上肢脑神经康复训练系统

1.一种上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，包括可带动训练者上肢运动且具有力反馈功能的机械结构，3D显示器，扬声器，以及信息处理装置，所述机械结构，3D显示器，以及扬声器与所述信息处理装置通讯连接；
所述信息处理装置中包括虚拟现实模块和人机交互模块；
所述虚拟现实模块用于虚拟现实的场景并通过所述3D显示器进行显示；
所述人机交互模块根据所述虚拟现实的场景控制所述机械结构带动训练者上肢运动，控制所述扬声器发出声音，并接收、分析所述机械结构的反馈信息；
所述反馈信息包括机械结构的位置以及各自由度方向的受力；
所述虚拟现实模块还用于对虚拟环境中的虚拟物体进行力学建模，得到建立的力学模型中的虚拟力的变化信息，并将所述虚拟力的变化信息反馈给所述人机交互模块；
所述人机交互模块还用于，根据虚拟力的变化信息控制所述机械结构运行阻尼，以调整机械结构在训练者上肢的施力。
2.根据权利要求1所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述信息处理装置为计算机。
3.根据权利要求2所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述人机交互模块通过虚拟仪器设计软件设计的人机交互界面实现人机交互。
4.根据权利要求1所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述虚拟现实模块通过3D设计软件设计实现虚拟现实的场景。
5.根据权利要求1所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述信息处理装置中还包括存储模块，用于存储多个训练模式，多个训练示例，以及训练结果。
6.根据权利要求5所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述训练模式包括被动训练模式，助力训练模式，以及主动训练模式。
7.根据权利要求2所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述3D显示器通过高清晰度多媒体接口与所述计算机的显卡相连。
8.根据权利要求4所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，
所述虚拟现实模块还包括虚拟影像获取单元；
所述虚拟影像获取单元，用于设置两个虚拟摄像机将虚拟现实的场景数据生成两个虚拟影像数据，并发送两个所述虚拟影像数据给所述3D显示器；
所述3D显示器将两个所述虚拟影像数据通过左右模式显示到训练者的左右视角位置；
两个所述虚拟摄像机的参数相同、设置相同、且视角与被训练者视角相似。
9.根据权利要求1至8任一项所述的上肢脑神经康复训练系统，其特征在于，所述机械结构为摇杆式机器人的机械机构。

上肢脑神经康复训练系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及医疗康复领域，尤其涉及一种上肢脑神经康复训练系统及训练方法。\n背景技术\n[0002] 上肢脑神经康复训练对于中风和脑损伤等患者具有重要的意义，可帮助患者脑神经重塑，从而恢复上肢运动能力。而借助辅助训练设备能使训练更好的完成训练任务，实现训练效果。\n[0003] 例如，对于脑卒中训练者，目前康复医院中针对脑卒中的软瘫期训练者一般是训练师亲自人工治疗，耗费了大量的人工成本，而康复医院现有的康复设备大部分和健身器材很类似，训练者使用的时候重复一些简单的动作，枯燥乏味。\n[0004] 虚拟现实技术是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视觉，听觉，力觉等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用，相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验。\n[0005] 综上所述，如何将虚拟现实技术应用到训练设备中，研制成一款具有一定趣味性、方便使用的训练系统是一个亟待解决的问题。\n发明内容\n[0006] 基于此，有必要提供一种能将物理训练师从繁重的体力劳动解脱，且具有一定趣味性的上肢脑神经康复训练系统及训练方法。\n[0007] 为实现本发明目的提供的一种上肢脑神经康复训练系统，包括可带动训练者上肢运动且具有力反馈功能的机械结构，3D显示器，扬声器，以及信息处理 装置，所述机械结构，3D显示器，以及扬声器与所述信息处理装置通讯连接；\n[0008] 所述信息处理装置中包括虚拟现实模块和人机交互模块；\n[0009] 所述虚拟现实模块用于虚拟现实的场景并通过所述3D显示器进行显示；\n[0010] 所述人机交互模块根据所述虚拟现实的场景控制所述机械结构带动训练者上肢运动，控制所述扬声器发出声音，并接收、分析所述机械结构的反馈信息；\n[0011] 所述反馈信息包括机械结构的位置以及各自由度方向的受力。\n[0012] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述信息处理装置为计算机。\n[0013] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述人机交互模块通过虚拟仪器设计软件设计的人机交互界面实现人机交互。\n[0014] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述虚拟现实模块通过3D设计软件设计实现虚拟现实的场景。\n[0015] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述信息处理装置中还包括存储模块，用于存储多个训练模式，多个训练示例，以及训练结果。\n[0016] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述训练模式包括被动训练模式，助力训练模式，以及主动训练模式。\n[0017] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述3D显示器通过高清晰度多媒体接口与所述计算机的显卡相连。\n[0018] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，\n[0019] 所述虚拟现实模块还包括虚拟影像获取单元；\n[0020] 所述虚拟影像获取单元，用于设置两个虚拟摄像机将虚拟现实的场景数据生成两个虚拟影像数据，并发送两个所述虚拟影像数据给所述3D显示器；\n[0021] 所述3D显示器将两个所述虚拟影像数据通过左右模式显示到训练者的左右视角位置；\n[0022] 两个所述虚拟摄像机的参数相同、设置相同、且视角与被训练者视角相似。\n[0023] 作为一种上肢脑神经康复训练系统的可实施方式，所述机械结构为摇杆式机器人的机械机构。\n[0024] 基于同一发明构思的一种上肢脑神经康复训练方法，包括以下步骤：\n[0025] 根据所选择的训练模式进入相应的模式训练，3D显示器显示预设的虚拟现实的场景；\n[0026] 当所选择为被动训练模式时，所述机械结构带动训练者的上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务；\n[0027] 当所选择为助力训练模式时，根据所述机械结构反馈的训练者的上肢发力大小与方向，所述信息处理装置控制所述机械结构为训练者的上肢提供辅助力，帮助上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务；\n[0028] 当所选择为主动训练模式时，在上肢完成所述虚拟现实的场景中的训练任务时，所述信息处理装置根据所述虚拟现实的场景通过所述机械结构对上肢提供阻力。\n[0029] 作为一种上肢脑神经康复训练方法的可实施方式，当所选择为被动训练模式时，所述机械结构带动训练者的上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务，包括以下步骤：\n[0030] 检测上肢的关节活动度，并存储在所述存储模块中；\n[0031] 根据所述上肢的关节活动度及虚拟现实的场景中的训练任务，所述信息处理装置控制所述机械结构带动训练者的上肢在所述关节活动度范围内进行单关节训练；\n[0032] 根据所述机械结构反馈的在极限位置受到上肢反作用力的大小，逐步加大所述上肢的关节活动度，直至所述上肢的关节活动度达到正常人的水平；\n[0033] 所述机械结构带动训练者的上肢根据虚拟现实的场景进行ADL训练。\n[0034] 作为一种上肢脑神经康复训练方法的可实施方式，还包括以下步骤：\n[0035] 所述信息处理装置根据所述虚拟现实的场景控制所述扬声器发出相应声音；\n[0036] 所述信息处理装置根据所述机械结构反馈的位置信息调整虚拟现实的场景中相应物体的位置。\n[0037] 本发明的有益效果包括：\n[0038] 本发明提供的上肢脑神经康复训练系统及训练方法，将虚拟现实技术与训练设备相结合，构建与日常生活相关联的生活场景，如擦桌子，接水果，摘水果，菜场买菜等。用户可以通过人机交互软件选择训练的项目，打印训练报表和调整系统参数；用户通过机械结构与虚拟现实中的场景互动，同时虚拟环境里的声音，图像和力觉信息分别通过显示器，扬声器和机械装置反馈给用户。其使训练内容丰富多样化，增强康复训练的趣味性，同时将康复训练师从繁琐的体力劳动中解脱出来，节省人力成本。\n附图说明\n[0039] 图1为本发明的一种上肢脑神经康复训练系统的一具体实施例的系统结构示意图；\n[0040] 图2为本发明的一种上肢脑神经康复训练方法的一具体实施例的流程图。\n具体实施方式\n[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例的上肢脑神经康复训练系统及训练方法的具体实施方式进行说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。\n[0042] 本发明实施例的上肢脑神经康复训练系统，如图1所示，包括可带动训练者上肢运动且具有力反馈功能的机械结构100，3D显示器200，扬声器300，以及信息处理装置400，所述机械结构，3D显示器，以及扬声器与所述信息处理装置通讯连接。所述信息处理装置400中包括虚拟现实模块410和人机交互模块420，所述虚拟现实模块用于虚拟现实的场景并通过所述3D显示器进行显示；所述人机交互模块420根据所述虚拟现实的场景控制所述机械结构带动训练者上肢运动，控制所述扬声器发出声音，并接收、分析所述机械结构的反馈信息。所述反馈信息包括机械结构的位置以及各自由度方向的受力。将所述机械结构的位置信息发送到虚拟现实模块中，所述虚拟现实模块则根据所述位置信息调 整虚拟现实的场景中对应虚拟角色的位置。\n[0043] 所述3D显示器包括3D眼镜，需要进行训练的训练者，如脑卒中患者，在使用系统进行上肢脑神经康复训练时，通过3D眼镜在3D显示器中看到虚拟现实的场景，并在机械结构的辅助下根据虚拟现实的场景，移动场景中的物体，或者完成预设的任务。\n[0044] 本发明实施例的上肢脑神经康复训练系统，使用虚拟现实模块，构建与日常生活相关联的生活场景，如擦桌子，接水果，摘水果，菜场买菜等。用户可以通过人机交互软件选择训练的项目，打印训练报表和调整系统参数；用户通过机械结构与虚拟现实中的场景互动，同时虚拟环境里的声音，图像和力觉信息分别通过显示器，扬声器和机械装置反馈给用户。其使训练内容丰富多样化，增强康复训练的趣味性，且训练者可根据虚拟现实的场景在预设训练步骤下进行训练，将康复训练师从繁琐的体力劳动中解脱出来，节省人力成本。\n[0045] 较佳地，在其中一个实施例中，所述扬声器使用5.1声道扬声器，能够配合虚拟现实场景发出模拟现实的立体声，使康复训练者在视觉感受的基础上同时受到听觉的冲击，使整个虚拟现实场景更加真实，更有趣味性。\n[0046] 在其中一个实施例中，所述信息处理装置为计算机。通过在计算机中运行相应程序，实现虚拟现实及展现人机交互界面。计算机应用广泛，使用进行整体控制简便易行，且容易实现与其他相关器件的通讯。\n[0047] 在其中一个实施例中，所述人机交互模块通过虚拟仪器设计软件设计的人机交互界面实现人机交互。通过虚拟仪器设计软件设计人机交互界面设计简单，集成模块使用方便。如可以用LabVIEW软件进行设计。其界面展现简单大方，虚拟集成器件丰富，模块布局设计易实现，修改方便。且具有良好的通讯接口。\n[0048] 在其中一个实施例中，所述虚拟现实模块通过3D设计软件设计实现虚拟现实的场景。如可以用通过unity3D设计实现虚拟现实的场景。具有良好的视觉效果。\n[0049] 在其中一个实施例中，所述信息处理装置400中还包括存储模块430，用于存储多个训练模式，多个训练示例，以及训练结果。存储模块存储多个预设的 训练模式及训练示例，训练者在进行训练时，根据实际情况及个人喜好选择合适的训练示例进行训练。且同时将训练者进行的训练的结果存储到存储模块中，以便对训练者的情况进行评价及对训练内容进行调整。\n[0050] 在其中一个实施例中，所述训练模式包括被动训练模式，助力训练模式，以及主动训练模式。刚经历脑卒中的训练者，很多都处于软瘫状态，几乎没有自主运动的能力，此时需要外力带动上肢运动。在被动训练模式下，将上肢固定在机器人手柄上，先对训练者进行单关节训练，即机械结构带动上肢分别以肘关节和肩关节为转轴，使其做单关节的伸开和收拢的动作。这种模式可以测出上肢的关节的活动度，以及对上肢的关节活动度进行恢复。\n当训练者肌力有一定的恢复，但不足以克服上肢自身重力的时候，可使用助力训练模式进行训练。在助力训练模式下，在机械机构中使用力传感器检测上肢的发力大小和方向，给上肢提供合适的辅助力，帮助训练者完成虚拟环境中的动作任务。当训练者已经足以克服上肢重力运动时，为了适当增加其运动量，可使用主动训练模式。主动训练模式使用自适应的阻抗控制，可以保证上肢与机械结构之间合适的接触力，同时提供适当的阻力。上肢力量较弱，互动速度较慢时，产生的阻力较小，保证上肢能完成动作。当上肢运动的力量增大，运动速度加快，则调节阻抗控制的参数，使阻力增大，如此可以适当增大上肢运动的阻力，提高恢复训练的效率。\n[0051] 在其中一个实施例中，所述3D显示器通过高清晰度多媒体接口与所述计算机的显卡相连。本发明实施例中将50寸的3D显示器通过高清晰度多媒体接口（英文：High Definition Multimedia Interface，HDMI）与计算机的显卡相连，使用其显示在计算机中运行的3D虚拟环境。高清晰度多媒体接口是一种数字化视频/音频接口技术，是适合影像传输的专用型数字化接口，其可同时传送音频和影音信号，最高数据传输速度为5Gbps。同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。可有效保证虚拟现实场景的显示效果。\n[0052] 在其中一个实施例中，音频信号由HDMI接口传至3D显示器上，再由3D显示器产生立体音输出，将5.1声道扬声器的输入端接在3D显示器上。将5.1 声道扬声器的主左、主右、中置三个音箱以及低音音箱摆放在使用方位的前面，其中主左摆左边，主右摆右边，中置摆中间，低单摆放在前面的地上，或比较矮的架子上，两个环绕声音箱摆放在听者的后面，通过一条长线与功放机相连，高度与主左、主右及中置基本相同。虚拟环境中的声音，如公路上的汽车声，树梢上的鸟鸣，碰到桌子等发出的声音，通过各方向的5.1声道扬声器发出来，传至训练者耳中，训练者根据听到的声音的大小和方向，结合看到的3D虚拟环境，可使训练者真切的感受到各个声源的方向，距离，以及运动的方向和速度大小。\n[0053] 在其中一个实施例中，所述虚拟现实模块410还包括虚拟影像获取单元411。所述虚拟影像获取单元411，用于通过unity3D设置的两个虚拟摄像机将虚拟现实的场景数据生成两个虚拟影像数据，并发送两个所述虚拟影像数据给所述3D显示器。所述3D显示器将两个所述虚拟影像数据通过左右模式显示到训练者的左右视角位置。两个所述虚拟摄像机的参数相同、设置相同、且视角与被训练者视角相似。\n[0054] 在unity3D中添加2个参数相同的摄像机，将其视角设置为与人眼视角相似，将两相机放置于相同高度，合理调整两相机的水平距离和视线夹角，使其呈现出最佳的出屏效果。使用3D显示器的“左右模式”，将两个摄像机拍摄的影像分别显示在训练者的左右眼，训练者就能看到身临其境的3D影像，仿佛虚拟环境中的物体走出了屏幕，就在训练者身边，触手可及。避免单纯的动作训练过于枯燥。\n[0055] 在其中一个实施例中，所述机械结构为摇杆式机器人。所述摇杆式机器人的机械结构为公布号为CN102805697A中所描述的机械结构。此机器人机械结构结构紧凑、动作灵活、精度高。所述摇杆式上肢康复机器人主要由底盘，末端手柄，摇杆，4个电机，DSP控制板，\n6自由度力/力矩传感器，压力传感器，信号放大器，供电电路等组成。对于上肢的训练，训练者的手直接握住末端手柄，可在其活动范围内进行空间中3自由度的平移运动以及绕摇杆的转动。训练者在进行训练时，六自由度力/力矩传感器可测出训练者手臂的用力方向以及 在各方向上力的大小。压力传感器可检测训练者的握力大小。这些力/力矩信息通过DSP控制板上的AD模块出入到DSP中。DSP将摇杆运动的角度等信息通过串口发送至信息处理装置。其中人机交互软件提供的操作整套系统的平台，通过串口接收DSP发送的位置信息，向DSP发送运动模式的指令信息，并通过TCP协议和虚拟环境之间进行通讯。人机交互软件从DSP接收到电机的转角信息，经过数学转换为人体手臂位置信息后，通过TCP传输给虚拟环境，便可以控制虚拟环境中的角色和训练者的手臂同步运动。\n[0056] 对3D虚拟环境中的路面，树木，水果，桌子等可能会在康复训练中与训练者的手臂接触的虚拟物体进行力学建模，仿真出人手臂与这些物体相接触时候的受力情况。当训练过程中训练者接触到这些物体时，通过虚拟环境程序通过TCP通讯将相应的反馈力数据发送至人机交互程序，再由人机交互程序通过串口将力反馈数据发送给DSP，DSP根据力反馈数据改变电机的输出力矩，力矩带动摇杆运动，最终将手与物体的接触力反馈到训练者手上。使训练者感觉真实地接触到了一个物体。\n[0057] 下面以“接水果”的训练游戏说明本发明如何利用虚拟现实中的视觉，声音和虚拟力反馈等帮助训练者提高训练的效果。虚拟现实的场景为一个宁静的乡村小院，地面上有小鸡，小狗等家养动物，空中偶尔有蝴蝶飞过。上肢握住手柄，移动虚拟世界中的一个篮子接住从树上落下的苹果，训练者通过3D显示器，可以直观地观察到在三维空间里下降中的水果与篮子的相对位置，据此调整篮子的位置。水果落入篮子的瞬间，通过分布在房间中的\n5.1声道扬声器发出水果碰撞篮子的声音，同时由电机带动摇杆产生一个竖直方向的震动，使训练者感受到拿着篮子接住水果的碰撞力，此时播放一个鼓励性的语音提示，随着篮子中的水果越来越多，摇杆运动的阻尼也会相应增大。在以上的训练过程中，通过3D视觉信息判断篮子与水果的方位，训练了训练者的认知能力。水果落入篮子的时候，听觉和力觉的反馈刺激训练者的肌肉和神经系统，增强了神经重组的效果。当训练者能够越来越顺利的接到水果，篮子中水果增多，摇杆运动阻尼增大，训练者需要更大的力量来移动篮子，这样可以自适应的调整训练者 训练的强度，使训练者能完成训练任务的同时，增强训练的效率。\n[0058] 使用前述的上肢脑神经康复训练系统进行的一种上肢脑神经康复训练方法，如图\n2所示，包括以下步骤：\n[0059] S100，根据所选择的训练模式进入相应的模式训练，3D显示器显示预设的虚拟现实的场景；\n[0060] S200，当所选择为被动训练模式时，所述机械结构带动训练者的上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务；\n[0061] S300，当所选择为助力训练模式时，根据所述机械结构反馈的训练者的上肢发力大小与方向，所述信息处理装置控制所述机械结构为训练者的上肢提供辅助力，帮助上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务；\n[0062] S400，当所选择为主动训练模式时，在上肢完成所述虚拟现实的场景中的训练任务时，所述信息处理装置根据所述虚拟现实的场景通过所述机械结构对上肢提供阻力。所述步骤S200～S400之间没有严格的先后关系。\n[0063] 本发明实施例的上肢脑神经康复训练方法中训练者可根据自身的实际情况选择适当的训练模式，系统根据不同的训练模式对训练者的上肢进行训练。可有效提高训练者上肢恢复的效率，且增强训练者训练的主动性。\n[0064] 其中主动训练模式使用自适应的阻抗控制，可以保证上肢与手柄之间合适的接触力，同时提供适当的阻力。上肢力量较弱，互动速度较慢时，产生的阻力较小，保证上肢能完成动作。当上肢运动的力量增大，运动速度加快，则调节阻抗控制的参数，使阻力增大，如此可以适当增大上肢运动的阻力，提高恢复训练的效率。\n[0065] 在其中一个实施例中，步骤S200，当所选择为被动训练模式时，机械结构带动训练者的上肢完成虚拟现实的场景中的训练任务，包括以下步骤：\n[0066] S210，检测上肢的关节活动度，并存储在所述存储模块中；\n[0067] S220，根据所述上肢的关节活动度及虚拟现实的场景中的训练任务，所述信息处理装置控制所述机械结构带动训练者的上肢在所述关节活动度范围内进行单关节训练；\n[0068] S230，根据所述机械结构反馈的在极限位置受到上肢反作用力的大小，逐步加大所述上肢的关节活动度，直至所述上肢的关节活动度达到正常人的水平；\n[0069] S240，所述机械结构带动训练者的上肢根据虚拟现实的场景进行ADL训练。\n[0070] 这种模式可以测出上肢的关节的活动度，以及对上肢的关节活动度进行恢复。以机械结构为摇杆式上肢康复机器人的机械机构为例。首先系统会调出预先储存在存储模块中的单关节训练轨迹，这个轨迹的运动范围不超过正常人关节运动角度。在单关节训练的过程中，使用手柄下端的六自由度力/力矩传感器检测上肢与摇杆的接触力，通过此力的大小和方向来判断上肢是否已达到运动的极限位置，以及训练者是否有自主运动的能力。上肢达到张开或收拢的极限角度时，此时手柄受到上肢的作用力与摇杆的运动方向相反，且大小达到设定好的阈值，此时将摇杆运动的角度信息，以及上肢对摇杆的力信息储存在数据库中，并控制电机输出反向的力矩，开始向相反方向运动。为确保测得的值准确可反复运动几次取平均值。测出上肢的关节活动度之后，将以后的每轮运动控制在这个范围之内，并检测在两端极限位置的力的大小，如果力变小，说明上肢的关节活动度增大，此时适当扩大运动范围，扩大到上肢对手柄阻力的再次达到阈值。如此反复进行，直到上肢关节活动度达到正常人的水平。当上肢关节活动度恢复后，可使用被动训练模式进行一些高级分布式学习(Advanced Distributed Learning，ADL)训练。以“虚拟取物”为例，虚拟环境在一个温馨的小屋内，训练者坐在茶几边，茶几上不远处有一些常用的生活用品，例如茶杯，纸，手机等。上肢被机械结构带动着被动取回这些物品。\n[0071] 在其中一个上肢脑神经康复训练方法的实施例中，还包括以下步骤：\n[0072] S500，所述信息处理装置根据所述虚拟现实的场景控制所述扬声器发出相应声音；\n[0073] S600，所述信息处理装置根据所述机械结构反馈的位置信息调整虚拟现实的场景中相应物体的位置。\n[0074] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。应当指出的是，对于本领域 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和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。