基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统及方法与流程

1.本技术涉及康复工程及虚拟现实领域，具体涉及一种基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统及方法。


背景技术：

2.中风是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，严重者可致死亡，恢复者也会留下不同程度的后遗症，例如患侧手运动受限，从而严重影响生活品质。而手又是生活中运用频繁、功能众多、且结构灵活的部位，它的康复对患者能够自主进行正常生活有着极为重要的意义。
3.脑卒中后患者的神经中枢受损，患者的肢体运动与感知功能部分或完全丧失，但其骨骼和肌肉完好，运动功能障碍康复的本质是神经系统环路的重建。研究表明大脑中枢神经系统受损后也可重构和恢复。科学的康复治疗手段能够帮助患者重新获得运动能力，回归正常生活。然而目前的脑卒中康复主要依赖于医师借助器具帮助患者进行一对一的康复运动，这一方法不仅费时费力，而且难以量化康复指标。
4.为了解决上述技术问题，康复机器人应运而生。现有的康复机器人虽然能够提供很好的标准化康复方案，但是由于大多是被动康复模式，因此，不能很好的促进患者主动康复意图，从而无法很好地完成运动神经元重建。另外，由于现有的康复机器人缺少反馈手段，不能很好地刺激患者感知能力的恢复。
5.因此，开发一种具有主被动协同康复功能且具有多环节反馈刺激的康复机器人具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，一方面，本技术提供了一种基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统，通过手康复外骨骼的辅助康复运动，配合虚拟现实游戏，提供主被动协同的康复训练，同时加以触觉、听觉、视觉刺激增加患者参与度和真实感以达到全环节的康复效果。
7.为达到上述目的，本技术的实施例提供了一种基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统，包括：数据手套，用于采集健侧手的运动数据；手康复外骨骼，用于带动患侧手运动；手部姿态视觉监测装置，用于采集所述患侧手的位置和姿态数据并将患侧手映射到虚拟现实游戏中，再根据所述姿态数据控制所述虚拟手运动，并采集所述虚拟手的位置信息；感官反馈系统，用于产生至少一种感官反馈；控制单元，所述控制单元被配置为：接收健侧手的运动数据，并根据健侧手的运动数据控制所述手康复外骨骼动作，实现主被动协同康复；接收所述虚拟手的位置信息，并判断所述位置信息是否满足预设条件，若是，则控制所述感官反馈系统动作；所述数据手套、所述手康复外骨骼、所述手部姿态视觉监测装置和所述感官反馈系统均与所述控制单元通讯连接。
8.进一步地，所述基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统还包括手康复外
骨骼控制板，所述手康复外骨骼控制板用于将控制单元接收的健侧手的运动数据由数字信号转化为电压信号。
9.进一步地，所述虚拟现实游戏为钢琴弹奏虚拟现实音乐游戏，所述钢琴弹奏虚拟现实音乐游戏具有钢琴琴键，所述预设条件为虚拟手摁下琴键；所述感官反馈系统能够产生视觉、听觉和触觉反馈。
10.进一步地，所述基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统还包括脑电专注度采集设备，所述脑电专注度采集设备采集偏瘫患者的脑电信号，并计算α、β和γ波的总值，得到所述专注度值；所述脑电专注度采集设备佩戴在所述偏瘫患者的前额；所述控制单元还被配置为：接收所述专注度值，并将所述专注度值与专注度阈值进行比较，若所述专注度值大于所述专注度阈值，则控制数据手套采集健侧手的运动数据。
11.进一步地，所述手部姿态视觉监测装置能够采集患侧手中所有指关节位置的三维数据，并控制虚拟手运动，实现虚拟现实交互。
12.进一步地，所述数据手套的每个关节均设有柔性传感器，所述柔性传感器能够采集健侧手每个关节的运动数据。
13.进一步地，所述感官反馈系统包括显示器、音频设备和触觉反馈执行器；所述手康复外骨骼为刚柔一体式外骨骼，通过手套佩戴在患者的手上；所述触觉反馈执行器为气动触觉反馈执行器，所述气动触觉反馈执行器设置在所述手套的指尖处，所述触觉反馈为作用在偏瘫患者指尖的触觉力。
14.进一步地，所述控制单元能够在所述虚拟手摁下琴键时，控制所述显示器将琴键以红色显示，控制所述音频设备发出相应的音符声音，并控制所述触觉反馈执行器发出触觉反馈。
15.另一方面，本技术提供了一种基于上述基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统的康复方法，包括以下步骤：数据手套采集健侧手的运动数据；控制单元接收所述健侧手的运动数据，并根据健侧手的运动数据控制所述手康复外骨骼动作，实现主被动协同康复；手部姿态视觉监测装置，采集所述患侧手的位置和姿态数据并将患侧手映射到虚拟现实游戏中，再根据所述姿态数据控制所述虚拟手运动，并采集所述虚拟手的位置信息；控制单元接收所述虚拟手的位置信息，并判断所述位置信息是否满足预设条件，若是，则控制所述感官反馈系统动作。
16.进一步地，所述预设条件为虚拟手摁下琴键；所述感官反馈系统包括显示器、音频设备和触觉反馈执行器；所述控制单元能够在所述虚拟手摁下琴键时，控制所述显示器将摁下的琴键以红色显示，控制所述音频设备发出相应的音符声音，并控制所述触觉反馈执行器发出触觉力反馈。
17.本技术相比现有技术具有以下有益效果：
18.本技术通过手康复外骨骼的辅助康复运动，提供主被动协同的康复训练，更好地促进患者主动康复与被动康复结合，同时配合虚拟现实钢琴弹奏游戏，加以触觉、听觉、视觉刺激增加患者参与度和真实感以达到全环节的康复效果，实现更好地中枢神经恢复效果。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本技术实施例基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统的结构框图；
21.图2为本技术实施例基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统的原理图；
22.图3为本技术实施例基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统中执行部分的布置图；
23.图4为本技术实施例基于虚拟现实音乐游戏的多感官刺激手功能康复方法的流程图。
具体实施方式
24.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术的限制。
26.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
27.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.参照图1和图2，本技术实施例提供了一种基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统，包括脑电专注度采集设备、数据手套、手康复外骨骼、外骨骼控制板、手部姿态视觉监测装置、感官反馈系统和控制单元，控制单元为上位机，上位机内设有arduino平台，外骨骼控制板为单片机。
29.其中，脑电专注度采集设备佩戴在偏瘫患者的前额，其能够采集偏瘫患者的脑电信号，并计算α、β和γ波的总值，得到偏瘫患者的专注度值。脑电专注度采集设备采集的专注度值不仅可以用于系统启动的开关，在每次使用之后记录其平均值，也可作为患者大脑恢复程度的测评依据。
30.数据手套佩戴在偏瘫患者的健侧手上，数据手套的每个关节均设有柔性传感器，柔性传感器能够采集健侧手每个关节的运动数据。患者大脑产生运动意图后，由其健康侧
的手臂肌肉控制手部产生运动。该运动的姿态能够被数据手套的传感器检测，并将该运动数据以数字信号的形式传输给上位机。外骨骼控制板与上位机蓝牙连接，与手康复外骨骼电连接，外骨骼控制板能够将该数字信号转化为电压信号，并传输给手康复外骨骼。
31.手康复外骨骼为刚柔一体式外骨骼，通过手套佩戴在偏瘫患者的患侧手上，用于带动患侧手运动。
32.上位机用于根据健侧手的运动数据控制手康复外骨骼动作。即以“健患侧控制”的方式来控制佩戴在患侧手上的手康复外骨骼，实现主被动协同康复。具体的，上位机通过控制安装在康复外骨骼上的直线电机控制手康复外骨骼的对应部位动作。
33.手部姿态视觉监测装置位于患侧手的下方，一般放在患侧手下方的桌子上，用于采集患侧手的位置和姿态数据并将患侧手映射到虚拟现实游戏中，再根据姿态数据控制虚拟手运动，并采集虚拟手的位置信息。具体的，手部姿态视觉监测装置能够采集患侧手中所有指关节位置的三维数据，并控制虚拟手运动，实现虚拟现实交互。虚拟现实游戏为钢琴弹奏虚拟现实音乐游戏，钢琴弹奏虚拟现实音乐游戏具有钢琴琴键。
34.感官反馈系统能够产生视觉、听觉和触觉反馈，具体的，感官反馈系统可以包括显示器、音频设备和触觉反馈执行器。显示器上显示虚拟显示游戏界面，触觉反馈执行器为气动触觉反馈执行器，气动触觉反馈执行器设置在手套的指尖处，当收到信号时可以在偏瘫患者的指尖上施加触觉力。触觉反馈执行器产生的触觉力的大小可以根据虚拟手的位移量调节。
35.参照图3，触觉反馈执行器类似于气囊，固定在外骨骼手套的手指位置，它通过气缸供给气压来实现不同大小的触觉力。当虚拟现实钢琴游戏中的虚拟手接触到琴键时，将触觉信号发送到上位机。气泵提供驱动触觉反馈执行器所需的气压，上位机控制比例阀的开关程度，从而控制进入到触觉反馈执行器中的气压，最终在外骨骼手套的指尖处生成相应的触觉反馈。
36.控制单元被配置为：接收脑电专注度采集设备采集的专注度值，并将该专注度值与专注度阈值进行比较，若专注度值大于专注度阈值，则控制数据手套采集健侧手的运动数据；接收虚拟手的位置信息，并在在虚拟手摁下琴键时，控制显示器将摁下的琴键以红色显示，控制音频设备发出相应的音符声音，并控制触觉反馈执行器发出触觉反馈。
37.脑电专注度采集设备、数据手套、外骨骼控制板、手部姿态视觉监测装置和感官反馈系统均与控制单元通过hc
‑
05蓝牙模块蓝牙连接。
38.另一方面，参照图4，本技术提供了一种基于上述基于虚拟现实游戏的多感官刺激手功能康复系统的康复方法，包括以下步骤：
39.s1、数据手套采集健侧手的运动数据；该步骤也可以是患者佩戴脑电专注度采集设备并启动康复系统，然后脑电专注度采集设备实时采集专注度值，最好控制单元接收专注度值，并将专注度值与专注度阈值进行比较，若专注度值大于专注度阈值，则控制数据手套采集健侧手的运动数据。
40.s2、控制单元接收健侧手的运动数据，并根据健侧手的运动数据控制手康复外骨骼动作，实现主被动协同康复。
41.s3、手部姿态视觉监测装置采集患侧手的位置和姿态数据并将患侧手映射到虚拟现实游戏中，再根据姿态数据控制虚拟手运动，并采集虚拟手的位置信息。
42.s4、控制单元接收虚拟手的位置信息，并判断虚拟手是否摁下琴键，若是，则控制显示器将摁下的琴键以红色显示，控制音频设备发出相应的音符声音，并控制触觉反馈执行器发出触觉反馈。
43.本技术实施例主要针对脑卒中后偏瘫患者一侧的手部运动功能障碍以及手部感知能力下降的情况，将手部运动捕获、计算机游戏模块、数据处理与传输、虚拟现实技术、外骨骼辅助康复训练结合起来，提出了一种针对手功能运动障碍用户的康复训练新方法，增加了患者参与度和真实感以达到全环节的康复效果。
44.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。