[发明专利]基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统及其训练方法

权利要求书

1.一种基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，该系统包含基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1），电路连接所述基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）输出端的机械手臂控制子系统（2），以及电路连接所述机械手臂控制子系统（2）输出端的康复机械手臂（22）。

2.如权利要求1所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述的基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）采用微软公司的Kinect设备。

3.如权利要求1所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述的康复机械手臂（22）包含上臂部件（224），分别设置在上臂部件（224）两端的下臂部件（226）和肩部部件（221），以及机械手臂基座；

所述下臂部件（226）与上臂部件（224）之间还设有肘部屈伸旋转部件（225），下臂部件（226）与上臂部件（224）通过该肘部屈伸旋转部件（225）转动连接；

所述上臂部件（224）与肩部部件（221）之间还设有肩关节前后转动部件（223），上臂部件（224）与肩部部件（221）通过该肩关节前后转动部件（223）转动连接；

所述肩部部件（221）的顶端设有肩关节上下转动部件（222），肩部部件（221）通过该肩关节上下转动部件（222）与机械手臂基座转动连接；

所述肘部屈伸旋转部件（225）通过转轴连接有肘部屈伸旋转驱动电机（229）；

所述肩关节前后转动部件（223）通过转轴连接有肩部前后旋转驱动电机（228）；

所述肩关节上下转动部件（222）通过转轴连接有肩部上下旋转电机（227）。

4.如权利要求2所述的基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统，其特征在于，所述上臂部件（224）与下臂部件（226）都设有呈半圆弧形的支撑结构。

5.一种适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）每秒对手腕、手肘、肩、双肩中点、另一侧肩的关节点捕获30次三维坐标；取各点最近五次的三维坐标数值，并分别计算取其平均数值；

步骤2、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）每次捕获上述五个关节点的三维坐标后，计算肘部关节的旋转关系和肩部关节的前后旋转关系；

步骤3、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）通过手腕、手肘、肩和另一侧肩的关节点的三维坐标，判断手臂在身体的前方还是右侧；

步骤4、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）通过储存任意一个被测关节的任意相邻两个时刻的三维坐标，计算出该关节的运动速度；

关节点的速度计算公式如下：

                                                

其中，p1是前一时刻被测关节三维坐标，p2是后一时刻被测关节三维坐标，0.033为相邻两次三维坐标捕获时刻的时间间隔；

步骤5、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）将获取和计算得的关节运动的角度和速度数值实时传输至机械手臂控制子系统（2）；

机械手臂控制子系统（2）根据关节运动的角度和速度数值，向康复机械手臂（22）发送控制指令；

步骤6、康复机械手臂（22）根据机械手臂控制子系统（2）所发送的控制指令带动患者的手臂进行康复运动。

6.如权利要求5所述的适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤：

步骤2.1、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）计算肘部关节的旋转关系，设手腕的三维坐标为A、手肘的三维坐标为B、肩的三维坐标为C；

计算关节旋转角度的公式如下：

 

其中，所得的∠ABC即为肘部关节的旋转角度；

步骤2.2、基于体感外设的骨骼数据处理子系统（1）计算肩部关节的前后旋转关系，设手肘的三维坐标为A、肩的三维坐标为B、双肩中点的三维坐标为C，

计算关节旋转角度的公式如下：

 

其中，所得的∠ABC即为肩部关节的前后旋转角度。

7.如权利要求5所述的适用于基于体感外设手臂运动追踪的康复训练系统的训练方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤：

步骤3.1、计算过手腕、手肘、肩三点三维坐标的平面方程的表达式（Ax +By +Cz +D =0），跳转到步骤3.2；

步骤3.2、计算另一侧肩的三维坐标到手腕、手肘、肩三点所在平面的距离，跳转到步骤3.3；

步骤3.3、判断另一侧肩的三维坐标到手腕、手肘、肩三点所在平面的距离是否大于0.2米，若是，则判定手臂在身前运动，并跳转到步骤4；若否，则判定手臂在身侧运动，并跳转到步骤4。