[发明专利]一种基于手势交互的便携式手部虚拟康复实验箱及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种手部功能康复设备，尤其是一种基于手势交互的手部多功能康复系统及方法。

背景技术

人手作为人体重要的功能器官之一，其纵横交错的神经血管、遍布全手的肌肉导致手部伤害的治疗要求高、难度大、康复周期长。目前市场上的机械式手部康复器材，如分指板、握力器、手指矫正器等趋于成熟，但这些手部康复器材功能单一，使用时往往需要病人进行单调的重复运动，病人锻炼起来非常枯燥，难以达到良好的康复效果。

为了提升康复训练的趣味性，一些研究者提出利用虚拟现实技术实现手部康复。例如：华中科技大学发明的基于虚拟现实的手部多功能康复系统，运用了虚拟场景，以器械为模板，只单纯的增加了娱乐性；北京交通大学针对脑卒中患者腕部活动度低的病症设计虚拟现实训练平台,使患者在虚拟环境中扮演一个角色,成为虚拟环境中的一部分，通过训练动作与虚拟环境进行交互，达到逐渐恢复腕关节活动度的目的；青岛科技大学设计了应用三维建模的方法实现虚拟结合，但是三维建模速度慢，效率低，不能很好的达到康复效果。上述系统通常只是单纯在康复训练过程中增加了游戏功能，只具备单一或几种手部动作的识别能力，真实感差、可交互性差，且康复系统不具有便携性。还有国内国外一些研究机构使用数据手套通过虚实结合来达到康复训练的目的，但数据手套价格昂贵，应用受到限制。

发明内容

本发明目的在于提供一种价格低廉、趣味性强、功能丰富的基于手势交互的便携式手部虚拟康复实验箱及方法，以提高手部运动功能障碍的患者的康复效率。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明所述的一种基于手势交互的便携式手部虚拟康复实验箱，主要包括上箱体和下箱体，上箱体和下箱体铰接组成一体，在上箱体内侧表面安装显示屏，显示屏驱动板镶嵌在上箱体内部，在上箱体的开合边内侧活动安装两段转动式杆体支架，在支架顶端安装摄像头；在下箱体中安装立式隔板将下箱体分为左右两个箱体，在下箱体的箱口处镶嵌安装游戏标志板；在左右两个下箱体的前侧板内分别镶嵌安装音箱；在右侧下箱体底部嵌入一块支撑板，在支撑板上安装控制处理器、电源模块和散热风扇，右侧下箱体的侧板上安装USB接口、网线接口、电源开关、复位键、电源接口并分别与控制处理器相连，在侧板上对应散热风扇位置开设散热孔；

所述控制处理器的输入端口与摄像头、电源开关、复位键通过数据线连接；控制处理器的输出端口与音箱连接，另有输出端口通过数据线经显示屏驱动板后与显示屏连接；控制处理器与USB接口、网线接口互通连接；电源接口与电源模块连接，电源模块再与控制处理器连接进行供电。

进一步的，在支架顶端安装摄像头，在摄像头旁安装一个光照辅助装置，光照辅助装置是由光敏开关和LED灯头、电池串联组成。

进一步的，在下箱体前侧顶部边缘固定安装弧形板体状的手臂托。

进一步的，所述游戏标志板为长方形背景板，可选用木质或硬塑或钢制材料制成，大小与下箱体的箱口大小配套。所述游戏标志板分为如下四种背景板：

(1)第一种背景板，正面为黑色，边缘设有一圈白色边框，黑色部分的表面上开设大小不同的圆孔，在圆孔上可安插蘑菇型插钉；

(2)第二种背景板，正面为黑色，边缘设有一圈白色边框，黑色部分的表面由横竖线绘制成棋盘格；

(3)第三种背景板，正面为黑色，边缘设有一圈白色边框；

(4)第四种背景板，为阶梯状支撑板，在各阶梯面上绘制琴键或敲击键或琴弦线。

本发明所述的一种依赖于基于手势交互的便携式手部虚拟康复实验箱的手部康复方法，方法步骤如下：

(1)通过手势识别算法对控制处理器进行编程，使控制处理器具备手势识别处理功能；通过虚实融合算法对控制处理器进行编程，使控制处理器具备虚拟现实交互结合的功能；在控制处理器中通过编程设定虚拟游戏场景；在控制处理器中预存康复手势图形；

(2)根据需要选定游戏标志板的种类，将游戏标志板安装在下箱体的箱口处，调整摄像头高度和角度，使摄像头能够完整清晰的捕获游戏标志板的全景；

(3)人手可直接放置或手握辅助物体放置在游戏标志板上，保持手的静止休息状态，由摄像头捕捉到人手视频，将手势视频传入控制处理器，控制处理器每隔40ms采集一帧图像作为关键帧，然后将关键帧图像转换为灰度图，并提取关键帧手部轮廓；

基于形状配准方法将关键帧手部轮廓与手的静止休息状态的轮廓图进行相似性对比，如果两者相似，识别当前手势为手的休息位；