脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，包括机电单元、计算单元以及显示单元，通过机电单元捕捉双指的动作轨迹，将动作轨迹输入计算单元并进行运算，所述运算的步骤包括:(1)同步来自机电单元的动作轨迹数据；(2)进行3D图像的运算以及渲染；(3)根据双指夹捏触感模型运算力反馈的大小，运算的图像结果输出至显示单元，运算的力量结果输出至机电单元以产生力反馈。本发明专利技术脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置通过人机介面，同步捕捉双指指腹夹捏动作，实现双指动作、力反馈和视觉反馈的实时交互，以及实现双指指腹夹捏取物的拟真触觉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟现实技术，更具体地说，涉及一种基于虚拟现实触觉仿真的脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置。
技术介绍
因脑损造成的各式上肢运动障碍，包括肩、臂、肘、腕、掌、指等不同动作功能，必须针对各个的动作实施不同的康复任务训练，达到康复的目的。对于手部指腹夹捏的功能，例如以食指和拇指协同运作夹捏取物，传统临床康复提供病患实物进行指腹夹捏训练。随着科技的进步，各式的人机交互技术结合虚拟现实，逐渐地被应用于手部手指功能的训练，这些人机交互技术包括数据手套、力反馈手套或是机器手臂等，但是这些技术在实用上，都存在着不同的问题与缺点:(1)数据手套，缺乏力反馈；(2)力反馈手套，无法适合各式大小形状的手型，一旦手套大小与手型不一致，将产生数据采集的偏差，因此不易实用于临床；(3)机器手臂，虽然可以提供力反馈，但是通常过于昂贵且笨重，也不易普遍实用于临床。上述力反馈手套或机器手臂的力反馈设计，仅能提供个别手指力量的牵引或是力量的阻抗，但是无法进行精细的触觉模型的模拟，所以，这些设备虽然可以对于个别手指功能进行训练，仍然无法对于需要协同运作的精细高功能(例如：指腹夹捏)进行训练。雕刻机为可编程的力反馈设备，例如Novint Falcon,具有三个自由度的力量输出，可以进行精细的触觉模型的模拟，已经大量地应用于3D模型的雕刻制作，同时也应用于数字游戏，虽然也逐渐被应用于康复训练系统，但是由于只能对于单点进行力量输出，加上端点的机构设计，只能以手掌握住进行手臂功
能康复训练，不仅缺乏连接手指与雕刻机的人机介面，同时也无法以单机实用于需要双指协同运作的指腹夹捏功能的康复训练。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，能提供实时的力反馈以及实现精细的触感模拟。为了实现上述目的，本专利技术脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置的技术方案为：一种脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，包括机电单元、计算单元以及显示单元，通过机电单元捕捉双指的动作轨迹，将动作轨迹输入计算单元并进行运算，所述运算的步骤包括:(1)同步来自机电单元的动作轨迹数据；(2)进行3D图像的运算以及渲染；(3)根据双指夹捏触感模型运算力反馈的大小，运算的图像结果输出至显示单元，运算的力量结果输出至机电单元以产生力反馈。作为本专利技术的一种改进，所述机电单元包括人机介面和两台雕刻机，以并联的方式分别连接双指，人机介面的一端为与雕刻机相容的接头，同时嵌入可以触发雕刻机运作的电路，另一端为圆筒形指套以包覆手指关节以上部分，两端的中间为方格式结构。作为本专利技术的一种改进，在所述显示单元上虚拟现实双指夹捏，以第一球体作为左指于虚拟环境中的代表，以第二球体作为右指于虚拟环境中的代表，用于夹取虚拟环境中的虚拟方块；随着左右两指的运动，左右两指的动作轨迹通过计算单元同步并传输至虚拟环境，第一球体与第二球体也伴随着运动，作为使用者的视觉反馈，使用者通过视觉反馈感知双指的动作，达到视觉与动作的实时交互。作为本专利技术的一种改进，设置力量诱发的起始点为第一球体距离虚拟方块左侧边缘d的地方，反馈力F的方向为左方，反馈力的大小随着第一球体向右方移动的距离S而增加，增加的程度依据反馈力变化曲线而计算，当第一球体移动至虚拟方块右侧边缘d的地方，反馈力不再继续增加并维持一个固定的量值；其中，d和虚拟方块的边长L成正比例关系，由系
数α控制，F和S的关系由β和γ控制：d＝α*L，Fr＝β*Sγ。作为本专利技术的一种改进，当α＝0.05,β＝0.65,γ＝2.15时为最佳触感仿真。与现有技术相比，本专利技术脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置通过人机介面，同步捕捉双指指腹夹捏动作，实现双指动作、力反馈和视觉反馈的实时交互，以及实现双指指腹夹捏取物的拟真触觉。附图说明下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术的结构及其有益技术效果进行详细说明。图1为本专利技术的组成示意框图。图2为本专利技术的人机介面结构示意图。图3为本专利技术的视觉反馈示意图。图4为本专利技术的力量诱发范围图。图5为本专利技术的反馈力变化曲线图。具体实施方式为了使本专利技术的专利技术目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本专利技术，并非为了限定本专利技术。请参阅图1，为了实现具有触觉仿真的虚拟现实双指指腹夹捏任务，本专利技术脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置包括三个部分：机电单元、计算单元以及显示单元，机电单元包括双雕刻机以及人机介面，计算单元以电脑来实现。通过机电单元捕捉双指的动作轨迹，将动作轨迹输入计算单元并进行运算，运算流程首先同步来自两台雕刻机的动作轨迹数据，接着进行3D图像的运算以及渲染，最后根据双指夹捏触感模型运算力反馈的大小，运算的图像结果输出至显示单元，运算的力量结果输出至机电单元以产生力反馈，以上过程周而复始的运作
(每秒约60-100次)达到实时交互。请参阅图2，在机电单元的部分，为了实现双指夹捏任务，运用两台雕刻机，以并联的方式分别连接双指，同步捕捉双指的动作轨迹，也同步双指输出双指的力反馈。为了连接雕刻机以及手指，人机介面的一端为与雕刻机相容的接头设计，也同时嵌入可以触发雕刻机运作的电路，另一端为圆筒形指套设计以包覆手指关节以上部分，两端的中间则设计了方格式结构，以实现轻量且高劲度。请参阅图3，在显示单元的部分，以游戏开发软件Unity 3D开发了虚拟现实双指夹捏任务，其中的红色球体(第一球体)作为左指于虚拟环境中的代表，黄色球体(第二球体)作为右指于虚拟环境中的代表，随着左右两指的运动，左右两指的动作轨迹通过计算单元同步并传输至虚拟环境，红色与黄色球体也伴随着运动，作为使用者的视觉反馈，使用者通过视觉反馈感知双指的动作，达到视觉与动作的实时交互。任务的内容为通过双指协同运作，夹取虚拟方块，并将虚拟方块举起至一个目标高度。请参阅图4和图5，为了实现双指夹捏的触感，触感模型的设计原理，主要是通过力量诱发范围的设计和反馈力变化曲线的设计。以左指为例，力量诱发的起始点为红色球体距离虚拟方块左侧边缘d的地方，反馈力F的方向为左方，然后反馈力的大小随着红色球体向右方移动的距离S而增加，增加的程度依据反馈力变化曲线而计算，当红色球体移动至虚拟方块右侧边缘d的地方，反馈力不再继续增加并维持一个固定的量值。其中，d和虚拟方块的边长L成正比例关系，由系数α控制，F和S的关系由β和γ控制。经过研究测试，本触感模型采用α＝0.05,β＝0.65,γ＝2.15以达到最佳触感仿真。另外，当虚拟方块被举起的时候，将施加一个向下的力量W，模拟虚拟方块的重量，此时，左指和右指分别承受左方向和右方向的水平力量，也同时承受向下的力量。根据上述说明书的揭示和教导，本专利技术所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本专利技术并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本专利技术的一些修改和变更也应当落入本专利技术的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为
了方便说明，并不对本专利技术构成任何限制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，包括机电单元、计算单元以及显示单元，其特征在于，通过机电单元捕捉双指的动作轨迹，将动作轨迹输入计算单元并进行运算，所述运算的步骤包括:(1)同步来自机电单元的动作轨迹数据；(2)进行3D图像的运算以及渲染；(3)根据双指夹捏触感模型运算力反馈的大小，运算的图像结果输出至显示单元，运算的力量结果输出至机电单元以产生力反馈。

【技术特征摘要】
1.一种脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，包括机电单元、计算单元以及显示单元，其特征在于，通过机电单元捕捉双指的动作轨迹，将动作轨迹输入计算单元并进行运算，所述运算的步骤包括:(1)同步来自机电单元的动作轨迹数据；(2)进行3D图像的运算以及渲染；(3)根据双指夹捏触感模型运算力反馈的大小，运算的图像结果输出至显示单元，运算的力量结果输出至机电单元以产生力反馈。2.根据权利要求1所述的脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，其特征在于，所述机电单元包括人机介面和两台雕刻机，以并联的方式分别连接双指，人机介面的一端为与雕刻机相容的接头，同时嵌入可以触发雕刻机运作的电路，另一端为圆筒形指套以包覆手指关节以上部分，两端的中间为方格式结构。3.根据权利要求2所述的脑损伤双指指腹夹捏康复训练装置，其特征在于，在所述显示单元上虚拟现实双指夹捏，以第一球体作为左指于虚拟环境中的代表，以第二球体作为左指...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶士青，
申请(专利权)人：珠海云智医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44