基于虚拟现实的外骨骼式远程康复系统解析

曹晋铭

摘要：伴随着我国经济的飞速发展，我国步入老龄化的进程也在不断加快，有各种疾病原因导致的集体障碍和功能损失严重影响了人们的身体健康和正常生活。基于虚拟现实的外骨骼式远程康复系统的建立和完善，实现了虚拟场景中人的运动和康复训练，增加了康复训练的趣味性，获得了良好的康复治疗效果。

关键词：虚拟现实；外骨骼式；远程康复系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0064-02

研究表明，我国的老龄化进程正在逐步加快，由神经系统疾病一发的四肢偏瘫、功能障碍等疾病，严重影响着患者的身体健康和生活质量，也给患者的家庭带来了沉重的负担。外骨骼系统作为机器人研究领域的一个重要分支，它与人体的各个关节保持一致，操作者与外骨骼之间可以进行直接力的传递，因此，该系统非常适用于有功能障碍患者的康复训练。

传统的康复训练枯燥无味，很容易引发患者的反感。在虚拟现实技术的交互作用和沉浸感可以帮助患者感知这个世界的事物。研究表明，虚拟现实技术能够帮助患者构建一个康复训练的模拟环境，能够提高患者的训练效果，对患者的康复有着重要意义。

伴随着目前计算机网络技术的飞速发展，网络相关技术已经渗透到了各个领域，康复训练领域也不例外，网络技术在康复训练领域的实践表明，它对于实现康复训练的异地操作和监控有着非常重要的作用。将手臂外骨骼、虚拟现实技术和网络技术结合在一起，构成一套完整的躯体训练系统，不仅能够解决传统训练方法的乏味问题，还可以实现医生对训练的远程监控。

1 外骨骼系统相关内容概述。

人体的上肢具有多个自由度，其中以肩部的屈/伸运动、外摆/内收运动及肘部的屈 /伸运动具有较大的运动空间，这三个运动在日常生活中发挥着重要作用。根据人体特征，研究人员开发出的外骨骼系统也具有三个自由度，借以实现上述人体运动的康复训练。

通常，人体肘部的活动范围为 0°～ 154°，肩部各种运动的范围为： 屈 0°～ 60°，伸 0°～ 180°，外摆 0°～ 180°，内收 0°～ 75°。在研发过程中，考虑到患者的实际情况，设计者将外骨骼系统肘部的活动范围限制在0-120度之间，肩部屈伸的活动范围设定为0-90度，外摆内收的活动范围设定在0-90度之间。

外骨骼系统的设计结构由底座、肩部和肘部三部分构成。在上臂和前臂位置使用铝合金材料以减轻重量；同时，在支柱和横版位置使用钢材加强稳固性。该系统工作时不需要患者承担系统的重量，外骨骼与患者的右臂相连，并在前臂和上臂上使用固定装置进行连接。

外骨骼系统工作时，用户输入命令后，借助计算机向电机下达指令，之后经驱动器，电机驱动外骨骼进行运动，从而实现对患者的康复训练。具体流程如下表：

图1

2 虚拟现实系统相关内容概述。

研究表明，虚拟现实技术在临床中的应用可以在虚拟场景中帮助患者完成各种训练任务，使得对患者的康复训练起到良好的效果。为了使患者产生沉浸感并实现人的交互功能，设计虚拟的现实环境。虚拟现实环境中的虚拟人可以在场景中漫游，当患者主动运动的时候可以帮助虚拟人一起跟着患者进行运动，人们只需要运用计算机就可以实现场景中漫游。

虚拟人在虚拟环境中由24各球体组成，所有球体都是经函数计算生成的，对该函数设置不同的初始值可以实现此球的平移和旋转等运动。对人体姿态的模拟实质就是对人体各个关节角度的模拟，在设计过程中，可以使用坐标系旋转来改变人体各个部位的相对角度。在绘制人体模型时，每当调用绘制人体某一部位的函数之前，首先进行坐标系旋转变换。使用 gl Rotatef（ ） 函数完成目标坐标系对参照坐标系 X、Y、Z 轴的旋转。在程序运行时，计算机不断地从角位移传感器读取人体关节角度数值，并赋给相应坐标系旋转变换的角位移变量，由角位移变量来控制人体模型的姿态。

系统中的背景物体是由地面和球体等构成，同时设计者对系统背景的地面加强了纹理映射以增强其真实感。不光如此，在系统的圆柱体和其他球体的绘制时同样采取相应的映射技术，这样设计的物体观赏性较高，除此之外，运用映射技术进行设计的优点还在于帮助程序实现快速运转。

3 远程监控系统相关内容解析。

在外骨骼系统中，远程监控系统能够通过网络进行远程监控，进而实现对康复运动的远程监控。远程监控信息通常为一些控制命令，这些命令的数据量非常小，因而对网络资源的占用量不是很大，对网路速度的影响较小。远程监测在检测过程中，多采用摄像头技术进行监测，所需要传输的数据量较大。在本次研究中，客户端用虚拟人的运动实现外骨骼对人体运动的带动作用，大大减少了所需要传输的数据量，可以在很大程度上提升网络速度。

远程监控软件以“客户机/服务器”的形式运作的，包括一个客户机程序和一个服务器程序。服务器程序安装在患者使用的计算机端，客户机程序安装在医生使用的计算机端。应用 VC ++ 编制程序时，客户端程序和服务器端程序是在同一个工程下实现的。人机界面采用单窗口多视区的运作形式，在制作过程中采用窗口分割技术，对一个单文档进行分割，一部分继承于 Cform View 类，作为控制区，控制区包括各种控制与监测； 另一部分继承于 Cview 类，作为虚拟场景显示区，虚拟场景显示区显示场景的虚拟环境、虚拟人当前的位置及运动状态，并配有多视点图形显示等功能。

远程监控系统的控制区由本地控制区、远程控制区、检测区、场景控制区和康复方案区共五个部分组成，且功能各异，工作协同作用完成远程康复监督和监测。除此之外，在同一个工程项目下实现客户端和服务器端相关程序的共同使用，给操作者带来了巨大的方便，在使用之前只需要选择程序作为客户端还是作为服务器端即可。

程序编程完毕后在具体的运行阶段，医生使用远程控制的计算机系统和相关技术作为客户端，患者使用的控制外骨骼系统作为服务器端，服务器端实现位移数据的采集、显示和网络相关传输数据的设置和保存。数据传输过程中，每传送一个结构体，都要讲传送的数值赋予结构体以变量，在接收端用同样的结构类型进行数据的接收，这样可以实现多个数据的同时传送，并可通过标志位的数值来判定传输数据的基本类型。

4 小结

相关调查研究表明，外骨骼系统是一套适用于上肢康复训练的以电机为执行元件的系统，它能够通过角位移传感器来进行测量其运动的位置。外骨骼系统在临床上的应用，能够带动患者的患肢实现肩部的屈伸、外摆内收和肘部的相关运动；同时应用虚拟现实技术制作相关的虚拟环境（虚拟人和虚拟场景）。在客户端使用虚拟人的运动来重现服务器端外骨骼带动人体的运动过程，很大程度上减少了数据量的传送，利于网路速度的提升，此系统值得进一步推广应用和深度研究。

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