專利名稱：基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手部多功能康復(fù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體上肢功能康復(fù)設(shè)備，具體是指一種手部多功能的康復(fù)系統(tǒng)。該系 統(tǒng)可輔助患者進(jìn)行手部握力、捏力、腕關(guān)節(jié)靈活性、單個(gè)手指靈活性及手指協(xié)調(diào)性等的康復(fù)訓(xùn)練。
背景技術(shù)：
人手作為人體最重要的功能器官之一，其縱橫交錯(cuò)的神經(jīng)血管、遍布全手的小肌 肉導(dǎo)致手部外傷的治療要求高、難度大、康復(fù)期長。同時(shí)人手也是極其容易損傷的器官之 一，手外傷可導(dǎo)致手部肌肉萎縮、關(guān)節(jié)僵硬等癥狀，嚴(yán)重影響正常的生活和工作。有研究指 出一定的輔助康復(fù)訓(xùn)練將有助于手外傷后手功能的康復(fù)。隨著近年來一些傷病事故和中風(fēng) 患者的增多，采用人工的康復(fù)訓(xùn)練效果不夠理想、康復(fù)時(shí)間長、成本較高，越來越成為社會(huì) 和家庭的負(fù)擔(dān)。
針對(duì)以上問題，很多科研院校、公司和個(gè)人都努力嘗試設(shè)計(jì)出一種能夠替代人工 的手部功能康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，并取得了一定的成果。英國曼切斯特大學(xué)科研人員設(shè)計(jì)的一種 外骨骼式康復(fù)系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)四個(gè)手指的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)結(jié)構(gòu)有三部分 組成外骨架模塊、手套模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；哈爾濱工程大學(xué)研制的一種新型康復(fù)機(jī)械 手，采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，集成角度傳感器和伺服電機(jī)等實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)。但是，目前這些設(shè)備具 有以下主要缺點(diǎn)未結(jié)合虛擬環(huán)境或所結(jié)合的虛擬環(huán)境沉浸感不足，一定程度上影響了康 復(fù)療效；未提供準(zhǔn)確的康復(fù)評(píng)價(jià)機(jī)制。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手部多功能康復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含 搖桿裝置、帶有力傳感器的握力圈裝置，虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，能夠完成針對(duì)患手握力、捏力、腕關(guān) 節(jié)靈活性、單個(gè)手指靈活性及手指協(xié)調(diào)性等的康復(fù)訓(xùn)練。此系統(tǒng)針對(duì)手外傷群體的興趣進(jìn) 行了問卷調(diào)查，并以此作為設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)的依據(jù)，同時(shí)利用沉浸感的相關(guān)理論提高虛擬現(xiàn) 實(shí)的沉浸感，在康復(fù)過程中，還將對(duì)患手的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線檢測(cè)和存儲(chǔ)，以用于虛擬現(xiàn) 實(shí)的實(shí)時(shí)響應(yīng)和后期定量的康復(fù)評(píng)價(jià)，從而解決了現(xiàn)存設(shè)備虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感不足、未結(jié)合 準(zhǔn)確的康復(fù)評(píng)價(jià)機(jī)制等問題。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案為
本發(fā)明基本包含三個(gè)部分搖桿裝置、握力圈裝置和虛擬現(xiàn)實(shí)模塊。所述搖桿裝置 與所述握力圈連接，患手放置在握力圈凹槽中，產(chǎn)生握力或捏力并帶動(dòng)搖桿偏轉(zhuǎn)，力傳感器 實(shí)時(shí)讀取的患手握力或捏力，以及搖桿偏轉(zhuǎn)角度的大小和速度，傳送給所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊， 以操縱模塊中的游戲角色進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)該虛擬現(xiàn)實(shí)模塊存儲(chǔ)康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以用于 訓(xùn)練后的康復(fù)評(píng)價(jià)。
所述搖桿裝置包括搖桿和底座，該搖桿固定在底座上，可在兩維空間內(nèi)偏轉(zhuǎn)，其偏 轉(zhuǎn)角度和速度用來控制虛擬現(xiàn)實(shí)模塊中的游戲角色的位置和速度，以達(dá)到利用搖桿實(shí)時(shí)控制虛擬角色的目的，從而增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感。此外，搖桿的偏轉(zhuǎn)角度和速度也反映了患 手腕關(guān)節(jié)的靈活性，故亦可用于后期的康復(fù)評(píng)價(jià)?；际滞ㄟ^握取、捏取并移動(dòng)握力圈使搖桿 偏轉(zhuǎn)，從而使搖桿完成上述功能。
所述的帶有力傳感器的握力圈裝置是一個(gè)帶有凹槽結(jié)構(gòu)的圓環(huán)裝置，患手可通過 握取、捏取握力圈以完成對(duì)患手握力、捏力的康復(fù)訓(xùn)練。握力圈上的力傳感器為貼片式力傳 感器，其貼在握力圈上的凹槽上，用于實(shí)時(shí)感應(yīng)和讀取患手的握力或捏力，用于后期的康復(fù) 評(píng)價(jià)和控制虛擬現(xiàn)實(shí)中的游戲角色。
所述的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊包括虛擬游戲單元和存儲(chǔ)單元，所述虛擬游戲單元提供虛擬 游戲，利用患手產(chǎn)生的握力或捏力以及患手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)搖桿裝置產(chǎn)生的角度和速度，相 應(yīng)地控制游戲中的角色進(jìn)行游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)患手的握力、捏力、單個(gè)手指靈活性、多手指協(xié)調(diào) 性以及腕關(guān)節(jié)靈活性等的康復(fù)訓(xùn)練。所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)訓(xùn)練中產(chǎn)生的握力以及角度和速度 等數(shù)據(jù)，以用于后期的康復(fù)訓(xùn)練評(píng)價(jià)。
虛擬游戲包括射擊游戲、賽車游戲、手勢(shì)變換游戲，分別用來對(duì)患手進(jìn)行握力、捏 力、單個(gè)手指靈活性、多手指協(xié)調(diào)性以及腕關(guān)節(jié)靈活性等的康復(fù)訓(xùn)練。三個(gè)虛擬環(huán)境均是通 過問卷調(diào)查的方式，根據(jù)患者群體的興趣進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)患者的興趣設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境，保證了虛擬環(huán)境的沉浸感， 并在具體康復(fù)訓(xùn)練過程中根據(jù)患者的人體指標(biāo)不斷優(yōu)化虛擬環(huán)境的沉浸感，以提高康復(fù)效 果，縮短康復(fù)時(shí)間。整個(gè)訓(xùn)練過程均是針對(duì)患手的主動(dòng)訓(xùn)練，很大程度上保證了康復(fù)過程的 安全性。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)巧妙，成本不高，有利于推廣使用。
另外，該發(fā)明從患手握力、捏力、手指靈活性等方面進(jìn)行準(zhǔn)確的康復(fù)評(píng)價(jià)，并結(jié)合 問卷調(diào)查、人體指標(biāo)分析等定性和定量的方法對(duì)虛擬環(huán)境沉浸感模型的建立進(jìn)行探討，以 用于虛擬現(xiàn)實(shí)的不斷優(yōu)化和該發(fā)明裝置的未來改進(jìn)。
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的以上缺陷公開了一種手部功能康復(fù)系統(tǒng)。它在降低設(shè)備成 本的同時(shí)，使用問卷調(diào)查、分析人體相關(guān)指標(biāo)等方案提高所結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感，并提供 了準(zhǔn)確的康復(fù)評(píng)價(jià)機(jī)制?？赏瓿蓪?duì)手部握力、捏力、單個(gè)手指靈活性、多手指協(xié)調(diào)性以及腕 關(guān)節(jié)靈活性等的康復(fù)訓(xùn)練，另外，本發(fā)明設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變被動(dòng)訓(xùn)練為主動(dòng)訓(xùn)練，基本 上杜絕了康復(fù)過程中的不安全因素。
本發(fā)明提供的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手部功能康復(fù)系統(tǒng)的特征在于康復(fù)訓(xùn)練為主動(dòng)訓(xùn) 練，且成本較低、操作簡(jiǎn)單，不需要醫(yī)師的長期監(jiān)護(hù)，可在家庭中自主使用，大大增大了其可 應(yīng)用范圍。
本發(fā)明是一種可廣泛應(yīng)用于臨床和家庭中的手部功能康復(fù)系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的手外傷多功能康復(fù)系統(tǒng)示意圖2為患手握力及腕關(guān)節(jié)可活動(dòng)范圍康復(fù)訓(xùn)練示意圖3為患手捏力及腕關(guān)節(jié)可活動(dòng)速度康復(fù)訓(xùn)練示意圖4為患手單個(gè)手指靈活性及各手指之間協(xié)調(diào)能力康復(fù)訓(xùn)練示意圖中1為握力圈，2為力傳感器，3為搖桿，4為底座。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖1-4所示，本發(fā)明的手部多功能康復(fù)系統(tǒng)由搖桿裝置、帶有力傳感器的握力 圈裝置、虛擬現(xiàn)實(shí)模塊組成。
搖桿裝置包括底座4和其上面的搖桿3，底座4用來固定整個(gè)裝置，搖桿3的角度 偏移范圍和速度反應(yīng)了患手腕關(guān)節(jié)的靈活性，可控制虛擬游戲中的特定角色的某些屬性， 同時(shí)，此角度偏移范圍和移動(dòng)速度也會(huì)被存儲(chǔ)以用于后期的康復(fù)評(píng)價(jià)。
帶有力傳感器的握力圈裝置包括含有凹槽結(jié)構(gòu)的握力圈1和貼片式壓力傳感器 2，其中握力圈1和搖桿3連接，在患手握取、捏取并移動(dòng)握力圈1的時(shí)候，搖桿3也將隨之 偏轉(zhuǎn)，從而使搖桿裝置完成其功能。握力圈1上面貼有若干個(gè)力傳感器2，可讀取患手握力、 捏力和各個(gè)手指所施加的力。此裝置將完成提高患手握力、捏力、改善腕關(guān)節(jié)靈活性、單個(gè) 手指靈活性及手指的協(xié)調(diào)能力的功能。
所述的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊包括虛擬游戲單元和存儲(chǔ)單元，所述虛擬游戲單元提供虛擬 游戲，利用患手產(chǎn)生的握力或捏力以及患手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)搖桿裝置產(chǎn)生的角度和速度，相 應(yīng)地控制游戲中的角色進(jìn)行游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)患手的握力、捏力、單個(gè)手指靈活性、多手指協(xié)調(diào) 性以及腕關(guān)節(jié)靈活性等的康復(fù)訓(xùn)練。所述存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)訓(xùn)練中產(chǎn)生的握力以及角度和速度 等數(shù)據(jù)，以用于后期的康復(fù)訓(xùn)練評(píng)價(jià)。
虛擬游戲包括射擊游戲、賽車游戲、手勢(shì)變換游戲，分別用來對(duì)患手進(jìn)行握力、捏 力、單個(gè)手指靈活性、多手指協(xié)調(diào)性以及腕關(guān)節(jié)靈活性等的康復(fù)訓(xùn)練。三個(gè)虛擬環(huán)境均是通 過問卷調(diào)查的方式，根據(jù)患者群體的興趣進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。
本發(fā)明針對(duì)手外傷群體，對(duì)隨機(jī)抽取的52人做了問卷調(diào)查，得出此群體最喜歡的 幾種虛擬游戲，進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。每種虛擬游戲均可完成以下所述的一種或多種的康復(fù)訓(xùn) 練功能提高患手的握力和捏力、增大患手腕關(guān)節(jié)的靈活性、改善單個(gè)手指的靈活性以及各 手指之間的協(xié)調(diào)功能等。以下將詳細(xì)介紹各虛擬游戲。
虛擬游戲包括射擊游戲，可完成改善患手腕關(guān)節(jié)的靈活性、提高患手的握力、捏力 等康復(fù)訓(xùn)練。此虛擬游戲中，搖桿3的偏移角度和速度用來控制坦克的瞄準(zhǔn)點(diǎn)及其改變速 度；力傳感器2所讀取患手的握力或捏力大小若大于一定閾值，坦克發(fā)射炮彈?；颊咝枰?實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)搖桿的偏轉(zhuǎn)方向和速度以及握力、捏力大小以便盡可能使坦克擊中游戲中其他角 色。此虛擬游戲中不斷移動(dòng)或固定的其他角色(直升機(jī)、機(jī)器人等)被擊中的次數(shù)和游戲 運(yùn)行的時(shí)間將決定游戲的升級(jí)和完成。患者也可根據(jù)自己對(duì)游戲熟悉水平和康復(fù)程度人為 地設(shè)置上述閾值大小、游戲級(jí)別和其他角色的移動(dòng)速度和出現(xiàn)頻率等。
虛擬游戲還包括賽車游戲，此虛擬游戲也能完成改善患手腕關(guān)節(jié)的靈活性、提高 患手的握力和捏力等康復(fù)訓(xùn)練。此虛擬游戲中，搖桿3的偏移角度和速度用來控制游戲中 跑車轉(zhuǎn)彎的方向和速度；力傳感器2所讀取患手的握力或捏力大小用來控制跑車的前進(jìn)速 度?；颊咝枰鶕?jù)地形和道路的曲折變化實(shí)時(shí)調(diào)整跑車的前進(jìn)速度和方向，以用最短的時(shí) 間完成一條跑道的行駛。
虛擬游戲還包括手勢(shì)變換游戲，此虛擬游戲完成改善單個(gè)手指靈活性以及各手指 之間協(xié)調(diào)能力的康復(fù)訓(xùn)練。此游戲?qū)⒏鶕?jù)握力圈1上粘貼的4個(gè)力傳感器所讀取的力覺信 息大小作為區(qū)分手勢(shì)變換和單個(gè)手指是否運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。本游戲可完成對(duì)食指、中指、無名指單獨(dú)運(yùn)動(dòng)能力恢復(fù)及患手完成“剪刀、石頭、布”等手勢(shì)變換的康復(fù)訓(xùn)練。患者需實(shí)時(shí)地根 據(jù)虛擬環(huán)境中虛擬手的各手指活動(dòng)及手勢(shì)變換不斷地調(diào)整患手單個(gè)手指或手勢(shì)以完成此 階段的康復(fù)訓(xùn)練。
此外，上述虛擬環(huán)境均會(huì)通過實(shí)時(shí)記錄力傳感器2的大小變化與平均值和搖桿3 的偏轉(zhuǎn)角度與速度等來反映患手的各種康復(fù)信息，如患手握力、捏力、腕關(guān)節(jié)可活動(dòng)范圍和 速度、一次康復(fù)訓(xùn)練所用時(shí)間和虛擬游戲完成程度等進(jìn)行后期的康復(fù)評(píng)價(jià)。
本發(fā)明的使用首先，醫(yī)師對(duì)患者的手進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，引導(dǎo)患者采用正確的姿勢(shì)握 取、捏取握力圈1，并選擇合適的虛擬游戲；然后，注冊(cè)或登錄虛擬環(huán)境，前5分鐘用來熟悉 本設(shè)備和虛擬游戲，接著進(jìn)入20分鐘的康復(fù)訓(xùn)練階段，此階段中，患手需要實(shí)時(shí)調(diào)整搖桿3 的偏轉(zhuǎn)和施加在力傳感器1上的力大小，以完成相應(yīng)的虛擬游戲；最后，患者可選擇填寫或 口述對(duì)本設(shè)備及虛擬環(huán)境的感受，以配合本發(fā)明設(shè)備的改進(jìn)和虛擬環(huán)境沉浸感的提高。本 發(fā)明的康復(fù)評(píng)價(jià)機(jī)制還將在每次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束時(shí)給出此次訓(xùn)練相對(duì)于先前訓(xùn)練手功能變 化的相關(guān)信息，當(dāng)患手的上述各功能達(dá)到康復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，則患手得到康復(fù)，整個(gè)訓(xùn)練過程 也宣告完成。
權(quán)利要求
1.一種手部多功能康復(fù)系統(tǒng)，用于對(duì)患手手部功能進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，該系統(tǒng)包括搖桿裝 置、握力圈裝置以及虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，所述搖桿裝置與所述握力圈裝置連接，一起用于操縱所 述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊提供的虛擬游戲中的游戲角色；患手放置在握力圈凹槽中，產(chǎn)生握力或捏力并帶動(dòng)搖桿偏轉(zhuǎn)，所述握力或捏力、以及搖 桿偏轉(zhuǎn)角度和速度被讀取并傳送給所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，控制所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊中的游戲角 色完成游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)患手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊能夠存儲(chǔ)康復(fù)訓(xùn)練中 的各類數(shù)據(jù)，以用于訓(xùn)練后的康復(fù)評(píng)價(jià)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的虛擬現(xiàn)實(shí)模塊包括虛擬游戲單 元和存儲(chǔ)單元，所述虛擬游戲單元提供虛擬游戲，利用患手產(chǎn)生的握力或捏力以及對(duì)搖桿 裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的角度和速度，相應(yīng)地控制游戲中的角色進(jìn)行游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)患手的康復(fù)訓(xùn) 練；所述存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)康復(fù)訓(xùn)練中的各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述握力圈上的凹槽上設(shè)置有力 傳感器，用于實(shí)時(shí)感應(yīng)和讀取患手施加在握力圈上的握力或捏力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，搖桿裝置包括底座(4)和搖桿(3)， 所述底座(4)用來固定整個(gè)裝置，所述搖桿(3)設(shè)置在該底座(4)上，另一端與所述握力圈 裝置連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5之一所述的系統(tǒng)，其特征在于，虛擬游戲包括射擊游戲、賽車游戲 和手勢(shì)變換游戲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種手部多功能康復(fù)系統(tǒng)，包括搖桿裝置、握力圈裝置以及虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，所述搖桿裝置與所述握力圈裝置連接，一起用于操縱所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊中的游戲角色，患手放置在握力圈凹槽中，產(chǎn)生握力或捏力并帶動(dòng)搖桿偏轉(zhuǎn)，所述握力或捏力、以及搖桿偏轉(zhuǎn)角度和速度被讀取并傳送給所述虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，操縱模塊中的游戲角色完成游戲，實(shí)現(xiàn)對(duì)患手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。本發(fā)明的康復(fù)系統(tǒng)為主動(dòng)訓(xùn)練，且成本較低、操作簡(jiǎn)單，不需要醫(yī)師的長期監(jiān)護(hù)，可在家庭中自主使用，大大增大了其可應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)A63B23/14GK102039031SQ20101060866
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者張金龍, 楊朝暉, 王永驥, 霍衛(wèi)光, 黃劍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)