CN108785975A - 结合虚拟现实技术的抗阻训练装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合虚拟现实技术的抗阻训练装置及方法。力感知系统获得用户的运动信息并将所述运动信息传递给控制器；跑台在用户足底提供活动自由度；控制器处理获取所述运动信息，接收并传输操作者的命令，接收处理设备的信息，并且根据所述运动信息控制所述跑台的各向运动；利用数据接收模块接收操作者的命令；处理模块发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；显示设备根据处理模块设计的场景执行实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种结合虚拟现实技术的抗阻训练装置及方法。
背景技术
抗阻训练即完全依靠自身力量克服一定外界阻力的运动，是增强肌肉量力量和耐力的主要手段。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也正不断地增加。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。但是患者由于长期卧床等原因，肌肉的力量和耐力不足，导致无法进行训练。此外，由于工伤、交通事故、疾病等原因造成精神或肢体损伤、糖尿病及肥胖症患者的心血管功能较差及慢性心力衰竭的患者也显著增加，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。经研究表明，抗阻训练对于提高运动员运动水平、慢性心力衰竭患者生活质量、帮助糖尿病及肥胖症患者的心血管功能改善有明显作用。
传统的抗阻训练主要有以下几种：1.需要操作者通过采用弹力绳在患者髋部牵引施加向后的阻力来进行，这就要求训练环境是一定长度的有限的地面场地；2.水中的减重抗阻步行，环境是水池中，但是需要有一定的基础设施支持或者固定位置的小水池；3.运动员专用的抗阻训练跑台，如woodway的Force系列，但是没有交互环境，无法提供视觉上的刺激。
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：所述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；处理设备接收所述的肢体动作数据后，根据所述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；根据所述肢体动作数据对所述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所述患者的康复情况匹配的游戏，供所述患者进行训练，并根据所述患者完成游戏任务的程度，记录所述患者的康复情况。
上述这些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具有以下几点不足：
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；而且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，没有将抗阻训练与应用场景形成一个闭环的刺激，无法满足患者回归家庭社会的训练要求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种成本相对低廉并且适合于家庭应用场景的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，包括：力感知系统、跑台、控制器、处理设备及显示设备；其中所述力感知系统用于获得用户的运动信息并将所述运动信息传递给控制器；所述跑台用于在用户足底提供一至三个活动自由度；所述控制器用于处理从所述力感知系统接收的所述运动信息，接收并传输操作者的命令，接收处理设备的信息，并且根据所述运动信息控制所述跑台的各向运动；所述处理设备包括数据接收模块和处理模块；其中，所述数据接收模块与所述控制器连接，接收控制器获取的操作者的命令；所述处理模块发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；所述显示设备用于根据所述处理模块设计的场景执行实时显示。
优选地，所述结合虚拟现实技术的抗阻训练装置还包括运动捕捉设备，所述运动捕捉设备用于实时捕捉和绑定所述用户的多个骨骼关节位置坐标；所述运动捕捉设备将获取的骨骼关节位置坐标发送给所述数据接收模块；其中，所述处理模块根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，而且所述显示设备用于根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
优选地，所述运动信息包括用户前后、左右、旋转自由度的运动趋势数据以及加速度大小。
优选地，所述跑台是带滚动履带的行走和/或跑动设备。
优选地，所述操作者的命令包括坡度与水位的组合,所述控制器根据所述操作者的命令设定相应的阈值，当根据所述运动信息判断用户施加的力超过阈值时给所述跑台发送运动驱动命令；并且所述处理设备根据所述操作者的命令生成治疗方案，所述根据操作者的命令设计场景中相应的画面包括显示所述治疗方案的场景。
优选地，所述多个骨骼关节位置坐标是20个骨骼关节位置坐标。
根据本发明，还提供了一种结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，包括：利用力感知系统获得用户的运动信息并将所述运动信息传递给控制器；利用跑台在用户足底提供一至三个活动自由度；利用控制器处理获取从所述力感知系统接收的所述运动信息，接收并传输操作者的命令，接收处理设备的信息，控制所述跑台的各向运动；利用处理设备的数据接收模块接收控制器获取的操作者的命令；利用处理设备的处理模块发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；
利用显示设备根据所述处理模块设计的场景实时显示。
优选地，利用运动捕捉设备实时捕捉和绑定所述用户的多个骨骼关节位置坐标；其中，所述运动捕捉设备将获取的骨骼关节位置坐标发送给所述数据接收模块；而且其中，所述处理模块根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，而且所述显示设备用于根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
优选地，所述运动信息包括用户前后、左右、旋转自由度的运动趋势数据以及加速度大小。
优选地，所述跑台是带滚动履带的行走和/或跑动设备。
优选地，所述操作者的命令包括坡度与水位的组合；所述控制器根据所述操作者的命令设定相应的阈值，当根据所述运动信息判断用户施加的力超过阈值时给所述跑台发送运动驱动命令；并且所述处理设备根据所述操作者的命令生成治疗方案，所述根据操作者的命令设计场景中相应的画面包括显示所述治疗方案的场景。
优选地，所述多个骨骼关节位置坐标是20个骨骼关节位置坐标。
本发明通过融合虚拟现实技术与机器人技术，以较低的成本实现了更贴近实际生活的应用训练场景。
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
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置的立体示意图。
图2是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置的功能示意图。
图3是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法的具体示例。
图4是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法的另一具体示例。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
图1是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置的立体示意图，图2是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置的功能示意图。
例如，如图1和图2所示，根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置是一个下肢康复训练装置。
如图1所示，根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置包括：力感知系统10、跑台20、控制器30、运动捕捉设备40、处理设备50及显示设备60。
其中所述力感知系统10用于获得用户的运动信息(实时交互力)并将运动信息传递给控制器30；该运动信息包括用户前后、左右、旋转自由度的运动趋势数据以及加速度大小。
例如，跑台20可提供一至三个自由度，可以是一个多自由度跑台。
所述跑台20包括但不限于带滚动履带的行走和/或跑动设备，用于在用户足底提供一至三个活动自由度。
所述运动捕捉设备40用于实时捕捉和绑定所述患者的多个骨骼关节位置坐标(优选地，20个骨骼关节位置坐标)，实现对用户(例如，患者)的躯干及肢体动作姿态的实时跟踪；
所述控制器30用于处理获取从力感知系统10接收的运动信息，接收并传输操作者(例如治疗师)的命令，接收处理设备的信息，并且根据所述运动信息控制跑台的各向运动；
所述处理设备50包括数据接收模块和处理模块。
其中控制器30和所述处理设备50可布置在同一个壳体内，而且可以由同一个硬件设备形成，或者由单独的硬件设备形成。
所述数据接收模块与所述运动捕捉设备40和所述控制器20例如以数据线或网络实现连接，分别接收所述运动捕捉设备40获取的骨骼关节位置坐标，和控制器20获取的操作者的命令；
所述处理模块用于根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；
所述显示设备60用于根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
具体地，力感知系统10经由支撑结构(未在图1中示出)布置在用户的运动范围周边。
而且，例如，本发明中所述操作者的命令包括但不限于坡度与水位的组合。所述控制器会根据所述操作者的命令设定相应的阈值，当根据所述运动信息判断用户施加的力超过阈值时，才会给跑台发送运动驱动命令。与此同时，处理设备根据所述操作者的命令生成治疗方案。所述根据操作者的命令设计场景中相应的画面包括显示所述治疗方案的场景，所述显示设备会将该治疗方案的场景进行实时显示。根据用户的训练需求，可以设定不同的平地与坡度或者是水位深浅组合。
在上述示例中，本发明所采用的方法是结合虚拟技术的抗阻训练方法。在本发明中，对骨盆、用户核心等的特定位置施加阻力，并通过视觉反馈增加本体感知，提高患者康复的主观能动性。
本发明适用于一种基于骨盆支撑机构的机器人，可实时获取用户在行走时骨盆相对于支撑机构的相互作用力，从而解析用户移动趋势和意图。这些解析结果可进一步用于跑台的运动控制，进一步实现抗阻训练。结合虚拟现实技术能够将抗阻训练映射至相应的情景中，帮助用户强化训练目标，增强其对速度、阻力和平衡感等的视觉反馈和主动性。
本方案的改进在于对骨盆，用户核心的特定位置施加阻力，并通过视觉反馈增加本体感知，提高患者康复的主观能动性。由此：
①可以为神经康复患者提供特定任务的重复训练；
②在治疗活动中，VR设定的环境能训练患者解决问题和执行任务的能力；
③VR可塑造模拟用户需求的真实情景活动。
此外，患者在现实情境中进行其他训练时会存在安全性问题(如周围环境的推搡等)，虚拟现实技术可以避免这些担忧，设定安全可靠的治疗环境。
相应地，本发明涉及相应的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，包括下述步骤。
利用力感知系统10获得用户的运动信息(实时交互力)并将运动信息传递给控制器30；
利用跑台20在用户足底提供一至三个活动自由度。
利用运动捕捉设备40实时捕捉和绑定所述患者的多个骨骼关节位置坐标(优选地，20个骨骼关节位置坐标)，实现对患者的躯干及肢体动作姿态的实时跟踪；
利用控制器30处理获取从力感知系统10接收的运动信息，接收并传输操作者(例如治疗师)的命令，接收处理设备的信息，控制跑台的各向运动；
利用处理设备50的数据接收模块分别接收所述运动捕捉设备40获取的骨骼关节位置坐标和控制器20获取的操作者的命令；
利用处理设备50的处理模块根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；
利用显示设备60根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
需要说明的是，在上述具体实施例中，以包含运动捕捉设备40的示例说明了本发明的原理和优势，但是，在具体实施时，可以去除运动捕捉设备40，并且同样实现本发明的优势。当然，在优选实施例中，包含运动捕捉设备40是有利的，可以实现本发明的更多优势和功能。
具体地，图3是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法的具体示例。操作者输入命令，控制器根据该命令设定阈值，力感知系统获取到的力大小超过阈值时，驱动跑台沿该方向运动；同时，处理器根据命令，确定患者进行训练，并且确定当前训练姿势及当前训练模式，运动捕捉设备接到数据请求后，获取患者的肢体运动，并按照预设的时间间隔向处理器设备发送数据；此后，处理设备驱动三维人物模型的动作变化并实时显示，根据获取的跑台速度驱动场景变化。在训练结束后，处理设备可以记录并打印完成信息。
图4是根据本发明优选实施例的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法的另一具体示例。教练输入命令，控制器根据该命令设定阈值，力感知系统获取到的力大小超过阈值时，驱动跑台沿该方向运动；同时，处理器根据命令，确定运动员进行训练，并且确定当前训练姿势及当前训练模式，运动捕捉设备接到数据请求后，获取运动员的肢体运动，并按照预设的时间间隔向处理器设备发送数据；此后，处理设备驱动三维人物模型的动作变化并实时显示，根据获取的跑台速度驱动场景变化。在训练结束后，处理设备可以记录并打印完成信息。
本发明可适用于一种基于骨盆支撑机构的下肢康复机器人，可实时获取用户在行走时骨盆相对于支撑机构的相互作用力，从而解析用户移动趋势和意图，这些解析结果可进一步用于跑台的运动控制或者康复机器人的移动跟随，来实现抗阻训练。本发明结合虚拟现实技术可在患者训练时，提供更丰富和贴近实际的交互，模拟实际环境场景，增强本体感知反馈输入。本发明适合于但不局限于康复机器人等，实际上康复训练领域、下肢物理治疗、步态训练、运动训练和改善心血管功能训练等领域也可以应用本发明。
而且，本发明中虚拟的应用场景包括但不限于上坡、水中。
本发明通过融合虚拟现实技术与机器人技术，以较低的成本实现了更贴近实际生活的应用训练场景。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，其特征在于包括：力感知系统、跑台、控制器、处理设备及显示设备；
其中所述力感知系统用于获得用户的运动信息并将所述运动信息传递给所述控制器；
所述跑台用于在用户足底提供一至三个活动自由度；
所述控制器用于处理从所述力感知系统接收的所述运动信息，接收并传输操作者的命令，接收所述处理设备的信息，并且根据所述运动信息控制所述跑台的各向运动；
所述处理设备包括数据接收模块和处理模块；其中，所述数据接收模块与所述控制器连接，接收控制器获取的操作者的命令；所述处理模块发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；
所述显示设备用于根据所述处理模块设计的场景执行实时显示。
2.如权利要求1所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，其特征在于还包括运动捕捉设备，所述运动捕捉设备用于实时捕捉和绑定所述用户的多个骨骼关节位置坐标；所述运动捕捉设备将获取的骨骼关节位置坐标发送给所述数据接收模块；其中，所述处理模块根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，而且所述显示设备用于根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
3.如权利要求1所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，其特征在于，所述运动信息包括用户前后、左右、旋转自由度的运动趋势数据以及加速度大小。
4.如权利要求1或2所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，其特征在于，所述跑台是带滚动履带的行走和/或跑动设备。
5.如权利要求1或2所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练装置，其特征在于，所述操作者的命令包括坡度与水位的组合,所述控制器根据所述操作者的命令设定相应的阈值，当根据所述运动信息判断用户施加的力超过阈值时给所述跑台发送运动驱动命令；并且所述处理设备根据所述操作者的命令生成治疗方案，所述根据操作者的命令设计场景中相应的画面包括显示所述治疗方案的场景。
6.一种结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，其特征在于包括：
利用力感知系统获得用户的运动信息并将所述运动信息传递给控制器；
利用跑台在用户足底提供一至三个活动自由度；
利用控制器处理获取从所述力感知系统接收的所述运动信息，接收并传输操作者的命令，接收处理设备的信息，控制所述跑台的各向运动；
利用处理设备的数据接收模块接收控制器获取的操作者的命令；
利用处理设备的处理模块发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，根据操作者的命令设计场景中相应的画面；
利用显示设备根据所述处理模块设计的场景实时显示。
7.如权利要求6所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，其特征在于还包括利用运动捕捉设备实时捕捉和绑定所述用户的多个骨骼关节位置坐标；其中，所述运动捕捉设备将获取的骨骼关节位置坐标发送给所述数据接收模块；而且其中，所述处理模块根据所述骨骼关节位置坐标发出驱动信号以驱动三维人物模型的动作变化，而且所述显示设备用于根据所述驱动信号实时显示所述三维人物模型的动作变化，根据所述处理模块设计的场景实时显示。
8.如权利要求6所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，其特征在于，所述运动信息包括用户前后、左右、旋转自由度的运动趋势数据以及加速度大小。
9.如权利要求6或7所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，其特征在于，所述跑台是带滚动履带的行走和/或跑动设备。
10.如权利要求6或7所述的结合虚拟现实技术的抗阻训练方法，其特征在于，所述操作者的命令包括坡度与水位的组合；所述控制器根据所述操作者的命令设定相应的阈值，当根据所述运动信息判断用户施加的力超过阈值时给所述跑台发送运动驱动命令；并且所述处理设备根据所述操作者的命令生成治疗方案，所述根据操作者的命令设计场景中相应的画面包括显示所述治疗方案的场景。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Application publication date: 20181113 Assignee: SHANGHAI ELECTRIC INTELLIGENT REHABILITATION MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Contract record no.: X2019310000013 Denomination of invention: Anti-resistance training device and method combined with virtual reality technology License type: Exclusive License Record date: 20191008 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181113 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: SHANGHAI ELECTRIC INTELLIGENT REHABILITATION MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Shanghai Electric Group Co.,Ltd. Contract record no.: X2019310000013 Date of cancellation: 20230904 |