手指康复训练中视觉监控设备设计探析

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摘要：在目前的手指康复训练中做视觉监控研究得较少，一般都是单研究手指康复机器人，主要偏向硬件设备等，对于视觉监控方面较少。针对这一现象，将手指康复的仪器与机器视觉监控相结合，设计了一款手指康复训练监控设备。手指康复的运动部分主要是通过西门子logo来控制推杆，实现手指的自动抬升。在视觉监控上采用双摄像头获取图像，分别为上摄像头和侧摄像头，上摄像头主要用于识别康复动作的手指，而侧摄像头则是为了识别手指动作的位置。通过双摄拍摄进行图像采集后进行手部图像分割，利用阈值分割的方法将手部图像提取出来，最后根据手指上的点的位置判断得到每个手指的状态，从而达到视觉监控的要求，这将为实现脑卒中智能手指康复仪的设计和研发提供基础。

关键词：视觉监控；图像处理；手指康复

我国患脑血管病的群体正在年轻化，其中有大约60%以上的患者在发病后遗留有手部功能障碍[1]，因此要求对脑卒中患者的手指康复训练的需求越来越大。而在目前的研究中对手部康复的研究主要是以智能机器人为主，以硬件对手部进行相应的康复训练而缺乏了训练监控的一个过程[2]。也就导致了在手康复训练过程中，并不能了解到手指的训练情况，康复训练是否到位，是否每个手指都得到了足够的训练等。因此为实现脑卒中后病人手指的自动康复训练，可考虑引入机器视觉开发手指康复监控设备。已有研究对手指姿势的研究相对比较多[3-5]，但其准确性和精准度无法得到保证。在手指康复训练上[6]，也有相应的算法研究。但这些研究没有将手指康复过程监控作为目标。针对这一现象，可以考虑引入机器视觉技术进行手指康复训练监控设备的开发。监控设备主要包括两个部分：一是手指运动监控部分，二是康复运动控制部分。

1手指运动监控部分

为更好的监控手指的康复运动，系统引入双目摄像头进行图像采集。分别为上摄像头和侧摄像头，上摄像头主要用于识别康复动作的手指，而侧摄像头则是为了识别手指动作的位置。双摄像头同时拍摄，获取同一时间两个不同手指方位的手指图像，当得到图片后都进行图像分割将手指部分和背景分割开，而且分割时只分割所需区域，将得到分割好的图像后进行图像二值化处理。侧面的摄像机采集的图像进行二值化处理后追踪相应的像素点，通过特定的像素点得到手指动作情况。顶端的摄像机采集的图像进行二值化处理后，与第一张无手指动作的图像的二值图相减，得到剩余的像素点的位置便是手指伸出的位置，通过查找相应像素点便可得出正在动作的是哪个手指。对于手部的图像分割来说，采用阈值分割的方法。图像阈值分割是一种比较经典和常用的一种分割方法，其中阈值的确定是分割的关键一步，无论是阈值取得太大还是阈值过小都会直接影响分割效果，而且不同的分割阈值都会得到不同的分割结果，因此阈值的选择是关键，第二就是每个像素点都应该要有对应的值，这个对应值就被称之为特征值，其中提取这个特征值的方法就叫作特征提取。为此需要构造一个光源充足的背景单一的环境，并且在手上戴上纯红色手套，这就可以将手部与背景有一个非常明显的对比。因此本研究就采用了阈值分割法，而且分割的特征就为红色，直接提取红色部分的点，即为所要分割的手的图像。因为本实验构造了良好的分割环境，因此分割效果也是有相应的保障的。本实验将整个实验环境搭建好后，就对采集到的照片通过提取红色为分割特征值，然后将有用区域的像素点进行相应统计，得到相应的分割阈值。选择好相应的分割特征和阈值后，开始对这两组图像进行相应的图像分割。分割结果见图1和图2。

2康复运动控制部分

康复运动控制部分主要包括信号控制机构、机械结构、电源三大部分构成。信号控制结构主要由超声波传感器和西门子logo组成。利用超声波传感器将超声波信号转换成电信号，通过感应电磁铁的位置状况，再把信号传给西门子logo中，然后通过逻辑编程控制电磁铁的通断状态从而实现手指的抬升训练，而且西门子logo是八输入四输出的结构，可以根据自己的需要进行外扩展端口，而且西门子logo的编程可以通过梯形图和逻辑图两种方式编程，这里采用的是逻辑图编程（见图3）。其中I1为输入，Q1和Q2为输出，因为超声波感应到推杆位置时就会立即将信号传给西门子logo中，而西门子就会立即给信号给推杆动作，而推杆一动作超声波传感器就会立即没有信号，由于此间的间隔时间过短，就会导致电磁铁通电时间太短动力不足，因此应该在上面加一个断电延时模块，保证电磁铁能正常工作。机械部分主要就是电磁铁，电磁铁有个特点就是通电就动作，什么时候断电什么时候才恢复原状，而且电磁铁不能长期通电，不然很容易发烫甚至损坏。电磁铁的行程由自己所需的推动的东西决定，而在这里选择了行程为50mm的电磁铁，电磁铁通过推动固定在指板下方的三角形木块从而带动指板上下运动，从而实现手指的抬升训练。电源给整个机构提供动力源，保证整个设备的正常运作。主要是根据设备所需的电源所确定，有24v电源、36v电源等，由于所用的电磁铁需要的是24v电源，因此所选的电源就是24v电源。整个动力机构主要就是给电磁铁、西门子logo还有传感器提供稳定的动力。设备整体框架为木制结构，分为上下结构，底下是一个u型木板，用于将电磁铁固定与电源的放置，u型木板上放置的是一块平滑的木板，并在合适的位置利用合页固定好小长方形板，作为支撑手指的木板，在小木板底下固定好一个小木块，作为电磁铁推动的目标，再通过木块带动手指运动。（见图4）

3结论

通过双目摄像头对在康复训练的手指在不同方位的图像采集，将得到的图像进行相应的图像分割、图像特征值提取等处理后是可以得到手指的动作状态的。在成像上，采用双目视觉，因此在视觉监控上比单目视觉更加全面，不仅可以得到手指抬升情况还可以得到在动作的手指是哪一个。从目前的研究来看，对于脑卒中患者康复中，基本都是使用机器直接套在相应部位，很少与机器视觉搭配在一起，基本都是分为专门进行手指监控或者只做手指康复的设备仪器。而利用视觉的方式对手部抬升情况进行处理，可得出手指动作时它相应的动作手指和抬升情况。就探讨手指康复和视觉监控相结合，当手指在进行康复时，要一直进行视觉监控，对手指的状态和抬升情况进行分析，如果在未来的发展中视觉技术与设备相结合，通过当前手部位置进行相应的手指康复训练，利用视觉技术监控脑卒中患者手部康复的状态，可以对患者手部康复有一个实时情况的了解。

作者:仇嘉慧 马兆敏 单位:广西科技大学电气与信息工程学院