[发明专利]基于眼动平滑追踪和引导力场的机器人辅助手眼协调训练系统

说明书

本发明公开了一种基于眼动平滑追踪和引导力场的机器人辅助手眼协调训练系统，包括虚拟交互场景模块、眼动平滑追踪检测模块、机器人辅助拦截模块及撞击力渲染模块，虚拟交互场景模块能够生成具有虚拟运动物体以及手柄虚拟代理的虚拟交互场景；眼动平滑追踪检测模块采集用户对虚拟运动物体进行眼动追踪时的眼动信号以检测出眼动平滑追踪事件。机器人辅助拦截模块估计虚拟运动物体的运动方向并生成拦截引导力场，从而产生辅助力辅助用户拦截。撞击力渲染模块采集机器人手柄运动学信息进行碰撞检测并在检测到碰撞后根据撞击力计算模型计算撞击力并控制电机产生力反馈于用户手部。从而提高用户参与手眼协调训练时的积极性和趣味性，提高系统沉浸感。

技术领域

本发明涉及一种基于眼动平滑追踪和引导力场的机器人辅助手眼协调训练系统，属于康复训练、运动学习领域。

背景技术

脑卒中是由于脑部血管的突然破裂短暂或永久性堵塞造成血液不能及时流入大脑而引发脑组织损坏的急性血管疾病，具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率和高经济负担5大特点，一直以来被认为世界上导致死亡和残疾的主要原因之一。脑卒中患者根据病变部位不同，可能存在肢体功能障碍，其中手眼协调障碍是比较常见的肢体功能障碍。手眼协调能力是眼睛接收到信息通过神经传递给大脑后，大脑能够及时的做出反应，发出控制信号控制手部肌肉做出相应动作的一种能力，反映了人体神经系统的协调性、稳定性以及和手眼之间配合的能力。尽管脑卒中导致的组织损伤不可逆，但相关研究表明，可以通过大脑的重塑能力实现部分肢体功能的恢复，在常规治疗后，针对性的进行康复训练能够在患者的康复过程中发挥非常重要的作用。传统的康复训练方法主要通过专业的康复治疗师带动患者进行康复训练，在这个训练过程中，患者只能被动的跟随治疗师的安排进行康复训练，训练过程枯燥乏味，训练效果和方案也更多的依靠治疗师的主观判断，这对康复治疗师的专业素养要求很高，面对庞大的患者群体，专业的治疗师往往供不应求。为了缓解治疗师和康复训练患者数量极其不对称的状态，人们将目光转向机器人辅助上肢训练系统的研究开发，来取代治疗师对患者的陪护训练，上肢训练机器人系统一般由机器人本身以及配套的虚拟交互场景组成，机器人为患者提供动力，虚拟交互场景则提供不同的训练任务和视觉反馈。

研究发现，在机器人辅助用户进行上肢训练的过程中，结合用户的运动意图进行辅助训练能够有效的刺激大脑运动相关皮质层，加速神经功能重塑，提高训练效率。眼睛作为重要的人体感知器官，通过眼睛能够获取大量外界信息，眼睛的运动能够反映人们运动意图等，其不仅可以接收信息，还能够作为反映人们运动意图的信息输入通道。人们在对一些运动物体进行操作前，眼睛会先通过平滑追踪的方式追踪运动物体，获取运动物体相关运动信息，从而进行相关操作，和通过脑电或者肌电的方式获取用户的运动意图相比，通过眼动的方式更加便捷简单，仅需要使用眼动仪即可实现，而脑电需要事先涂抹脑电膏，佩戴脑电帽，肌电则需要事先在目标肌肉处粘贴电极。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了基于眼动平滑追踪和引导力场的机器人辅助手眼协调训练系统，通过采集用户眼动信号从中检测出眼动平滑追踪事件从而估计出虚拟交互场景中虚拟运动物体的运动方向以获取用户的运动意图，生成拦截引导力场辅助用户完成训练任务，从而实现对手眼协调能力的锻炼。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种基于眼动平滑追踪和引导力场的机器人辅助手眼协调训练系统，用于辅助用户使用上肢康复机器人的机器人手柄进行康复训练，包括虚拟交互场景模块、眼动平滑追踪检测模块、机器人辅助拦截模块以及撞击力渲染模块，其中：

所述的虚拟交互场景模块，能够生成用于手眼协调训练的虚拟交互场景；所述的虚拟交互场景中具有能够向用户提供视觉运动刺激的虚拟运动物体以及与机器人手柄运动情况相匹配的手柄虚拟代理；

所述的眼动平滑追踪检测模块，通过采集用户追踪虚拟交互场景中虚拟运动物体时的眼动信号来计算出用户的眼动角速度，并根据所计算出的眼动角速度对眼动事件进行分类，从而检测出眼动平滑追踪事件，并将所检测到的眼动平滑追踪事件传输至机器人辅助拦截模块；