周劍波

摘要：基于機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)為踝關(guān)節(jié)康復(fù)提供了一個(gè)新的技術(shù)手段。本文基于踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)學(xué)機(jī)理，規(guī)劃了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的踝關(guān)節(jié)主動(dòng)康復(fù)策略，先后運(yùn)用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等軟件，構(gòu)建了用于踝關(guān)節(jié)主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的城市漫游虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)，并完成了踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人、PMAC卡下位機(jī)等相關(guān)軟硬件的研制。該訓(xùn)練系統(tǒng)中友好的人機(jī)界面可以引導(dǎo)患者積極主動(dòng)地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而使患者重獲健康，同時(shí)緩解醫(yī)生的工作壓力，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：踝關(guān)節(jié)康復(fù)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；康復(fù)機(jī)器人；城市漫游系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）16-0273-03

Design of Software and Hardware for City Roaming System Based on Ankle Joint Rehabilitation Training

ZHOU Jian-bo

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Soochow University， Suzhou 215000， China）

Abstract：Basedonthe Robert rehabilitation system here provides a new technological means for ankle joint rehabilitation.In this study，based on the medical mechanism of ankle rehabilitation training， this article plans an active rehabilitation strategy for ankle joint based on virtual reality technology. It has used 3DMax， OpenGL， Visual studio 2010to build a virtual city roaming environment for ankle joint active rehabilitation training. Scene system， and completed the development of related hardware and software for joint rehabilitation robots， PMAC lower position machines， etc. The friendly man-machine interface in the training system can guide the patient to actively perform rehabilitation training， so that the patient can regain health and relieve the pressure of the doctor's work， which has certain economic and social benefits.

Key words： Ankle rehabilitation； Virtual reality technology； Rehabilitation robots；City roaming system；

人體的踝關(guān)節(jié)在遭受暴力時(shí)會(huì)向一側(cè)驟然運(yùn)動(dòng)，在超過(guò)其耐受力的條件下將引起關(guān)節(jié)周圍組織的撕裂或損傷。針對(duì)裸關(guān)節(jié)損傷的治療方式，除了藥物和手術(shù)外，及時(shí)正確科學(xué)地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高可起到非常重要的作用。裸關(guān)節(jié)康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)醫(yī)療系統(tǒng)是一種集計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）、人工智能、三維仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)等為一體的新興技術(shù)[1]，該康復(fù)手段不僅為患者提供了一個(gè)沉浸性的康復(fù)環(huán)境，而且從心理上鼓勵(lì)患者更加主動(dòng)地、積極地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)緩解了醫(yī)生的工作壓力，為康復(fù)學(xué)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

本文開(kāi)發(fā)的VR應(yīng)用系統(tǒng)屬于桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。硬件環(huán)境的搭建借助了配置高效圖形加速卡的個(gè)人計(jì)算機(jī)，軟件操作系統(tǒng)采用Windows 10企業(yè)版，編譯平臺(tái)采用Microsoft Visual studio 2010，編程語(yǔ)言使用C++，符合虛擬仿真圖形處理程序的高速度要求。

1設(shè)計(jì)材料與方法

1.1 需求分析

依據(jù)健康人體的踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)收/外展等基本動(dòng)作完成順序及其對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度，本文將踝關(guān)節(jié)康復(fù)的基本目標(biāo)分為以下三點(diǎn)：

1）恢復(fù)和增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)自如舒張和收縮的功能。

2）恢復(fù)裸關(guān)節(jié)正常的活動(dòng)度及增強(qiáng)支配關(guān)節(jié)活動(dòng)度的肌肉力量。

3）恢復(fù)裸關(guān)節(jié)正常的感覺(jué)，提高裸關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生后遺癥。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，本文利用VR技術(shù)建立了城市漫游場(chǎng)景系統(tǒng)。將該系統(tǒng)應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練中，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）患者在城市場(chǎng)景中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的感受，與平時(shí)在生活的城市中漫游的感受類似，這將帶給患者親切感，從而提高其康復(fù)訓(xùn)練的積極性；

2）城市場(chǎng)景具備步行街、花草、各標(biāo)志性建筑、廣告牌等多種元素，可降低每次訓(xùn)練的重復(fù)性和單調(diào)性；

3）城市漫游為人體日常生活中最常見(jiàn)的狀態(tài)之一，通過(guò)漫游系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可直接反應(yīng)患者踝關(guān)節(jié)的真實(shí)康復(fù)狀況。

基于此，本文選擇城市漫游場(chǎng)景，建立踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練虛擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)需具備絢麗、流暢的界面，保證患者能在各個(gè)場(chǎng)景中自由切換；需對(duì)模型進(jìn)行紋理映射和明暗效果處理，保證用戶能夠獲得最自然的感受；需具備可擴(kuò)充性，以及良好的可移植性和可擴(kuò)展性[2]。

1.2 漫游系統(tǒng)的構(gòu)建

本文研究的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

幾何建模使用模塊化建模方法實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)為將復(fù)雜的模型系統(tǒng)劃分成若干初級(jí)對(duì)象子系統(tǒng)建模后，再對(duì)各子系統(tǒng)模型進(jìn)行編輯，并將其按一定的關(guān)系連接起來(lái)。建模的過(guò)程中，除了考慮模型的幾何性質(zhì)外，還需關(guān)注模型固有的質(zhì)量、慣性、紋理、形狀改變方式等物理性質(zhì)。對(duì)于具備行為能力的模型，除對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)的幾何與物理建模外，還需依據(jù)其行為特性進(jìn)行行為建模，例如鳥(niǎo)類在人接近時(shí)會(huì)飛走等。場(chǎng)景中紋理的處理，首先使用細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD）對(duì)同一個(gè)物體拍攝若干不同逼近程度的二維圖像，對(duì)圖像進(jìn)行編輯和預(yù)處理后，使用紋理映射技術(shù)將二維圖像的各像素值映射至三維實(shí)體模型的對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)上[3]。這樣可以避免采用大量多邊形來(lái)表示場(chǎng)景的各個(gè)細(xì)節(jié)，從而提高了圖形的顯示速度。各模型建立完畢后，采用矩形邊界檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行碰撞檢測(cè)，進(jìn)而確定各模型在場(chǎng)景中的定位。建模流程及場(chǎng)景布局流程如圖2所示。

建模完成后，在OpenGL應(yīng)用程序中采用隨機(jī)高程數(shù)據(jù)生成法生成特征性較強(qiáng)的高程數(shù)據(jù)，然后使用曲線擬合法生成相對(duì)平滑的地形，再根據(jù)高程數(shù)據(jù)對(duì)地形進(jìn)行顏色生成和紋理映射。OpenGL是由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理開(kāi)發(fā)而成的軟件，可通過(guò)試覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)反饋來(lái)進(jìn)行可視化仿真。借助Visual C++的API函數(shù)可實(shí)現(xiàn)利用OpenGL的圖形庫(kù)建立場(chǎng)景。在OpenGL中，通過(guò)實(shí)例技術(shù)調(diào)整三維空間中物體的幾何變換矩陣來(lái)產(chǎn)生物體的實(shí)例，而模型的數(shù)據(jù)增量極小，從而節(jié)省內(nèi)存。場(chǎng)景搭建完畢后，將3DMAX中建立的三維模型利用load3dobj函數(shù)導(dǎo)入基于Visual C++6.0的MFC環(huán)境下創(chuàng)建的單文檔OpenGL應(yīng)用程序中。地形模擬圖如圖4所示。

為了方便操作者和仿真環(huán)境的交互，本設(shè)計(jì)添加了多種漫游控制模塊，如視窗的平移、旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)等。本設(shè)計(jì)在場(chǎng)景中建立一個(gè)攝像機(jī)用來(lái)模擬用戶的觀察點(diǎn)，控制面板上增加了控制鍵以實(shí)現(xiàn)視角在各方向的切換及視覺(jué)點(diǎn)的重置。另外，本設(shè)計(jì)在虛擬場(chǎng)景中合理地設(shè)置了光源的位置和強(qiáng)度，提高了虛擬環(huán)境的真實(shí)性和沉浸感。城市漫游系統(tǒng)的整體模擬效果圖如圖5所示。

本文采用常見(jiàn)的軸向包圍盒算法對(duì)訓(xùn)練中的場(chǎng)景進(jìn)行碰撞檢測(cè)，原理為將物體及其子部分的包圍盒組成包圍盒樹(shù)層次結(jié)構(gòu)[4-8]。通過(guò)在指定位置遍歷各對(duì)象的包圍盒樹(shù)，判斷各對(duì)象間是否發(fā)生了碰撞。若發(fā)生碰撞，則代表患者踝關(guān)節(jié)的訓(xùn)練軌跡出現(xiàn)了偏差，場(chǎng)景模擬結(jié)束，患者可重新設(shè)置參數(shù)并開(kāi)始新的訓(xùn)練。

1.3 城市漫游系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)搭建

城市漫游康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)配套的硬件平臺(tái)由踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人、控制系統(tǒng)硬件（包括力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、光電編碼器、六維力/力矩傳感器、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡）和PC 機(jī)組成。硬件平臺(tái)使用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)時(shí)控制各電機(jī)協(xié)調(diào)一致地動(dòng)作，并同上位機(jī)和其他控制設(shè)備進(jìn)行通訊。硬件平臺(tái)的框架和實(shí)物圖如圖6所示。

軟件平臺(tái)被設(shè)計(jì)為一種借助PMAC卡（下位機(jī)）實(shí)現(xiàn)前臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，工控機(jī)（上位機(jī)）實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理的開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)。工控機(jī)與PMAC間通過(guò)實(shí)時(shí)可靠的通訊共同完成加工任務(wù)。軟硬件平臺(tái)搭建完畢后，患者即可通過(guò)該康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。患者踝關(guān)節(jié)動(dòng)作、機(jī)器人動(dòng)作及場(chǎng)景中目標(biāo)的動(dòng)作關(guān)系如圖7所示。

2小結(jié)

本文依據(jù)踝關(guān)節(jié)損傷康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐，規(guī)劃了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的踝關(guān)節(jié)主動(dòng)康復(fù)策略，先后運(yùn)用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等軟件，構(gòu)建了用于踝關(guān)節(jié)主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的城市漫游虛擬場(chǎng)景系統(tǒng)，并完成了相關(guān)軟硬件的研制。通過(guò)該訓(xùn)練系統(tǒng)中友好的人機(jī)界面，患者可以舒適地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。該系統(tǒng)的成功研制，使患者的心理狀態(tài)由被動(dòng)康復(fù)轉(zhuǎn)為主動(dòng)訓(xùn)練，在幫助患者恢復(fù)健康的同時(shí)緩解了醫(yī)生的工作壓力，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在未來(lái)的研究中，需繼續(xù)完善虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分考慮康復(fù)治療的趣味性，精心設(shè)計(jì)多種適合踝關(guān)節(jié)主動(dòng)康復(fù)的游戲場(chǎng)景，并在虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)力反饋控制。同時(shí)，建立患者病例庫(kù)，方便查詢患者的康復(fù)治療情況，也為患者確定康復(fù)方案提供參考信息。

參考文獻(xiàn)：

[1] Whitworth E， Lewis J A， Boian R， et al. Formative evaluation of a virtual reality telerehabilitation system for the lower extremity[J]. Burdea Gc Thalmann D & Lewis Ja Proceedings of International Workshop on V， 2003：13-20.

[2] Alan watt， Mark Watt. Advanced Animation and Rendering Techniques[J]. Theory and Practice. 2002. Chapter 6： P25-36.

[3] 袁慧，曾黃麟.有真實(shí)感圖形的紋理映射算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1998，18（10）：29-31.

[4] Ferzli G S， Fingerhut A. Trocar placement for laparoscopic abdominal procedures： a simple standardized method[J]. Journal of the American College of Surgeons， 2004， 198（1）：163.

[5] Burdea G C. Haptics Issues in Virtual Environments[C]// Computer Graphics International， 2000. Proceedings. IEEE Xplore， 2000：295-302.

[6] Kühnapfel U， ?akmak H K， Maa? H. Endoscopic surgery training using virtual reality and deformable tissue simulation[J]. Computers & Graphics， 2000， 24（5）：671-682.

[7] France L， Lenoir J， Angelidis A， et al. A layered model of a virtual human intestine for surgery simulation[J]. Medical Image Analysis， 2005， 9（2）：123-132.

[8] Monserrat C， Pez O， Meier U， et al. GeRTiSS： a generic multi-model surgery simulator[C]// International Conference on Surgery Simulation and Soft Tissue Modeling. Springer-Verlag， 2003：59-66.