基于Kinect的自主康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在系統(tǒng)中利用余弦定理計(jì)算如圖 3所示的相關(guān)聯(lián)的3個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)連線的角度值 ，計(jì)算方法為：

(4)

　　通過(4)式，系統(tǒng)在Kinect檢測到骷髏關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)可獲取相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)間在任意時(shí)刻的相對角度，繼而求得在Δt時(shí)段內(nèi)活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相對于轉(zhuǎn)動(dòng)圓心關(guān)節(jié)點(diǎn)的角度變化值Δθ，并設(shè)該活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)角度閾值為θt ，并設(shè)BOOL型變量K，K通過(5)式確定：

(5)

　　在每一采樣周期，系統(tǒng)計(jì)算此時(shí)刻與前Δt時(shí)刻的角度差Δθ，得到K的結(jié)果并判斷，當(dāng)K為假時(shí)繼續(xù)采樣追蹤活動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，當(dāng)K為真時(shí)給出對應(yīng)語音和文字提示并結(jié)束追蹤關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

3 測試結(jié)果

　　對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試驗(yàn)證，為減少系統(tǒng)負(fù)擔(dān)提高運(yùn)算效率，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，當(dāng)追蹤某一關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)只計(jì)算該關(guān)節(jié)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的關(guān)聯(lián)關(guān)節(jié)活動(dòng)軌跡，對其他關(guān)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作不進(jìn)行跟蹤和建立軌跡。而且由于系統(tǒng)傳感器使用了激光散斑原理，即激光在散射體表面發(fā)生漫反射的時(shí)候在附近光場中可看到無規(guī)則分布的亮暗光點(diǎn)，這就要求系統(tǒng)使用過程中使用者和背景環(huán)境有較為明顯的區(qū)分度，而且Kinect傳感器的有效探測區(qū)間是[0.8米，3.5米]，因此在測試時(shí)測試者身著深色服裝、背靠白色墻壁、距Kinect傳感器2.5米進(jìn)行測試。圖 4 系統(tǒng)界面所示為系統(tǒng)界面，用戶登錄系統(tǒng)后將進(jìn)入到此界面，左側(cè)為提示框和操作區(qū)，其中上方顯示了當(dāng)前動(dòng)作的動(dòng)作概念、鍛煉部位和小貼示，下方為系統(tǒng)控制區(qū)，可進(jìn)行重做、下一動(dòng)作、尋求幫助、系統(tǒng)風(fēng)格等操作，其中顯示風(fēng)格為系統(tǒng)右側(cè)規(guī)定動(dòng)作和展示使用者動(dòng)作展示的顯示風(fēng)格，目前已完成鋼鐵機(jī)甲、與子偕老、夕陽紅等三種風(fēng)格;右側(cè)為動(dòng)作展示區(qū)和進(jìn)行提示區(qū)，分別展示系統(tǒng)規(guī)定動(dòng)作和使用者動(dòng)作，并在下方提示用戶完成進(jìn)度。

　　為了測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，分別選取舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌、小腿劃圈、頭部轉(zhuǎn)圈等五個(gè)動(dòng)作，前四個(gè)動(dòng)作左右肢各進(jìn)行50次，頭部轉(zhuǎn)圈動(dòng)作進(jìn)行100次，通過讀取系統(tǒng)時(shí)戳以獲取系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，并根據(jù)系統(tǒng)顯示結(jié)果判斷系統(tǒng)識(shí)別動(dòng)作是否正確，測試結(jié)果如表1所示。

　　從表1數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)對舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌等三個(gè)動(dòng)作的識(shí)別率達(dá)到100%，而小腿劃圈、頭部轉(zhuǎn)圈兩個(gè)動(dòng)作有不識(shí)別情況，不識(shí)別主要發(fā)生在測試者劃圈速度較快的情況下，系統(tǒng)使用三關(guān)聯(lián)點(diǎn)測角的方法發(fā)生誤判，但考慮到康復(fù)患者普遍動(dòng)作較慢，不識(shí)別的情況在系統(tǒng)實(shí)際使用中發(fā)生的可能性較小，系統(tǒng)的平均反應(yīng)時(shí)間隨著動(dòng)作復(fù)雜度提升也會(huì)小幅增長，但都小于0.2秒的設(shè)計(jì)要求，因此本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性滿足實(shí)際使用需求。

4 結(jié)束語

　　本文的系統(tǒng)使用Kinect開發(fā)完成，可實(shí)現(xiàn)對患者康復(fù)動(dòng)作的引導(dǎo)教學(xué)和完成情況判定，并將最終的康復(fù)情況存入數(shù)據(jù)庫中，醫(yī)生可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)判斷患者自主康復(fù)效果并更新訓(xùn)練計(jì)劃提供給患者，在良好的人機(jī)交互的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生和患者遠(yuǎn)程良性互動(dòng)，對患者自主進(jìn)行康復(fù)具有積極促進(jìn)作用，系統(tǒng)測試結(jié)果表明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是系統(tǒng)也存在一定的不足，對用戶的使用環(huán)境有一定的要求，同時(shí)軟件使用方面還有較大的優(yōu)化空間，而且對于老人來說系統(tǒng)操作還不夠簡潔，這些都將是下一步工作中重點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的地方。

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