Improved hand tracking algorithm in video sequences for intelligent rehabilitation

Intelligent rehabilitation system is an active research topic. It is motivated by the increased number of limb disabled patients. Human motion tracking is the key technology of intelligent rehabilitation system, because the movement of limb disabled patients needs to be localized and learned so that any undesired motion behavior can be corrected in order to reach an expectation. This paper introduces a realtime tracking system of human hand motion, specifically intent to be used for home rehabilitation. Vision sensor (camera) is employed in this system to track the hand movement, and the improved Camshift algorithm and Kalman filter are used to implement dynamic hand tracking in the video. CAMSHIFT algorithm is able to track any kind of target colors by building a histogram distribution of the H channel in HSV color space from the region of interests selected by users at the initial stage. Kalman filter is able to predict hand location in one image frame based on its location data detected in the previous frame. The experimental results show that this system can track 2D hand motion and has acceptable accuracy by using the two algorithms properly. The new algorithm proposed in this paper can not only deal with the skin color interference problems, but also deal well with the track of complex background.     

基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制技术

针对下肢运动功能障碍患者术后康复训练辅助设备的跟随控制问题,本研究提出一种基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制方法。根据康复机器人的结构特性和功能要求,建立机器人运动数据信息采集系统和下肢康复机器人的运动学模型;构建机器人平台上的人体姿态行为信息采集传感器系统,通过分析位移传感器所采集的数据,得到表征人体姿态行为变化的相关信息,经上位机计算生成康复机器人的期望跟随速度;同时,基于模糊PID控制算法设计了跟随控制器。通过仿真和实验验证该控制算法能够有效减小机器人实时跟踪使用者运动过程中的误差,实现康复机器人对人体运动姿态良好的跟随效果。     

基于速度场的上肢康复机器人的主动控制策略

针对上肢辅助康复机器人在临床使用中的安全性和平稳性,以及主动康复阶段对患者主动参与康复训练的要求,采用了有别于传统轨迹跟踪的轮廓跟踪策略,并设计了一个主动控制器.轮廓跟踪策略是通过空间中的速度场约束机器人的运动来实现的.速度场可使机器人平滑而稳定地沿着期望的空间曲线运动.主动控制器引入了患者作用力,使机器人的运动速度能够根据患者所施加的作用力进行调整,实现患者主动参与康复训练的目的.仿真结果表明,轮廓跟踪-主动控制策略能够在保证跟踪精度的同时实现人机交互.     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

基于阻抗控制的下肢康复外骨骼随动控制

针对外骨骼单一的轨迹跟随控制难以满足患者主动康复训练需求的问题,将基于计算力矩的阻抗控制应用到下肢外骨骼中,分析控制系统的误差,设计一种自适应鲁棒补偿控制器。研制一种基于电机+套索传动的下肢外骨骼,降低外骨骼下肢的质量以提高轨迹跟踪效果。采用Lagrange法进行动力学分析。建立MATLAB和ADAMS虚拟样机的联合仿真平台,分析不同阻抗参数对人机交互力跟踪效果的影响。联合仿真实验结果表明,机械和控制系统具有良好的轨迹跟踪和人机交互力跟踪效果,验证了算法的有效性,满足患者进行主动康复训练的需求。     

基于迭代学习控制算法的下肢外骨骼机器人跟随特性研究

目前下肢外骨骼机器人存在的运动控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹时存在误差,从而导致人机系统随动性能差。因此,本文提出迭代学习控制算法追踪人体髋关节和膝关节期望轨迹。首先,结合人体下肢结构分析,建立下肢外骨骼机器人动力学模型;其次,基于迭代学习控制算法建立下肢外骨骼机器人随动控制模型;最后,利用Matlab软件设计指数变增益闭环D型运动控制系统,分析收敛速度与谱半径的关系,追踪得到人体下肢髋关节和膝关节期望轨迹。仿真结果表明该算法能够有效提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪精度,提升人机系统随动性能。     

上肢外骨骼运动的逆向求解与仿真

人体上肢是个极其复杂的运动系统,其运动具有复杂性和随意性。研究上肢外骨骼的运动特性为手臂外骨骼的设计提供了重要的参数依据和指导意义。本文提出了四自由度外骨骼机构并论述了其合理性,建立了四自由度的上肢模型及其运动学方程,运用逆向运动学的方法在多种运动轨迹下对上肢运动进行仿真,并对各机构之间运动关系进行测量和分析,仿真结果为外骨骼系统的智能控制及康复训练提供了有效的参考依据。     

A novel 5-DOF exoskeletal rehabilitation robot system for upper limbs

A novel 5-DOF exoskeletal rehabilitation robot for upper limbs of hemiplegic patients caused bystroke is proposed in this paper.Its hardware structure is introduced and the control methods are ana-lyzed.To implement intelligent and interactive rehabilitation exercises,motion intention of patients' up-per limb is introduced into control methods of rehabilitation exercises.In passive motions,according tothe character of unilateral impaired,multi-channels surface electromyogram(sEMG)signals of patients'hea...     

冬奥背景下快速康复(ERAS)理念在下肢损伤护理实践中的应用

为探索应用快速康复理念对下肢运动损伤进行康复治疗的优势,以2019年1月至2021年11月期间,首都医科大学附属北京朝阳医院收治的下肢运动损伤患者作为研究对象,将其分为常规康复组(A组)和快速康复组(B组).比较两组患者的肌肉萎缩、关节僵硬、关节活动度,以及满意度、正性负性情绪评分,其他指标包括住院时间、卧床时间.结果...     

老年人下肢康复训练机器人运动识别方法研究

本研究认为,由于后天环境影响和身体机能的下降,老年人下肢运动能力降低的人数不断增多,相应地,康复训练机器人的相关技术则成为了研究的热点.本研究以老年人康复训练机器人为研究对象,提出了一种通过采集前臂压力来识别老年人的运动意图的方法,即建立系统的运动学模型,使用模糊拉格朗日插值法识别机器人的运动方向意图,使用比例变化法识别机器人的速度意图,通过仿真对识别方法的优越性进行验证.仿真结果表明,文中方法识别的速度和方向与实际运动情况基本一致,表明该研究提出的方向和速度意图识别方法是可行的.该研究为下肢康复训练机器人的发展提供了一定的参考.     

基于表面肌电的肘关节运动角度预测

表面肌电信号(sEMG)由于能够反映用户的动作意图而被广泛应用在上肢康复治疗系统中.针对目前上肢康复机器人的手臂关节运动控制不灵活的问题,提出一种基于sEMG的肘关节运动角度预测方法.为解决单一的时域特征提取方法存在的时间效率高而稳定性不足的问题,从时域和频域分别提取特征值,采用BP人工神经网络建立表面肌电信号与肘关节角度的映射模型,实现肘关节角度的预测.实验结果表明,该模型的预测结果与真实角度值有高度的一致性,有助于提高上肢康复机械臂的灵活性.     

基于绳牵引并联机构的上肢康复机器人设计

人类的上肢为生活提供了诸多便利,健康的上肢是高质量生活的保证。上肢如果出现运动功能障碍就需要接受康复治疗。为了减轻康复师的工作强度,同时增强治疗效果,需要利用康复机器人代替康复师来进行康复训练。通过分析肘、肩关节的运动特性和规律,基于三自由度的冗余绳牵引并联机构设计了一款面向上肢康复的机器人。该机器人由定位模块和连接模块组成,可对不同尺寸的上肢进行主动和被动康复训练。由于机器人结构简单、易于装配、制造成本低,更容易被用户所接受。在结构设计完成后对该上肢康复机器人进行了运动学建模,同时进行了机器人奇异性的分析,为后续运动控制的研究做准备。最后,考虑到机器人的力传递性能和体积大小,采用多目标优化的方式对机器人进行了优化设计。仿真结果表明：优化设计有效地提升了机器人的相关性能。研究结果可为绳牵引并联机构在上肢康复机器人设计中的应用提供理论参考。     

基于相似度函数的上肢关节点改进阈值滤波方法及其应用

针对视觉传感器受自身硬件条件及环境扰动的影响,采集到的关节点运动数据往往存在异常值的问题,为了提高Kinect获取的上肢关节点运动数据的准确性,提出了一种基于相似度函数的上肢关节点改进阈值滤波方法,来减小异常值对运动追踪的影响.基于前景轮廓相似度、肢体比例相似度和分布相似度构建了关节点相似度函数,将其用于评估截取的每帧...     

基于关节自由度约束的上臂轴旋转跟踪误差补偿

针对外敷跟踪器下皮肤组织滑移(Soft Tissue Artifact,STA)引起的人体运动跟踪中上臂轴旋转角位移跟踪误差问题,基于关节自由度约束,提出一种利用相连肢体相对位姿矩阵分解的在线STA误差补偿角度计算方法.首先,利用一组不包含上臂轴旋转的上肢运动轨迹跟踪信息,基于关节点位置连续和旋转自由度约束,通过优化方法计算各肢体分段坐标系到相应跟踪器坐标系的位姿变换矩阵;然后,上肢实时运动跟踪时,对上臂和小臂相对姿态矩阵引入上臂轴旋转STA误差补偿运动,在肘关节两旋转自由度的基础上进行3自由度的旋转矩阵分解,得到STA误差补偿角度.4人上肢运动跟踪实验表明:在不同肘关节内曲角度条件下,均能有效在线修正上臂轴旋转STA跟踪误差,且在旋转角度较大时,补偿精度优于线性STA误差补偿方法.     

基于自适应迭代学习算法的FNS肢体运动控制

首先介绍FNS系统的构成及工作原理,针对肢体肌肉的非线性时变性,建立了带反馈控制器的迭代学习控制算法,即复合控制器。曩后利用FNS肢体运动控制平台,采用复合控制算法,对人体曲肘和曲腕运动时的关节运动(角位移)轨迹进行了临床实验研究。结果表明,采用该算法,不仅改善了FNS系统的跟踪性能,而且肢体运动轨迹稳定、平滑,受试者无任何不良生理反应,具有较强的自适应性。     

辅助上肢运动康复机器人技术研究

为了给上肢偏瘫患者的治疗提供有效的辅助工具,研制了一种新型神经康复机器人。该机器人采用二连杆机构模拟人体上肢,其中机器人大臂、小臂分别由两台伺服电机驱动,可以实现平面内的复合运动。另外,该机器人系统针对患者病情的不同阶段,可以提供相应的训练模式。对临床30名患者为期1个月的辅助治疗结果显示:病人对这种新的治疗方法不反感,上肢的运动功能得到明显改善,未发现其他副作用。     

基于Kinect 的康复训练系统设计与研究

针对运动功能障碍患者的康复训练需求,在使用Kinect 设备提取人体骨架拓扑结构的基础上,提出了一 种基于关节点角度序列提取人体运动特征的动作模型,并设计了一种基于Kinect 体感相机的康复训练系统。 该系统利用Kinect 设备实时采集人体骨骼数据,计算特征关节点间的角度,形成关节角度变化序列。利用动态 时间规整算法( DTW: Dynamic Time Warping ) 比较被测角度序列与动作库的标准动作序列的相似度,判断动作 是否标准并输出评估结果。该系统具有使用便捷、成本低的特点,提高了训练过程的趣味性。测试结果表明, 该系统通过人机交互实现了对运动障碍患者的康复训练指导,对康复训练过程具有积极影响。     

浅析高校体育保健课教学现状

体育保健课教学和正常的体育课教学都是高校体育教学的重要组成部分,是"对部分身体异常和病、残、弱及个别高龄等特殊群体的学生,开设以康复、保健为主的体育课程",研究体育保健课教学对推动高校体育的发展,对满足病、残、弱学生的体育需求有着积极的作用。     

基于柔性关节的下肢康复机器人设计与分析

结合国内外现有的下肢康复产品及研究成果,研制了具有柔性关节的坐/卧式下肢康复机器人,采用摄像分析法进行步态分析,并对下肢康复机器人进行了动力学建模、分析及仿真.研究表明,下肢康复机器人对脑卒中患者的康复训练、脊髓损伤和截瘫、骨折患者的重新行走均能起到辅助作用,实现患者恒力恒速运动.      

基于触觉P300的脑控下肢康复机器人

基于P300信号的脑机接口技术在康复医疗领域具有广阔的应用前景,但P300信号的诱发方式多为视听刺激诱发,容易导致患者视听疲劳,同时也限制了视听障碍患者的使用。针对这些不足,设计一种基于触觉P300的脑控下肢康复机器人系统,在被试的左右食指处各放置一个振动器,通过调整左右手振动器的刺激间隔、刺激时长及刺激比例让P300信号更容易诱发和区分;利用共空间模式算法和支持向量机对信号进行特征提取和分类。被试通过选择关注左手或右手的振动刺激输出不同指令,从而控制下肢康复机器人进行相应动作。实验证明,被试通过感受振动刺激可以轻松诱发脑电中的P300信号,在不进行P300信号平均叠加的条件下,分类准确率为86.50%,既保证了较高的分类准确率,又缩短了指令输出时间。每位被试均可通过下肢康复系统顺利完成训练任务,证明了该方法的可行性。