CN117462919A - 用于虚拟现实的康复训练方法及其辅助设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于虚拟现实的康复训练方法及其辅助设备，涉及医疗设备技术领域，辅助设备包括定位平台、训练器件和图像采集件，训练器件上设置有采集模块；康复训练方法包括S1训练者穿戴VR设备并位于定位平台前；S2图像采集件获取定位平台的影像；S3在VR设备的虚拟环境中建立定位平台的虚拟平面；S4调整虚拟平面与定位平台重合；S5获取训练计划；S6训练者根据训练计划进行康复训练，训练器件的采集模块采集训练训练者的相关信息；本辅助设备为肢体康复训练或类似应用场景提供现实感知，增强训练者的训练体验，同时也可以采集训练者在训练过程中的相关数据，实现对训练数据的精确量化，便于对训练效果进行评估以及对后续训练的改进。

Description

用于虚拟现实的康复训练方法及其辅助设备
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种用于虚拟现实的康复训练方法及其辅助设备。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术和增强现实(Augmented Reality，AR)技术在康复治疗领域的应用已经得到广泛的研究和应用。虚拟现实技术通过创建逼真的虚拟环境，使患者能够与虚拟世界进行互动，提供一种全身心的治疗体验。
在康复训练过程中，通常需要一些辅助康复器器材来确保训练效果，但由于患者自身的肢体功能障碍导致抓握手柄或按键等动作无法正常执行，VR头盔自带的手柄通常不能直接用于康复训练中患者和虚拟现实环境之间的交互,取而代之的常规手段是通过手势识别技术判断患者手部位置或动作，这使得患者无法在触觉(物体形状、质地、温度、压力、振动等信息)上获得类似现实世界的体验，即使有少部分的患者可以使用手柄，在很多需要触觉反馈的肢体康复训练中，比如拿取和移动物体，手柄也无法很好地模拟现实世界的相关体验。
如果虚拟现实环境中建立相关训练设备的模拟形态，建立的传统的辅助训练设备模拟形态也无法实现对训练的具体数据进行记录，比如压力、位移等，使虚拟现实环境中的训练的统计和具体效果无法量化。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种用于虚拟现实的康复训练方法及其辅助设备。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
用于虚拟现实康复训练的辅助设备，包括定位平台、训练器件和图像采集件，定位平台、图像采集件和训练器件均与VR设备通讯连接，训练器件上设置有采集模块，图像采集件安装在VR设备上，训练者使用训练器件进行康复训练时，采集模块用于采集训练者康复训练时的相关信息。
用于虚拟现实的康复训练方法，包括：
S1、训练者穿戴VR设备并位于定位平台前，VR设备、辅助设备和计算机通讯连接；
S2、图像采集件获取定位平台的影像；
S3、对定位平台的影像进行边缘检测获取定位平台的边缘特征，在VR设备的虚拟环境中建立虚拟平面；
S4、调整虚拟平面的位置将其三个空间坐标点(0,0,0)，(x,0,0)，(0,y,0)同定位平台的对应的空间坐标点进行重合；
S5、获取制定的训练计划，并根据训练计划在定位平台上安装放置对应的训练器件；
S6、训练者根据训练计划进行康复训练，训练器件的采集模块采集训练训练者的相关信息。
本发明的有益效果在于：本辅助设备为肢体康复训练或类似应用场景提供现实感知，增强训练者的训练体验，同时也可以采集训练者在训练过程中的相关数据，实现对训练数据的精确量化，便于对训练效果进行评估以及对后续训练的改进。
附图说明
图1是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中定位平台的结构示意图；
图2是本发明用于虚拟现实的康复训练方法中定位平台与虚拟平面的示意图；
图3是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中握力球的示意图；
图4是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中推拉板的示意图；
图5是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中定位平台转动后的示意图1；
图6是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中定位平台转动后的示意图2；
图7是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中模拟旋盖瓶的示意图；
图8是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中模拟阀门的示意图；
图9是本发明用于虚拟现实康复训练的辅助设备中模拟手摇车的示意图；
其中相应的附图标记为：
1-定位平台，2-握力球，3-第二移动件，4-第三移动件，5-柔性连接线，6-推拉板，7-瓶盖，8-瓶身，9-模拟旋转阀门，10-模拟手摇车,11-虚拟平面，12-虚拟物体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1-图9所示，用于虚拟现实康复训练的辅助设备，包括定位平台1、训练器件和图像采集件，定位平台1、图像采集件和训练器件均与VR设备通讯连接，训练器件上设置有采集模块，图像采集件安装在VR设备上，训练者使用训练器件进行康复训练时，采集模块用于采集训练者康复训练时的相关信息，图像采集件为外置摄像头。
训练器件为握力球2、推拉板5、模拟旋盖瓶、模拟旋转阀门9和模拟手摇车10中的任意一种，采集模块包括陀螺仪。
当训练器件为握力球2时，采集模块还包括压力传感器，压力传感器用于采集握力球2在训练过程中受到的握力，辅助设备还包括移动设备和柔性连接线5，移动设备用于握力球2在空间上的移动，柔性连接线5与握力球2连接，移动设备的移动作用端通过柔性连接线5作用于握力球2。
移动设备包括第一移动件、第二移动件3和第三移动件4，第一移动件用于握力球2在Y轴方向上的移动，第二移动件3用于握力球2在Z轴方向上的移动，第三移动件4用于握力球2在X轴方向上的移动，第一移动件的移动作用端作用于第二移动件3，第二移动件3的移动作用端作用于第三移动件4，第三移动件4的移动作用端作用于柔性连接线5。第一移动件、第二移动件3和第三移动件4均为气缸、油缸和直线电机中的任意一种。
当训练器件为推拉板5或模拟手摇车10时，采集模块还包括温度传感器和心率传感器。
辅助设备还包括支撑腿和三个气缸，定位平台1的四角分别与支撑腿和三个气缸可转动连接。
训练器件还包括振动器。
用于虚拟现实的康复训练方法，包括：
S1、训练者穿戴VR设备并位于定位平台1前，VR设备、辅助设备和计算机通讯连接；
S2、图像采集件获取定位平台1的影像，图像采集件为外置摄像头；
S3、对定位平台1的影像进行边缘检测获取定位平台1的边缘特征，在VR设备的虚拟环境中建立虚拟平面11；
S4、调整虚拟平面11的位置将其三个空间坐标点(0,0,0)，(x,0,0)，(0,y,0)同定位平台1的对应的空间坐标点进行重合；
S5、获取制定的训练计划，并根据训练计划在定位平台1上安装放置对应的训练器件；
S6、训练者根据训练计划进行康复训练，训练器件的采集模块采集训练训练者的相关信息；进行康复训练具体为：
握力球2训练：移动设备将握力球2移动到初始位置，在虚拟环境中将握力球2进行虚拟，引导训练者抓握握力球2采集压力数据；在虚拟环境中要求用户将握力球2对应的虚拟物体12移动到指定空间位置，当判定用户抓握后，握力球2空间位置装置将跟随训练者的移动方向进行移动，当握力球2到达指定位置后判定移动物体成功；
推拉板5训练：在虚拟环境中将推拉板5进行虚拟，引导训练者抓住推拉板5，在虚拟环境中引导训练者在不同角度定位平台1上进行推拉训练，并记录往返次数和移动距离，同时监测训练者在训练过程中的体温和心率数据；
模拟旋盖瓶或模拟阀门训练：在虚拟环境中将模拟旋盖瓶或模拟阀门进行虚拟，引导训练者握住模拟旋盖瓶的瓶盖7或模拟阀门，在虚拟环境中引导训练者进行瓶盖7或模拟阀门的旋转操作，并记录旋转的数据；
模拟手摇车10训练：在虚拟环境中将模拟手摇车10进行虚拟，引导训练者握住模拟手摇车10的把手，在虚拟环境中引导训练者进行手摇车转动，并记录转动的数据，并监测训练者在训练过程中的体温和心率数据。
辅助设备的训练器件需要通过定位平台1来完成初始定位，以及一部分控制功能。定位平台1及训练器件的列表及编号如表1所示：
表1：设备编号表
设备 编号
定位平台1 00
握力球2 01
推拉板5 02
模拟旋转瓶 03
模拟阀门 04
模拟手摇车10-左 05
模拟手摇车10-右 06
首先，VR设备和定位平台1及训练器件以及计算机之间可以通过蓝牙或Wi-Fi等方式进行连接，计算机包括数据处理模块、训练器件控制模块和通信模块，其中数据处理模块主要用于对通信数据和训练器件控制信息的处理，训练器件控制模块主要用于对训练器件的控制，比如恢复初始位置，或移动到指定位置，通信模块则负责同VR设备的连接及具体交互。训练器件包括数据处理模块、通信模块和采集模块，采集模块负责具体传感器信息的收集，包括陀螺仪(九轴传感器)、压力传感器、心率及温度传感器、振动器等。
进行康复训练时，VR设备与训练器件和定位平台1连接，并获取到训练器件和定位平台1的编号，在虚拟环境中建立对训练器件的形象模拟；
通过VR设备的外置摄像头获取定位平台1的影像，通过边缘检测算法获取定位平台1的边缘特征，然后在VR设备的虚拟环境中建立虚拟平面11，并调整虚拟平面11的位置将其三个空间坐标点(0,0,0)，(x,0,0)，(0,y,0)同定位平台1的对应的空间坐标点进行重合，根据模式匹配算法计算重合度一致后，即认为定位平台1的台面和虚拟平面11保持一致。在这个基础上，可以将定位平台1台面上的任一点作为训练器件的初始化定位点，比如，假设握力球2初始定位点为(x’,y’,0),则当该训练器件被放置于定位平台1台面对应的点上，VR设备可以通过外置摄像头获取训练器件的影像及边缘特征，并在虚拟平面11上建立该训练器件的虚拟特征点，当通过标准匹配算法判定实际训练器件和虚拟训练器件边缘特征点满足预期要求后，可认为训练器件初始定位成功，且训练器件的空间坐标为(x’,y’,0)。
训练者根据训练计划进行康复训练，训练器件的采集模块采集训练训练者的相关信息；用传感器将康复训练训练器件的类别、定位、位移、压力、患者生态指标等信息传递计算机，使虚拟现实环境中的模拟设备和实际的训练器件保持一致，在虚拟现实环境中引导患者进行训练，同时可以量化并统计训练数据，并根据需要进行训练参数的调整，利用训练器件进行康复训练的具体操作为：
握力球2训练：移动设备将握力球2移动到初始位置，在虚拟环境中将握力球2进行虚拟，引导训练者抓握握力球2采集压力数据；在虚拟环境中要求用户将握力球2对应的虚拟物体12移动到指定空间位置，当判定用户抓握后，握力球2空间位置装置将跟随训练者的移动方向进行移动，当握力球2到达指定位置后判定移动物体成功；
推拉板5训练：在虚拟环境中将推拉板5进行虚拟，引导训练者抓住推拉板5，在虚拟环境中引导训练者在不同角度定位平台1上进行推拉训练，并记录往返次数和移动距离，同时监测训练者在训练过程中的体温和心率数据；
模拟旋盖瓶或模拟阀门训练：在虚拟环境中将模拟旋盖瓶或模拟阀门进行虚拟，引导训练者握住模拟旋盖瓶的瓶盖7或模拟阀门，在虚拟环境中引导训练者进行瓶盖7或模拟阀门的旋转操作，并记录旋转的数据；
模拟手摇车10训练：在虚拟环境中将模拟手摇车10进行虚拟，引导训练者握住模拟手摇车10的把手，在虚拟环境中引导训练者进行手摇车转动，并记录转动的数据，并监测训练者在训练过程中的体温和心率数据。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，包括定位平台、训练器件和图像采集件，定位平台、图像采集件和训练器件均与VR设备通讯连接，训练器件上设置有采集模块，图像采集件安装在VR设备上，训练者使用训练器件进行康复训练时，采集模块用于采集训练者康复训练时的相关信息。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，训练器件为握力球、推拉板、模拟旋盖瓶、模拟旋转阀门和模拟手摇车中的任意一种，采集模块包括陀螺仪。
3.根据权利要求2所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，当训练器件为握力球时，采集模块还包括压力传感器，压力传感器用于采集握力球在训练过程中受到的握力，辅助设备还包括移动设备和柔性连接线，移动设备用于握力球在空间上的移动，柔性连接线与握力球连接，移动设备的移动作用端通过柔性连接线作用于握力球。
4.根据权利要求3所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，移动设备包括第一移动件、第二移动件和第三移动件，第一移动件用于握力球在Y轴方向上的移动，第二移动件用于握力球在Z轴方向上的移动，第三移动件用于握力球在X轴方向上的移动，第一移动件的移动作用端作用于第二移动件，第二移动件的移动作用端作用于第三移动件，第三移动件的移动作用端作用于柔性连接线。
5.根据权利要求2所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，当训练器件为推拉板或模拟手摇车时，采集模块还包括温度传感器和心率传感器。
6.根据权利要求1所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，辅助设备还包括支撑腿和三个气缸，定位平台的四角分别与支撑腿和三个气缸可转动连接。
7.根据权利要求1所述的用于虚拟现实康复训练的辅助设备，其特征在于，训练器件还包括振动器。
8.用于虚拟现实的康复训练方法，其特征在于，包括：
S1、训练者穿戴VR设备并位于定位平台前，VR设备、辅助设备和计算机通讯连接；
S2、图像采集件获取定位平台的影像；
S3、对定位平台的影像进行边缘检测获取定位平台的边缘特征，在VR设备的虚拟环境中建立虚拟平面；
S4、调整虚拟平面的位置将其三个空间坐标点(0,0,0)，(x,0,0)，(0,y,0)同定位平台的对应的空间坐标点进行重合；
S5、获取制定的训练计划，并根据训练计划在定位平台上安装放置对应的训练器件；
S6、训练者根据训练计划进行康复训练，训练器件的采集模块采集训练训练者的相关信息。
9.根据权利要求1所述的用于虚拟现实的康复训练方法，其特征在于，在S6中进行康复训练具体为：
握力球训练：移动设备将握力球移动到初始位置，在虚拟环境中将握力球进行虚拟，引导训练者抓握握力球采集压力数据；在虚拟环境中要求用户将握力球对应的虚拟物体移动到指定空间位置，当判定用户抓握后，握力球空间位置装置将跟随训练者的移动方向进行移动，当握力球到达指定位置后判定移动物体成功；
推拉板训练：在虚拟环境中将推拉板进行虚拟，引导训练者抓住推拉板，在虚拟环境中引导训练者在不同角度定位平台上进行推拉训练，并记录往返次数和移动距离，同时监测训练者在训练过程中的体温和心率数据；
模拟旋盖瓶或模拟阀门训练：在虚拟环境中将模拟旋盖瓶或模拟阀门进行虚拟，引导训练者握住模拟旋盖瓶的瓶盖或模拟阀门，在虚拟环境中引导训练者进行瓶盖或模拟阀门的旋转操作，并记录旋转的数据；
模拟手摇车训练：在虚拟环境中将模拟手摇车进行虚拟，引导训练者握住模拟手摇车的把手，在虚拟环境中引导训练者进行手摇车转动，并记录转动的数据，并监测训练者在训练过程中的体温和心率数据。
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