減小，反饋力的方向則是朝向長方形框架中心點的反方向，即：

d＞0＝＞f＝(-fmax/s)*d+fmax

d＜0＝＞f＝(-fmax/s)*d-fmax

同時也定義了邊界條件：d＝0時的最大反饋力fmax，以及f＝0時的d為s。本模式采用fmax＝18nt以及s＝1.25r以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(3)主動模式：不施加任何的力反饋。

3、如圖8所示，前臂旋前或旋后任務(wù)：

本任務(wù)通過前臂的旋前或旋后控制飛機的旋轉(zhuǎn)，為了進一步描述智能反饋模型，定義飛機姿態(tài)與長方形框架姿態(tài)的夾角為θ。

(1)助動模式：反饋力的大小隨著θ的增加而增加，反饋力的大小與θ的關(guān)系由系數(shù)k控制，反饋力的方向則是一直朝向減少θ的旋轉(zhuǎn)方向，本模式采用k＝0.675以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(2)阻動模式：反饋力的大小隨著θ的增加而減小，反饋力的方向則是朝向增加θ的旋轉(zhuǎn)方向，即：

θ＞0＝＞f＝(-fmax/180)*θ+fmax

θ＜0＝＞f＝(-fmax/180)*θ-fmax

同時也定義了邊界條件：θ＝0時的最大反饋力fmax，以及f＝0時的θ為180度以及-180度。本模式采用fmax＝18nt以達到最佳的反饋力設(shè)計。

(3)主動模式：不施加任何的力反饋。

本發(fā)明運用雙雕刻機novintfalcon可以實現(xiàn)以下功能：

(1)人機介面連接雙雕刻機和手，提供手腕動作的物理條件，以覆蓋包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等手腕動作功能。

(2)虛擬現(xiàn)實手腕動作功能性任務(wù)，根據(jù)康復(fù)的目標與需求，誘發(fā)不同的手腕動作功能，包括手腕屈伸、尺側(cè)偏移、撓側(cè)偏移、前臂旋前、前臂旋后等。

(3)三種智能力反饋模式，包括引導(dǎo)模式、阻抗模式和中性模式，以面向不同高低程度的手腕動作功能的臨床需求。

(4)視覺反饋的機制，依據(jù)手腕的動作提供實時的視覺反饋。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進行了示例性的描述，顯然本發(fā)明專利的實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明專利的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進行的各種改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明專利的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。