CN112451306B - 基于vr的手臂肌肉康复训练系统 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例公开了基于VR的手臂肌肉康复训练系统。包括：肌肉康复设备，用于根据康复训练类型指令进行训练动作，采集所述训练动作对应的运动数据；康复训练评价装置，用于对所述运动数据进行处理分析，得到表征所述用户手臂肌肉指标的评价数据；计算机设备，用于根据康复训练类型、所述运动数据、所述评价数据中的一种或多种生成虚拟训练信息；虚拟现实设备，用于基于所述虚拟训练信息显示所述康复训练过程。上述系统在虚拟现实设备上以可视化的形式展示用户手臂肌肉在康复训练过程中的效果和康复情况，提高了用户的参与感和趣味性，通过视觉刺激用户的感官，激发了康复训练的积极性与主动性。

Description

基于VR的手臂肌肉康复训练系统

技术领域

本公开的实施例涉及手臂康复技术，具体涉及基于VR的手臂肌肉康复训练系统。

背景技术

虚拟现实技术又称为VR(Virtual Reality)技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。该技术基本实现方式是通过计算机模拟真实环境从而在虚拟环境中给人以沉浸式体验。它可以通过眼球追踪、动作捕捉、肌电模拟、触觉反馈、语音、方向追踪、真实场地等各种直观而又自然的实时交互方式，最大限度的让用户感觉身临其境。

随着社会发展和人民医疗、生活水平的提高，各类疾病的运动康复引起了全社会的关注。传统的康复有物理治疗、作业治疗、中医针灸等，虽然种类繁多，但传统康复治疗不仅劳动量大、费用昂贵、训练效率难以保证，且康复训练动作单一重复，往往使患者感觉枯燥，导致康复积极性差甚至不配合等情况，使得训练效果微乎其微。同时，现有康复训练缺乏客观数据的记录，没有量化的评估机制，不能进行有效的反馈和改进训练计划，影响训练效果。因此，如何利用虚拟现实设计运动康复训练系统，是目前要亟待解决的问题。

此外，现有技术中的上下肢体锻炼设备普遍采用独立工作，彼此之间难以协同，不能起到很好的整体锻炼效果。无论是阻力锻炼设备还是主动锻炼设备，只能实现手臂的绕轴运动或者简单的抬升下落，动作单一，无法实现多角度的运动-对应上肢锻炼，尤其无法对手腕等关节处进行良好的训练，而如果通过机械骨骼来包裹手臂来实现模拟人体动作不仅结构复杂，使用不便，维护成本也十分高昂。

发明内容

本公开的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本公开的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

本公开的一些实施例提出了基于VR的手臂肌肉康复训练系统，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

本公开的一些实施例提供了一种基于VR的手臂肌肉康复训练系统，包括：计算机设备、肌肉康复设备、康复训练评价装置和虚拟现实设备；其中，

所述肌肉康复设备用于根据康复训练类型指令进行训练动作，帮助用户的手臂进行康复训练过程中的空间运动，并采集所述训练动作对应的运动数据，将所述运动数据发送至康复训练评价装置和所述计算机设备；其中，所述康复训练类型指令由所述计算机设备生成并发送至所述肌肉康复设备；所述康复训练评价装置用于对所述运动数据进行处理分析，得到表征所述用户手臂肌肉指标的评价数据；所述计算机设备用于根据康复训练类型、所述运动数据、所述评价数据中的一种或多种生成虚拟训练信息，并将所述虚拟训练信息发送至所述虚拟现实设备；所述虚拟现实设备用于基于所述虚拟训练信息显示所述康复训练过程。

可选地，所述肌肉康复设备包括康复手臂套，所述康复手臂套中对应手臂的各关节处分别设置有弯曲传感器和压力传感器，所述康复手臂套外部设置有摄像装置。

可选地，所述运动数据包括所述弯曲传感器和所述压力传感器采集的运动力数据，以及所述摄像装置捕获的手臂姿态位置数据。

可选地，所述肌肉康复设备还包括控制器、多个电机和设置在所述康复手臂套中的多个运动组件；其中，所述电机与所述运动组件存在对应关系，且与所述运动组件电连接；所述控制器用于基于所述康复训练类型指令控制所述电机驱动对应的运动组件运动。

可选地，所述虚拟现实设备中设置有意图识别装置，所述意图识别装置用于采集所述用户的意图特征信息，并将所述信息发送至所述计算机设备，以使得所述计算机设备根据所述意图特征信息确定所述康复训练类型。

可选地，所述康复训练评价装置具体用于将所述运动数据输入至预先训练的神经网络模型，得到所述用户手臂各块肌肉的发力数据；将所述各块肌肉的发力数据与对应的样本肌肉的发力数据进行对比分析，生成所述各块肌肉的评价数据。

可选地，在为所述神经网络模型采集样本数据时，所述康复手臂套在关节运动对应的肌肉部位设置有多个肌电电极，所述肌电电极采集主动肌肉发力数据；所述神经网络模型通过如下方法训练得到：

通过所述弯曲传感器和所述压力传感器采集运动数据，通过所述肌电电极采集主动肌肉发力数据；以所述运动数据作为神经网络训练的输入数据，所述主动肌肉发力数据作为验证信号，进行神经网络模型训练；将输出结果与所述主动肌肉发力数据进行比较，基于比较结果对所述神经网络模型进行优化，直至损失函数小于预设阈值。

可选地，在康复训练未开始时，所述计算机设备根据所述康复训练类型确定对应的虚拟训练信息，所述虚拟现实设备基于所述虚拟训练信息展示待训练的虚拟场景；在康复训练过程中，所述计算机设备根据所述运动数据生成虚拟训练变化信息，所述虚拟现实设备基于所述虚拟训练变化信息更新展示在所述运动数据作用下的所述虚拟场景。

可选地，所述计算机设备根据所述评价数据生成表征所述用户手臂每块肌肉的发力情况的可视化信息；所述虚拟现实设备在展示的所述场景下呈现所述可视化信息对应的所述用户手臂肌肉的视觉反馈。

可选地，所述虚拟现实设备为虚拟现实眼镜或虚拟现实头盔。

可选的，所述肌肉康复设备包括机体、座椅、第一安装架、第二安装架、手臂锻炼装置、下肢锻炼装置、手臂固定组件和下肢固定组件；所述座椅、所述第一安装架和所述第二安装架均安装在所述机体上，且两个所述第一安装架位于所述座椅的两侧，两个所述第二安装架位于所述座椅的下方；所述手臂锻炼装置安装在所述第一安装架上，所述下肢锻炼装置安装在所述第二安装架上；所述手臂固定组件与所述手臂锻炼装置连接配合，并在所述手臂锻炼装置的带动下动作；所述下肢固定组件与所述下肢锻炼装置连接配合，并在所述下肢锻炼装置的带动下动作。

可选的，所述手臂锻炼装置包括第一运动臂、第二运动臂、转动部件、转动臂、第一安装座、第二安装座、升降伸缩部件和摆动伸缩部件；所述第一运动臂一端铰接在所述第一安装架上，另一端铰接有所述第一安装座；所述第二运动臂一端安装在所述第一安装座上，另一端安装座所述第二安装座上，所述第二运动臂可在所述第一安装座上沿一个竖直平面转动；所述转动部件一端与所述第二安装座连接，另一端与所述转动臂连接，以带动所述转动臂转动；所述升降伸缩部件下端安装在所述第一安装架上，上端与所述第二运动臂连接，以带动所述第二运动臂升降；所述摆动伸缩部件一端与所述第一运动臂铰接，另一端与所述第一安装座铰接，所述摆动伸缩部件的伸缩能够带动所述第一安装座和所述第二运动臂在水平方向上转动。

可选的，所述第二运动臂包括第一臂体、第二臂体和转动伸缩部件；所述第一安装座上端设有第一连接部，下端设有第二连接部；所述第二安装座上端设有第三连接部，下端设有第四连接部；所述第一臂体一端与所述第一连接部铰接，另一端与所述第三连接部铰接；所述第二臂体与所述第一臂体平行，所述第二臂体一端与所述第二连接部铰接，另一端与所述第四连接部铰接；所述第一臂体、所述第二臂体、所述第一安装座和所述第二安装座形成四连杆机构；所述转动伸缩部件一端与所述第一连接部铰接，另一端与所述第四连接部铰接，或者，所述动伸缩部件一端与所述第二连接部铰接，另一端与所述第三连接部铰接；所述转动伸缩部件的伸缩可以带动所述四连杆机构动作，以使得所述第二运动臂在所述第一安装座上沿一个竖直平面转动。

可选的，所述手臂固定组件包括与所述第一运动臂连接的第一固定件、与所述第二运动臂连接的第二固定件以及与所述转动部件连接的第三固定件。

可选的，所述第一安装架上设有检测所述第一运动臂转动角度的第一角度传感器；所述第一运动臂和所述第二运动臂之间设有第二角度传感器和第三角度传感器，所述第二角度传感器用于检测所述第二运动臂相对于所述第一运动臂的摆动角度，所述第三角度传感器用于检测所述第二运动臂相对于所述第一运动臂的转动角度。

可选的，所述下肢锻炼装置包括滚轮、滑架、第三安装座、伸缩杆件、第一抬升伸缩部件、第二抬升伸缩部件和踏板；所述第二安装架设有弧形滑槽，所述滚轮安装在所述弧形滑槽内；所述滑架与所述弧形滑槽滑动配合，所述滑架安装在所述滚轮上，并在所述滚轮的带动下在所述弧形滑槽上滑动；所述第三安装座包括本体、设于所述本体上端的第一连接耳和设于所述本体下端的第二连接耳；所述本体的长度方向沿竖直方向设置；所述第一连接耳一端与所述本体一体连接，另一端设有第五连接部；所述第二连接耳一端与所述本体一体连接，另一端设有第六连接部；其中，所述第五连接部与所述本体的水平距离小于所述第六连接部与所述本体的水平距离；所述伸缩杆件下端与所述第五连接部铰接，上端与所述踏板的底面一处连接，所述伸缩杆件中部设有第七连接部；所述第一抬升伸缩部件下端与所述第六连接部铰接，上端与所述第七连接部铰接；所述第二抬升伸缩部件下端与所述第七连接部铰接，上端与所述踏板的底面另一处连接。

可选的，所述下肢锻炼装置还包括支撑伸缩部件；所述踏板包括主板体和铰接于所述主板体两侧的侧板；所述支撑伸缩部件一端与所述主板体铰接，另一端与所述侧板铰接。

可选的，所述下肢固定组件包括连接在所述踏板上的穿戴护具。

本公开的上述各个实施例中的一个实施例具有如下有益效果：本公开提出的基于VR的手臂肌肉康复训练系统，将虚拟现实融入到手臂肌肉康复训练系统中，在虚拟现实设备上以可视化的形式展示用户手臂肌肉在康复训练过程中的效果和康复情况，提高了用户的参与感和趣味性，通过视觉刺激用户的感官，激发了康复训练的积极性与主动性。同时，本发明的肌肉康复设备包括能够协同训练的手臂锻炼装置和下肢锻炼装置，其中手臂锻炼装置能够实现上肢多角度的运动，可以对手腕等关节处进行更好的训练。

附图说明

结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，原件和元素不一定按照比例绘制。

图1是根据本公开的基于VR的手臂肌肉康复训练系统的一些实施例的结构框图；

图2是根据本公开的基于VR的手臂肌肉康复训练系统的另一些实施例的流程图；

图3为本发明实施例提供的肌肉康复设备的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的肌肉康复设备的手臂锻炼装置处于第一动作状态时的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的肌肉康复设备的手臂锻炼装置处于第二动作状态时的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的肌肉康复设备的下肢锻炼装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的肌肉康复设备的下肢锻炼装置的踏板的结构示意图。

图标：

1-人机交互设备；

2-肌肉康复设备；

21-机体；22-座椅；23-第一安装架；24-第二安装架；241-弧形滑槽；

25-手臂锻炼装置；251-第一运动臂；252-第二运动臂；2521-第一臂体；2522-第二臂体；2523-转动伸缩部件；253-转动部件；254-转动臂；255-第一安装座；2551-第一连接部；2552-第二连接部；256-第二安装座；2561-第三连接部；2562-第四连接部；257-升降伸缩部件；258-摆动伸缩部件；

26-下肢锻炼装置；261-滑架；262-第三安装座；2621-本体；2622-第一连接耳；2623-第二连接耳；2624-第五连接部；2625-第六连接部；263-伸缩杆件；2631-第七连接部；264-第一抬升伸缩部件；265-第二抬升伸缩部件；266-踏板；2661-主板体；2662-侧板；267-支撑伸缩部件；

27-手臂固定组件；271-第一固定件；272-第二固定件；273-第三固定件；

3-增强现实设备；4-增强现实设备。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关公开相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

实施例一

图1示出了本公开一实施例的基于VR的手臂肌肉康复训练系统。该装置包括：计算机设备1、肌肉康复设备2、康复训练评价装置3和虚拟现实设备4。

计算机设备1用于生成康复训练类型指令并发送至肌肉康复设备2；

肌肉康复设备2用于根据康复训练类型指令进行训练动作，帮助用户的手臂进行康复训练过程中的空间运动，并采集所述训练动作对应的运动数据，将所述运动数据发送至康复训练评价装置和所述计算机设备；

康复训练评价装置3用于对所述运动数据指标进行处理分析，得到表征所述用户手臂肌肉指标的评价数据；

计算机设备1用于根据康复训练类型、所述运动数据、所述评价数据中的一种或多种生成虚拟训练信息，并将所述虚拟训练信息发送至虚拟现实设备4；

虚拟现实设备4用于基于所述虚拟训练信息显示所述康复训练过程。

在本实施例中，计算机设备1包括但不限于笔记本电脑、台式电脑、服务器。虚拟现实设备包括但不限于虚拟现实头盔或虚拟现实眼镜。

在实际应用过程中，针对手臂肌肉的康复训练可能包括多个类型，例如对手臂上部肌肉的康复训练、对手臂关节部分肌肉的康复训练等，因此每个康复训练类型需要用户完成不同的手臂姿态。由于不同类型的康复训练需要采集的运动数据以及对应的虚拟场景都是不同的，因此需要首先确定对用户进行康复训练的康复训练类型。具体地，可以预先在计算机设备1中选定康复训练类型，计算机设备根据选定的类型生成康复训练类型指令；也可以在虚拟显示设备4中设置脑电信号采集模块，该模块提取用户脑电信号中的相关特征参数并发送至计算机设备1，计算机设备1通过这些特征参数来获得用户的康复训练意图，进而生成该康复训练意图对应的康复训练类型指令。

进一步地，作为本实施例的一些可选实施方式，虚拟现实设备中设置有意图识别装置，该意图识别装置用于采集所述用户的意图特征信息，并将该意图特征信息发送至计算机设备1，以使得计算机设备1根据该信息确定康复训练类型。具体地，意图特征信息可以是用户的语音音频信息、动作图像信息。若意图特征信息是语音信息，计算机设备通过提取语音音频信息中的关键词确定康复训练类型；若意图特征信息是动作图像信息，计算机设备通过图像识别确定该动作信息对应的康复部位，并查找该康复部位对应的康复训练类型。

肌肉康复设备2与用户的手臂相连接，辅助用户完成康复训练的动作，并且可以为康复训练类型提供有针对性的训练方式，带动用户的手臂进行康复训练，并将训练得到的运动数据传输至康复训练评价装置3和计算机设备1。

具体地，肌肉康复设备2包括康复手臂套，用户在进行康复训练前，先将康复手臂套穿戴在用户的手臂上。所述康复手臂套中对应手臂的各关节处分别设置有弯曲传感器和压力传感器，所述康复手臂套外部设置有摄像装置。所述运动数据包括所述弯曲传感器和所述压力传感器采集的运动力数据，以及所述摄像装置捕获的手臂姿态位置数据。

进一步地，肌肉康复设备2还包括控制器、多个电机和设置在所述康复手臂套中的多个运动组件；其中，所述电机与所述运动组件存在对应关系，且与所述运动组件电连接；所述控制器用于基于所述康复训练类型指令控制所述电机驱动对应的运动组件运动。

具体地，运动组件包括上肩关节旋转运动组件、上臂关节旋转运动组件、肘关节屈伸组件、前臂关节旋转运动组件和腕关节组件，每个运动组件可以对应一个或多个电机，每个电机能够控制运动组件在一个自由度的运动。举例来说，前臂关节旋转运动组件与两个电机相连接，可以让前臂关节旋转运动组件在两个自由度实现复杂的运动，即实现前臂关节的上下运动和左右摇摆，从而增加肌肉康复设备的运动方式。运动组件和电机之间可以通过电线或钢丝绳电连接。

控制器在接收到康复训练类型指令后，确定该康复训练类型需要的目标运动组件，并基于电机与目标运动组件的对比关系，确定需要控制的电机，从而驱动需要的目标运动组件运动。在目标运动组件的带动下，用户手臂上对应的关节、肌肉也会随之发力进行运动同步，通过关节和肌肉的分离及协同动作，以达到该训练类型对应的手臂姿态要求。

进一步地，弯曲传感器及压力传感器分别采集预设运动关节信息，摄像装置为具有视频拍摄功能的仪器设备，例如摄像头、摄像仪等，这里用于对用户在康复训练过程中手臂的运动轨迹和运动速度进行实时监控摄像，以得到实时手臂姿态位置的图像。摄像装置将该臂姿态位置的图像数据和运动力数据实时发送给康复训练评估模块3。

需要说明的是，运动数据中弯曲传感器和压力传感器采集的运动力数据是表征手臂肌力大小的指标，力的数值越大，说明用户主动训练程度越高，依靠电机和组件带动协助的部分越小。该所述摄像装置捕获的手臂姿态位置数据则反映了手臂肌肉的协同指标，这里可以预先记录各康复训练类型对应的健康人的手臂姿态位置数据，计算用户手臂运动速度和轨迹与健康人的比较差值，比较差值越小说明用户手臂肌肉的协同性越高。综上，以上两种数据共同反映了用户的康复训练情况。

可选地，康复训练评价装置3可以在计算机设备1中，在接收到运动数据后，康复训练评价装置3对其进行处理分析，得到表征所述用户手臂肌肉指标的评价数据，从而能够让用户了解康复训练的效果。这里，手臂肌肉指标表征手臂肌肉的功能状态，可以通过手臂各块肌肉的发力数据反映，因此，可以预先建立不同用户群的样本肌肉的发力数据，该用户群可以根据用户性别、年龄、国籍等划分，这样，手臂肌肉的评价数据即通过用户手臂各块肌肉的发力数据与其所在用户群的样本肌肉的发力数据进行对比分析获得，两者对比的差值越大，患者所得分数越高，说明用户手臂肌肉指标越好，康复训练的效果越好。

进一步地，手臂各块肌肉的发力数据是通过肌肉康复设备2中采集的运动数据得到的。具体地，在康复训练评价装置3中将所述运动数据输入至预先训练的神经网络模型，得到用户手臂的各块肌肉的发力数据；将所述各块肌肉的发力数据与对应的样本肌肉的发力数据进行对比分析，生成所述各块肌肉的评价数据。

更进一步地，计算机设备1可以对各块肌肉的评价数据进行分析处理，以可视化的形式输入到虚拟现实设备4直观地显示给用户。

在本发明实施例中，虚拟显示设备中展示虚拟现实场景，在康复训练中，虚拟场景可以设置为各种生活场所，不同生活场所都涉及到需要锻炼手臂肌肉场景，例如，在家里卧室通过手臂实现开门关门，在学校通过手臂实现搬动桌椅，在银行通过手臂完成取款等等，即不同生活场所对应不同的康复训练类型。本实施例将康复训练实时同步到虚拟现实场景中，并在每个场景中设定用户需要利用手臂肌肉完成的任务，患者通过肌肉康复设备2的协助并控制手臂去完成。提高了用户在康复训练过程中的参与感和趣味性，通过视觉刺激用户的感官，激发了康复训练的积极性与主动性。

需要说明的是，由于不同虚拟现实场景对应不同的康复训练类型，用户此时可以通过头部移动切换虚拟现实场景，也可以通过语音控制切换虚拟显示场景，来实现对康复训练类型的选择。

具体地，若用户通过计算机设备1或虚拟显示设备4中的意图识别装置选择的康复训练类型，且康复训练尚未开始，计算机设备1根据所述康复训练类型确定对应的虚拟训练信息，该虚拟训练信息可以是上述虚拟现实场景数据，虚拟现实设备4基于所述虚拟训练信息展示待训练的虚拟现实场景。

在康复训练的过程中，用户在肌肉康复设备2的协助下完成该虚拟现实场景对应的任务，计算机设备1根据此过程中采集的运动数据生成虚拟训练变化信息，虚拟现实设备4基于所述虚拟训练变化信息更新展示在所述运动数据作用下的所述虚拟场景。这里，随着用户手臂的运动，虚拟现实场景对应的任务在逐渐完成中，虚拟现实场景的画面也会发生变化。因此，计算机设备1根据手臂运动过程中的运动数据，生成虚拟现实场景中待更新的像素，即虚拟训练变化信息，虚拟现实设备4利用待更新的像素替换掉对应位置的原像素，实现了虚拟现实场景的更新展示。

康复训练完成后，计算机设备1根据所述评价数据生成表征所述用户手臂每块肌肉的发力情况的可视化信息；虚拟现实设备4在展示的所述场景下呈现所述可视化信息对应的所述用户手臂肌肉的视觉反馈。

其中，可视化信息可以是不同发力评价数据对应的渐变颜色信息，在康复训练手臂肌肉的运动过程中，用户手臂各块肌肉的发力评价数据会通过渐变颜色实时反馈给用户，在虚拟现实场景下每块肌肉的发力情况都会以虚拟手臂上对应的各块肌肉所在位置的颜色的渐进变化给与用户反馈，使用户能够根据各块肌肉的颜色实时了解掌握各块肌肉的康复情况，做好下一次康复训练的计划。

通过本公开上述实施例提供的基于VR的手臂肌肉康复训练系统，将虚拟现实融入到手臂肌肉康复训练系统中，在虚拟现实设备上以可视化的形式展示用户手臂肌肉在康复训练过程中的效果和康复情况，提高了用户的参与感和趣味性，通过视觉刺激用户的感官，激发了康复训练的积极性与主动性。

进一步地，图2示出了本公开另一些实施例的基于VR的手臂肌肉康复训练系统中神经网络模型训练的流程图。在为所述神经网络模型采集样本数据时，除了采集上述实施例中提供的运动数据外，康复手臂套2在关节运动对应的肌肉部位设置有多个肌电电极，所述肌电电极采集主动肌肉发力数据。将针对每个样本采集到的运动数据和主动肌肉发力数据进行对应存储。可选地，在选择样本时，尽量可以覆盖到多个用户群，以保证样本数据的全面性。

如图2所示，所述神经网络模型通过如下流程训练得到：

步骤S201，通过所述弯曲传感器和所述压力传感器采集运动数据，通过所述肌电电极采集主动肌肉发力数据。

步骤S202，以所述运动数据作为神经网络训练的输入数据，所述主动肌肉发力数据作为验证信号，进行神经网络模型训练。

步骤S203，将输出结果与所述主动肌肉发力数据进行比较，基于比较结果对所述神经网络模型进行优化，直至损失函数小于预设阈值。

将采集到的运动数据和主动肌肉发力数据传输给计算机设备1，计算机设备1将运动数据经过数据处理后作为神经网络训练的输入数据，同时肌电电极采集的主动肌肉发力数据经过计算机设备1预处理及特征提取后作为验证信号，对初始神经网络模型进行神经网络训练。将初始神经网络模型的输出结果与所述验证信号进行比较，计算两者间的损失函数。若损失函数大于预设阈值，则对初始神经网络中的参数进行调优，基于调优后的模型重复步骤S202-S203，直至损失函数小于预设阈值，说明已经完成了神经网络模型的训练。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置、系统可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

实施例二

结合附图3所示，为了实现上下肢协同训练，本实施例的肌肉康复设备2包括机体21、座椅22、第一安装架23、第二安装架24、手臂锻炼装置25、下肢锻炼装置26、手臂固定组件27和下肢固定组件(图中未示出该结构)等具体功能部件。

本实施例的机体21作为整个设备的基础安装结构，其用于安装上述的座椅22、第一安装架23和第二安装架24等，其中，两个第一安装架23可以位于座椅22的两侧，两个第二安装架24位于座椅22的下方，并且也位于座椅22的两侧。本实施例的机体21具体的结构形式可以是图中所示，也可以是任意一种安装结构，而且为了便于整个设备的移动，也可以在机体21的底部设置行走装置(图中未示出)等结构。

本实施例的手臂锻炼装置25安装在第一安装架23上，下肢锻炼装置26安装在第二安装架24上，具体的安装方式在下述中给出；相应的，本实施例的手臂固定组件27与手臂锻炼装置25连接配合，并在手臂锻炼装置25的带动下动作；下肢固定组件与下肢锻炼装置26连接配合，并在下肢锻炼装置26的带动下动作，手臂固定组件27和下肢固定组件的具体结构也在下述的描述中给出。

区别于现有的阻力锻炼设备，本实施例的手臂锻炼装置25和下肢锻炼装置26均为主动锻炼设备，在工作时，通过手臂锻炼装置25的动作带动固定在手臂固定组件27上的手臂进行动作训练，同时，通过下肢锻炼装置26的动作带动固定在下肢固定组件上的下肢进行动作训练，进而实现上下肢协同训练，以达到更好的康复训练效果。

基于上述结构，发明人发现，在现有技术中无论是阻力锻炼设备还是主动锻炼设备，只能实现手臂的绕轴运动或者简单的抬升下落，动作单一，无法实现多角度的运动-对应上肢锻炼，尤其无法对手腕等关节处进行良好的训练，而如果通过机械骨骼来包裹手臂来实现模拟人体动作不仅结构复杂，而且成本过高，因此本实施例提供了一种新的手臂锻炼装置25。

结合附图4和5所示，本实施例的手臂锻炼装置25可以在第一动作状态和第二动作状态之间动作，当然，还可以处于其他动作状态，图中仅示出了两个状态来呈现手臂锻炼装置25具体的动作形态。

本实施例的手臂锻炼装置25包括第一运动臂251、第二运动臂252、转动部件253、转动臂254、第一安装座255、第二安装座256、升降伸缩部件257和摆动伸缩部件258。其中，本实施例的第一运动臂251一端通过铰链安装在第一安装架23上，另一端通过铰链连接有本实施例的第一安装座255，第一安装臂可以是板状件或者其他形状，其自身具有良好的结构强度和刚度。其中，本实施例的升降伸缩部件257和摆动伸缩部件258以及下述的各伸缩部件均可以是气杆或电动杆等往复直线运动装置，本实施例的转动部件253可以是电机等结构。

本实施例的第二运动臂252一端安装在第一安装座255上，另一端安装座第二安装座256上，第二运动臂252可在第一安装座255上沿一个竖直平面转动，关于本实施例的第二运动臂252的具体结构和动作原理在下述中给出。本实施例的转动部件253一端与第二安装座256连接，另一端与转动臂254连接，以带动转动臂254转动。本实施例的升降伸缩部件257下端安装在第一安装架23上，上端与第二运动臂252连接，以带动第二运动臂252升降；本实施例的摆动伸缩部件258一端与第一运动臂251铰接，另一端与第一安装座255铰接，摆动伸缩部件258的伸缩能够带动第一安装座255和第二运动臂252在水平方向上转动。

相应的，本实施例的手臂固定组件27可以包括与第一运动臂251连接的第一固定件271、与第二运动臂252连接的第二固定件272以及与转动部件253连接的第三固定件273，第一固定件271用于固定大臂或者说是上臂，第二固定件272用于固定小臂或者说是前臂，第三固定件273用于固定手掌部位，具体的，本实施例的第一固定件271、第二固定件272可以是能够开合的箍形结构，并且可以调节紧固的范围以适配不同的患者，第三固定件273用于放置手掌，并且可以说是一个供人手把握的结构；当然，本实施例的手臂固定组件27的结构形式不限于此，例如手臂固定组件27也可以是一个穿戴结构，例如穿戴护具等。

本实施例的手臂锻炼装置25在工作时，通过升降伸缩部件257带动第一运动臂251上的手臂抬升或下降，以锻炼手臂与肩颈的连接处；通过摆动伸缩部件258带动小臂水平摆动，并且通过第二运动臂252的自身转动实现上下转动，来使得大臂和小臂之间的关节得到良好的锻炼，能够使得小臂在两个自由度上运动；通过转动部件253和转动臂254带动手腕运动。可知，本实施例的手臂锻炼装置25能够实现手臂在多个角度上的自由动作，并且能够锻炼到手臂的主要关节，训练效果明显优于现有结构，利于病人的康复。

基于上述手臂锻炼装置25，由于需要实现第二运动臂252的上下转动，而一般的转动结构均通过在第一运动臂251和第二运动臂252的连接处设置能够输出扭矩的结构(例如电机的转轴)来实现第二运动臂252的转动，这不仅不利于摆动伸缩部件258与第二运动臂252的连接，而且由于第二运动臂252的长度较长，单纯通过一个点的扭矩带动起转动，由于扭矩过大，长期以往容易出现扭矩结构变形松脱等现象，结构的稳定性较差，而且对输出扭矩的结构强度要求也较高，另外，单纯的绕轴转动也与人体手臂的动作原理不符，小臂转动与第二运动臂252的转动轨迹差异性较大，进而无法达到最优的训练效果，因此本实施例对第二运动臂252的结构做出了进一步的优化。

再结合附图3和4所示，本实施例的第二运动臂252包括第一臂体2521、第二臂体2522和转动伸缩部件2523；本实施例的第一安装座255上端设有第一连接部2551，下端设有第二连接部2552；本实施例的第二安装座256上端设有第三连接部2561，下端设有第四连接部2562。

其中，本实施例的第一臂体2521一端与第一安装座255的第一连接部2551铰接，另一端与第二连接座的第三连接部2561铰接，具体的，本实施例的第一连接部2551和第二连接部2552可以是铰接孔，第一臂体2521两端与铰接孔铰接；第二臂体2522与第一臂体2521平行，第二臂体2522一端与第二连接部2552铰接，另一端与第四连接部2562铰接，同理，本实施例的第二连接部2552和第四连接部2562也可以是铰接孔，第二臂体2522的两端与铰接孔铰接。

通过上述连接结构，使得第一臂体2521、第二臂体2522、第一安装座255和第二安装座256形成四连杆机构；本实施例的转动伸缩部件2523一端与第一连接部2551铰接，另一端与第四连接部2562铰接，或者，动伸缩部件一端与第二连接部2552铰接，另一端与第三连接部2561铰接；通过转动伸缩部件2523的伸缩可以带动该四连杆机构动作，以使得第二运动臂252在第一安装座255上沿一个竖直平面转动，进而实现第二运动臂252远离第一运动臂251的一端沿近似于椭圆弧线的轨迹动作，并且该轨迹与人体小臂的手腕附近的运动轨迹相同，能够更好的模仿人体动作，而且由于本实施例不采用扭矩输出来带动第二运动臂252动作，因此不会影响摆动伸缩部件258的动作，而且不会出现扭矩输出结构变形松脱等问题。

另外，为了实现训练数据的记录和反馈，可以在本实施例的第一安装架23上设有检测第一运动臂251转动角度的第一角度传感器(图中未示出)；并且在第一运动臂251和第二运动臂252之间设有第二角度传感器和第三角度传感器(图中未示出)，第二角度传感器用于检测第二运动臂252相对于第一运动臂251的摆动角度，第三角度传感器用于检测第二运动臂252相对于第一运动臂251的转动角度；另外，当手臂固定组件27为穿戴式结构时，还可以在手臂固定组件27上设置压力传感器，来检测手臂的压力；本实施例的第一角度传感器、第二角度传感器、第三角度传感器和压力传感器均与本实施例的计算机设备数据信号连接，以通过计算机设备对检测到的数据进行分析处理，具体的分析处理过程在上述实施例已经给出，本实施例不进行赘述。

除了手臂锻炼装置25外，本实施例还提供了一种下肢锻炼装置26，与现有的手臂锻炼装置25相同，现有的下肢锻炼结构动作也较为单一，对下肢的各个重要关节均进行训练，而且动作轨迹一般为圆弧形，对于下肢训练来说也无法达到最优的训练效果；另外，由于需要通过扭矩输出部位输出转动扭矩，因此也容易出现扭矩输出部位受力过大而产生变形松脱的问题。

因此，本实施例对下肢锻炼装置26的结构做出改进，结合附图1、6和7所示，本实施例的下肢锻炼装置26包括滚轮(图中未示出)、滑架261、第三安装座262、伸缩杆件263、第一抬升伸缩部件264、第二抬升伸缩部件265和踏板266；为了实现下肢锻炼装置26的滑动，本实施例在第二安装架24上设有弧形滑槽241，滚轮安装在弧形滑槽241内；滑架261与弧形滑槽241滑动配合，滑架261安装在滚轮上，并在滚轮的带动下在弧形滑槽241上滑动，滚轮可以是一个电动主动轮。

本实施例的第三安装座262包括本体2621、设于本体2621上端的第一连接耳2622和设于本体2621下端的第二连接耳2623；本体2621的长度方向沿竖直方向设置；第一连接耳2622一端与本体2621一体连接，另一端设有第五连接部2624；第二连接耳2623一端与本体2621一体连接，另一端设有第六连接部2625；其中，第五连接部2624与本体2621的水平距离小于第六连接部2625与本体2621的水平距离；伸缩杆件263下端与第五连接部2624铰接，上端与踏板266的底面一处连接，伸缩杆件263中部设有第七连接部2631；第一抬升伸缩部件264下端与第六连接部2625铰接，上端与第七连接部2631铰接；第二抬升伸缩部件265下端与第七连接部2631铰接，上端与踏板266的底面另一处连接。

本实施例的第一抬升伸缩部件264的伸缩能够带动伸缩杆件263和踏板266整体转动，进而实现踏板266的升降，并且踏板266转动的轨迹并非是现有的圆弧轨迹，而是与上述的第二运动臂252相同，形成类似于椭圆弧的运动轨迹，与人在正常行走运动过程中下肢的运动轨迹相同，进而达到更好的锻炼效果，而且利用第一抬升伸缩部件264的结构稳定性优于电机等输出扭矩的结构。

本实施例的第二抬升伸缩部件265用于单独带动踏板266转动，以实现脚踝部位的上下转动，优选的，踏板266包括主板体2661和铰接于主板体2661两侧的侧板2662，主板体2661的宽度小于人体一般脚掌的宽度，并且本实施例的下肢锻炼装置26还包括支撑伸缩部件267；支撑伸缩部件267一端与主板体2661铰接，另一端与侧板2662铰接，通过支撑伸缩部件267的伸缩来带动两个侧板2662转动，进而实现脚踝的左右转动，对脚踝具有更全面的锻炼效果。需要说明的是，本实施例的两侧板2662均连接有本实施例的支撑伸缩部件267，而位于两侧的两个支撑伸缩部件267的动作是相反的，才能实现共同带动脚踝向左或向右转动。

基于上述下肢锻炼装置26，本实施例的下肢固定组件可以是连接在踏板266上的穿戴护具，可以在该穿戴护具内设置与计算机设备连接的传感器，来获取人体的下肢运动数据。

以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术。

Claims (10)

1.一种基于VR的手臂肌肉康复训练系统，其特征在于，包括：计算机设备、肌肉康复设备、康复训练评价装置和虚拟现实设备；其中，

所述肌肉康复设备用于根据康复训练类型指令进行训练动作，帮助用户的手臂进行康复训练过程中的空间运动，并采集所述训练动作对应的运动数据，将所述运动数据发送至康复训练评价装置和所述计算机设备；其中，所述康复训练类型指令由所述计算机设备生成并发送至所述肌肉康复设备；

所述康复训练评价装置用于对所述运动数据进行处理分析，得到表征所述用户手臂肌肉指标的评价数据；

所述计算机设备用于根据康复训练类型、所述运动数据、所述评价数据中的一种或多种生成虚拟训练信息，并将所述虚拟训练信息发送至所述虚拟现实设备；

所述虚拟现实设备用于基于所述虚拟训练信息显示所述康复训练过程；

所述肌肉康复设备包括机体、座椅、第一安装架、第二安装架、手臂锻炼装置、下肢锻炼装置、手臂固定组件和下肢固定组件；所述座椅、所述第一安装架和所述第二安装架均安装在所述机体上，并且两个所述第一安装架位于所述座椅的两侧，两个所述第二安装架位于所述座椅的下方；所述手臂锻炼装置安装在所述第一安装架上，所述下肢锻炼装置安装在所述第二安装架上；所述手臂固定组件与所述手臂锻炼装置连接配合，并在所述手臂锻炼装置的带动下动作；所述下肢固定组件与所述下肢锻炼装置连接配合，并在所述下肢锻炼装置的带动下动作；

所述手臂锻炼装置包括第一运动臂、第二运动臂、转动部件、转动臂、第一安装座、第二安装座、升降伸缩部件和摆动伸缩部件；所述第一运动臂一端铰接在所述第一安装架上，另一端铰接有所述第一安装座；所述第二运动臂一端安装在所述第一安装座上，另一端安装在所述第二安装座上，所述第二运动臂可在所述第一安装座上沿一个竖直平面转动；所述转动部件一端与所述第二安装座连接，另一端与所述转动臂连接，以带动所述转动臂转动；所述升降伸缩部件下端安装在所述第一安装架上，上端与所述第二运动臂连接，以带动所述第二运动臂升降；所述摆动伸缩部件一端与所述第一运动臂铰接，另一端与所述第一安装座铰接，所述摆动伸缩部件的伸缩能够带动所述第一安装座和所述第二运动臂在水平方向上转动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述肌肉康复设备包括康复手臂套，所述康复手臂套中对应手臂的各关节处分别设置有弯曲传感器和压力传感器，所述康复手臂套外部设置有摄像装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述运动数据包括所述弯曲传感器和所述压力传感器采集的运动力数据，以及所述摄像装置捕获的手臂姿态位置数据。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述肌肉康复设备还包括控制器、多个电机和设置在所述康复手臂套中的多个运动组件；其中，所述电机与所述运动组件存在对应关系，且与所述运动组件电连接；所述控制器用于基于所述康复训练类型指令控制所述电机驱动对应的运动组件运动。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟现实设备中设置有意图识别装置，所述意图识别装置用于采集所述用户的意图特征信息，并将所述信息发送至所述计算机设备，以使得所述计算机设备根据所述意图特征信息确定所述康复训练类型。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述康复训练评价装置具体用于将所述运动数据输入至预先训练的神经网络模型，得到所述用户手臂各块肌肉的发力数据；将所述各块肌肉的发力数据与对应的样本肌肉的发力数据进行对比分析，生成所述各块肌肉的评价数据。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在为所述神经网络模型采集样本数据时，所述康复手臂套在关节运动对应的肌肉部位设置有多个肌电电极，所述肌电电极采集主动肌肉发力数据；所述神经网络模型通过如下方法训练得到：

通过所述弯曲传感器和所述压力传感器采集运动数据，通过所述肌电电极采集主动肌肉发力数据；

以所述运动数据作为神经网络训练的输入数据，所述主动肌肉发力数据作为验证信号，进行神经网络模型训练；

将输出结果与所述主动肌肉发力数据进行比较，基于比较结果对所述神经网络模型进行优化，直至损失函数小于预设阈值。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在康复训练未开始时，所述计算机设备根据所述康复训练类型确定对应的虚拟训练信息，所述虚拟现实设备基于所述虚拟训练信息展示待训练的虚拟场景；在康复训练过程中，所述计算机设备根据所述运动数据生成虚拟训练变化信息，所述虚拟现实设备基于所述虚拟训练变化信息更新展示在所述运动数据作用下的所述虚拟场景。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述计算机设备根据所述评价数据生成表征所述用户手臂每块肌肉的发力情况的可视化信息；所述虚拟现实设备在展示的所述场景下呈现所述可视化信息对应的所述用户手臂肌肉的视觉反馈。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟现实设备为虚拟现实眼镜或虚拟现实头盔。

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