基于虚拟现实的网络化上肢康复训练系统

文章摘要：引言 现阶段，在国内的康复治疗中，针对患者功能训练的治疗仍旧以治疗师的手法操作为主，或辅助一些简单的训练器械，且训练过程单调无趣，患者容易产生厌烦情绪。治疗师不容易即时了解病人的训练程度和效果 [1][2]。研究表明，如果能够在训练过程中提供多种形式的信息反馈，充分发挥患者的主观能动性，将会使康复训练效果得到很大提高。虚拟现实是一种新兴的并且迅速发展的技术，它的主要特点是：利用计算机和传感技术生成一个具有多种感官刺激的虚拟境界，这种虚拟境界可以使人产生一种身临其境的感觉；人能以自然的方式与虚拟境界中的对象进行交互[3]。将虚拟现实技术应用到康复医疗领域，可以有效的解决现有的康复医疗方法的局限性

基于虚拟现实的网络化上肢康复训练系统,标签：电子小制作,http://www.88dzw.com
引言
现阶段，在国内的康复治疗中，针对患者功能训练的治疗仍旧以治疗师的手法操作为主，或辅助一些简单的训练器械，且训练过程单调无趣，患者容易产生厌烦情绪。治疗师不容易即时了解病人的训练程度和效果 [1][2]。研究表明，如果能够在训练过程中提供多种形式的信息反馈，充分发挥患者的主观能动性，将会使康复训练效果得到很大提高。虚拟现实是一种新兴的并且迅速发展的技术，它的主要特点是：利用计算机和传感技术生成一个具有多种感官刺激的虚拟境界，这种虚拟境界可以使人产生一种身临其境的感觉；人能以自然的方式与虚拟境界中的对象进行交互[3]。将虚拟现实技术应用到康复医疗领域，可以有效的解决现有的康复医疗方法的局限性[4]。
康复机器人技术在欧美等国家己经得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视 ,也取得了一些有价值的成果. 06年 Tobias Nef等人研制了基于虚拟现实技术的上肢康复医疗机器人 ARMIn[5]。Rutgers大学和 Stanford医学院在基于虚拟环境的远程康复机器人系统方面做了大量的工作[6]。清华大学研制了一种上肢康复设备 UECM，可以在平面内进行两个自由度的运行训练[1]。
本文针对实验室现有的一种上肢康复训练机器人系统设计开发了虚拟现实的辅助康复训练系统，以激发患者进行康复训练的兴趣和动力，达到提高康复训练效果的目的。

1．系统总体概况
1.1 康复训练机器人系统总体结构图康复训练机器人系统主要可分为上位机远程监控系统和下位机系统。 系统整体结构图如图 1所示。

1.2 康复机器人机构设计

康复机器人机构部分主要有座椅部分、支撑部分、牵引部分组成，如图 2所示。训练时，病人坐在椅子上，通过悬吊线和肘关节支撑套将病人的手臂吊起，病人的手被固定在康复训练牵引机械臂的托盘上。
 

1.3康复机器人系统工作原理 
该康复训练系统由 4部分组成：基于虚拟现实技术的辅助训练客户端，康复机器人控制系统（下位机） ,医生端监控计算机（上位机），和网络通讯部分。其中康复机器人控制系统由 ARM主控模块、测量控制电路、键盘及 LCD显示电路、存储器件等主要部分组成。被动训练模式运行时，安装在康复训练牵引机械臂的力和位置传感器将采集的病人运动的力和位置信号经过信号处理后送给 ARM主控模块，主控模块经过预处理后再通过下位机网络模块把力和位置信息通过局域网传送给医生端监控主机,同时监控软件绘制出力度信号和位置信号的实时曲线，并访问后台病案数据库，实时记录训练各项状态参数。医生根据反馈的信息判断病人的康复情况，并通过上位机设置康复训练参数，发送控制指令给下位机，下位机根据医生设置的参数，采用相应的控制算法，发送控制信号，经驱动电路放大后驱动电机，从而控制康复训练牵引机械臂的运动。主动模式和阻抗模式运行时，虚拟现实训练客户端软件和上位机远程监控软件同时通过局域网连接至下位机 ARM嵌入式康复机器人主控模块，主控模块把采集到的力度和位置信号经过预处理后，同时发送给上位机监控程序和虚拟现实训练程序。虚拟现实辅助训练软件利用接收到的网络数据通过相应算法转化为虚拟场景中物体的坐标，同时配合设置好的虚拟场景和人机交互策略实现虚拟现实辅助康复训练过程。本文分别使用 windows GDI 和 OpenGL＋3dmax 设计了两套虚拟现实康复训练程序，分别配合主动训练模式和阻抗训练模式。
2、虚拟现实辅助康复训练客户端软件开发
康复病人由于肢体肌肉处于废退状态，很容易对锻炼感到厌烦，这对于病人的康复进程是很不利的。为此本文利用 Windows GDI，OpenGL＋3Dmax设计了两个具有良好交互性的游戏程序作为患者辅助康复训练平台，使患者在游戏过程中不知不觉的完成锻炼，变原来的消极锻炼为积极主动的参与锻炼。

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