基于上肢运动能力康复的复健系统及评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于上肢运动能力康复的复健系统及评估方法，属于面向特殊群体的康复技术领域。

背景技术

脑瘫是一种影响人体运动能力、平衡和姿势的疾病，主要发生在儿童期。但传统上肢康复设备存在价格昂贵、需要专业医护人员、对儿童认知水平提高有限、过程枯燥等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于上肢运动能力康复的复健系统及评估方法，让患儿在灯光和声音的指示下与游戏进行交互，从而有效地帮助患儿在游戏的同时完成复健训练。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用上肢运动能力康复的复健系统的评估方法，所述上肢运动能力复健系统包括康复球，所述评估方法包括以下步骤：

获取基于训练任务滚动康复球时的动态数据和所述训练任务的训练时长信息，所述动态数据包括滚动方向和滚动速度；

基于所述动态数据获得实时运动轨迹；

将所述实时运动轨迹与基于所述训练任务获得的预设运动轨迹进行比较，以确定所述实时运动轨迹的轨迹偏差信息；

按照以下公式获得基于所述训练任务的第一评估结果R：

；

其中，Y为轨迹偏差信息，X为训练时长信息，λ为第一权重系数，μ为第二权重系数。

进一步地，所述第一权重系数λ和所述第二权重系数μ按照以下公式计算获得：

；

；

；

其中，λ

进一步地，所述轨迹偏差信息包括轨迹准确度Ac(t)，所述轨迹准确度Ac(t)按照如下公式计算获得：

；

；

其中，Ac(t)为t时刻的轨迹准确度，xn(t)为在t时刻所述实时运动轨迹的横坐标，y(xn(t))为横坐标为xn(t)时所述预设运动轨迹的预设纵坐标，Ac为一段时间T内轨迹的准确度。

进一步地，所述轨迹偏差信息还包括轨迹稳定度St(t)，所述轨迹稳定度St(t)按照如下公式计算获得：

；

；

其中，St(t)为t时刻的轨迹稳定度，xn(t)为在t时刻所述实时运动轨迹的横坐标，y(xn(t))为横坐标为xn(t)时所述预设运动轨迹的预设纵坐标，St为一段时间T内轨迹的稳定度。

进一步地，所述轨迹偏差信息Y、轨迹准确度Ac和轨迹稳定度St之间满足以下公式：

；

其中，ω1表示第三权重系数，ω2表示第四权重系数。

基于本发明还提供如下技术方案：一种使用所述评估方法的复健系统，包括：

多媒体模块，输出包括不同游戏类型的训练任务；

康复球，获取儿童根据所述训练任务滚动所述康复球的动态数据，所述动态数据包括滚动方向和滚动速度；

处理模块，获取基于所述动态数据得到的实时运动轨迹、基于所述训练任务得到的预设运动轨迹以及所述训练任务的训练时长信息，将所述实时运动轨迹与基于所述训练任务获得的预设运动轨迹进行比较，以确定所述实时运动轨迹的轨迹偏差信息；

评估模块，按照以下公式获得基于所述训练任务的第一评估结果R：

；

其中，Y为轨迹偏差信息，X为训练时长信息，λ为第一权重系数，μ为第二权重系数。

进一步地，所述康复球包括球形壳体和设置在所述球形壳体上以固定手部的绑带，所述球形壳体上形成有用于容置手指的指尖凹槽。

进一步地，所述球形壳体包括：

上层半球体；

下层半球体，与所述上层半球体相对设置；

第一盖板，可拆卸连接在所述下层半球体内；

第二盖板，可拆卸连接在所述上层半球体内，且所述第二盖板与所述第一盖板之间具有间距。

进一步地，所述康复球包括：

控制模组，设置在所述上层半球体和所述第二盖板之间；

电池槽，形成在所述下层半球体内，与所述第一盖板形成用来容置电池的容置腔。

进一步地，所述控制模组包括提醒模块，所述提醒模块用于产生震动、声或光信号的提醒动作；

所述提醒模块设置成与所述处理模块连接，用于在接收到所述处理模块基于所述轨迹偏差信息确定的提醒信息后执行所述提醒动作。

本发明的有益效果在于：一方面，本申请通过提供一种基于轨迹偏差信息和训练时长信息，根据公式

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例所示的系统示意图；

图2为本发明一实施例所示的康复球的结构示意图；

图3为图1中所示的康复球的控制模组的示意图；

图4为本发明中2D绘画游戏的显示内容示意图；

图5为本发明中3D飞机控制游戏的显示内容示意图；

图6为本发明中康复球的控制方式示意图；

图7为应用于本申请的评估方法。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参考图1，本申请一较佳实施例所示的基于上肢运动能力康复的复健系统包括多媒体模块3、康复球100、处理模块2和评估模块。

多媒体模块3输出包括不同游戏类型的训练任务，在本申请中，训练任务包括2D绘画游戏和3D飞机控制游戏。其中，2D绘画游戏用以培养手眼协同能力，完善基础手部动作能力；3D飞机控制游戏用以培养手眼协同能力、提高空间认知能力和促进手部精细动作能力。

康复球100包括球形壳体，能够获取儿童根据训练任务滚动康复球100时的动态数据，其中，动态数据包括滚动方向和滚动速度。

处理模块2获取基于动态数据得到的实时运动轨迹、基于训练任务得到的预设运动轨迹以及训练任务的训练时长信息，将实时运动轨迹与基于训练任务获得的预设运动轨迹进行比较，以确定实时运动轨迹的轨迹偏差信息。

评估模块根据轨迹偏差信和训练时长信息得到第一评估结果。按照以下公式获得基于所述训练任务的第一评估结果R：

请参考图2，康复球100包括球形壳体，球形壳体包括：上层半球体11、与上层半球体11相对设置的下层半球体12、可拆卸连接在下层半球体12内的第一盖板3和可拆卸连接在上层半球体11内的第二盖板4，且第二盖板4与第一盖板3之间具有间距。

康复球100还包括控制模组200和电池槽1211，其中，控制模组200设置在上层半球体11和第二盖板4之间。在上层半球体11内形成有放置控制模组200的安装腔（未图示），安装腔包括形成在上层半球体11内的芯片槽（未图示）和固定在芯片槽开口的第二盖板4，第二盖板4和芯片槽在水平面的投影大小相同。在本实施例中，第二盖板4和上层半球体11通过铰接件固定，固定完成后，第二盖板4和芯片槽的上表面恰好平齐。并且，第二盖板4上设置有第二散热孔113，以方便控制模组的散热。

电池槽1211形成在下层半球体12内，与第一盖板3形成用来容置电池的容置腔121，第一盖板3和电池槽1211在水平面的投影大小相同。在本实施例中，第一盖板3和下层半球体12通过铰接件固定，固定完成后，第一盖板3和电池槽1211的上表面恰好平齐。并且，第一盖板3和电池槽1211的底面均设置有第一散热孔122，以方便电池的散热。

上层半球体11和下层半球体12其一上设置有凸起114，上层半球体11和下层半球体12另一上设置有凹槽123，旋转上层半球体11和下层半球体12，使凹槽123与凸起114卡持配合，从而使上层半球体11和下层半球体12合并为一个球体。

请参考图3，控制模组200包括触发组件201、供电组件202、控制组件203、存储组件204、读取组件205和信号发射组件206。

其中，触发组件201包括与处理模块2实现信息交互的提醒模块，用于产生震动、声或光信号的提醒动作，提醒模块设置成与处理模块2连接，用于在接收到处理模块2基于所轨迹偏差信息确定的提醒信息后执行提醒动作，具体地，处理模块2判定轨迹偏差信息是否在设定偏差阈值内，若不在，则发出提醒信息，提醒模块接收提醒信息并执行。在本实施例中，提醒模块为振动传感器，当儿童在完成训练任务时，实时运动轨迹与预设运动轨迹的偏差信息超过设定偏差阈值后，处理模块2发出提醒信息，振动传感器接收到提醒信息后，开始振动，通过感觉反馈告知儿童当前的实时运动轨迹出现错误，从而使儿童矫正动作，重新输入正确的实时运动轨迹。

供电组件202包括充电模块，充电模块与放置在容置腔121内的电池电连接，用以保护电池的充电过程。在本实施例中，充电模块为TP4056充电模块，当电池电量用完时，TP4056充电模块可以利用外部的Type C数据线给电池充电。

控制组件203包括基于康复球100的滚动获得动态数据的采集模块，采集模块可以获得康复球100的滚动方向和滚动速度。在本实施例中，采集模块为MPU6050惯性传感器。

对于MPU6050惯性传感器，将康复球100滚动的原始数据转化为动态数据的算法如下：

MPU6050提供加速度、角速度原始数据，经数字运动处理器（DMP）解算，判断手腕移动方向。

输入：MPU6050提供加速度、角速度原始数据

输出：

1.调用DMP库解算得到四元数

；

；

；

2. 检测初始欧拉角，定义为original_data[pitch, roll, yaw]；

3. 检测手腕移动后的欧拉角，定义为current_data[pitch, roll, yaw]；

4. 计算变化量：

5. 定义实测出的变化量临界值：c1，c2，c3；

6. 将

存储组件204和读取组件205基于动态数据，获得实时运动轨迹，信号发射组件206将处理后的实时运动轨迹无线发送至处理模块2，可以通过蓝牙或者WIFI进行传输。在本实施例中，存储组件204、读取组件205和信号发射组件206集成到ESP32 ROOM上。当ESP32同时处理蓝牙和wifi功能时，虽然ESP32共有4MB的Flash存储空间，理论上应该足够，但是，由于ESP32使用分区表来分配存储中不同类型的内容，Flash存储空间可能会耗尽。因此，需要修改ESP32的分区表，并在PlatformIO的初始化配置中调用它来扩展程序存储空间。

对于本申请中控制模组200所包含的模块，也可以使用其他具有相应功能的模块来替代，只需要将芯片槽做出调整，使之能够固定各个模块即可。

康复球100还包括设置在球形壳体上以固定手部的绑带111和设置在球形壳体上以容置手指的指尖凹槽112。通过设置绑带111和指尖凹槽112，可以使儿童在使用康复球100时，手掌与康复球100紧密接触，从而使手部的运动更容易被检测出来，提升训练的精确性。

根据《GB/T 26159-2010 中国未成年人手部尺寸分型》，将未成年人的手掌分为两个群体：群体A：手长153-180mm，手宽66-72mm；群体B：手长135-153mm，手宽60-66mm。基于此，在本实施例中，制作了两种半径的康复球100，其一为46.78mm，其二为41.78mm。当然，也可以将康复球100的半径设置为其他值，由于球形壳体通过3D打印制作而成，因此对于不同手掌大小的儿童的定制化设计也可以轻松完成。

多媒体模块3至少包括显示模块和播放模块。显示模块显示游戏画面，播放模块播放与该游戏相关的声音（如语音、铃声等）。在本实施例中，基于Unity开发了两款游戏，分别为2D绘画游戏和3D飞机控制游戏。

请参考图4，2D绘画游戏的游戏界面如图所示。其设计目标是：患儿在尽可能短的时间内绘制出屏幕上演示的几何图形。游戏共包含三个关卡，三角形、正方形和正五边形。患儿可以通过转动康复球100拖动虚拟画笔在屏幕上图形区域上进行绘制。在测试指标方面，游戏设置了一个计时器来检测正确绘制每个图形所需的时间以及完成所有三项任务后所消耗的总时间。在感官反馈方面，当患者在几何图案上正确移动画笔时，游戏会显示明亮的白色涂抹痕迹，此外一个独特的星星散射动画会被用来给患者提供正向激励。

请参考图5，3D飞机控制游戏界面如图所示。其设计目标为：（1）控制飞机成功起飞；（2）控制飞机在不着陆的情况下尽可能长时间地飞行；（3）控制飞机沿着设定的航线飞行；（4）控制飞机在固定的航向中收集尽可能多的邮箱并获得积分。在测试指标方面，游戏设置一个计时器来检查飞机在飞行中停留的时间。游戏另有一个评分系统，用来对飞行过程中收集的分数进行评分。对于感觉反馈，飞机发动机启动的声音是为了激励患者开始控制飞机，轻微的铃声可以鼓励患者进一步获得游戏积分。亮蓝色的圆形方框可以吸引患者控制飞机到达分数。游戏的难度可以通过内置的物理系统进行调整。例如，风和飞机速度。确定分数的方框的大小也可以调整，以要求飞机更具体地飞行。

请参考图6，处理模块2基于康复球100滚动的动态数据以获得实时运动轨迹，并且基于训练任务获得预设运动轨迹。在本实施例中，根据儿童滚动康复球100的动作信息，可以获得左旋、右旋、抬起、伸展四种动态数据，进而在不同的训练任务中映射为相应的实时运动轨迹。处理模块2基于训练任务得到的预设运动轨迹以及训练任务的训练时长信息，将实时运动轨迹与基于训练任务获得的预设运动轨迹进行比较，以确定实时运动轨迹的轨迹偏差信息。在本实施例中，由于两款游戏均是基于Unity所开发的，因此，处理模块2可以直接调用Unity自带的数据记录功能，从而可以获取轨迹记录图、各边绘制用时、游戏总时长等训练数据。

评估模块根据轨迹偏差信息和训练时长信息得到第一评估结果，按照以下公式获得基于训练任务的第一评估结果R：

在本实施例中，复健系统还包括摄像头1，摄像头1用于实时获取儿童滚动康复球100时的手部姿态的变化数据。处理模块2基于其内预设的手部姿态变化的参考数据评判变化数据与参考数据之间的姿态偏差信息。其中，参考数据为处理模块2根据训练任务所形成的手部姿态的变化数据，一般为正常儿童在进行相同训练任务时的手部姿态变化数据。在本实施例中，利用电脑自带的摄像头1，结合openpose网络，从而获取儿童滚动康复球100时的手部姿态的变化数据。

请参见图7，本申请提供了一种基于上肢运动能力复健系统的评估方法，上肢运动能力复健系统包括康复球，评估方法包括以下步骤：

获取基于训练任务滚动康复球时的动态数据和训练任务的训练时长信息，动态数据包括滚动方向和滚动速度。

基于动态数据获得实时运动轨迹；实时运动轨迹能够反映当其运动的坐标变化及速度变化。

将实时运动轨迹与基于训练任务获得的预设运动轨迹进行比较，以确定实时运动轨迹的轨迹偏差信息。

按照以下公式获得基于训练任务的第一评估结果R：

；

其中，Y为轨迹偏差信息，X为训练时长信息，λ为第一权重系数，μ为第二权重系数。第一评估结果所依据的轨迹偏差信息为，完成训练任务后，最终完整的运动轨迹与完整的预设运动轨迹的之间的轨迹偏差信息。

在本实施例中，第一权重系数λ和第二权重系数μ按照以下公式计算获得：

；

；

；

其中，λ

为了使得动量项能够逐渐积累，数据更为谨慎地进行收敛，

轨迹偏差信息包括轨迹准确度Ac(t)，轨迹准确度Ac(t)按照如下公式计算获得：

；

；

其中，Ac(t)为t时刻的轨迹准确度，xn(t)为在t时刻实时运动轨迹的横坐标，y(xn(t))为横坐标为xn(t)时预设运动轨迹的预设纵坐标，Ac为一段时间T内轨迹的准确度。当实时运动轨迹与预设运动轨迹的纵坐标偏差超过20个像素点后，认为此时的轨迹出现错误，没有达到预设运动轨迹。

轨迹偏差信息还包括轨迹稳定度St(t)，轨迹稳定度St(t)按照如下公式计算获得：

；

；

其中，St(t)为t时刻的轨迹稳定度，xn(t)为在t时刻实时运动轨迹的横坐标，y(xn(t))为横坐标为xn(t)时预设运动轨迹的预设纵坐标，St为一段时间T内轨迹的稳定度。当实时运动轨迹与预设运动轨迹的纵坐标偏差在5个像素点之内，认为此时的实时运动轨迹与预设运动轨迹重合；当实时运动轨迹与预设运动轨迹的纵坐标偏差超过20个像素点后，认为此时的实时运动轨迹完全脱离预设运动轨迹；当实时运动轨迹与预设运动轨迹的纵坐标偏差在5-20个像素点之内，认为实时运动轨迹与预设运动轨迹存在一定偏差。

轨迹偏差信息Y、轨迹准确度Ac和轨迹稳定度St之间满足以下公式：

；

其中，ω1表示第三权重系数，ω2表示第四权重系数。ω1和ω2反映了轨迹准确度Ac和轨迹稳定度St对轨迹偏差信息Y的影响权重，在本实施例中，ω1为0.7，ω2为0.3，当然，ω1和ω2也可以根据具体情况进行调整以满足评估需求。

本申请中的一种基于上肢运动能力康复的复健系统通过融合球类游戏与电脑游戏，同时采用视觉、声音与触觉的交互方式，增加了产品给患者儿童的反馈，让儿童主动参与康复训练，解决了患者儿童对锻炼的抵触情绪，提高了儿童的复健效率。并且，填补了康复设备在个人和家庭市场的空缺，由于本系统中包含的游戏难度可调节、游戏内容和方式可扩展，因此，本系统适用于各年龄段、各康复阶段的脑瘫患儿群体，给患者儿童提供了一个上肢参与游戏的机会，同时达到娱乐和复健的效果。

该系统可锻炼上肢运动的不同方面，通过引导患者儿童从不同的角度控制康复球100，以实现锻炼患者儿童的上肢对手部的控制能力，包括耐力、速度、角度等。并且，多款游戏的交互设置能够给儿童带来多样的游戏体验，减少厌倦感。此外，该系统适用群体广泛，康复球100通过设置不同的指尖凹槽直径和绑带长度，可以满足不同年龄段儿童的手部需求。适用时限长，由于康复球100适用于不同手部大小的儿童群体，在一个儿童的成长过程中，康复球100可以满足其手部宽度在60-72mm的复健需求。

其次，通过使用该系统，可以减轻家长的看护负担，降低患者儿童的陪护需求。由于该系统的训练风险较低，安全隐患较小，且游戏进程为预先设置，因此患者儿童使用该系统时，不需要高质量的看护，有着较小的安全隐患，患者儿童的陪护需求低，该系统既适用于医院，又适用于个人和家庭。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。