CN115363907A - 一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 - Google Patents
一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115363907A CN115363907A CN202210933875.1A CN202210933875A CN115363907A CN 115363907 A CN115363907 A CN 115363907A CN 202210933875 A CN202210933875 A CN 202210933875A CN 115363907 A CN115363907 A CN 115363907A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rehabilitation
- training
- module
- virtual reality
- patient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012549 training Methods 0.000 title claims abstract description 182
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 claims abstract description 92
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 90
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 44
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 claims abstract description 36
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 20
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 12
- 241000544061 Cuculus canorus Species 0.000 claims description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 11
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 8
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 7
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 6
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 claims description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 3
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003183 myoelectrical effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- 235000005770 birds nest Nutrition 0.000 description 3
- 235000005765 wild carrot Nutrition 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 206010060820 Joint injury Diseases 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 230000002567 autonomic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000011478 gradient descent method Methods 0.000 description 1
- 230000009916 joint effect Effects 0.000 description 1
- 230000008407 joint function Effects 0.000 description 1
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 238000003062 neural network model Methods 0.000 description 1
- 230000001272 neurogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000026676 system process Effects 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
- A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
- A61H1/0237—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising for the lower limbs
- A61H1/0266—Foot
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/12—Driving means
- A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5007—Control means thereof computer controlled
- A61H2201/501—Control means thereof computer controlled connected to external computer devices or networks
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5007—Control means thereof computer controlled
- A61H2201/501—Control means thereof computer controlled connected to external computer devices or networks
- A61H2201/5012—Control means thereof computer controlled connected to external computer devices or networks using the internet
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，所述虚拟现实康复训练系统包括柔性踝关节康复机器人、控制系统硬件模块、上位机显示控制模块、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块、康复决策模块。柔性踝关节康复机器人通过虚拟现实通信模块与虚拟环境模块相连，使踝关节的运动信息传入虚拟场景中，并且能够采集患者踝关节在三个自由度上的运动角度信息并进行精准的运动控制；控制系统硬件模块根据上位机显示控制模块控制进行运动：康复决策模块可使虚拟现实训练任务根据患者康复训练实时的反馈信号进行自适应更新。本申请能够极大提升患者训练的积极性，并能解决传统脚踝康复训练中患者积极性不高、训练模式单一、康复效率低下等问题。
Description
技术领域
本发明涉属于康复训练系统领域，尤其涉及及一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法。
背景技术
踝关节损伤在生活中极为常见，要使踝关节功能得到最大程度恢复，及时有效的康复治疗必不可少。传统运动康复方式大多是由理疗师进行辅助，既没有准确的训练记录和训练反馈，也无法完成高强度重复性的训练，并且训练模式较为枯燥单一，无法调动患者康复训练的积极主动性。
康复性医疗机器人技术是近些年发展起来的一种运动神经性康复治疗技术，能够对患者进行运动辅助控制并实时记录其运动数据，极大地增强了康复训练过程的目的性和科学性。虚拟现实技术通过构建高真实感的虚拟场景为患者提供康复训练环境，既能够改变固有的康复训练模式，还能很好地将游戏与诊疗进行结合，摆脱以往枯燥的训练状态，极大提高训练的趣味性。
虚拟现实技术与机器人技术的结合为康复治疗领域打开了新的发展方向并得到了广泛应用。Amir B.Farjadian等人研制的虚拟现实增强自行车套件将踝关节康复融入脚踏车训练模块，有助于对踝关节的肌力锻炼，加上强大的数据采集系统，大大地提高了踝关节康复训练的精度。但该系统整体过于复杂，穿戴不便且无法完成被动训练。MichaelGirone等人研发出了“Rutgers Ankle”踝关节康复机构，该机构能够辅助患者进行自主康复训练，通过PC机生成虚拟场景，让患者一边游戏一边进行康复训练，能够增加患者整个康复过程的趣味性，带来有效的康复效果，但该康复机器人难以实现精确控制且成本较高。以上两种康复训练方式代表了目前虚拟现实康复训练中存在的一些问题且在训练过程中均缺少康复决策，不能实现对患者的实际训练的实时调节。
因此，需要对现有技术进行改进，既能为患者提供不同训练模式，又能实现精准控制，且实现虚拟现实康复训练-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环，为踝关节患者提供更有效的康复训练。
发明内容
本发明提供一种基于虚拟现实的机器人辅助踝关节康复训练系统及其康复决策方法，根据患者关节运动能力制定合适的康复训练模式，结合控制方法实现机器人的辅助，基于虚拟现实场景任务完成踝关节外展/内收、外旋/内旋、内翻/外翻康复训练，实现虚拟现实康复训练-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环，整个训练过程既能够提高训练的趣味性又能确保康复训练的有效性。
一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，
所述虚拟现实康复训练系统包括：柔性踝关节康复机器人、控制系统硬件模块、上位机显示控制模块、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块、康复决策模块；
所述的柔性踝关节康复机器人、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块依次连接；
所述控制系统硬件模块与所述柔性踝关节康复机器人连接；
所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块连接；
所述康复决策模块与所述虚拟环境模块连接；
所述柔性踝关节康复机器人与患者踝关节进行绑定，用于辅助患者踝关节在不同自由度上的转动；
所述控制系统硬件模块用于驱动所述柔性踝关节康复机器人的实际运动，根据上位机发出的控制指令进行实时调节；
所述上位机显示控制模块用于显示病人脚踝三个不同自由度上的关节运动角度信息，能够达到实时的轨迹跟踪效果；
在所述上位机显示控制模块中，用户可以进行康复模式选择，即被动模式和主动模式，被动模式即基于虚拟任务的所述柔性踝关节康复机器人主动控制，主动模式即基于虚拟任务驱动的用户主动控制，结合患者踝关节的运动能力以及场景任务难度规划，实现在不同场景任务下的所述柔性踝关节康复机器人的辅助控制；
所述虚拟现实通信模块用于将踝关节的角度变化信息实时输入至虚拟场景中，作用包括将患者脚踝的运动信号上传至上位机以及建立服务端和客户端实现上位机与虚拟场景之间的通信；
所述虚拟环境模块用于提供患者康复训练时的场景反馈，实现虚拟现实交互；
所述康复决策模块通过基于布谷鸟算法改进的模糊神经网络康复训练决策模型，分析患者康复训练过程中的肌电信号和活动范围，建立映射模型，实现实时调整康复训练场景动作的速度和范围；
作为优选，所述柔性踝关节康复机器人采集的各种患者运动状态信息，作为康复决策合理地设计康复训练任务的依据，所述上位机显示控制模块提供交互界面以及实现机器人控制，给予所述柔性踝关节康复机器人运动轨迹，所述虚拟现实通信模块实现所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块之间、所述上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，以保证患者与虚拟场景的自然交互；
作为优选，所述虚拟环境模块能够给患者提供趣味性强沉浸度高的虚拟训练环境以及不同的训练模式，让患者摆脱传统枯燥的训练方式；
所述控制系统硬件模块由特定的训练需求并根据计算得到相关控制指令，通过对气动肌肉驱动器的控制来实现对3-DOF脚踝康复机器人动平台的控制，实现踝关节的内翻/外翻、内收/外展运动、背屈/跖屈运动，以辅助患者进行相应运动康复训练；
所述柔性踝关节康复机器人的三个轴向上均安装有一个角度传感器，用于实时记录踝关节的角度变化情况，虚拟现实实时通信模块能够将踝关节的角度变化信息传入虚拟场景中，根据制定的对应运动策略，驱动康复游戏中的物体进行相应运动，实现虚拟现实同步，提高训练的趣味性和沉浸感。
作为优选，所述虚拟环境模块中包含用户信息模块以及公园漫游场景、室内收纳场景及飞机作战场景等三个训练场景，从日常生活场景到挑战性的空中场景，从全被动由机器人带动训练到患者控制机器人自主训练，整个过程既富含趣味性，又能使康复训练过程循序渐进。
作为优选，所述上位机显示控制模块，显示模块中，可以看到病人脚踝的实时运动轨迹，此处将所述柔性踝关节康复机器人的运动信息分解为X、Y、Z三个轴向的运动，每个轴向的曲线图界面上都有两条曲线，红色曲线为所述柔性踝关节康复机器人的期望轨迹，蓝色曲线为其实际运动轨迹，能够看出实时的轨迹跟踪效果。控制模块中可进行相关运动参数的设置输入，如运动模式、运动范围、运动速度等，以及进行各种控制功能，如初始化、停止等。
作为优选，所述虚拟现实实时通信模块包含两个部分，第一部分是柔性踝关节康复机器人与上位机显示控制模块之间的通信，数据采集卡可作为通信介质能够将患者脚踝的运动信号上传至上位机显示控制模块，或是上位机显示控制模块将计算的控制量转化为模拟电压信号传送给气压比例阀，从而实现对柔性踝关节康复机器人的控制；
第二部分是上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，建立服务端和客户端，通过TCP网络通信实时向虚拟环境模块中传入患者脚踝的运动信号，进行对虚拟化身的同步控制，从而实现了虚拟现实的人机交互，提升患者康复训练的趣味性。
作为优选，所述训练模式分为被动训练和主动训练两种。被动模式即为基于虚拟任务的机器人主动控制，主动模式即为虚拟任务驱动的用户主动控制。结合所述上位机显示控制模块和康复决策模型对用户踝关节的运动能力以及场景任务难度进行分析评估，规划后可由控制系统硬件模块进行期望轨迹的设定，实现在不同场景任务下的机器人的辅助控制。
作为优选，所述虚拟环境模块使患者在完成游戏任务的同时，进行踝关节康复训练运动，运动过程中上位机显示控制模块能够采集肌电数据和角度数据，通过康复评估显示患者当前康复状态，并在自适应的康复决策模型下自动更新演化训练场景，使运动负荷实时调控，实现虚拟现实康复训练-康复评估-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环。
作为优选，进行虚拟现实康复训练决策时，需要高效并准确的建立患者运动状态与虚拟训练场景中参数的联系，这一目标由所述虚拟现实通信模块完成，即建立输入和人输出数据间的非线性映射关系，并由所述柔性踝关节康复机器人为患者踝关节提供助力的作用，通过所述康复决策模型建立运动负荷实时调控的康复训练系统，能使患者进行个性化、适应性的康复训练。
本发明的有益效果在于：本发明不仅能够帮助患者完成基本的康复训练，而且以虚拟游戏的方式提高了患者对康复训练的积极主动性，实现了虚拟现实康复训练-康复评估-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环。在训练中，机器人具有控制精度高、可重复性好及训练模式多样化等优点，很好地解决了人工辅助康复的缺陷性。虚拟现实技术以其独有优势能够将游戏、诊疗、心理引导三者融为一体，提高训练的趣味性并消除患者的抵触心理，从而提高康复效率，加快患者的康复进程。所设计的自适应康复训练决策模型能够很好地满足在虚拟现实康复训练过程中，根据患者运动训练状态实时调整虚拟训练场景的控制参数，以此改变康复训练任务的难度，让患者能够得到个性化适度训练。
附图说明
图1：虚拟场景的基本实现流程图；
图2：脚踝康复机器人系统工作原理图；
图3：根据本发明一个实施例的基于虚拟现实的机器人辅助踝关节康复训练系统整体流程图；
图4：踝关节康复训练系统软件模块框图；
图5：基于布谷鸟优化的模糊神经网络算法建立的CS-FNN虚拟现实康复训练决策模型结构图；
图6：CS-FNN虚拟现实康复训练决策模型结构及工作流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。
本发明的具体实施方式为一种基于虚拟现实的机器人辅助踝关节康复训练系统及其康复决策方法，包括以下步骤：
进入康复训练系统界面，填写参与者信息；
根据患者实际踝关节运动角度信息选择训练模式及场景任务；
被动模式下根据场景任务制定康复运动轨迹，主动模式下根据场景任务自行主动运动；
每轮训练结束给出训练得分及康复评估；
该次训练结束后结合患者训练情况进行自适应康复决策，调整训练策略。
下面结合图1至图6介绍本发明的实施方式为一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，具体如下：
如图1所示，本发明提供踝关节背伸/跖屈对应方向运动训练以及三自由度踝关节训练。从日常生活场景到挑战性的空中场景，从全被动由机器人带动训练到患者控制机器人自主训练，整个过程既富含趣味性，又能使康复训练过程循序渐进。三个场景的基本实现流程如图1所示。
如图2所示为机器人的系统工作原理图，设计的虚拟训练场景均可设置为完全被动训练模式，即根据场景的任务路径设计好脚踝机器人的运动轨迹，完全由机器人带动患者运动。虚拟场景中设计的路径包含前行、后退、左转、右转等动作基本上涵盖了日常行走过程中的踝关节的运动方式，容易让患者从虚拟行为转换到现实生活。
如图3所示为整个康复训练系统流程，系统主要分为柔性踝关节康复机器人、控制系统硬件模块、上位机显示控制模块、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块、康复决策模块；
所述的柔性踝关节康复机器人、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块依次连接；
所述控制系统硬件模块与所述柔性踝关节康复机器人连接；
所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块连接；
所述康复决策模块与所述虚拟环境模块连接；
所述柔性踝关节康复机器人与患者踝关节进行绑定，用于辅助患者踝关节在不同自由度上的转动；
所述控制系统硬件模块用于驱动所述柔性踝关节康复机器人的实际运动，根据上位机发出的控制指令进行实时调节；
所述上位机显示控制模块用于显示病人脚踝三个不同自由度上的关节运动角度信息，能够达到实时的轨迹跟踪效果；
在所述上位机显示控制模块中，用户可以进行康复模式选择，即被动模式和主动模式，被动模式即基于虚拟任务的所述柔性踝关节康复机器人主动控制，主动模式即基于虚拟任务驱动的用户主动控制，结合患者踝关节的运动能力以及场景任务难度规划，实现在不同场景任务下的所述柔性踝关节康复机器人的辅助控制；
所述虚拟现实通信模块用于将踝关节的角度变化信息实时输入至虚拟场景中，作用包括将患者脚踝的运动信号上传至上位机以及建立服务端和客户端实现上位机与虚拟场景之间的通信；
所述虚拟环境模块用于提供患者康复训练时的场景反馈，实现虚拟现实交互；
所述康复决策模块通过基于布谷鸟算法改进的模糊神经网络康复训练决策模型，分析患者康复训练过程中的肌电信号和活动范围，建立映射模型，实现实时调整康复训练场景动作的速度和范围；
所述柔性踝关节康复机器人采集的各种患者运动状态信息，作为康复决策合理地设计康复训练任务的依据，所述上位机显示控制模块提供交互界面以及实现机器人控制，给予所述柔性踝关节康复机器人运动轨迹，所述虚拟现实通信模块实现所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块之间、所述上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，以保证患者与虚拟场景的自然交互；
所述虚拟环境模块能够给患者提供趣味性强沉浸度高的虚拟训练环境以及不同的训练模式，让患者摆脱传统枯燥的训练方式；
所述控制系统硬件模块由特定的训练需求并根据计算得到相关控制指令，通过对气动肌肉驱动器的控制来实现对3-DOF脚踝康复机器人动平台的控制，实现踝关节的内翻/外翻、内收/外展运动、背屈/跖屈运动，以辅助患者进行相应运动康复训练；
所述柔性踝关节康复机器人的三个轴向上均安装有一个角度传感器，用于实时记录踝关节的角度变化情况，虚拟现实实时通信模块能够将踝关节的角度变化信息传入虚拟场景中，根据制定的对应运动策略，驱动康复游戏中的物体进行相应运动，实现虚拟现实同步，提高训练的趣味性和沉浸感。
所述虚拟环境模块中包含用户信息模块以及公园漫游场景、室内收纳场景及飞机作战场景等三个训练场景，从日常生活场景到挑战性的空中场景，从全被动由机器人带动训练到患者控制机器人自主训练，整个过程既富含趣味性，又能使康复训练过程循序渐进。
所述上位机显示控制模块，显示模块中，可以看到病人脚踝的实时运动轨迹，此处将所述柔性踝关节康复机器人的运动信息分解为X、Y、Z三个轴向的运动，每个轴向的曲线图界面上都有两条曲线，红色曲线为所述柔性踝关节康复机器人的期望轨迹，蓝色曲线为其实际运动轨迹，能够看出实时的轨迹跟踪效果。控制模块中可进行相关运动参数的设置输入，如运动模式、运动范围、运动速度等，以及进行各种控制功能，如初始化、停止等。
所述虚拟现实实时通信模块包含两个部分，第一部分是柔性踝关节康复机器人与上位机显示控制模块之间的通信，数据采集卡可作为通信介质能够将患者脚踝的运动信号上传至上位机显示控制模块，或是上位机显示控制模块将计算的控制量转化为模拟电压信号传送给气压比例阀，从而实现对柔性踝关节康复机器人的控制；
第二部分是上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，建立服务端和客户端，通过TCP网络通信实时向虚拟环境模块中传入患者脚踝的运动信号，进行对虚拟化身的同步控制，从而实现了虚拟现实的人机交互，提升患者康复训练的趣味性。
所述训练模式分为被动训练和主动训练两种。被动模式即为基于虚拟任务的机器人主动控制，主动模式即为虚拟任务驱动的用户主动控制。结合所述上位机显示控制模块和康复决策模型对用户踝关节的运动能力以及场景任务难度进行分析评估，规划后可由控制系统硬件模块进行期望轨迹的设定，实现在不同场景任务下的机器人的辅助控制。
所述虚拟环境模块使患者在完成游戏任务的同时，进行踝关节康复训练运动，运动过程中上位机显示控制模块能够采集肌电数据和角度数据，通过康复评估显示患者当前康复状态，并在自适应的康复决策模型下自动更新演化训练场景，使运动负荷实时调控，实现虚拟现实康复训练-康复评估-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环。
进行虚拟现实康复训练决策时，需要高效并准确的建立患者运动状态与虚拟训练场景中参数的联系，这一目标由所述虚拟现实通信模块完成，即建立输入和人输出数据间的非线性映射关系，并由所述柔性踝关节康复机器人为患者踝关节提供助力的作用，通过所述康复决策模型建立运动负荷实时调控的康复训练系统，能使患者进行个性化、适应性的康复训练。
如图4所示为踝关节康复训练系统软件模块，踝关节康复训练系统软件模块可由虚拟场景软件模块、实时数据显示及控制模块、虚拟现实通信模块等组成。
如图5所示，本文将基于布谷鸟优化的模糊神经网络算法用于虚拟现实康复训练决策，建立了CS-FNN虚拟现实康复训练决策模型。在布谷鸟优化的模糊神经网络中，主要步骤与模糊神经网络相同，在权值更新时把梯度下降法替换为布谷鸟寻优算法。从改进模糊神经网络的收敛性，提高模糊神经网络的精确度，实现基于布谷鸟优化的模糊神经网络，主要流程有：聚类中心初始化、按聚类中心原则分组、更新聚类中心、初始化权值、求高斯隶属度宽度和中心、找出最优鸟巢、莱维飞行更新鸟窝位置、找出最优鸟窝，满足条件输出最优解、更新权值等。基于布谷鸟优化的模糊神经网络工作流程如图5所示。
如图6所示，一种应用于上述虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，将基于布谷鸟优化的模糊神经网络算法用于虚拟现实康复训练决策，建立CS-FNN虚拟现实康复训练决策模型，模型结构及工作流程如图6所示，具体包括如下步骤：
步骤一，计算踝关节活动度，将踝关节的三个运动轴向的ROM值构成关节活动度特征矩阵Aj；
步骤二，计算下肢四块肌肉的肌电信号平均值(AverageElectromyography，AEMG)构成Am；
上式中xm为第m个肌电信号值。由Aj和Am构成患者康复训练运动状态特征矩阵A；
A＝[Aj,Am]
步骤三，将运动状态特征矩阵A作为训练数据代入CS-FNN模型中进行训练，实时调节虚拟现实训练场景的参数，即进行康复训练所需的速度及运动范围，虚拟现实康复训练场景控制参数集合C如下：
C＝[Vi,Rj](i＝1,2,j＝1,2,)
上式中，Vi为场景动作速度控制系数,i值范围为[1,2]，i值越大场景动作控制速度越快，分别代表慢速和快速，Rj为场景动作范围控制系数，j值范围为[1,2]，j值越大场景动作范围越大，两个值分别代表小范围和大范围；
步骤四,将患者康复训练时踝关节活动度特征矩阵Aj和肌电信号平均值Am分别归一化，组合构成CS-FNN康复训练决策模型的输入X，虚拟场景动作速度控制系数Vi和范围控制系数Rj组合作为模型输出Y；
X＝[Aj,Am]
Y＝[Vi,Rj]
步骤五，通过下式f计算第i个布谷鸟鸟巢的适应度函数，在CS-FNN中，适应度函数f就是实际输出值和预测输出值之间的误差绝对值之和；
上式中N表示次数，δ(t)表示患者进行康复训练时运动状态指标，包括角加速度以及关节活动度变化量所构建的CS-FNN训练目标函数，δ(t)如下：
δ(t)＝min(μ·ΔAj+λ·ΔAm)
上式中，ΔAj代表关节活动度变化量，ΔAm代表角加速度变化量；
其中
是康复训练初始状态的关节活动度，
是初始状态的角加速度，均为归一化后的矩阵，μ和λ表示代价函数对于两个输入特征值的权值系数；
用CS-FNN构建康复患者康复训练踝关节运动状态到虚拟现实康复训练场景的难度关系映射，利用CS对FNN算法中高斯隶属度函数宽度和中心两个参数进行优化，得到优化的模糊神经网络模型用于控制虚拟康复训练场景中任务动作的范围和速度，使康复训练任务难度要求适应于患者运动能力。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，
所述虚拟现实康复训练系统包括：柔性踝关节康复机器人、控制系统硬件模块、上位机显示控制模块、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块、康复决策模块；
所述的柔性踝关节康复机器人、虚拟现实通信模块、虚拟环境模块依次连接；
所述控制系统硬件模块与所述柔性踝关节康复机器人连接；
所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块连接；
所述康复决策模块与所述虚拟环境模块连接；
所述柔性踝关节康复机器人与患者踝关节进行绑定，用于辅助患者踝关节在不同自由度上的转动；
所述控制系统硬件模块用于驱动所述柔性踝关节康复机器人的实际运动，根据上位机发出的控制指令进行实时调节；
所述上位机显示控制模块用于显示病人脚踝三个不同自由度上的关节运动角度信息，能够达到实时的轨迹跟踪效果；
在所述上位机显示控制模块中，用户可以进行康复模式选择，即被动模式和主动模式，被动模式即基于虚拟任务的所述柔性踝关节康复机器人主动控制，主动模式即基于虚拟任务驱动的用户主动控制，结合患者踝关节的运动能力以及场景任务难度规划，实现在不同场景任务下的所述柔性踝关节康复机器人的辅助控制；
所述虚拟现实通信模块用于将踝关节的角度变化信息实时输入至虚拟场景中，作用包括将患者脚踝的运动信号上传至上位机以及建立服务端和客户端实现上位机与虚拟场景之间的通信；
所述虚拟环境模块用于提供患者康复训练时的场景反馈，实现虚拟现实交互；
所述康复决策模块通过基于布谷鸟算法改进的模糊神经网络康复训练决策模型，分析患者康复训练过程中的肌电信号和活动范围，建立映射模型，实现实时调整康复训练场景动作的速度和范围。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，由所述柔性踝关节康复机器人采集的各种患者运动状态信息，作为康复决策合理地设计康复训练任务的依据，所述上位机显示控制模块提供交互界面以及实现机器人控制，给予所述柔性踝关节康复机器人运动轨迹，所述虚拟现实通信模块实现所述柔性踝关节康复机器人与所述上位机显示控制模块之间、所述上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，以保证患者与虚拟场景的自然交互。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述虚拟环境模块能够给患者提供趣味性强沉浸度高的虚拟训练环境以及不同的训练模式，让患者摆脱传统枯燥的训练方式；
所述控制系统硬件模块由特定的训练需求并根据计算得到相关控制指令，通过对气动肌肉驱动器的控制来实现对3-DOF脚踝康复机器人动平台的控制，实现踝关节的内翻/外翻、内收/外展运动、背屈/跖屈运动，以辅助患者进行相应运动康复训练；
所述柔性踝关节康复机器人的三个轴向上均安装有一个角度传感器，用于实时记录踝关节的角度变化情况，虚拟现实实时通信模块能够将踝关节的角度变化信息传入虚拟场景中，根据制定的对应运动策略，驱动康复游戏中的物体进行相应运动，实现虚拟现实同步，提高训练的趣味性和沉浸感。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述虚拟环境模块中包含用户信息模块以及公园漫游场景、室内收纳场景及飞机作战场景等三个训练场景，从日常生活场景到挑战性的空中场景，从全被动由机器人带动训练到患者控制机器人自主训练，整个过程既富含趣味性，又能使康复训练过程循序渐进。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述上位机显示控制模块，显示模块中，可以看到病人脚踝的实时运动轨迹，此处将所述柔性踝关节康复机器人的运动信息分解为X、Y、Z三个轴向的运动，每个轴向的曲线图界面上都有两条曲线，红色曲线为所述柔性踝关节康复机器人的期望轨迹，蓝色曲线为其实际运动轨迹，能够看出实时的轨迹跟踪效果。控制模块中可进行相关运动参数的设置输入，如运动模式、运动范围、运动速度等，以及进行各种控制功能，如初始化、停止等。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述虚拟现实实时通信模块包含两个部分，第一部分是柔性踝关节康复机器人与上位机显示控制模块之间的通信，数据采集卡可作为通信介质能够将患者脚踝的运动信号上传至上位机显示控制模块，或是上位机显示控制模块将计算的控制量转化为模拟电压信号传送给气压比例阀，从而实现对柔性踝关节康复机器人的控制；
第二部分是上位机显示控制模块与虚拟环境模块之间的通信，建立服务端和客户端，通过TCP网络通信实时向虚拟环境模块中传入患者脚踝的运动信号，进行对虚拟化身的同步控制，从而实现了虚拟现实的人机交互，提升患者康复训练的趣味性。
7.根据权利要求3所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述训练模式分为被动训练和主动训练两种。被动模式即为基于虚拟任务的机器人主动控制，主动模式即为虚拟任务驱动的用户主动控制。结合所述上位机显示控制模块和康复决策模型对用户踝关节的运动能力以及场景任务难度进行分析评估，规划后可由控制系统硬件模块进行期望轨迹的设定，实现在不同场景任务下的机器人的辅助控制。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，所述虚拟环境模块使患者在完成游戏任务的同时，进行踝关节康复训练运动，运动过程中上位机显示控制模块能够采集肌电数据和角度数据，通过康复评估显示患者当前康复状态，并在自适应的康复决策模型下自动更新演化训练场景，使运动负荷实时调控，实现虚拟现实康复训练-康复评估-自适应康复训练决策-虚拟现实康复训练的闭环。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法，其特征在于，进行虚拟现实康复训练决策时，需要高效并准确的建立患者运动状态与虚拟训练场景中参数的联系，这一目标由所述虚拟现实通信模块完成，即建立输入和人输出数据间的非线性映射关系，并由所述柔性踝关节康复机器人为患者踝关节提供助力的作用，通过所述康复决策模型建立运动负荷实时调控的康复训练系统，能使患者进行个性化、适应性的康复训练。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210933875.1A CN115363907A (zh) | 2022-08-04 | 2022-08-04 | 一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210933875.1A CN115363907A (zh) | 2022-08-04 | 2022-08-04 | 一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115363907A true CN115363907A (zh) | 2022-11-22 |
Family
ID=84064025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210933875.1A Pending CN115363907A (zh) | 2022-08-04 | 2022-08-04 | 一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115363907A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117148977A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-01 | 深圳市花生数字多媒体有限公司 | 一种基于虚拟现实的运动康复训练方法 |
| CN117298452A (zh) * | 2023-11-28 | 2023-12-29 | 首都医科大学附属北京天坛医院 | 经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的下肢康复系统 |
| CN118098604A (zh) * | 2024-04-28 | 2024-05-28 | 山东大学 | 多源数据驱动的脑卒中上肢康复虚实交互方法及系统 |
-
2022
- 2022-08-04 CN CN202210933875.1A patent/CN115363907A/zh active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117148977A (zh) * | 2023-09-05 | 2023-12-01 | 深圳市花生数字多媒体有限公司 | 一种基于虚拟现实的运动康复训练方法 |
| CN117148977B (zh) * | 2023-09-05 | 2024-05-03 | 深圳市万景数字有限公司 | 一种基于虚拟现实的运动康复训练方法 |
| CN117298452A (zh) * | 2023-11-28 | 2023-12-29 | 首都医科大学附属北京天坛医院 | 经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的下肢康复系统 |
| CN117298452B (zh) * | 2023-11-28 | 2024-03-08 | 首都医科大学附属北京天坛医院 | 经颅交流电刺激的虚拟现实辅助下的下肢康复系统 |
| CN118098604A (zh) * | 2024-04-28 | 2024-05-28 | 山东大学 | 多源数据驱动的脑卒中上肢康复虚实交互方法及系统 |
| CN118098604B (zh) * | 2024-04-28 | 2024-07-30 | 山东大学 | 多源数据驱动的脑卒中上肢康复虚实交互方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115363907A (zh) | 一种基于虚拟现实康复训练系统的康复决策方法 | |
| JP6734944B2 (ja) | コンピュータ化された運動装置 | |
| WO2021068542A1 (zh) | 基于力反馈技术的上肢主被动康复训练机器人系统 | |
| CN111956452B (zh) | 一种上肢康复机器人控制方法及装置 | |
| CN103735389B (zh) | 一种手指间协调性训练康复装置 | |
| CN114366556B (zh) | 一种面向下肢康复的多模式训练控制系统及方法 | |
| US20080243038A1 (en) | Physical therapy system and method | |
| Wu et al. | Patient-active control of a powered exoskeleton targeting upper limb rehabilitation training | |
| CN108524187A (zh) | 一种六自由度的上肢康复机器人控制系统 | |
| Balasubramanian et al. | Adaptive control of a wearable exoskeleton for upper-extremity neurorehabilitation | |
| WO2023206833A1 (zh) | 基于肌肉协同和变刚度阻抗控制的手腕部康复训练系统 | |
| Esfahlani et al. | Fusion of artificial intelligence in neuro-rehabilitation video games | |
| Zheng et al. | A virtual reality rehabilitation training system based on upper limb exoskeleton robot | |
| CN112274865A (zh) | 下肢康复机器人的按需辅助自适应控制方法和系统 | |
| CN113995629B (zh) | 基于镜像力场的上肢双臂康复机器人导纳控制方法及系统 | |
| CN113262088B (zh) | 一种具有力反馈的多自由度混合控制假肢手及控制方法 | |
| Cartagena et al. | Multifunctional exoskeletal orthosis for hand rehabilitation based on virtual reality | |
| US20230256296A1 (en) | Wrist rehabilitation training system based on muscle coordination and variable stiffness impedance control | |
| CN115157247B (zh) | 一种具有平衡辅助功能的下肢外骨骼康复机器人控制方法 | |
| CN106377395A (zh) | 指关节康复训练装置及手指关节训练机构 | |
| CN114795604B (zh) | 基于非零和博弈的下肢假肢协调控制方法及系统 | |
| CN116671941A (zh) | 一种用于柔性下肢外骨骼的镜像自适应阻抗控制方法 | |
| Friedrich et al. | Serious Games for Home-based Stroke Rehabilitation. | |
| Lin et al. | Voluntary-Redundant Hybrid Control of SuperLimb based on Redundant Muscle for On-Site Assembly Tasks | |
| Cotton | Smartphone control for people with tetraplegia by decoding wearable electromyography with an on-device convolutional neural network |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |