基于虚拟现实的远程康复机器人人机交互系统设计

摘要

随着国民经济的增长和医疗水平的发展，我国逐渐步入老龄化社会。而脑卒中成为老年群体的第一杀手，其早期最主要的表现是运动功能障碍，这给患者的生活带来了种种不便，因此促进并改善患者的运动功能成为脑卒中康复的主要任务。传统康复治疗主要是依靠治疗师手把手地对患者进行康复训练，治疗师的经验、态度等因素制约了患者的康复训练效果。同时，患者长期进行重复、单调的康复训练，容易产生厌烦懈怠的情绪，难以保证每天的训练强度，不利于患者中枢神经系统的康复。
　　针对以上情况，本文研制了一套基于虚拟现实的远程康复机器人人机交互系统。系统中的三自由度上肢康复机器人用于辅助患者的运动训练;在康复过程中，系统可以客观准确地记录下患者的康复训练数据;并设计两款虚拟训练游戏对患者的上肢关节活动范围和上肢肌力进行训练。减少了康复训练中的枯燥乏味，提高了患者康复训练的积极性;同时，借助于网络实现了远程康复监控。
　　本文首先介绍了课题的研究背景和意义，分析了国内外研究现状和虚拟现实技术与康复相结合的优势。在此基础上明确了本文的主要研究内容和总体设计方案，然后分别介绍了系统中的机械结构设计、测控系统设计和人机交互系统设计方案。接着重点介绍了人机交互系统中的两个主要组成部分:虚拟训练游戏和康复数据通信与管理，具体如下:
　　依据虚拟训练游戏的设计原则，设计了两款虚拟训练游戏。患者在主动运动训练时，可以在游戏构建的虚拟场景中，选择不同难度的游戏任务对上肢关节的活动范围和上肢肌力进行训练。游戏中提供视觉、听觉、力觉等多种形式的反馈，刺激患者积极主动地和虚拟训练场景进行交互，最大程度地促进患者的主动运动。
　　康复数据通信和管理包括康复数据的通信和管理两部分。分别通过串口通信技术和网络通信技术实现了系统中康复数据的本地通信和远程通信，并且基于数据库技术，在治疗师端实现了对康复数据的管理功能。
　　最后通过实验验证了系统的可行性和虚拟训练游戏设计的合理性。实验表明，游戏的控制易于掌握，并可以有效调节游戏的难度，达到训练上肢关节活动范围和上肢肌力的目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 虚拟现实技术

1．2．1 虚拟现实技术简介

1．2．2 虚拟现实技术与康复训练结合的优势

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的研究内容及主要工作

第二章 基于虚拟现实的远程康复机器人系统设计方案

2．1 系统总体结构设计

2．2 康复机器人机械结构设计

2．3 测控系统设计

2．4 人机交互系统设计

2．5 本章小结

第三章 虚拟训练游戏的设计

3．1 虚拟训练游戏的设计原则

3．2 虚拟训练游戏的设计

3．2．1 开发工具

3．2．2 击球游戏

3．2．3 滚球上山游戏

3．3 虚拟场景的构建

3．3．1 坐标变换

3．3．2 光照处理

3．3．3 纹理贴图

3．3．4 声音效果

3．4 虚拟化身的设计与运动控制

3．4．1 虚拟化身的设计

3．4．2 虚拟化身的运动控制

3．5 碰撞问题

3．6 力反馈的实现

3．7 游戏数据的采集与显示

3．8 本章小结

第四章 康复数据通信与管理的实现

4．1 串口通信

4．2 网络通信

4．3 训练模式的选择和远程控制

4．4 训练数据的采集与传输

4．5 视频的采集与传输

4．6 音频的采集与传输

4．7 患者康复数据库的管理

4．7．1 数据库管理系统简介

4．7．2 数据库平台的选择

4．7．3 数据库的建立与访问

4．8 本章小结

第五章 实验研究

5．1 实验目的

5．2 实验过程

5．2．1 检验系统的可行性

5．2．2 检验游戏设计的合理性

5．3 实验结果与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 课题总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要科研成果