[發明專利]基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法和系統

有效

• 申請號: 202210199173.5
• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號: CN114602138B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 張騰宇;李增勇;張靜莎
• 申請（專利權）人: 國家康復輔具研究中心
• 主分類號: A63B23/12
• 分類號: A63B23/12;A63B71/06;A61H1/02
• 代理公司: 北京金咨知識產權代理有限公司 11612
• 代理人: 宋教花

1.一種基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法，其特征在于，包括以下步驟：

測量并輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數；

根據所輸入的患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，基于預先建立的人體運動學模型自動計算患者上肢末端的活動軌跡的最大范圍；

根據活動軌跡的最大范圍，自動生成虛擬現實訓練游戲的參數設置，包括選擇游戲內容、設置游戲難度、設置訓練模式，并且控制調整康復訓練裝置手柄的運動軌跡，不同的游戲內容對應不同關節的運動訓練，系統內預先存儲了正常人上肢各關節的最大活動度，模型通過將正常人上肢各關節的最大活動度和患者兩側各關節的最大活動角度對比，自動判斷哪些關節活動度不夠而需要進行訓練，從而匹配相應的游戲內容，游戲難度通過設置各游戲中肢體末端不同運動軌跡對應的游戲得分實現，訓練模式包括關節活動度訓練、運動姿態訓練和被動訓練；

利用設置在上肢上的運動傳感單元測量并計算患者實際運動過程中各關節的角度，并且利用預先建立的人體運動學模型計算得到肢體末端的實際運動軌跡，并與虛擬現實游戲結合進行擬實交互訓練；

其中，預先建立的人體運動學模型為多自由度剛體模型，將上肢簡化為上臂、前臂和手三個剛體，分別由肩關節、肘關節和腕關節連接而成，能夠通過輸入各節段的長度和各關節的角度而計算得到肢體末端的位置，通過輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，該預先建立的人體運動學模型能夠計算得到患者上肢末端在三維空間的最大活動范圍，

其中，根據以下步驟實現不同的游戲難度：在關節活動度訓練模式下，游戲內容為伸夠游戲，虛擬現實游戲中需要伸夠的目標物體根據人體運動學模型計算得到的患者在三維空間的最大活動范圍分布，并且分別布置在最大活動范圍外周軌跡以及按最大活動范圍的不同比例設置的外周軌跡上；觸碰到不同外周軌跡上的目標所得分值不同，軌跡范圍越大得分越高，觸碰到所有目標為滿分；在運動姿態訓練模式下，游戲內容為目標跟蹤游戲，人體運動學模型根據患者上肢尺寸參數和正常人體執行某一動作時上肢末端的運動軌跡自動設置目標移動軌跡，計算患者跟蹤目標過程中實際運動軌跡與目標軌跡的擬合度，完全擬合為滿分，實際得分為滿分*擬合度；在被動訓練模式下，訓練裝置手柄的運動軌跡根據人體運動學模型計算得到的患者最大活動范圍的外周軌跡進行設置，難度等級越大，運動范圍越大，且手柄的運動范圍不超過患者最大活動范圍的外周軌跡。

2.根據權利要求1所述的基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法，其特征在于，上肢尺寸參數和各關節活動度參數包括：雙側手掌、前臂、上臂的長度；以及雙側腕關節、肘關節和肩關節在各個自由度上的最大活動角度。

3.一種基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練系統，用于實施權利要求1或2所述的基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練方法，并且包括：

運動傳感單元，所述運動傳感單元設置在患者上肢各節段上，用于檢測患者肢體運動參數；

運動康復訓練單元，所述運動康復訓練單元作為上肢康復訓練機構用于帶動患者上肢進行康復訓練；

虛擬現實交互單元，所述虛擬現實交互單元用于顯示虛擬現實訓練任務以及實現患者上肢運動與訓練任務的交互；

訓練參數設置及顯示單元，所述訓練參數設置及顯示單元用于輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數，并且顯示和下載訓練過程中的運動學數據，

其中，在所述訓練參數設置及顯示單元中預先嵌入有人體運動學模型，當輸入患者上肢尺寸參數和各關節活動度參數后，人體運動學模型自動計算得到肢體末端在三維空間的最大活動范圍，并依據該活動范圍和輸入的患者上肢尺寸參數以及各關節活動度參數自動匹配游戲內容、游戲難度，設置訓練模式，并將這些游戲設置參數發送到虛擬現實交互單元，顯示相應的游戲界面，同時將計算得到的最大活動范圍發送到上肢康復訓練單元，自動設置上肢康復訓練機構的運動軌跡。

4.根據權利要求3所述的基于人體運動模型的上肢個性化康復訓練系統，其特征在于，所述運動傳感單元所檢測的數據被傳輸到人體運動學模型以計算得到患者運動上肢末端的位置，并將位置的信息傳輸到虛擬現實交互單元，在游戲界面中顯示，以進行擬實交互。