基于虛擬現(xiàn)實的外骨骼式遠程康復(fù)系統(tǒng)解析

曹晉銘

摘要：伴隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國步入老齡化的進程也在不斷加快，有各種疾病原因?qū)е碌募w障礙和功能損失嚴(yán)重影響了人們的身體健康和正常生活?；谔摂M現(xiàn)實的外骨骼式遠程康復(fù)系統(tǒng)的建立和完善，實現(xiàn)了虛擬場景中人的運動和康復(fù)訓(xùn)練，增加了康復(fù)訓(xùn)練的趣味性，獲得了良好的康復(fù)治療效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；外骨骼式；遠程康復(fù)系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0064-02

研究表明，我國的老齡化進程正在逐步加快，由神經(jīng)系統(tǒng)疾病一發(fā)的四肢偏癱、功能障礙等疾病，嚴(yán)重影響著患者的身體健康和生活質(zhì)量，也給患者的家庭帶來了沉重的負擔(dān)。外骨骼系統(tǒng)作為機器人研究領(lǐng)域的一個重要分支，它與人體的各個關(guān)節(jié)保持一致，操作者與外骨骼之間可以進行直接力的傳遞，因此，該系統(tǒng)非常適用于有功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練。

傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練枯燥無味，很容易引發(fā)患者的反感。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互作用和沉浸感可以幫助患者感知這個世界的事物。研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠幫助患者構(gòu)建一個康復(fù)訓(xùn)練的模擬環(huán)境，能夠提高患者的訓(xùn)練效果，對患者的康復(fù)有著重要意義。

伴隨著目前計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)滲透到了各個領(lǐng)域，康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域也不例外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域的實踐表明，它對于實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的異地操作和監(jiān)控有著非常重要的作用。將手臂外骨骼、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)成一套完整的軀體訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅能夠解決傳統(tǒng)訓(xùn)練方法的乏味問題，還可以實現(xiàn)醫(yī)生對訓(xùn)練的遠程監(jiān)控。

1 外骨骼系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容概述。

人體的上肢具有多個自由度，其中以肩部的屈/伸運動、外擺/內(nèi)收運動及肘部的屈 /伸運動具有較大的運動空間，這三個運動在日常生活中發(fā)揮著重要作用。根據(jù)人體特征，研究人員開發(fā)出的外骨骼系統(tǒng)也具有三個自由度，借以實現(xiàn)上述人體運動的康復(fù)訓(xùn)練。

通常，人體肘部的活動范圍為 0°～ 154°，肩部各種運動的范圍為： 屈 0°～ 60°，伸 0°～ 180°，外擺 0°～ 180°，內(nèi)收 0°～ 75°。在研發(fā)過程中，考慮到患者的實際情況，設(shè)計者將外骨骼系統(tǒng)肘部的活動范圍限制在0-120度之間，肩部屈伸的活動范圍設(shè)定為0-90度，外擺內(nèi)收的活動范圍設(shè)定在0-90度之間。

外骨骼系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)由底座、肩部和肘部三部分構(gòu)成。在上臂和前臂位置使用鋁合金材料以減輕重量；同時，在支柱和橫版位置使用鋼材加強穩(wěn)固性。該系統(tǒng)工作時不需要患者承擔(dān)系統(tǒng)的重量，外骨骼與患者的右臂相連，并在前臂和上臂上使用固定裝置進行連接。

外骨骼系統(tǒng)工作時，用戶輸入命令后，借助計算機向電機下達指令，之后經(jīng)驅(qū)動器，電機驅(qū)動外骨骼進行運動，從而實現(xiàn)對患者的康復(fù)訓(xùn)練。具體流程如下表：

圖1

2 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容概述。

研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床中的應(yīng)用可以在虛擬場景中幫助患者完成各種訓(xùn)練任務(wù)，使得對患者的康復(fù)訓(xùn)練起到良好的效果。為了使患者產(chǎn)生沉浸感并實現(xiàn)人的交互功能，設(shè)計虛擬的現(xiàn)實環(huán)境。虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的虛擬人可以在場景中漫游，當(dāng)患者主動運動的時候可以幫助虛擬人一起跟著患者進行運動，人們只需要運用計算機就可以實現(xiàn)場景中漫游。

虛擬人在虛擬環(huán)境中由24各球體組成，所有球體都是經(jīng)函數(shù)計算生成的，對該函數(shù)設(shè)置不同的初始值可以實現(xiàn)此球的平移和旋轉(zhuǎn)等運動。對人體姿態(tài)的模擬實質(zhì)就是對人體各個關(guān)節(jié)角度的模擬，在設(shè)計過程中，可以使用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)來改變?nèi)梭w各個部位的相對角度。在繪制人體模型時，每當(dāng)調(diào)用繪制人體某一部位的函數(shù)之前，首先進行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換。使用 gl Rotatef（ ） 函數(shù)完成目標(biāo)坐標(biāo)系對參照坐標(biāo)系 X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)。在程序運行時，計算機不斷地從角位移傳感器讀取人體關(guān)節(jié)角度數(shù)值，并賦給相應(yīng)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換的角位移變量，由角位移變量來控制人體模型的姿態(tài)。

系統(tǒng)中的背景物體是由地面和球體等構(gòu)成，同時設(shè)計者對系統(tǒng)背景的地面加強了紋理映射以增強其真實感。不光如此，在系統(tǒng)的圓柱體和其他球體的繪制時同樣采取相應(yīng)的映射技術(shù)，這樣設(shè)計的物體觀賞性較高，除此之外，運用映射技術(shù)進行設(shè)計的優(yōu)點還在于幫助程序?qū)崿F(xiàn)快速運轉(zhuǎn)。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容解析。

在外骨骼系統(tǒng)中，遠程監(jiān)控系統(tǒng)能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)控，進而實現(xiàn)對康復(fù)運動的遠程監(jiān)控。遠程監(jiān)控信息通常為一些控制命令，這些命令的數(shù)據(jù)量非常小，因而對網(wǎng)絡(luò)資源的占用量不是很大，對網(wǎng)路速度的影響較小。遠程監(jiān)測在檢測過程中，多采用攝像頭技術(shù)進行監(jiān)測，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大。在本次研究中，客戶端用虛擬人的運動實現(xiàn)外骨骼對人體運動的帶動作用，大大減少了所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，可以在很大程度上提升網(wǎng)絡(luò)速度。

遠程監(jiān)控軟件以“客戶機/服務(wù)器”的形式運作的，包括一個客戶機程序和一個服務(wù)器程序。服務(wù)器程序安裝在患者使用的計算機端，客戶機程序安裝在醫(yī)生使用的計算機端。應(yīng)用 VC ++ 編制程序時，客戶端程序和服務(wù)器端程序是在同一個工程下實現(xiàn)的。人機界面采用單窗口多視區(qū)的運作形式，在制作過程中采用窗口分割技術(shù)，對一個單文檔進行分割，一部分繼承于 Cform View 類，作為控制區(qū)，控制區(qū)包括各種控制與監(jiān)測； 另一部分繼承于 Cview 類，作為虛擬場景顯示區(qū)，虛擬場景顯示區(qū)顯示場景的虛擬環(huán)境、虛擬人當(dāng)前的位置及運動狀態(tài)，并配有多視點圖形顯示等功能。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)的控制區(qū)由本地控制區(qū)、遠程控制區(qū)、檢測區(qū)、場景控制區(qū)和康復(fù)方案區(qū)共五個部分組成，且功能各異，工作協(xié)同作用完成遠程康復(fù)監(jiān)督和監(jiān)測。除此之外，在同一個工程項目下實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端相關(guān)程序的共同使用，給操作者帶來了巨大的方便，在使用之前只需要選擇程序作為客戶端還是作為服務(wù)器端即可。

程序編程完畢后在具體的運行階段，醫(yī)生使用遠程控制的計算機系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)作為客戶端，患者使用的控制外骨骼系統(tǒng)作為服務(wù)器端，服務(wù)器端實現(xiàn)位移數(shù)據(jù)的采集、顯示和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)置和保存。數(shù)據(jù)傳輸過程中，每傳送一個結(jié)構(gòu)體，都要講傳送的數(shù)值賦予結(jié)構(gòu)體以變量，在接收端用同樣的結(jié)構(gòu)類型進行數(shù)據(jù)的接收，這樣可以實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)的同時傳送，并可通過標(biāo)志位的數(shù)值來判定傳輸數(shù)據(jù)的基本類型。

4 小結(jié)

相關(guān)調(diào)查研究表明，外骨骼系統(tǒng)是一套適用于上肢康復(fù)訓(xùn)練的以電機為執(zhí)行元件的系統(tǒng)，它能夠通過角位移傳感器來進行測量其運動的位置。外骨骼系統(tǒng)在臨床上的應(yīng)用，能夠帶動患者的患肢實現(xiàn)肩部的屈伸、外擺內(nèi)收和肘部的相關(guān)運動；同時應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作相關(guān)的虛擬環(huán)境（虛擬人和虛擬場景）。在客戶端使用虛擬人的運動來重現(xiàn)服務(wù)器端外骨骼帶動人體的運動過程，很大程度上減少了數(shù)據(jù)量的傳送，利于網(wǎng)路速度的提升，此系統(tǒng)值得進一步推廣應(yīng)用和深度研究。

參考文獻：

[1] 王東巖，李慶玲，杜志江，等.外骨骼式上肢康復(fù)機器人及其控制方法研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2007，28（9）： 1008-1013.

[2] 周柳，王英華，劉強，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在運動康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2007，11（5）： 957-960.

[3] 陳爽.早期康復(fù)護理干預(yù)對中風(fēng)患者運動功能的影響[J].現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志，2010，19（32）： 4226-4227.

[4] 任宇鵬，王廣志，高小榕，等.機器人輔助運動功能康復(fù)中的控制和評估策略[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（4）： 40-44.

[5] Pons J L.Rehabilitation exoskeletal robotics[J].IEEE Engineer-ing in medicine and biology magazine，2010，29（3）：57-63.

[6] Yupeng Ren，Hyung-Soon Park，Li-Qun Zhang.Developing awhole-arm exoskeleton robot with hand opening and closing mecha-nism for upper limb stroke rehabilitation[C].IEEE 11thInternational Conference on Rehabilitation Robotics，2009： 761-765.