基于虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)化上肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

1.3康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)工作原理 
該康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)由 4部分組成：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輔助訓(xùn)練客戶端，康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)（下位機(jī)） ,醫(yī)生端監(jiān)控計算機(jī)（上位機(jī)），和網(wǎng)絡(luò)通訊部分。其中康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)由 ARM主控模塊、測量控制電路、鍵盤及 LCD顯示電路、存儲器件等主要部分組成。被動訓(xùn)練模式運(yùn)行時，安裝在康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的力和位置傳感器將采集的病人運(yùn)動的力和位置信號經(jīng)過信號處理后送給 ARM主控模塊，主控模塊經(jīng)過預(yù)處理后再通過下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)模塊把力和位置信息通過局域網(wǎng)傳送給醫(yī)生端監(jiān)控主機(jī),同時監(jiān)控軟件繪制出力度信號和位置信號的實時曲線，并訪問后臺病案數(shù)據(jù)庫，實時記錄訓(xùn)練各項狀態(tài)參數(shù)。醫(yī)生根據(jù)反饋的信息判斷病人的康復(fù)情況，并通過上位機(jī)設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，發(fā)送控制指令給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)醫(yī)生設(shè)置的參數(shù)，采用相應(yīng)的控制算法，發(fā)送控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動電機(jī)，從而控制康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的運(yùn)動。主動模式和阻抗模式運(yùn)行時，虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練客戶端軟件和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件同時通過局域網(wǎng)連接至下位機(jī) ARM嵌入式康復(fù)機(jī)器人主控模塊，主控模塊把采集到的力度和位置信號經(jīng)過預(yù)處理后，同時發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控程序和虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練程序。虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件利用接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)算法轉(zhuǎn)化為虛擬場景中物體的坐標(biāo)，同時配合設(shè)置好的虛擬場景和人機(jī)交互策略實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實輔助康復(fù)訓(xùn)練過程。本文分別使用 windows GDI 和 OpenGL＋3dmax 設(shè)計了兩套虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練程序，分別配合主動訓(xùn)練模式和阻抗訓(xùn)練模式。
2、虛擬現(xiàn)實輔助康復(fù)訓(xùn)練客戶端軟件開發(fā)
康復(fù)病人由于肢體肌肉處于廢退狀態(tài)，很容易對鍛煉感到厭煩，這對于病人的康復(fù)進(jìn)程是很不利的。為此本文利用 Windows GDI，OpenGL＋3Dmax設(shè)計了兩個具有良好交互性的游戲程序作為患者輔助康復(fù)訓(xùn)練平臺，使患者在游戲過程中不知不覺的完成鍛煉，變原來的消極鍛煉為積極主動的參與鍛煉。
2.1配合阻抗訓(xùn)練模式的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件設(shè)計
2.1.1 阻抗訓(xùn)練模式介紹
該訓(xùn)練模式適用于即將康復(fù)的患者，這類患者的患肢已經(jīng)逐步恢復(fù)運(yùn)動能力，這時就可以根據(jù)患者的康復(fù)情況，在康復(fù)鍛煉過程中通過機(jī)器人給患者的患肢作用一定大小的阻尼力，使患者完成動作的時候克服阻力，從而增強(qiáng)肌肉的力量，逐步恢復(fù)到正常狀態(tài)。
2.1.2 程序設(shè)計
該軟件采用 VC＋＋6.0創(chuàng)建的基于單文檔的 MFC應(yīng)用程序。游戲開始后病人通過控制機(jī)械臂的水平運(yùn)動，控制虛擬場景中水平擋板的移動反彈小球，擊打上畫面上方的矩形磚塊。如圖 3所示。程序開始運(yùn)行后，通過 GDI繪制出彈球游戲的基本場景，小球和水平移動擋板，完成游戲參數(shù)的基本初始化工作。在創(chuàng)建框架窗體的同時使用 CAsyncSocket類的 MySocket派生類，初始化訓(xùn)練客戶端套接字，封裝了網(wǎng)絡(luò)通信消息響應(yīng)函數(shù)。并重載了其中的 OnReceive(), OnAccept(),OnConnect()，OnClose()等消息響應(yīng)函數(shù),這些函數(shù)分別映射 CMyView類中相應(yīng)的處理函數(shù)。完成套接字初始化后，立即與下位機(jī)服務(wù)器連接，并開始接收下位機(jī)傳送的位置和力度數(shù)據(jù)。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)時，程序映射調(diào)用 CMyView類中的 OnReceive()函數(shù)，完成接收下位機(jī)傳送的位置信號數(shù)據(jù)，通過公式（1）
shippositon=(long)(-w*855/180) （1）
其中 w為接收到的機(jī)械臂角度值，shippositon為經(jīng)過換算后的擋板在屏幕上位置的坐標(biāo)點數(shù)值。將機(jī)械臂角度值轉(zhuǎn)化為虛擬環(huán)境中水平擋板的實際位置值，最后傳送至 Moveship（）函數(shù)中完成移動擋板，碰撞檢測，刷新場景等流程。水平擋板在程序運(yùn)行開始后初始化在視圖區(qū)域中間位置，即機(jī)器人機(jī)械臂 90度位置。當(dāng)病人左右移動機(jī)械臂時，由下位機(jī)根據(jù)與 90度位置偏離程度的大小，通過計算輸出相應(yīng)大小的阻尼力。程序一共分為三個難度等級，每一難度等級的磚塊全部擊打完畢并進(jìn)入下一難度等級。每增加一級，程序會加速小球的下落速度來提高游戲難度。運(yùn)行時程序同時記錄病人的得分情況和游戲生命值。
 
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2.2配合主動訓(xùn)練模式的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件設(shè)計
2.2.1 主動訓(xùn)練模式介紹 該訓(xùn)練模式適用于病情比較輕的患者，這些的患者的患肢雖然有些運(yùn)動障礙，但是沒有完全喪失運(yùn)動能力，因此可以通過設(shè)計一些具有良好交互性的虛擬場景游戲，使患者完全自主地利用康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行鍛煉。
2.2.2程序設(shè)計

 整個軟件采用VC＋＋6.0創(chuàng)建的 win32 application應(yīng)用程序，調(diào)用 OpenGL的庫函數(shù)開發(fā)。軟件所涉及的帶有貼圖的 3D模型和其他圖形素材，采用了現(xiàn)成的資源，這樣既保證了圖形圖像的質(zhì)量又提高了開發(fā)效率。該輔助訓(xùn)練軟件結(jié)合主動訓(xùn)練模式，給病人提供了寬廣的 3D虛擬場景，通過訓(xùn)練臂，并輔助一個羅技游戲搖桿進(jìn)行漫游，患者通過機(jī)械臂控制場景人物平面方位角的改變，輔助游戲搖桿負(fù)責(zé)場景人物的前進(jìn)，后退，俯仰角度以及射擊擊發(fā)。患者需要完成的交互訓(xùn)練任務(wù)是盡快在該場景中找出移動的目標(biāo)靶并射擊命中。如圖 4所示： 
 
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 該程序首先由 Win32應(yīng)用程序框架中的WinMain()函數(shù)提供程序的入口。當(dāng)窗口成功建立時，MsgProc()窗口回調(diào)函數(shù)調(diào)出OpenGL框架中Init()函數(shù)對OpenGL視圖進(jìn)行變換調(diào)整。Windows窗口生成后就進(jìn)入 GameLoop()主循環(huán)中，在此一直循環(huán)調(diào)用 OpenGL框架中的Render()函數(shù)進(jìn)行我們需要的圖形場景處理和顯示，程序退出時，調(diào)用 CleanUp（）清除OpenGL連接。在交互方面，程序初始化時采用 Winsock 2.0建立了套接字，通過局域網(wǎng)接收下位機(jī)傳送的機(jī)械臂位置數(shù)據(jù)，通過計算轉(zhuǎn)化為場景人物的平面旋轉(zhuǎn)角度。從而達(dá)到實時交互的目的。前進(jìn)后退，俯仰角度的改變以及子彈的發(fā)射，采用鍵盤按鍵消息事件的方式實現(xiàn)，再通過游戲搖桿驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)響應(yīng)的按鍵，達(dá)到搖桿輔助控制的目的。程序分別使用mciSendString函數(shù)和 sndPlaySound函數(shù)來實現(xiàn)游戲過程中的各種音效。

 3、實驗結(jié)果
進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時，病人的手固定在康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂的托盤上，醫(yī)生通過上位機(jī)界面（醫(yī)生端）分別設(shè)置運(yùn)動模式為主動訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練，并調(diào)用相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練程序進(jìn)行交互式康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果明顯提高了病人參與康復(fù)訓(xùn)練的積極性，訓(xùn)練時間明顯增加，同時病人也能保持興奮愉快的狀態(tài)。病人訓(xùn)練的同時，上位機(jī)界面實時曲線繪制正常，在阻抗訓(xùn)練模式下實時訓(xùn)練參數(shù)曲線繪制如圖 5所示，能較為準(zhǔn)確的反映病人的訓(xùn)練狀態(tài)。訓(xùn)練結(jié)束后打開病案數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)記錄表，可以看到位置數(shù)據(jù)和力度數(shù)據(jù)記錄正確。
 
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5、總結(jié)
綜上所述，本康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)采用的上下位機(jī)聯(lián)合的方式，通過設(shè)計兩種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的互動訓(xùn)練程序，為患者的康復(fù)訓(xùn)練提供了一個生動的平臺，將患者從枯燥乏味的康復(fù)訓(xùn)練中解放出來。實驗結(jié)果證明，所設(shè)計的輔助訓(xùn)練程序能夠較好的配合患者進(jìn)行主動訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練模式的要求。在以后的研究中，還需要針對網(wǎng)絡(luò)時延對病人與虛擬環(huán)境交互實時性的影響進(jìn)行進(jìn)一步的克服和改進(jìn)。
本文作者的創(chuàng)新點是：本文針對中風(fēng)病人和上肢受傷病人在傳統(tǒng)的基于康復(fù)器械的訓(xùn)練中，人機(jī)之間缺乏良好的互動性以及訓(xùn)練模式內(nèi)容枯燥乏味的缺點，開發(fā)了一種新穎的基于虛擬現(xiàn)實和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合康復(fù)訓(xùn)練的主動模式和阻抗模式，可以對病人進(jìn)行具有趣味性和良好交互性的康復(fù)訓(xùn)練過程。