一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，包括人体运动识别系统、外骨骼装置和控制箱；人体运动识别系统包括依次连接的传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器；外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器；控制箱包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑。本系统使用传感器模块进行人机交互，并利用外骨骼装置实现上肢运动的辅助以及康复功能。针对具有上肢功能障碍，通过传感器模块检测患者上肢的运动信息，通过辨别人体骨骼及上肢的角度决定上肢的运动趋势，能够对肩关节屈曲/伸展、外展/内收和肘关节的屈曲/伸展三个自由度进行辅助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统
本专利技术涉及上肢康复与辅助动作领域，尤其涉及一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统。
技术介绍
由于疾病及事故的原因，很多人患上了上肢动能障碍的疾病，尤其是大多数中风患者在稳定期会受到偏瘫的影响。对于该情况的患者，在患病的初期需要为其提供一定强度的康复训练以提高上肢的运动度。而到了康复后期，还需要对其日常生活进行辅助。在整个康复的过程中，需要聘请专业的康复训练师与生活陪护人员，加重了患者的负担。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统。帮助上肢功能障碍患者进行自主康复训练以及对日常生活进行辅助。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，包括人体运动识别系统、外骨骼装置和控制箱；所述人体运动识别系统包括依次连接的传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器；所述外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器；所述控制箱包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑；所述I/O模块包括AD板、计数板和DA板；所述数模转换器连接AD板；所述编码器连接计数板；所述DA板通过马达驱动器连接马达。所述传感器模块的安装高度高于被测人体的高度，并安装在距离被测人体1.5～2米的位置，使传感器模块向下拍摄的俯角在10°～15°，以方便获取完整的人体骨骼图采集。该基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统的运行步骤包括：人体运动意识识别系统对人体运动意识进行识别；即传感器模块检测人体上肢的角度值，并将数据传输到数据收集模块上，并将收集的数据缓存在数据缓存模块中，再由微处理器处理后通过串行通信传出至数模转换器转换成模拟信号，该模拟信号作为外骨骼装置的输入信号；控制箱控制外骨骼辅助装置动作，即控制箱中的I/O模块中的AD板用于接收从人体运动意识识别系统中获得的人体上肢运动信息，并传输到处理器芯片上进行数据处理；处理后的信号通过DA板传出至马达驱动器，并驱动马达运动，以控制外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动动作；外骨骼装置为上肢提供辅助动作，即其通过由两根连杆之间的活动关节连接而成的机械臂三自由度运动，提供双臂辅助动作；马达驱动器通过接受DA板输出的信号，控制机械臂各关机处马达的转动；各马达上安装了编码器，用于获取上肢的转动数据并传输到控制箱中的计数板上；传感器数据收集模块将人体上肢运动信息以及RGB画面通过网络传送至远程控制电脑，通过远程控制电脑使医生能够在远端获取患者在康复过程中的数据信息。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：使用传感器模块(Kinect)进行人机交互，并利用外骨骼装置(上肢外骨骼装置)实现上肢运动的辅助以及康复功能。针对具有上肢功能障碍，尤其是中风后的偏瘫患者，通过传感器模块检测患者上肢的运动信息，通过辨别人体骨骼及上肢的角度决定上肢的运动趋势，能够对肩关节屈曲/伸展、外展/内收和肘关节的屈曲/伸展三个自由度进行辅助。患者可以通过健康侧上肢的自主移动实现对患肢的康复训练。同时，传感器模块检测到的RGB画面与患者上肢的信息能够通过网络传输到远端，康复师与医生能够根据患者的实际情况提供远程康复指导与诊断。该专利技术能够运用在上肢运动障碍患者日常康复训练与生活中，根据患者处于不同的患病时期提供康复训练/日常辅助两种不同的服务，以改善患者的生活质量。附图说明图1是本专利技术基于Kinect的上肢镜像康复与日常辅助系统框架示意图。图2是本专利技术基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统的人机交互系统结构示意图。图3是Kinect传感器处于检测模式示意图一。图4是Kinect传感器处于检测模式示意图二。图5是多台Kinect传感器联合辅助系统示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步具体详细描述。如图1-5所示。本专利技术公开了一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，包括人体运动识别系统、外骨骼装置和控制箱；所述人体运动识别系统包括依次连接的传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器；所述外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器；所述控制箱包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑；所述I/O模块包括AD板、计数板和DA板；所述数模转换器连接AD板；所述编码器连接计数板；所述DA板通过马达驱动器连接马达。所述传感器模块的安装高度高于被测人体的高度，并安装在距离被测人体1.5～2米的位置，使传感器模块向下拍摄的俯角在10°～15°，以方便获取完整的人体骨骼图采集。使用VisualStudio编写Kinect的控制，以获取实时的人体上肢运动数据。在获取了上肢运动角度信息之后，通过Arduino微处理器的蓝牙模块传输到外骨骼装置中。该基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统的运行步骤包括：人体运动意识识别系统对人体运动意识进行识别；即传感器模块检测人体上肢的角度值，并将数据传输到数据收集模块上，并将收集的数据缓存在数据缓存模块中，再由微处理器处理后通过串行通信传出至数模转换器转换成模拟信号，该模拟信号作为外骨骼装置的输入信号；其中，传感器模块参数为Kinect2.0，是第二代KinectforWindows感应器。数据收集模块参数为：MSI-GL63i7-8750H8GRAM。微处理器参数为Arduino，即ArduinoUno蓝牙模块HC-05。数模转换器参数为TLC-5615。控制箱控制外骨骼辅助装置动作，即控制箱中的I/O模块中的AD板用于接收从人体运动意识识别系统中获得的人体上肢运动信息，并传输到处理器芯片上进行数据处理；处理后的信号通过DA板传出至马达驱动器，并驱动马达运动，以控制外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动动作；其中，AD板参数为PCI-3341A-8通道。DA板参数为PCI-3135-16通道。处理器芯片为日本日立公司开发SH4芯片。外骨骼装置为上肢提供辅助动作，即其通过由两根连杆之间的活动关节连接而成的机械臂三自由度运动，提供双臂辅助动作；马达驱动器通过接受DA板输出的信号，控制机械臂各关机处马达的转动；各马达上安装了编码器，用于获取上肢的转动数据并传输到控制箱中的计数板上；其中，马达为伺服，一共有三个，分别位于各关节处，负责各关节的运动，其参数分别是：FAULHABER3557K012CR；FAULHABER3863H012C；FAULHABER3557K012CR。马达的编码器参数为PCI-6201E。马达驱动器参数为TITECPC-0143-2。传感器数据收集模块(即包含有Kinect传感器模块和数据收集模块的电脑)将人体上肢运动信息以及RGB画面通过网络传送至远程控制电脑，通过远程控制电脑使医生能够在远端获取患者在康复过程中的数据信息。下面通过具体应用过程，对本专利技术作进一步说明。在获取了人体上肢运动信息之后，用户可以根据自身的实际情况选择康复训练或者日常辅助两种模式。具体的流程如下：(1)对于患病初期需要进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，其特征在于：包括人体运动识别系统、外骨骼装置和控制箱；所述人体运动识别系统包括依次连接的传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器；所述外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器；所述控制箱包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑；所述I/O模块包括AD板、计数板和DA板；所述数模转换器连接AD板；所述编码器连接计数板；所述DA板通过马达驱动器连接马达。

【技术特征摘要】
1.一种基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，其特征在于：包括人体运动识别系统、外骨骼装置和控制箱；所述人体运动识别系统包括依次连接的传感器模块、数据收集模块、数据缓存模块、微处理器和数模转换器；所述外骨骼装置为双臂提供三自由度辅助运动，其包括马达及编码器；所述控制箱包括互相连接的I/O模块和处理器芯片，所述处理器芯片连接远程控制电脑；所述I/O模块包括AD板、计数板和DA板；所述数模转换器连接AD板；所述编码器连接计数板；所述DA板通过马达驱动器连接马达。2.根据权利要求1所述基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，其特征在于：所述传感器模块的安装高度高于被测人体的高度，并安装在距离被测人体1.5～2米的位置，使传感器模块向下拍摄的俯角在10°～15°，以方便获取完整的人体骨骼图采集。3.根据权利要求2所述基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统，其特征在于：该基于Kinect传感器的人体上肢康复训练及动作辅助系统的运行步骤包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢小鹏，宗驰航，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44