CN109771905A - 基于触力驱动的虚拟现实交互训练康复手套 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学康复领域和虚拟现实领域，搭建一套可实现手部压力采集，结合虚拟场景进行训练的智能手套装置以实现对卒中患者手功能的康复训练。针对现有康复数据手套结构复杂、穿戴麻烦、造价高的不足，本发明提供了一种结构简单的智能康复手套装置，实现对手功能的康复训练，包括但不限于手部压力的采集，上肢姿态的采集，手部触觉震动反馈。可以设置手套上气囊内压力进行抓握硬度调节以适应不同康复阶段的卒中患者。整套装置以低成本，简单结构实现了用于卒中患者手功能康复的智能手套设备。

Description

基于触力驱动的虚拟现实交互训练康复手套

技术领域

本发明涉及生物医学康复领域和虚拟现实领域，搭建一套可实现手部压力采集，结合虚拟场景进行训练的智能手套装置以实现对卒中患者手功能的康复训练。

背景技术

在现有的康复智能穿戴手套设备中，往往存在结构复杂、穿戴麻烦、造价高的不足，使得装置适用性和用户体验差，高昂的价格也不宜推广。

现有的康复智能穿戴手套设备通过采集方式的不同一般可分为光电传感式、机械传感式和角度传感式。光电传感式通过摄像头捕捉标记点进行信息采集，容易造成遮挡等问题；机械传感式一般整体结构庞大繁杂，造价高，便携性差；角度传感式一般采用光纤或电磁原理进行信息采集，造价高。

发明内容

针对现有康复数据手套结构复杂、穿戴麻烦、造价高的不足，本发明提供了一种结构简单的智能康复手套装置，实现对手功能的康复训练，包括但不限于手部压力的采集，上肢姿态的采集，手部触觉震动反馈。本发明还可以设置手套上气囊内压力进行抓握硬度调节以适应不同康复阶段的卒中患者。具体内容如下：

本发明采用的技术方案为在自主设计，方便穿戴的手套1上粘贴一个椭圆形气囊2，基于此，用户可以进行抓握动作；手套1上粘贴薄膜压力传感7用于采集手部压力数据，薄膜压力传感7通过导线与单片机开发板3相连，进行数据传输；手套1上还布有振动马达8，在用户进行抓握时可以提供振动反馈，振动马达8通过导线与单片机开发板3连接；单片机开发板3主要用于薄膜压力传感器7和振动马达8的数据传输，对气囊压力的控制和显示，通过自主编程和蓝牙模块13实现单片机3与上位机PC端通讯，将压力数据传输到电脑进行处理，实现对虚拟场景中虚拟手手势的控制；在大臂、前臂和手上穿戴三个惯性传感器4用于采集整个上肢的位置和姿态信息，惯性传感器4通过USB实现和PC上位机的通讯，实现对虚拟场景中虚拟手臂的位姿控制。基于手套1、气囊2、惯性传感器4和单片机开发板3、气压模块5和VR头盔6组成的硬件系统结合上位机虚拟环境可以进行卒中患者的手功能康复训练。

附图说明

图1为：智能手套系统图示

图2为：智能手套图示

图3为：气压模块图示

图4为：单片机开发板图示

具体实施方式

本发明所提供的康复智能手套设备系统如图1所示，包括用以实现数据传输及软硬件联合控制的自主程序。主要包括手套1、椭球型气囊2、单片机开发板3、惯性传感器4、气压模块5和VR头盔6。

手套：如图2所示，主要包括尼龙扣7、薄膜压力传感器8和振动马达9。手套采用半包裹式结构，掌面均有面料包裹，在五个指尖、掌背和手腕处有尼龙卡扣7，更便于穿戴。用户将手放在手套上系上尼龙扣7即可完成穿戴；手套1背部有用布料形成的凸起通道，用于薄膜压力传感器8和振动马达9的布线；薄膜压力传感器8用于采集进行抓握动作时手部敏感点的压力，通过上位机进行处理后转换成手势角度数据，对虚拟环境中虚拟手实现控制，包括五个手指的指尖位置，大拇指的近端关节位置，虎口位置及食指、中指和无名指的掌指关节位置共10个压力采集点。薄膜压力传感器8通过胶水与振动马达9固定连接，通过导线与单片机开发板4连接，实现数据传输；振动马达9用于提供用户抓握过程中的触觉反馈。当采集到的手部压力超过设定的阈值后，振动马达9振动提供触觉反馈，通过自主编程可以实现九档不同等级的振动强度。振动马达9放置位置与薄膜压力传感器8相同，二者之间通过胶水固连，同样通过胶水将振动马达9粘贴在手套1背部，通过导线与单片机开发板4连接；

椭球状气囊2用于用户抓握的实体，为硅胶气囊，对人体无害且更为舒适。气囊外包裹一层尼龙贴，可以根据用户手的位置粘贴到手套不同位置，提高了适用性。气囊内置气压传感器可采集气体压力，通过气管连接到气压模块5(如图3所示)，气压模块5用于对椭球状气囊2的充、放气，主要由电池18，气泵19，气阀20组成。用户可以通过单片机开发板3上的气压调节按钮12可以进行充、放气，调节气囊硬度；

单片机开发板3：如图4所示，通过烧录程序实现薄膜压力传感器8数据的采集，对振动马达9指令的发布。主要由Arduino16、变压模块15、电源插口13、电源开关11、蓝牙模块14，USB接口10，LED显示屏17，气压调节按钮12等。Arduino16主要用于数据的处理和指令的传输；变压模块14进行电压转换；电源开关11实现电源的通断；蓝牙模块14用于开发板与上位机的通讯；LED显示屏17用于显示气囊内部压力；气压调节按钮12通过气泵19配合气阀20实现对气囊的充气和放气；

惯性传感器4：用于用户上肢位置和姿态数据的采集，通过USB与上位机连接，进行数据传输和处理后用于控制虚拟环境中手臂的位姿。惯性传感器主要有三个模块，分别放置于手掌背部，前臂以及大臂中部位置，通过尼龙绑带固定到相应位置；

VR头盔5：通过穿戴VR头盔5，用户可以看到逼真的虚拟环境，进行基于任务的虚拟场景训练。

Claims (5)

1.一套可实现手部压力采集与康复训练的智能手套装置，其特征在于：手套1、椭球型气囊2、惯性传感器3、单片机开发板4、气压模块5和VR头盔6和用以实现数据传输及软硬件联合控制的自主程序。

2.根据权利要求1所述的手套1，其特征在于：包括尼龙扣7、薄膜压力传感器8和振动马达9。手套采用半包裹式结构，掌面均有面料包裹，在五个指尖、掌背和手腕处有尼龙卡扣7，更便于穿戴。用户将手放在手套上系上尼龙扣7即可完成穿戴；手套1背部有用布料形成的凸起通道，用于薄膜压力传感器8和振动马达9的布线；薄膜压力传感器8用于采集进行抓握动作时手部敏感点的压力，通过上位机进行处理后转换成手势角度数据，对虚拟环境中虚拟手实现控制，包括五个手指的指尖位置，大拇指的近端关节位置，虎口位置及食指、中指和无名指的掌指关节位置共10个压力采集点。振动马达9用于提供用户抓握过程中的触觉反馈。当采集到的手部压力超过设定的阈值后，振动马达9振动提供触觉反馈，通过自主编程可以实现九档不同等级的振动强度。振动马达9放置位置与薄膜压力传感器8相同，二者之间通过胶水固连，同样通过胶水将振动马达9粘贴在手套1背部，通过导线与单片机开发板4连接。

3.根据权利要求1所述的椭球状气囊2，其特征在于：气囊外包裹一层尼龙贴，可以根据用户手的位置粘贴到手套不同位置，提高了适用性。气囊内置气压传感器可采集气体压力，通过气管连接到气压模块5，用户可以通过单片机开发板3上的气压调节按钮12可以进行充、放气，调节气囊硬度。

4.根据权利要求1所述的单片机开发板3，其特征在于：通过烧录程序实现薄膜压力传感器8数据的采集，对振动马达9指令的发布。主要由Arduino16、变压模块15、电源插口13、开关11、蓝牙模块14，USB接口10，LED显示屏17，气压调节按钮12等。Arduino16主要用于数据的处理和指令的传输；变压模块14进行电压转换；开关11实现电源的通断；蓝牙模块14用于开发板与上位机的通讯；LED显示屏17用于显示气囊内部压力；气压调节按钮12通过气泵19配合气阀20实现对气囊的充气和放气。

5.根据权利要求1所述的惯性传感器4，其特征在于：用于用户上肢位置和姿态数据的采集，通过USB与上位机连接，进行数据传输和处理后用于控制虚拟环境中手臂的位姿。惯性传感器主要有三个模块，分别放置于手掌背部，前臂以及大臂中部位置，通过尼龙绑带固定到相应位置。