[发明专利]基于虚拟现实的手部多功能康复系统

说明书

技术领域

本发明涉及人体上肢功能康复设备，具体是指一种手部多功能的康复系统。该系统可辅助患者进行手部握力、捏力、腕关节灵活性、单个手指灵活性及手指协调性等的康复训练。

背景技术

人手作为人体最重要的功能器官之一，其纵横交错的神经血管、遍布全手的小肌肉导致手部外伤的治疗要求高、难度大、康复期长。同时人手也是极其容易损伤的器官之一，手外伤可导致手部肌肉萎缩、关节僵硬等症状，严重影响正常的生活和工作。有研究指出一定的辅助康复训练将有助于手外伤后手功能的康复。随着近年来一些伤病事故和中风患者的增多，采用人工的康复训练效果不够理想、康复时间长、成本较高，越来越成为社会和家庭的负担。

针对以上问题，很多科研院校、公司和个人都努力尝试设计出一种能够替代人工的手部功能康复训练设备，并取得了一定的成果。英国曼切斯特大学科研人员设计的一种外骨骼式康复系统，采用模块化的设计思想，实现四个手指的康复运动。整个结构有三部分组成：外骨架模块、手套模块和电机驱动模块；哈尔滨工程大学研制的一种新型康复机械手，采用齿轮转动，集成角度传感器和伺服电机等实现手指的运动。但是，目前这些设备具有以下主要缺点：未结合虚拟环境或所结合的虚拟环境沉浸感不足，一定程度上影响了康复疗效；未提供准确的康复评价机制。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于虚拟现实的手部多功能康复系统，该系统包含摇杆装置、带有力传感器的握力圈装置，虚拟现实模块，能够完成针对患手握力、捏力、腕关节灵活性、单个手指灵活性及手指协调性等的康复训练。此系统针对手外伤群体的兴趣进行了问卷调查，并以此作为设计虚拟现实的依据，同时利用沉浸感的相关理论提高虚拟现实的沉浸感，在康复过程中，还将对患手的信息进行实时的在线检测和存储，以用于虚拟现实的实时响应和后期定量的康复评价，从而解决了现存设备虚拟现实沉浸感不足、未结合准确的康复评价机制等问题。

为实现本发明的目的所采用的具体技术方案为：

本发明基本包含三个部分：摇杆装置、握力圈装置和虚拟现实模块。所述摇杆装置与所述握力圈连接，患手放置在握力圈凹槽中，产生握力或捏力并带动摇杆偏转，力传感器实时读取的患手握力或捏力，以及摇杆偏转角度的大小和速度，传送给所述虚拟现实模块，以操纵模块中的游戏角色进行康复训练，同时该虚拟现实模块存储康复训练数据，以用于训练后的康复评价。

所述摇杆装置包括摇杆和底座，该摇杆固定在底座上，可在两维空间内偏转，其偏转角度和速度用来控制虚拟现实模块中的游戏角色的位置和速度，以达到利用摇杆实时控制虚拟角色的目的，从而增强虚拟现实的沉浸感。此外，摇杆的偏转角度和速度也反映了患手腕关节的灵活性，故亦可用于后期的康复评价。患手通过握取、捏取并移动握力圈使摇杆偏转，从而使摇杆完成上述功能。

所述的带有力传感器的握力圈装置是一个带有凹槽结构的圆环装置，患手可通过握取、捏取握力圈以完成对患手握力、捏力的康复训练。握力圈上的力传感器为贴片式力传感器，其贴在握力圈上的凹槽上，用于实时感应和读取患手的握力或捏力，用于后期的康复评价和控制虚拟现实中的游戏角色。

所述的虚拟现实模块包括虚拟游戏单元和存储单元，所述虚拟游戏单元提供虚拟游戏，利用患手产生的握力或捏力以及患手腕关节转动对摇杆装置产生的角度和速度，相应地控制游戏中的角色进行游戏，实现对患手的握力、捏力、单个手指灵活性、多手指协调性以及腕关节灵活性等的康复训练。所述存储单元存储训练中产生的握力以及角度和速度等数据，以用于后期的康复训练评价。

虚拟游戏包括射击游戏、赛车游戏、手势变换游戏，分别用来对患手进行握力、捏力、单个手指灵活性、多手指协调性以及腕关节灵活性等的康复训练。三个虚拟环境均是通过问卷调查的方式，根据患者群体的兴趣进行开发设计。

本发明的优点在于：针对患者的兴趣设计虚拟环境，保证了虚拟环境的沉浸感，并在具体康复训练过程中根据患者的人体指标不断优化虚拟环境的沉浸感，以提高康复效果，缩短康复时间。整个训练过程均是针对患手的主动训练，很大程度上保证了康复过程的安全性。此装置结构简单、设计巧妙，成本不高，有利于推广使用。

另外，该发明从患手握力、捏力、手指灵活性等方面进行准确的康复评价，并结合问卷调查、人体指标分析等定性和定量的方法对虚拟环境沉浸感模型的建立进行探讨，以用于虚拟现实的不断优化和该发明装置的未来改进。