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一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱及方法.pdf

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一種 基于 手勢 交互 便攜式 虛擬 康復 實驗 方法
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摘要
申請專利號:

CN201510267751.4

申請日:

2015.05.22

公開號:

CN104898837A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G06F 3/01申請公布日:20150909|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 3/01申請日:20150522|||公開
IPC分類號: G06F3/01; G06K9/00; A63B23/16 主分類號: G06F3/01
申請人: 燕山大學
發明人: 丁偉利; 高曉陽; 趙勇; 高鵬; 張慶春; 曹利浩; 張焱鑫
地址: 066004河北省秦皇島市海港區河北大街西段438號
優先權:
專利代理機構: 石家莊一誠知識產權事務所13116 代理人: 李合印
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510267751.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.04.24|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱及方法,包括上箱體和下箱體,上箱體上安裝顯示屏,上箱體安裝支架,支架頂端安裝攝像頭;隔板將下箱體分為左右兩個箱體,下箱體的箱口處安裝游戲標志板;在下箱體前側板內安裝音箱;在右側下箱體內安裝控制處理器、電源模塊和散熱風扇;所述控制處理器的輸入端口與游戲標志板、攝像頭、電源開關、復位鍵通過數據線連接;控制處理器的輸出端口與音箱連接,另有輸出端口通過數據線經顯示屏驅動板后與顯示屏連接;控制處理器與USB接口、網線接口互通連接;電源接口與電源模塊連接,電源模塊再與控制處理器連接進行供電。本發明具有攜帶方便、功能全面、趣味性強、成本低等優點。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,主要包括上箱體和下箱體,其特征在于:上箱體和下箱體鉸接組成一體,在上箱體內側表面安裝顯示屏,顯示屏驅動板鑲嵌在上箱體內部,在上箱體的開合邊內側活動安裝兩段轉動式桿體支架,在支架頂端安裝攝像頭;在下箱體中安裝立式隔板將下箱體分為左右兩個箱體,在下箱體的箱口處鑲嵌安裝游戲標志板;在左右兩個下箱體的前側板內分別鑲嵌安裝音箱;在右側下箱體底部嵌入一塊支撐板,在支撐板上安裝控制處理器、電源模塊和散熱風扇,右側下箱體的側板上安裝USB接口、網線接口、電源開關、復位鍵、電源接口并分別與控制處理器相連,在側板上對應散熱風扇位置開設散熱孔;
所述控制處理器的輸入端口與攝像頭、電源開關、復位鍵通過數據線連接;控制處理器的輸出端口與音箱連接,另有輸出端口通過數據線經顯示屏驅動板后與顯示屏連接;控制處理器與USB接口、網線接口互通連接;電源接口與電源模塊連接,電源模塊再與控制處理器連接進行供電。

2.  根據權利要求1所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,其特征在于:在支架頂端安裝攝像頭,在攝像頭旁安裝一個光照輔助裝置,光照輔助裝置是由光敏開關和LED燈頭、電池串聯組成。

3.  根據權利要求1所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,其特征在于:在下箱體前側頂部邊緣固定安裝弧形板體狀的手臂托。

4.  根據權利要求1所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,其特征在于:所述游戲標志板為長方形背景板,可選用木質或硬塑或鋼制材料 制成,大小與下箱體的箱口大小配套。

5.  根據權利要求1或4所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,其特征在于,所述游戲標志板分為如下四種背景板:
(1)第一種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框,黑色部分的表面上開設大小不同的圓孔,在圓孔上可安插蘑菇型插釘;
(2)第二種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框,黑色部分的表面由橫豎線繪制成棋盤格;
(3)第三種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框;
(4)第四種背景板,為階梯狀支撐板,在各階梯面上繪制琴鍵或敲擊鍵或琴弦線。

6.  一種依賴權利要求1的手部康復方法,其特征在于,所述方法步驟如下:
(1)通過手勢識別算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備手勢識別處理功能;通過虛實融合算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備虛擬現實交互結合的功能;在控制處理器中通過編程設定虛擬游戲場景;在控制處理器中預存康復手勢圖形;
(2)根據需要選定游戲標志板的種類,將游戲標志板安裝在下箱體的箱口處,調整攝像頭高度和角度,使攝像頭能夠完整清晰的捕獲游戲標志板的全景;
(3)人手可直接放置或手握輔助物體放置在游戲標志板上,保持手的靜止休息狀態,由攝像頭捕捉到人手視頻,將手勢視頻傳入控制處理器,控制處理器每隔40ms采集一幀圖像作為關鍵幀,然后將關鍵幀圖像轉換為灰度圖,并提 取關鍵幀手部輪廓;
基于形狀配準方法將關鍵幀手部輪廓與手的靜止休息狀態的輪廓圖進行相似性對比,如果兩者相似,識別當前手勢為手的休息位;
如果識別到手的休息位,則利用目標跟蹤算法追蹤該手勢,同步提取手部輪廓,并計算動態手勢特征,包括手勢主方向、運動方向、手勢幾何中心在游戲標志板的位置、速度以及手部輪廓變化量;
如果手部輪廓發生變化,則將手部輪廓與指定的康復手勢標準輪廓進行相似性配準,若相似性超過規定閾值,則認為當前手勢與擬康復手勢一致,然后結合動態手勢特征;利用神經網絡方法進一步判斷手勢類型,并由此發出動作信號來通過控制處理器來控制顯示屏中虛擬空間物體的運動;
(4)虛擬游戲訓練時,由攝像頭捕捉到人手、輔助物體以及游戲標志板的圖像,將圖像轉換為灰度圖,并進行二值化處理;識別游戲標志板外圍矩形邊緣角點,計算平面單應矩陣;實時跟蹤人手或輔助物體的輪廓,識別具體的手勢類型以及手部、輔助物體中心在圖像中的坐標,結合單應矩陣和手部大小變化關系,確定手部或輔助物體相對于游戲標志板左下角的空間坐標,從而確定虛擬手、輔助物體相對于虛擬世界坐標系的位置關系,進一步將該位置賦予虛擬游戲場景中的對應物體,實現虛擬物體移動,根據手勢類型賦予虛擬物體相應合適的響應,完成手部虛擬康復訓練。

說明書

說明書一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱及方法
技術領域
本發明涉及一種手部功能康復設備,尤其是一種基于手勢交互的手部多功能康復系統及方法。
背景技術
人手作為人體重要的功能器官之一,其縱橫交錯的神經血管、遍布全手的肌肉導致手部傷害的治療要求高、難度大、康復周期長。目前市場上的機械式手部康復器材,如分指板、握力器、手指矯正器等趨于成熟,但這些手部康復器材功能單一,使用時往往需要病人進行單調的重復運動,病人鍛煉起來非常枯燥,難以達到良好的康復效果。
為了提升康復訓練的趣味性,一些研究者提出利用虛擬現實技術實現手部康復。例如:華中科技大學發明的基于虛擬現實的手部多功能康復系統,運用了虛擬場景,以器械為模板,只單純的增加了娛樂性;北京交通大學針對腦卒中患者腕部活動度低的病癥設計虛擬現實訓練平臺,使患者在虛擬環境中扮演一個角色,成為虛擬環境中的一部分,通過訓練動作與虛擬環境進行交互,達到逐漸恢復腕關節活動度的目的;青島科技大學設計了應用三維建模的方法實現虛擬結合,但是三維建模速度慢,效率低,不能很好的達到康復效果。上述系統通常只是單純在康復訓練過程中增加了游戲功能,只具備單一或幾種手部動作的識別能力,真實感差、可交互性差,且康復系統不具有便攜性。還有國內國外一些研究機構使用數據手套通過虛實結合來達到康復訓練的目的,但數據手 套價格昂貴,應用受到限制。
發明內容
本發明目的在于提供一種價格低廉、趣味性強、功能豐富的基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱及方法,以提高手部運動功能障礙的患者的康復效率。
為實現上述目的,采用了以下技術方案:
本發明所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,主要包括上箱體和下箱體,上箱體和下箱體鉸接組成一體,在上箱體內側表面安裝顯示屏,顯示屏驅動板鑲嵌在上箱體內部,在上箱體的開合邊內側活動安裝兩段轉動式桿體支架,在支架頂端安裝攝像頭;在下箱體中安裝立式隔板將下箱體分為左右兩個箱體,在下箱體的箱口處鑲嵌安裝游戲標志板;在左右兩個下箱體的前側板內分別鑲嵌安裝音箱;在右側下箱體底部嵌入一塊支撐板,在支撐板上安裝控制處理器、電源模塊和散熱風扇,右側下箱體的側板上安裝USB接口、網線接口、電源開關、復位鍵、電源接口并分別與控制處理器相連,在側板上對應散熱風扇位置開設散熱孔;
所述控制處理器的輸入端口與攝像頭、電源開關、復位鍵通過數據線連接;控制處理器的輸出端口與音箱連接,另有輸出端口通過數據線經顯示屏驅動板后與顯示屏連接;控制處理器與USB接口、網線接口互通連接;電源接口與電源模塊連接,電源模塊再與控制處理器連接進行供電。
進一步的,在支架頂端安裝攝像頭,在攝像頭旁安裝一個光照輔助裝置, 光照輔助裝置是由光敏開關和LED燈頭、電池串聯組成。
進一步的,在下箱體前側頂部邊緣固定安裝弧形板體狀的手臂托。
進一步的,所述游戲標志板為長方形背景板,可選用木質或硬塑或鋼制材料制成,大小與下箱體的箱口大小配套。所述游戲標志板分為如下四種背景板:
(1)第一種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框,黑色部分的表面上開設大小不同的圓孔,在圓孔上可安插蘑菇型插釘;
(2)第二種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框,黑色部分的表面由橫豎線繪制成棋盤格;
(3)第三種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈白色邊框;
(4)第四種背景板,為階梯狀支撐板,在各階梯面上繪制琴鍵或敲擊鍵或琴弦線。
本發明所述的一種依賴于基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱的手部康復方法,方法步驟如下:
(1)通過手勢識別算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備手勢識別處理功能;通過虛實融合算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備虛擬現實交互結合的功能;在控制處理器中通過編程設定虛擬游戲場景;在控制處理器中預存康復手勢圖形;
(2)根據需要選定游戲標志板的種類,將游戲標志板安裝在下箱體的箱口處,調整攝像頭高度和角度,使攝像頭能夠完整清晰的捕獲游戲標志板的全景;
(3)人手可直接放置或手握輔助物體放置在游戲標志板上,保持手的靜止 休息狀態,由攝像頭捕捉到人手視頻,將手勢視頻傳入控制處理器,控制處理器每隔40ms采集一幀圖像作為關鍵幀,然后將關鍵幀圖像轉換為灰度圖,并提取關鍵幀手部輪廓;
基于形狀配準方法將關鍵幀手部輪廓與手的靜止休息狀態的輪廓圖進行相似性對比,如果兩者相似,識別當前手勢為手的休息位;
如果識別到手的休息位,則利用目標跟蹤算法追蹤該手勢,同步提取手部輪廓,并計算動態手勢特征,包括手勢主方向、運動方向、手勢幾何中心在游戲標志板的位置、速度以及手部輪廓變化量;
如果手部輪廓發生變化,則將手部輪廓與指定的康復手勢標準輪廓進行相似性配準,若相似性超過規定閾值,則認為當前手勢與擬康復手勢一致,然后結合動態手勢特征;利用神經網絡方法進一步判斷手勢類型,并由此發出動作信號來通過控制處理器來控制顯示屏中虛擬空間物體的運動;
(4)虛擬游戲訓練時,由攝像頭捕捉到人手、輔助物體以及游戲標志板的圖像,將圖像轉換為灰度圖,并進行二值化處理;識別游戲標志板外圍矩形邊緣角點,計算平面單應矩陣;實時跟蹤人手或輔助物體的輪廓,識別具體的手勢類型以及手部、輔助物體中心在圖像中的坐標,結合單應矩陣和手部大小變化關系,確定手部或輔助物體相對于游戲標志板左下角的空間坐標,從而確定虛擬手、輔助物體相對于虛擬世界坐標系的位置關系,進一步將該位置賦予虛擬游戲場景中的對應物體,實現虛擬物體移動,根據手勢類型賦予虛擬物體相應合適的響應,完成手部虛擬康復訓練。
與現有技術相比,本發明具有如下優點:
1、采用手勢識別及虛擬現實技術,最大限度的實現了趣味性手部主動康復訓練,提高了訓練效率,縮短了康復周期;
2、系統設計靈活,可康復手勢豐富,操作簡單、成本低廉、便攜性強,不需要醫護人員或家人長期陪伴訓練,不但適合患者在醫院進行康復訓練,也適合患者在家庭中進行康復訓練。
附圖說明
圖1是本發明實驗箱的立體結構簡圖。
圖2是本發明實驗箱下箱體的內部結構圖。
圖3是本發明實驗箱的游戲標志板作為拼插游戲標志板使用時的示意圖。
圖4是本發明實驗箱的游戲標志板作為拼插游戲標志板時配套使用的蘑菇型插釘結構圖。
圖5是本發明實驗箱的游戲標志板作為棋盤游戲標志板使用時的示意圖。
圖6本發明實驗箱的游戲標志板作為琴類游戲標志板使用時的示意圖。
圖7是本發明方法的手勢識別流程圖。
圖8a為實施例中拼插類游戲示例圖。
圖8b為實施例中迷宮類游戲示例圖。
圖8c為實施例中棋類游戲示例圖。
圖8d為實施例中手游類游戲示例圖。
圖8e為實施例中琴類游戲示例圖。
圖9為本發明實驗箱的系統框圖。
附圖標號:1-上箱體、2-下箱體、3-顯示屏、4-支架、5-攝像頭、6-游戲標志板、7-音箱、8-支撐板、9-控制處理器、10-電源模塊、11-散熱風扇、12-USB接口、13-網線接口、14-電源開關、15-復位鍵、16-電源接口、17-散熱孔、18-光照輔助裝置、19-手臂托。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明:
如圖1和2所示,本發明所述的一種基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱,主要包括上箱體1和下箱體2,上箱體和下箱體鉸接組成一體,在上箱體內側表面安裝顯示屏3,顯示屏驅動板鑲嵌在上箱體內部,在上箱體的開合邊內側活動安裝兩段轉動式桿體支架4,在支架頂端安裝攝像頭5;在下箱體中安裝立式隔板將下箱體分為左右兩個箱體,左側下箱體形成儲存空間,可存放物品;在下箱體的箱口處鑲嵌安裝游戲標志板6;在左右兩個下箱體的前側板內分別鑲嵌安裝音箱7;在右側下箱體底部嵌入一塊支撐板8,在支撐板上安裝控制處理器9、電源模塊10和散熱風扇11,右側下箱體的側板上安裝USB接口12、網線接口13、電源開關14、復位鍵15、電源接口16并分別與控制處理器相連,在側板上對應散熱風扇位置開設散熱孔17;下箱體右部側面板分別布置4個USB接口和電源接口,用于連接外部電源、鍵盤、鼠標和攝像頭等設備;
攝像頭由兩個大扭矩可旋鋁合金桿組成,鋁合金桿中空,底部鋁合金桿通過螺絲固定在上箱體外殼上,上部鋁合金桿和下部鋁合金桿通過螺絲固定,避 免滑動,保證攝像頭穩定,其位置可以在三維空間調整,攝像頭信號線通過鋁合金桿中間空腔進入上箱體面板內,再與控制處理器連接,以獲得最佳的采集圖像。
支架不使用時,可以折疊后放入上箱體的內部;攝像頭固定在攝像頭支架上,通過信號線與控制處理器連接,用于圖像捕獲;攝像頭旁邊配置一個光照輔助裝置18,在低光照時打開光源,以增加照明確保系統穩定運行;光照輔助裝置是由光敏開關和LED燈頭、電池串聯組成。
如圖9所示,所述控制處理器采用卡片式電腦PCAduino,控制處理器的輸入端口與攝像頭、電源開關、復位鍵通過數據線連接;控制處理器的輸出端口與音箱連接,另有輸出端口通過數據線經顯示屏驅動板后與顯示屏連接;控制處理器與USB接口、網線接口互通連接;電源接口與電源模塊連接,電源模塊再與控制處理器連接進行供電。
進一步的,在下箱體前側頂部邊緣固定安裝弧形板體狀的手臂托19,用于患者在康復訓練過程中緩解肘部壓力。
進一步的,所述游戲標志板是大小為42cm*32cm可替換的多種同規格的長方形背景板,可選用木質或硬塑或鋼制材料制成,大小與下箱體的箱口大小配套。所述游戲標志板分為如下四種背景板:
(1)如圖3所示,第一種背景板為拼插類游戲的輔助標志板,正面為黑色,邊緣設有一圈5mm寬的白色邊框,黑色部分的表面上開設大小不同的圓孔,在圓孔上可安插蘑菇型插釘,患者使用蘑菇型插釘在游戲標志板上根據虛擬游戲 模塊產生的游戲拼插相應的圖案。如圖4所示,所述蘑菇釘上部為工字型便拿式設計,下部為從上到下逐漸縮徑的圓柱形,圓柱形直徑與標志板上圓孔的直徑相對應。
(2)如圖5所示,第二種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈5mm寬的白色邊框,黑色部分的表面由橫豎線繪制成棋盤格,棋盤格大小為1cm*1cm,作為迷宮圖形或棋盤使用;
(3)第三種背景板,正面為黑色,邊緣設有一圈5mm寬的白色邊框,主要供虛擬游戲當背景板使用,供患者抓取棋子進行游戲,訓練手部的抓取、移動、準確落放等動作。
(4)如圖6所示,第四種背景板,為三層梯階狀支撐板,底層階梯為鋼琴按鍵,中部階梯為敲擊琴鍵,上半階梯為琴弦,主要訓練手指靈活性和協調性。此類支撐板需要虛實結合才能完成,相應的屏幕上有和支撐板上相同的琴,相應按鍵對應相應聲音,按動、打擊或撥動相應的按鍵/琴弦則發出相應的聲音,形成不同音樂。
本發明所述的一種依賴于基于手勢交互的便攜式手部虛擬康復實驗箱的手部康復方法,方法步驟如下:
如圖7所示,(1)通過手勢識別算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備手勢識別處理功能;通過虛實融合算法對控制處理器進行編程,使控制處理器具備虛擬現實交互結合的功能;在控制處理器中通過編程設定虛擬游戲場景;在控制處理器中預存康復手勢圖形;所述康復手勢包括懸垂、托舉、觸 摸、推壓、擊打、動態操作(上下左右移動)、球形掌握、球形指尖握、柱狀抓握、鉤拉、二指尖捏、多指尖捏、側捏、腕部屈、伸、屈曲和旋轉;
(2)根據需要選定游戲標志板的種類,將游戲標志板安裝在下箱體的箱口處,調整攝像頭高度和角度,使攝像頭能夠完整清晰的捕獲游戲標志板的全景;
(3)人手可直接放置或手握輔助物體放置在游戲標志板上,保持手的靜止休息狀態,由攝像頭捕捉到人手視頻,將手勢視頻傳入控制處理器,控制處理器每隔40ms采集一幀圖像作為關鍵幀,然后將關鍵幀圖像轉換為灰度圖,并提取關鍵幀手部輪廓;輔助物體包括球、蘑菇釘、圓柱、棋子、積木和敲擊錘等。
基于形狀配準方法將關鍵幀手部輪廓與手的靜止休息狀態的輪廓圖進行相似性對比,如果兩者相似,識別當前手勢為手的休息位;
如果識別到手的休息位,則利用Camshift算法追蹤該手勢,同步提取手部輪廓,并計算動態手勢特征,包括手勢運動方向、手勢幾何中心在游戲標志板的位置、速度,以及手部輪廓變化量;
設ti時刻目標手勢重心為(xi,yi),tj時刻目標手勢重心(xj,yj),則:
速度大小v=(xj-xi)2+(yj-yi)2tj-ti]]>
運動方向α=arctan(yj-yixj-xi)]]>
如果手部輪廓發生變化,則將手部輪廓與指定的康復手勢標準輪廓進行相似性配準,若相似性超過規定閾值,則認為當前手勢與擬康復手勢一致,然后結合動態手勢特征;利用神經網絡方法進一步判斷手勢類型,即將前述目標手勢的速度大小、方向、手型特征作為輸入信號,進行BP神經網絡學習訓練,預 測手勢類型,并由此發出動作信號來通過控制處理器來控制顯示屏中虛擬空間物體的運動;
(4)虛擬游戲訓練時,由攝像頭捕捉到人手、輔助物體以及游戲標志板的圖像,控制處理器將每一幀圖像轉換為灰度圖,并根據閾值分割算法提取標志板矩形或圓形輪廓,以及手部或輔助設備的輪廓;識別游戲標志板外圍矩形邊緣角點,并根據矩形大小以及角點坐標計算平面單應矩陣;實時跟蹤人手或輔助物體的輪廓,識別具體的手勢類型以及手部、輔助物體中心在圖像中的坐標,如果在5s時間內手部位置和方向均不發生明顯變化,認為是靜態手勢,處理器開始進行手勢識別,并根據手勢識別結果確定是否完成虛擬游戲任務;如果手部位置或方向在5s內發生明顯變化,認為是動態手勢,在識別手型的同時,結合單應矩陣和手部大小變化關系,確定手部或輔助物體相對于游戲標志板左下角的空間坐標,從而確定虛擬手、輔助物體相對于虛擬世界坐標系的位置關系,同時將計算得到的坐標賦予虛擬手或手部虛擬康復設備,當虛擬手或手部虛擬康復設備運動到虛擬游戲規定的位置,完成虛擬任務。
例如:拼插類游戲示例,如圖8a所示,患者首先按照虛擬游戲指定的難易程度不同的圖案,移動蘑菇釘在標志板上運動,然后處理器識別蘑菇釘位置,直至患者拼插出虛擬游戲指定的圖案,任務完成。
迷宮類游戲示例,如圖8b所示,患者首先根據虛擬場景中的迷宮場景在標志板上根據指定手型(如球形掌握)移動小球,然后處理器識別手型和小球位置,直至患者走出迷宮,任務完成。
棋類游戲示例,如圖8c所示,選擇五子棋游戲,患者首先根據虛擬棋盤出現的棋子按照指定手型(如二指夾捏)放置棋子,然后處理器識別手型和棋子位置,并實時判斷患者是否贏得比賽。
手游類游戲示例,如圖8d所示,患者首先根據游戲要求,制作出不同的康復手型,然后處理器識別手型,如果手勢正確,任務完成。
琴類游戲示例,如圖8e所示,患者首先根據游戲提示,用手指撥或按琴鍵,然后處理器識別手型和手指位置,如果手勢和位置均正確,任務完成。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述,并非對本發明的范圍進行限定,在不脫離本發明設計精神的前提下,本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進,均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。

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