仇嘉慧 馬兆敏

（廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545000）

我國患腦血管病的群體正在年輕化，其中有大約60%以上的患者在發(fā)病后遺留有手部功能障礙[1]，因此要求對腦卒中患者的手指康復(fù)訓(xùn)練的需求越來越大。而在目前的研究中對手部康復(fù)的研究主要是以智能機(jī)器人為主，以硬件對手部進(jìn)行相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練而缺乏了訓(xùn)練監(jiān)控的一個過程[2]。也就導(dǎo)致了在手康復(fù)訓(xùn)練過程中，并不能了解到手指的訓(xùn)練情況，康復(fù)訓(xùn)練是否到位，是否每個手指都得到了足夠的訓(xùn)練等。因此為實現(xiàn)腦卒中后病人手指的自動康復(fù)訓(xùn)練，可考慮引入機(jī)器視覺開發(fā)手指康復(fù)監(jiān)控設(shè)備。已有研究對手指姿勢的研究相對比較多[3-5]，但其準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度無法得到保證。在手指康復(fù)訓(xùn)練上[6]，也有相應(yīng)的算法研究。但這些研究沒有將手指康復(fù)過程監(jiān)控作為目標(biāo)。針對這一現(xiàn)象，可以考慮引入機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練監(jiān)控設(shè)備的開發(fā)。監(jiān)控設(shè)備主要包括兩個部分：一是手指運動監(jiān)控部分，二是康復(fù)運動控制部分。

1 手指運動監(jiān)控部分

為更好的監(jiān)控手指的康復(fù)運動，系統(tǒng)引入雙目攝像頭進(jìn)行圖像采集。分別為上攝像頭和側(cè)攝像頭，上攝像頭主要用于識別康復(fù)動作的手指，而側(cè)攝像頭則是為了識別手指動作的位置。雙攝像頭同時拍攝，獲取同一時間兩個不同手指方位的手指圖像，當(dāng)?shù)玫綀D片后都進(jìn)行圖像分割將手指部分和背景分割開，而且分割時只分割所需區(qū)域，將得到分割好的圖像后進(jìn)行圖像二值化處理。側(cè)面的攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行二值化處理后追蹤相應(yīng)的像素點，通過特定的像素點得到手指動作情況。頂端的攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行二值化處理后，與第一張無手指動作的圖像的二值圖相減，得到剩余的像素點的位置便是手指伸出的位置，通過查找相應(yīng)像素點便可得出正在動作的是哪個手指。

對于手部的圖像分割來說，采用閾值分割的方法。圖像閾值分割是一種比較經(jīng)典和常用的一種分割方法，其中閾值的確定是分割的關(guān)鍵一步，無論是閾值取得太大還是閾值過小都會直接影響分割效果，而且不同的分割閾值都會得到不同的分割結(jié)果，因此閾值的選擇是關(guān)鍵，第二就是每個像素點都應(yīng)該要有對應(yīng)的值，這個對應(yīng)值就被稱之為特征值，其中提取這個特征值的方法就叫作特征提取。為此需要構(gòu)造一個光源充足的背景單一的環(huán)境，并且在手上戴上純紅色手套，這就可以將手部與背景有一個非常明顯的對比。因此本研究就采用了閾值分割法，而且分割的特征就為紅色，直接提取紅色部分的點，即為所要分割的手的圖像。因為本實驗構(gòu)造了良好的分割環(huán)境，因此分割效果也是有相應(yīng)的保障的。

本實驗將整個實驗環(huán)境搭建好后，就對采集到的照片通過提取紅色為分割特征值，然后將有用區(qū)域的像素點進(jìn)行相應(yīng)統(tǒng)計，得到相應(yīng)的分割閾值。選擇好相應(yīng)的分割特征和閾值后，開始對這兩組圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像分割。分割結(jié)果見圖1 和圖2。

圖1 側(cè)面圖像分割

圖2 頂端圖像分割

2 康復(fù)運動控制部分

康復(fù)運動控制部分主要包括信號控制機(jī)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電源三大部分構(gòu)成。

信號控制結(jié)構(gòu)主要由超聲波傳感器和西門子logo 組成。利用超聲波傳感器將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過感應(yīng)電磁鐵的位置狀況，再把信號傳給西門子logo 中，然后通過邏輯編程控制電磁鐵的通斷狀態(tài)從而實現(xiàn)手指的抬升訓(xùn)練，而且西門子logo 是八輸入四輸出的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行外擴(kuò)展端口，而且西門子logo 的編程可以通過梯形圖和邏輯圖兩種方式編程，這里采用的是邏輯圖編程（見圖3）。其中I1 為輸入，Q1和Q2 為輸出，因為超聲波感應(yīng)到推桿位置時就會立即將信號傳給西門子logo 中，而西門子就會立即給信號給推桿動作，而推桿一動作超聲波傳感器就會立即沒有信號，由于此間的間隔時間過短，就會導(dǎo)致電磁鐵通電時間太短動力不足，因此應(yīng)該在上面加一個斷電延時模塊，保證電磁鐵能正常工作。

圖3 邏輯控制圖

機(jī)械部分主要就是電磁鐵，電磁鐵有個特點就是通電就動作，什么時候斷電什么時候才恢復(fù)原狀，而且電磁鐵不能長期通電，不然很容易發(fā)燙甚至損壞。電磁鐵的行程由自己所需的推動的東西決定，而在這里選擇了行程為50mm 的電磁鐵，電磁鐵通過推動固定在指板下方的三角形木塊從而帶動指板上下運動，從而實現(xiàn)手指的抬升訓(xùn)練。

電源給整個機(jī)構(gòu)提供動力源，保證整個設(shè)備的正常運作。主要是根據(jù)設(shè)備所需的電源所確定，有24v 電源、36v 電源等，由于所用的電磁鐵需要的是24v 電源，因此所選的電源就是24v 電源。整個動力機(jī)構(gòu)主要就是給電磁鐵、西門子logo 還有傳感器提供穩(wěn)定的動力。

設(shè)備整體框架為木制結(jié)構(gòu)，分為上下結(jié)構(gòu)，底下是一個u 型木板，用于將電磁鐵固定與電源的放置，u 型木板上放置的是一塊平滑的木板，并在合適的位置利用合頁固定好小長方形板，作為支撐手指的木板，在小木板底下固定好一個小木塊，作為電磁鐵推動的目標(biāo)，再通過木塊帶動手指運動。（見圖4）

圖4 實物圖

3 結(jié)論

通過雙目攝像頭對在康復(fù)訓(xùn)練的手指在不同方位的圖像采集，將得到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像分割、圖像特征值提取等處理后是可以得到手指的動作狀態(tài)的。在成像上，采用雙目視覺，因此在視覺監(jiān)控上比單目視覺更加全面，不僅可以得到手指抬升情況還可以得到在動作的手指是哪一個。

從目前的研究來看，對于腦卒中患者康復(fù)中，基本都是使用機(jī)器直接套在相應(yīng)部位，很少與機(jī)器視覺搭配在一起，基本都是分為專門進(jìn)行手指監(jiān)控或者只做手指康復(fù)的設(shè)備儀器。而利用視覺的方式對手部抬升情況進(jìn)行處理，可得出手指動作時它相應(yīng)的動作手指和抬升情況。就探討手指康復(fù)和視覺監(jiān)控相結(jié)合，當(dāng)手指在進(jìn)行康復(fù)時，要一直進(jìn)行視覺監(jiān)控，對手指的狀態(tài)和抬升情況進(jìn)行分析，如果在未來的發(fā)展中視覺技術(shù)與設(shè)備相結(jié)合，通過當(dāng)前手部位置進(jìn)行相應(yīng)的手指康復(fù)訓(xùn)練，利用視覺技術(shù)監(jiān)控腦卒中患者手部康復(fù)的狀態(tài)，可以對患者手部康復(fù)有一個實時情況的了解。