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    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

    2020-12-26 02:57:28張成杰
    關(guān)鍵詞:上肢虛擬現(xiàn)實(shí)柔性

    杜 豪,楊 巖,張成杰

    重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶400054

    1 引言

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為核心,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像仿真、人機(jī)接口、模式識(shí)別、傳感器、AI、自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程操控等技術(shù),將抽象模糊的信息處理為與某一特定真實(shí)環(huán)境完全相似的模擬環(huán)境,用戶(hù)借助人機(jī)交互設(shè)備控制模擬環(huán)境中的對(duì)象,讓用戶(hù)身臨其境,實(shí)時(shí)感受模擬環(huán)境中的三維世界[1]。針對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)康復(fù)治療方法,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合逐漸受到人們的重視,并應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域,成為新型的康復(fù)模式,患者可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技能的恢復(fù),手眼協(xié)調(diào)、空間定位、日常人物等多種康復(fù)訓(xùn)練[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)是帶給患者沉浸感和交互性,可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法的局限性,提高在康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練中的趣味性和患者的主動(dòng)性[3-5]。

    基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人在各國(guó)得到了普遍重視,也取得了一定的進(jìn)展,比如Connelly等人[6]利用VR結(jié)合充氣手套對(duì)腦卒中后手功能康復(fù)訓(xùn)練,Kayyali等人[7]結(jié)合有觸覺(jué)反饋的收據(jù)手套,開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)腦卒中患者的虛擬康復(fù)系統(tǒng),Godfrey[8]利用VR 結(jié)合外骨骼機(jī)器人,對(duì)慢性腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,華南理工大學(xué)的伍平平[9]開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

    針對(duì)現(xiàn)有的上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練模式單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等缺陷,設(shè)計(jì)了一款由繩牽引的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人。它是一種混聯(lián)機(jī)構(gòu),既能對(duì)患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練,也能進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練,不僅彌補(bǔ)了康復(fù)訓(xùn)練模式單一的缺陷,同時(shí)又精簡(jiǎn)了本體結(jié)構(gòu),降低了康復(fù)控制難度。該柔性上肢康復(fù)機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,為患者在安全和可靠的治療環(huán)境中提供具有特定任務(wù)的重復(fù)訓(xùn)練,允許患者嘗試不同的場(chǎng)景和不同的任務(wù),不僅增添了康復(fù)治療的趣味性,還極大提升了康復(fù)訓(xùn)練效果和患者的滿(mǎn)意度。

    2 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人

    2.1 康復(fù)理論研究

    腦卒中是由急性腦血管病引起的,發(fā)病后患者的主要特征有:高位運(yùn)動(dòng)調(diào)控中樞受損、肌張力異常、運(yùn)動(dòng)模式異常,具有語(yǔ)言、認(rèn)知、智力等伴隨癥狀[10]。對(duì)腦卒中康復(fù)治療,是為了防止肌肉萎縮、關(guān)節(jié)痙攣等各類(lèi)癥狀的出現(xiàn);是為了維持和擴(kuò)大關(guān)節(jié)活動(dòng)度;也是為了增強(qiáng)肌肉力和協(xié)調(diào)性,最終重建肢體功能以便回歸正常生活[11]。從解剖學(xué)角度看,人體上肢是由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉組成,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,骨骼起到杠桿的作用,關(guān)節(jié)作為支點(diǎn),肌肉則為上肢運(yùn)動(dòng)力[12]。通過(guò)對(duì)人體上肢生理結(jié)構(gòu)分析,根據(jù)康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求,針對(duì)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)進(jìn)行的主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練,各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)原理和角度如圖1所示[13]。

    肩關(guān)節(jié)是由肩胛骨和肱骨頭的關(guān)節(jié)盂組成的,是一種球窩關(guān)節(jié),可以在三個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);肘關(guān)節(jié)由橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和肱尺關(guān)節(jié)共居同一個(gè)關(guān)節(jié)囊內(nèi)組成,是一種復(fù)合關(guān)節(jié),可以做屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)偏癱患者的全面康復(fù)治療和康復(fù)功能評(píng)定學(xué)的研究,如圖2[13],兩個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作方向與角度范圍如表1和表2所示。

    圖2 上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向

    表1 肩關(guān)節(jié)動(dòng)作方向和角度范圍

    表2 肘關(guān)節(jié)動(dòng)作方向和角度范圍

    2.2 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

    結(jié)合人體上肢結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性所設(shè)計(jì)的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3 所示,主要由滑臺(tái)模組、懸吊系統(tǒng)(卷線(xiàn)裝置和T 型架)和支撐機(jī)架等幾部分組成。該機(jī)器人以患者肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)為著力點(diǎn),采用3根繩索懸吊上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。其中,肘關(guān)節(jié)處采用1 根繩索,腕關(guān)節(jié)處采用2根繩索,3根繩索的上端連接于懸掛機(jī)構(gòu)上的支架,下端通過(guò)連接護(hù)具套對(duì)上肢進(jìn)行懸吊,同時(shí),將滑臺(tái)布置于患者上方,通過(guò)彈性繩連接驅(qū)動(dòng)手臂完成患者上肢的空間運(yùn)動(dòng)。

    圖3 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人

    不考慮繩索晃動(dòng)所引起的誤差,該機(jī)器人模型的空間幾何關(guān)系如圖4 所示[13]。整個(gè)機(jī)構(gòu)為混聯(lián)機(jī)構(gòu)形式,串聯(lián)部分由滑臺(tái)模組裝置的兩個(gè)平移自由度(d1,d2)和旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θ1組成;并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分由3根繩索上下收放自由度(d3、d4、d5)組成。其中,基坐標(biāo)系的原點(diǎn)為O,A代表肘關(guān)節(jié)位置,其初始坐標(biāo)為(Ax,Ay,Az)=(d2,d1,d3),B代表腕關(guān)節(jié)位置,其初始坐標(biāo)為(Bx,By,Bz),θ3代表腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度,L1、L3代表T型架對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的桿長(zhǎng),L2代表前臂長(zhǎng)度,L4代表腕關(guān)節(jié)直徑,θ2代表AB與AB′1的夾角,即AB與豎直面yoz的夾角,θ1代表旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

    圖4 康復(fù)機(jī)器人空間幾何關(guān)系

    通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,可得:

    結(jié)合式(1),通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,可得角度θ1和θ2分別為:

    而θ1和θ2取值范圍分別為(-60°,90°)、(-45°,45°),所以θ1和θ2只有唯一解。

    前臂旋前和旋后動(dòng)作通過(guò)改變懸繩d4和d5的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的動(dòng)作,根據(jù)上述公式求得。其余動(dòng)作懸繩d4和d5的長(zhǎng)度始終相等,且滿(mǎn)足公式:

    綜上,該機(jī)器人共有6 個(gè)自由度,懸繩個(gè)數(shù)小于自由度數(shù),該機(jī)構(gòu)是欠約束結(jié)構(gòu)式的,能夠遍歷健全上肢的空間運(yùn)動(dòng)域。其中,滑臺(tái)模組由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工字型同步帶,實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈伸、收展2個(gè)自由度;卷線(xiàn)裝置由3 伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)3 根繩索在豎直空間中的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)、肘關(guān)節(jié)的屈伸和旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度;T型架由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)上肢在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

    2.3 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案

    結(jié)合柔性上肢康復(fù)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng),如圖5 所示??刂葡到y(tǒng)主要由CPAC 控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境、Nokov動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等輔助訓(xùn)練設(shè)備構(gòu)成。該控制系統(tǒng)模式含有主被動(dòng)兩套訓(xùn)練方式。被動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練模式是在患者上肢未完全喪失功能,具備一定的自主運(yùn)動(dòng)能力下進(jìn)行的一種模式,該模式簡(jiǎn)單有效,當(dāng)前多數(shù)上肢康復(fù)機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)這種訓(xùn)練模式。基于被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式,利用輔助設(shè)備開(kāi)發(fā)了一種主動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練,即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)情況,機(jī)器人自主帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

    圖5 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)原理圖

    通過(guò)對(duì)腦卒中患者的犯病特征和上肢的異常運(yùn)動(dòng)的深入觀察,閱讀和查詢(xún)了大量相關(guān)文獻(xiàn),重慶醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院從醫(yī)學(xué)角度出發(fā),結(jié)合臨床試驗(yàn),分析了患者上肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀況,設(shè)計(jì)了一套上肢吃飯動(dòng)作訓(xùn)練方案,其肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表3所示。

    表3 吃飯訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)方案

    3 VR在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

    3.1 VR交互系統(tǒng)

    虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)是一門(mén)借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分逼近的虛擬環(huán)境,且支持用戶(hù)使用自然的技能親身感受的人機(jī)交互技術(shù)[14-17],其基本特征為3I,即immersion(沉浸)、interaction(交互)和imagination(構(gòu)想)。

    虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互既包括人與系統(tǒng)發(fā)生的交互,還包括虛擬對(duì)象間的交互。這兩個(gè)層面的交互存在對(duì)應(yīng)關(guān)系:首先,用戶(hù)的交互行為映射為虛擬環(huán)境中虛擬對(duì)象的交互行為;然后,虛擬對(duì)象之間生成交互,相互作用,并使得其自身狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)產(chǎn)生變化;最后,用戶(hù)根據(jù)對(duì)象狀態(tài)變化及其變遷過(guò)程,調(diào)整自己的交互行為。設(shè)計(jì)了基于Unity3D 引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練游戲。上肢康復(fù)訓(xùn)練是上肢運(yùn)動(dòng)功能反復(fù)學(xué)習(xí)的過(guò)程,將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到上肢康復(fù)訓(xùn)練當(dāng)中,可以提供反復(fù)刺激,促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí),并保持所學(xué)習(xí)的技能。虛擬康復(fù)訓(xùn)練游戲具備真正的互動(dòng)體驗(yàn),使患者在訓(xùn)練中沉浸在一起,并得到積極的反饋。如圖6所示。

    圖6 人機(jī)交互康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

    3.2 場(chǎng)景加載

    基于上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)方案,設(shè)計(jì)了上肢康復(fù)機(jī)器人VR系統(tǒng),構(gòu)建了吃飯、梳頭、洗澡、穿衣四個(gè)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)模型,如圖7 所示。模型的制作過(guò)程中包括建模、材質(zhì)和動(dòng)畫(huà)環(huán)節(jié)。使用SolidWorks 或proe 等專(zhuān)業(yè)工程建模軟件搭建餐桌、盤(pán)子、勺子、食物、手臂等三維模型,但在制作VR內(nèi)容時(shí),過(guò)于精細(xì)的模型會(huì)占用大量的CPU導(dǎo)致VR展示時(shí)幀率過(guò)低出現(xiàn)卡頓,使用效果不佳,所以用工業(yè)軟件搭建三維模型后,利用3DMAX進(jìn)行精簡(jiǎn)和渲染處理,最后保存的fbx 格式文檔導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在Unity3D中給物體增加剛體組件和碰撞體后,仿真系統(tǒng)中的物體就具備碰撞檢測(cè)和重力等物理特性。本實(shí)驗(yàn)采用HTC VIVE虛擬設(shè)備,通過(guò)VR虛擬頭盔建立虛擬場(chǎng)景空間原點(diǎn),操控手柄基于頭盔建立相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系,各個(gè)模塊的空間布局以空間原點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃,同時(shí),對(duì)于部分原始模型可采用二級(jí)建模的方式來(lái)避免模型面數(shù)較多、布線(xiàn)不合理的問(wèn)題。

    圖7 動(dòng)態(tài)交互模型

    3.3 動(dòng)態(tài)模型的交互性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

    交互性節(jié)點(diǎn):虛擬對(duì)象可以通過(guò)各自成功匹配的交互節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的聯(lián)結(jié)約束關(guān)系,是操作行為能夠得以發(fā)生的接口。

    在虛擬仿真設(shè)計(jì)中,連續(xù)運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的好壞對(duì)界面動(dòng)畫(huà)效果產(chǎn)生直接的影響,為保證虛擬動(dòng)作顯得自然生動(dòng),需要嚴(yán)格標(biāo)定動(dòng)態(tài)模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[18]。

    假設(shè)虛擬模型上的點(diǎn)P在場(chǎng)景圖像中的亞像素坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)分別為(m,n)和(Xu,Yu,Zu)。通過(guò)式(5)將場(chǎng)景中的亞像素坐標(biāo)來(lái)獲得徑向和切向畸變中攝像機(jī)坐標(biāo)的歸一化坐標(biāo)。

    其中,ax、ay為虛擬場(chǎng)景中圖像坐標(biāo)系在X軸和Y軸的尺度因子;xd(1)、xd(2)為進(jìn)行歸一化的虛擬場(chǎng)景X、Y軸向坐標(biāo)點(diǎn);m0、n0為虛擬場(chǎng)景中心像素坐標(biāo)。對(duì)歸一化處理后的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景圖像坐標(biāo)xn,經(jīng)過(guò)多次迭代實(shí)現(xiàn)徑向和切向畸變補(bǔ)償,當(dāng)xn對(duì)應(yīng)的初始估計(jì)值為xd,通過(guò)來(lái)表示xn,利用式(5)聯(lián)合求解得到歸一化處理后的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)xn,表示為:

    式(6)中的?1和?2分別為切線(xiàn)畸變值,k為徑向畸變值,通過(guò)xn與?、k的多次迭代,獲得收斂的xn值,由于xn為線(xiàn)性模型中攝像機(jī)坐標(biāo)系的歸一坐標(biāo),當(dāng)攝像機(jī)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc),通過(guò)公式實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景三維坐標(biāo)系和攝像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化:

    其中,t 和R 分別為攝像機(jī)外部平移向量和對(duì)應(yīng)的選擇矩陣,通過(guò)上式獲得動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的深度值。

    3.4 上肢運(yùn)動(dòng)捕捉與補(bǔ)償

    由上述分析中,當(dāng)知道節(jié)點(diǎn)在虛擬場(chǎng)景中的各坐標(biāo)分量,通過(guò)對(duì)攝像機(jī)坐標(biāo)系的歸一化處理,得到上肢運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)與虛擬運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而將捕捉到關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為由一系列動(dòng)畫(huà)幀組成的運(yùn)動(dòng)序列,如圖8為運(yùn)動(dòng)捕捉模塊,即在一個(gè)連續(xù)事件上追蹤關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),描述三維空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程,創(chuàng)建三維人物骨骼動(dòng)畫(huà)源文件。

    圖8 運(yùn)動(dòng)捕捉模塊

    為獲得患者上肢在空間中的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo),實(shí)驗(yàn)室使用了Nokov(度量)光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)如圖9所示。

    圖9 康復(fù)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集

    通過(guò)標(biāo)定,確定三維空間的原點(diǎn)位置,構(gòu)建三維空間坐標(biāo)體系:每個(gè)紅外鏡頭都會(huì)拍一個(gè)2D圖像,其中至少有兩個(gè)鏡頭拍到同一個(gè)點(diǎn),才會(huì)呈現(xiàn)出3D效果,并測(cè)出其空間坐標(biāo),拍攝鏡頭越多,坐標(biāo)位置越精確。完成標(biāo)定后,紅外攝像頭拍攝到熒光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即為在控制器作用下的腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),生成.trc 格式的三維數(shù)據(jù)跟蹤文件。

    柔性上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練后,患者上肢具有一定的自主能力,但與正常人相比,患者上肢的自主運(yùn)動(dòng)不夠連續(xù),主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)不到康復(fù)運(yùn)動(dòng)速度,因此,在對(duì)患者上肢進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練時(shí),柔性上肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該對(duì)康復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,如圖10所示。

    圖10 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償流程圖

    利用大量的患者上肢康復(fù)過(guò)程中訓(xùn)練數(shù)據(jù),擬定適合患者上肢運(yùn)動(dòng)的速度是V0。柔性上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練,通過(guò)NOKOV動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量上肢在運(yùn)動(dòng)空間的位置變化參數(shù)。在CPAC控制器里,計(jì)算動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中每一幀的空間坐標(biāo)變化量(V),并且與擬定的速度(V0)進(jìn)行比較。當(dāng)測(cè)得患者上肢運(yùn)動(dòng)速度V<V0時(shí),表示患者自主運(yùn)動(dòng)能力不足,需要在康復(fù)機(jī)器人的牽引下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,因此,CPAC控制發(fā)出脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),使得繩索牽引上肢運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上肢運(yùn)動(dòng)速度V≥V0時(shí),表示患者能夠自主運(yùn)動(dòng),故末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟隨上肢,做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

    當(dāng)獲取上肢運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)位置后,利用Unity3D軟件的SDK數(shù)據(jù)插件讀取空間坐標(biāo)位置并轉(zhuǎn)化為虛擬動(dòng)態(tài)模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系,實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)交互。

    3.5 柔性上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能與驗(yàn)證

    患者戴上VR頭盔,握住操控手柄,康復(fù)機(jī)器人處于初始狀態(tài),此時(shí)Unity3D中的空間原點(diǎn)與硬件驅(qū)動(dòng)傳過(guò)來(lái)的點(diǎn)進(jìn)行匹配,使得虛擬環(huán)境中的手臂位置與患者坐的位置保持一致。通過(guò)配套的兩個(gè)紅外攝像頭對(duì)手柄進(jìn)行定位,即測(cè)量康復(fù)機(jī)器人末端位置。獲取數(shù)據(jù)后,通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口傳入U(xiǎn)nity3D軟件,實(shí)現(xiàn)虛擬手臂跟隨運(yùn)動(dòng),如圖11所示。

    圖11 VR訓(xùn)練裝置

    患者和虛擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景中的交互,不僅通過(guò)虛擬場(chǎng)景觀察手臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)效果,同時(shí)可以檢測(cè)到任務(wù)動(dòng)作路徑的規(guī)范性和有效性。本文通過(guò)患者的坐姿特征,在場(chǎng)景嘴的同等高度下設(shè)置了碰撞檢測(cè)體,實(shí)現(xiàn)碰撞功能提高吃飯訓(xùn)練動(dòng)作的仿真度,驗(yàn)證吃飯動(dòng)作的準(zhǔn)確度,如圖12所示。

    圖12 碰撞檢測(cè)體

    在虛擬場(chǎng)景中,結(jié)合患者的視覺(jué)特征,碰撞檢測(cè)體設(shè)置在機(jī)器人視覺(jué)正下方,替代患者的嘴,通過(guò)刀叉食物的實(shí)時(shí)狀態(tài),判斷吃飯訓(xùn)練動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可行度。

    本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)算法采用層次包圍盒算法。在Unity3D 中,根據(jù)手柄與周?chē)矬w間的碰撞形式:進(jìn)入碰撞與未發(fā)生碰撞的臨界狀態(tài)、碰撞發(fā)生中、脫離碰撞狀態(tài),會(huì)分別調(diào)用On Collision Enter() 、On Collision Stay()、On Collision Exit()三個(gè)函數(shù)[19],將碰撞時(shí)所要執(zhí)行的邏輯分別加入到這三個(gè)函數(shù)中,從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能,完成吃飯訓(xùn)練,如圖13所示。

    圖13 碰撞檢測(cè)試驗(yàn)

    當(dāng)食物在靠近嘴時(shí),程序檢測(cè)到碰撞發(fā)生,將虛擬場(chǎng)景中的食物顏色由黃色變?yōu)榍嗌?,脫離碰撞狀態(tài)后,食物消失,這表明本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有碰撞功能,并驗(yàn)證了吃飯訓(xùn)練完成。

    4 結(jié)論

    虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的聯(lián)合驅(qū)動(dòng),為患者在康復(fù)過(guò)程中提供了有效的康復(fù)訓(xùn)練,增強(qiáng)了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)性和趣味性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用主要包括:

    (1)柔性上肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合訓(xùn)練動(dòng)作設(shè)計(jì),驗(yàn)證康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的可行性。

    (2)結(jié)合康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)域,運(yùn)用3DMAX和Unity3D軟件搭建上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。

    (3)標(biāo)定上肢運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),通過(guò)引入交互節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的坐標(biāo)系和攝像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化,完成虛擬動(dòng)態(tài)模型交互。

    (4)設(shè)置碰撞檢測(cè)體,完成碰撞檢測(cè)試驗(yàn),實(shí)證吃飯動(dòng)作訓(xùn)練,完善柔性上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能。

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