康复装置和监控手部运动的方法
阅读说明：本技术 康复装置和监控手部运动的方法 (Rehabilitation device and method for monitoring hand movement ) 是由 王进 金盛 李伟 王翔 张宇 于 2019-07-08 设计创作，主要内容包括：一种康复装置,用于监控使用者的手部运动,其中一个或两个前臂支撑在支撑件的前臂支撑区域上,且面朝上的摄像机被安装成具有超过前臂支撑区域的前部向前的视场,以捕获在前臂支撑区域的前方延伸的一只手或两只手的图像。这避免了使用者佩戴传感器手套的需要,而且能实现紧凑的系统,而无需高架摄像机或大型桌式装置。(A rehabilitation device for monitoring hand movements of a user, wherein one or both forearms are supported on a forearm support area of a support, and an upwardly facing camera is mounted with a forward field of view beyond the front of the forearm support area to capture images of one or both hands extending in front of the forearm support area. This avoids the need for the user to wear sensor gloves and enables a compact system without the need for an overhead camera or a large table-type device.)
技术领域
本发明涉及一种康复装置，尤其涉及一种监控使用者的手部运动的手部康复装置。
背景技术
运动疗法用于使运动控制减弱的患者康复；例如，运动疗法可适于其手部控制降低的中风患者。康复装置被用于促进运动疗法。这些装置可以指导、监控和测量患者如何进行锻炼，提供有关锻炼质量的反馈并激励患者遵守训练计划。
一些康复装置使用视频摄像机来跟踪使用者的手部运动，而另一些康复装置使用有源传感器来检测手部运动。有源传感器康复装置通常比视频摄像机康复装置更贵。此外，有源传感器系统通常需要使用者戴上手套，由于正被处置的损伤，这可能会使人不舒服。
对于基于摄像机的系统，可以使用跟踪系统，该跟踪系统包括用于捕获RGB色域中的手部运动的视频摄像机和用于获取深度信息的深度传感器。视频摄像机记录患者手部的图像，处理该图像以定位图像中的手部，并将手部从图像的背景中分割出来，以便跟踪患者手部的位置。由于可以容易地将肤色与图像的背景区分开，因此可以基于颜色进行分割。患者可以佩戴彩色标记以改善检测的准确性。还已知其他的3D摄像机设计。
基于摄像机的系统的问题在于它们占用大量空间并且不容易携带。例如，通常将摄像机安装在桌子顶部上的框架上，该框架具有用于使用者的前臂的支撑件。
因此，需要一种更紧凑和便携的改进的手部康复装置。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于监控使用者的手部运动的康复装置，包括：
框架，其具有用于附接显示器的显示器安装架；
支撑件，其被安装到框架上，其中该支撑件包括底座和顶部，该顶部具有前臂支撑区域；和
摄像机，其被安装在底座上，面向顶部，使得摄像机的视场包括在前臂支撑区域的前方延伸的区域。
通过将一只手(或两只手)放置成悬置于前臂支撑区域的端部，该装置提供了对使用者的手部成像的紧凑方式。手伸到前臂支撑区域的前方的区域，并因此伸入摄像机的视场。该装置从下方提供对一只手或两只手的成像。它避免了使用者戴上传感器手套的需要，而且能实现紧凑的系统，而无需高架摄像机或大型桌式装置。
摄像机相对于使用者的一只手或两只手处于固定的位置，并且相对靠近。结果，摄像机不需要大的视场，并且其视场可以仅略微延伸超出由使用者的手部所占据的体积。
支撑件还可包括手部支撑区域。这可用于支撑腕部和掌部的靠近腕部的一部分。这可以为在仅提供前臂支撑时没有足够力气来支撑他们的手部的使用者提供支撑。
手部支撑区域的至少一部分优选地由透明材料制成。这使得可以透过支撑件拍摄图像。
如上所述，手部支撑区域可以用于支撑手部的腕部和掌部的一部分。该装置还可包括用于支撑手部的掌部的其余部分的第二手部支撑区域，其中第二手部支撑区域被可移除地安装。
这意味着该装置可以适于不同使用者(对他们的一只手或两只手的支撑具有不同的要求)的需求。在没有第二手部支撑区域的情况下，由于有更多的竖直空间可以进行不同类型的运动，因此可以有更大的自由度来进行锻炼运动。第二手部支撑区域也可以通过为手指提供支撑来完全支撑手部。
框架可以包括直立构件，其中，支撑件以可调节的高度被安装到直立构件上。
这使使用者能够以最舒适的方式定位支撑件。摄像机被附接到支撑件上，因此这种调整不需要对摄像机进行任何重新校准。当然，使用者可以附加地或替代地调整他们正坐在其上的椅子的高度。
支撑件可以以可调节的仰角安装到直立构件上。
该角度可用于设置不同类型的康复锻炼和难度。同样，因为摄像机随支撑件一起移动，所以这不需要摄像机的重新校准。
框架可以包括直立构件，其中，显示器安装架具有沿着直立构件的可调节的高度。因此，显示器可以具有可调节的高度，以用于使用者的最佳舒适度。
框架可包括带轮手推车。
这样，该装置就是一个便携式单元，可以将其滚动到任何位置。使用者只需带一把椅子坐在该装置前面即可执行康复操作。
前臂支撑区域可包括两个前臂支撑沟道，这两个前臂支撑沟道在朝向前表面的方向上间隔开并向内逐渐收缩。
这为使用者的手臂和手部提供了舒适的搁置位置。
底座和顶部例如间隔开10cm至30cm的距离。该间距足以使摄像机具有由手部所占据的体积形成的视场，而且能够实现紧凑的整个装置。
顶部例如是能够从底座移除的。顶部可以被移除以进行清洁，而且可以有不同的顶部，以适合具有不同手臂尺寸或甚至不同手臂角度位置(其是最舒适的)，或者用于不同锻炼的不同手臂位置的人们。
底座可包括从底座的前部向前突出的突出部，并且摄像机被安装在突出部上。因此，将摄像机安装在前臂支撑区域的前方，向上面对悬垂的(由手部支撑区域支撑或未被支撑)手部所在的体积。这提供了紧凑的布置结构。
替代性地，底座可以更大，并且摄像机被安装在底座的中心区域。
摄像机可以包括3D摄像机。市场上有合适的深度感测摄像机，例如Leap Motion(商标)摄像机。
该装置可以包括被安装在显示器安装架上的显示器。该装置然后包括显示器。因此，该装置包括执行手部康复所需的所有单元，除了使用者可以坐在其上的椅子之外。
该装置优选地还包括控制器，该控制器适于：
产生显示输出，该显示输出包括用于使用者执行特定手部康复锻炼的指令；
分析使用者的一只手或两只手的运动；和
产生指示执行手部康复锻炼的成功水平的输出。
通过评估使用者在进行康复锻炼中的表现，可以提高使用者的积极性。
本发明还提供了一种监控康复系统的使用者的手部运动的方法，包括：
当使用者的手臂搁置在包括底座和顶部的支撑件上时，捕获使用者的一只手或两只手的图像，该顶部具有前臂支撑区域，其中使用者的一只手或两只手在前臂支撑区域的前方延伸，
其中，使用被安装在底座上、面向顶部的摄像机捕获图像，使得摄像机的视场包括在前臂支撑区域的前方延伸且使用者的手部位于其中的区域。
捕获图像可包括捕获3D图像。
本发明还提供一种康复方法，包括：
产生显示输出，该显示输出包括用于使用者执行特定手部康复锻炼的指令；
使用上述方法监控手部运动；
分析手部运动；和
产生指示执行手部康复锻炼的成功水平的输出。
参考下文描述的一个或多个实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并得到阐明。
附图说明
为了更好地理解本发明，并更清楚地显示本发明如何实施，现在将仅以举例的方式参考附图，其中：
图1示出了根据示例的康复装置；
图2示出了当使用图1的装置时使用者的方位；
图3示出了在图1的系统中使用的支撑件的第一替代性设计；和
图4示出了在图1的系统中使用的支撑件的第二替代性设计。
具体实施方式
将参考附图描述本发明。
应当理解，详细描述和具体示例虽然指示了设备、系统和方法的示例性实施例，但是仅旨在用于例示说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、所附权利要求和附图，将更好地理解本发明的设备、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解，附图仅是示意性的，并且没有按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
本发明提供了一种用于监控使用者的手部运动的康复装置，其中，一个或两个前臂支撑在支撑件的前臂支撑区域上，并且面朝上的摄像机被安装成具有超出前臂支撑件的前部向前的视场，以捕获一只手或两只手的图像。一只手或两只手在前臂支撑区域的前方延伸。这避免了使用者戴上传感器手套的需要，而且能实现紧凑的系统，而无需高架摄像机或大型桌式装置。
图1示出了用于监控使用者的手部运动的康复装置10。它包括框架12，框架12具有用于附接显示器16的显示器安装架14。显示器16被定位在也安装到框架12上的支撑件17的前方和上方。支撑件17包括底座18和顶部20。该支撑件被安装在托架上。
图1示出了支撑件17的第一种可能的设计。在该设计中，支撑件的顶部20包括两个前臂支撑沟道22、24，其终止于顶部的前表面26处。
两个前臂支撑沟道22、24在朝着前表面26的方向上间隔开并向内逐渐收缩。这为使用者的手臂和手部提供了舒适的搁置位置。
底座和顶部例如间隔开10cm至30cm的距离。该间距足以使摄像机具有由手部所占据的体积形成的视场，而且能实现紧凑的整个装置。
框架12具有直立构件28，并且支撑件17以可调节的高度安装到直立构件上(即，托架可以具有可调节的高度)。类似地，显示器16还可以可选地在框架12上具有可调节的高度。
支撑件17可以以可调节的仰角安装到直立构件28上(即，托架可以具有可调节的角度)。该角度可用于设置不同类型的康复锻炼和难度。
在所示的示例中，框架12是具有四个底脚30的带轮手推车，该底脚的底侧具有滚轮(未示出)。这样，该装置就是一个便携式单元，可以将其滚动到任何位置。使用者只需带一把椅子坐在装置前面即可执行康复操作。
在图1的示例中，摄像机32被安装在作为底座18的一部分的突出部34上。摄像机32面向顶部，使得摄像机的视场40包括超过前表面26向前延伸的区域。这是在使用该装置时使用者的一只手或两只手所在的位置。
可以在摄像机上方设置透明材料盖，例如，以防止进水。透明部分可以仅覆盖摄像机，对于其他部分来说材料可以是不透明的。
通过将手放置成悬置于支撑件17的端部，该装置提供了用于对使用者的手部成像的紧凑方式。手部伸入摄像机的视场40中。
摄像机相对于使用者的手部处于固定的位置，并且相对靠近。结果，摄像机不需要大的视场40，并且其视场可以仅稍微延伸超过由使用者的手部所占据的体积。
优选地，通过摄像机捕获整个手部的图像，以便能够进行手势识别。
摄像机被附接到支撑件上，使得前臂支撑的调整无需摄像机的任何重新校准。
该装置包括控制器42，该控制器42用于分析捕获的图像并显示与康复有关的信息。例如，控制器生成显示输出，该显示输出包括用于使用者执行特定手部康复锻炼的指令。然后分析使用者的一只手或两只手的运动。然后提供输出，该输出指示执行手部康复锻炼的成功水平。
众所周知，可以根据使用者的表现来调整锻炼。锻炼可以涉及游戏情境，以使体验更具娱乐性。本发明与康复操作本身无关，因此将不提供进一步的细节。
图2示出了使用该装置时使用者的位置。如图所示，使用者的手部44重叠，即伸出超过，支撑件17的端面26。图2还更清楚地示出了摄像机32，并且突出部34从底座18的前部向前突出。
摄像机可以包括3D摄像机。市场上有合适的深度感测摄像机，例如Leap Motion(商标)摄像机。3D摄像机使用红外LED阵列，并具有过滤摄像机镜头。图像处理使摄像机能够将手部从背景图像中分割出来并识别手势。
图1和图2示出了用于支撑两个前臂的支撑件17的第一示例，并且其中整个支撑件17可以被认为是前臂支撑区域。
图3示出了仅用于一只手的第二示例。通常，患者在身体的一侧瘫痪，使得仅一只手需要进行锻炼。当然，患者可以简单地使用图1所示支撑件的一个沟道，但是单手支撑件也是可行的，如图3所示。
此外，在该示例中，支撑件进一步向前延伸，使得存在前臂支撑区域50和手部支撑区域52。手部支撑区域52包括刚性且透明的材料，使其为手部提供支撑并且还能够透过手部支撑区域52捕获图像。手部支撑区域52支撑腕部54和掌部56的靠近腕部侧的部分。
如上所述，顶部20(以及作为顶部的一部分的手部支撑区域)在底座18上方升高一定的高度。摄像机32同样面向上，例如指向掌部56的中心。
整个手部，包括腕部的一部分，都在摄像机的视场内，以使手势识别准确。对掌部的下部和腕部的一部分的支撑能够实现肌肉力量较弱的手部康复。
摄像机包括用于成像功能的照明源，例如红外LED，该照明源向上投射照明光，如线35所表示的。手部支撑区域并没有向前延伸太远，以至于其位于摄像机的红外LED正上方。以这种方式，防止手部支撑区域52将照明光直接反射到摄像机并因此影响手势识别。
在所示的示例中，手部支撑区域在摄像机正上方具有凹口58。
手部支撑区域52可以是可移除的，使得支撑件仅被设置成前臂支撑区域50。
图4示出了其中设有第二手部支撑区域60的变型。这是一个附件，其也可以以与第一手部支撑区域52相同的高度安装在底座18上。它支撑掌部的其余部分以及手指。因此，第二手部支撑区域60被可移除地安装，并且可选地，第一手部支撑区域也被可移除地安装。
为了避免如上所述的直接反射，在摄像机的照明LED上方设置开口62。因此，将导致不希望的直接反射的区域被留空。这种组合式完全支撑解决方案适合需要手部完全支撑以进行手部康复的虚弱患者。完全支撑可能会影响进行某些锻炼的能力，因为第二手部支撑区域会阻碍某些手指运动，然而，对于虚弱的患者来说，可以使用完全支撑来完成其他不受影响的锻炼。
顶部20例如是能够从底座18移除的。顶部可被移除以进行清洁，而且也可存在不同的顶部以适合具有不同手臂尺寸或甚至不同手臂角度位置(其是最舒适的)，或用于不同锻炼的不同手臂和手部位置的人们。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储在/分发在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其一部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分发，例如通过因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。