基于Kinect的自主康復系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　在系統(tǒng)中利用余弦定理計算如圖 3所示的相關聯(lián)的3個關節(jié)點連線的角度值 ，計算方法為：

(4)

　　通過(4)式，系統(tǒng)在Kinect檢測到骷髏關節(jié)點的運動時可獲取相關聯(lián)的節(jié)點間在任意時刻的相對角度，繼而求得在Δt時段內活動關節(jié)點相對于轉動圓心關節(jié)點的角度變化值Δθ，并設該活動關節(jié)點對應角度閾值為θt ，并設BOOL型變量K，K通過(5)式確定：

(5)

　　在每一采樣周期，系統(tǒng)計算此時刻與前Δt時刻的角度差Δθ，得到K的結果并判斷，當K為假時繼續(xù)采樣追蹤活動關節(jié)點位置，當K為真時給出對應語音和文字提示并結束追蹤關節(jié)運動。

3 測試結果

　　對系統(tǒng)進行性能測試驗證，為減少系統(tǒng)負擔提高運算效率，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，當追蹤某一關節(jié)活動時，系統(tǒng)只計算該關節(jié)與系統(tǒng)預先設定的關聯(lián)關節(jié)活動軌跡，對其他關節(jié)點的動作不進行跟蹤和建立軌跡。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)生漫反射的時候在附近光場中可看到無規(guī)則分布的亮暗光點，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]，因此在測試時測試者身著深色服裝、背靠白色墻壁、距Kinect傳感器2.5米進行測試。圖 4 系統(tǒng)界面所示為系統(tǒng)界面，用戶登錄系統(tǒng)后將進入到此界面，左側為提示框和操作區(qū)，其中上方顯示了當前動作的動作概念、鍛煉部位和小貼示，下方為系統(tǒng)控制區(qū)，可進行重做、下一動作、尋求幫助、系統(tǒng)風格等操作，其中顯示風格為系統(tǒng)右側規(guī)定動作和展示使用者動作展示的顯示風格，目前已完成鋼鐵機甲、與子偕老、夕陽紅等三種風格;右側為動作展示區(qū)和進行提示區(qū)，分別展示系統(tǒng)規(guī)定動作和使用者動作，并在下方提示用戶完成進度。

　　為了測試系統(tǒng)的實時性和準確性，分別選取舉手上伸、握拳抬小臂、擊掌、小腿劃圈、頭部轉圈等五個動作，前四個動作左右肢各進行50次，頭部轉圈動作進行100次，通過讀取系統(tǒng)時戳以獲取系統(tǒng)反應時間，并根據(jù)系統(tǒng)顯示結果判斷系統(tǒng)識別動作是否正確，測試結果如表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、擊掌等三個動作的識別率達到100%，而小腿劃圈、頭部轉圈兩個動作有不識別情況，不識別主要發(fā)生在測試者劃圈速度較快的情況下，系統(tǒng)使用三關聯(lián)點測角的方法發(fā)生誤判，但考慮到康復患者普遍動作較慢，不識別的情況在系統(tǒng)實際使用中發(fā)生的可能性較小，系統(tǒng)的平均反應時間隨著動作復雜度提升也會小幅增長，但都小于0.2秒的設計要求，因此本系統(tǒng)的準確性和實時性滿足實際使用需求。

4 結束語

　　本文的系統(tǒng)使用Kinect開發(fā)完成，可實現(xiàn)對患者康復動作的引導教學和完成情況判定，并將最終的康復情況存入數(shù)據(jù)庫中，醫(yī)生可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)判斷患者自主康復效果并更新訓練計劃提供給患者，在良好的人機交互的基礎上實現(xiàn)了醫(yī)生和患者遠程良性互動，對患者自主進行康復具有積極促進作用，系統(tǒng)測試結果表明系統(tǒng)的實時性和準確性達到設計要求，因此系統(tǒng)具有一定的應用價值。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進行改進的地方。

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