虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

杜 豪，楊 巖，張成杰

重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶400054

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為核心，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像仿真、人機(jī)接口、模式識(shí)別、傳感器、AI、自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程操控等技術(shù)，將抽象模糊的信息處理為與某一特定真實(shí)環(huán)境完全相似的模擬環(huán)境，用戶(hù)借助人機(jī)交互設(shè)備控制模擬環(huán)境中的對(duì)象，讓用戶(hù)身臨其境，實(shí)時(shí)感受模擬環(huán)境中的三維世界[1]。針對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)康復(fù)治療方法，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合逐漸受到人們的重視，并應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，成為新型的康復(fù)模式，患者可以在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技能的恢復(fù)，手眼協(xié)調(diào)、空間定位、日常人物等多種康復(fù)訓(xùn)練[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)是帶給患者沉浸感和交互性，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法的局限性，提高在康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練中的趣味性和患者的主動(dòng)性[3-5]。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的康復(fù)機(jī)器人在各國(guó)得到了普遍重視，也取得了一定的進(jìn)展，比如Connelly等人[6]利用VR結(jié)合充氣手套對(duì)腦卒中后手功能康復(fù)訓(xùn)練，Kayyali等人[7]結(jié)合有觸覺(jué)反饋的收據(jù)手套，開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)腦卒中患者的虛擬康復(fù)系統(tǒng)，Godfrey[8]利用VR 結(jié)合外骨骼機(jī)器人，對(duì)慢性腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，華南理工大學(xué)的伍平平[9]開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)腦卒中恢復(fù)期患者偏癱上肢運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

針對(duì)現(xiàn)有的上肢康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練模式單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大等缺陷，設(shè)計(jì)了一款由繩牽引的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人。它是一種混聯(lián)機(jī)構(gòu)，既能對(duì)患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練，也能進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練，不僅彌補(bǔ)了康復(fù)訓(xùn)練模式單一的缺陷，同時(shí)又精簡(jiǎn)了本體結(jié)構(gòu)，降低了康復(fù)控制難度。該柔性上肢康復(fù)機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，為患者在安全和可靠的治療環(huán)境中提供具有特定任務(wù)的重復(fù)訓(xùn)練，允許患者嘗試不同的場(chǎng)景和不同的任務(wù)，不僅增添了康復(fù)治療的趣味性，還極大提升了康復(fù)訓(xùn)練效果和患者的滿(mǎn)意度。

2 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人

2.1 康復(fù)理論研究

腦卒中是由急性腦血管病引起的，發(fā)病后患者的主要特征有：高位運(yùn)動(dòng)調(diào)控中樞受損、肌張力異常、運(yùn)動(dòng)模式異常，具有語(yǔ)言、認(rèn)知、智力等伴隨癥狀[10]。對(duì)腦卒中康復(fù)治療，是為了防止肌肉萎縮、關(guān)節(jié)痙攣等各類(lèi)癥狀的出現(xiàn)；是為了維持和擴(kuò)大關(guān)節(jié)活動(dòng)度；也是為了增強(qiáng)肌肉力和協(xié)調(diào)性，最終重建肢體功能以便回歸正常生活[11]。從解剖學(xué)角度看，人體上肢是由骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉組成，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，骨骼起到杠桿的作用，關(guān)節(jié)作為支點(diǎn)，肌肉則為上肢運(yùn)動(dòng)力[12]。通過(guò)對(duì)人體上肢生理結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求，針對(duì)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)進(jìn)行的主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)原理和角度如圖1所示[13]。

肩關(guān)節(jié)是由肩胛骨和肱骨頭的關(guān)節(jié)盂組成的，是一種球窩關(guān)節(jié)，可以在三個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；肘關(guān)節(jié)由橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和肱尺關(guān)節(jié)共居同一個(gè)關(guān)節(jié)囊內(nèi)組成，是一種復(fù)合關(guān)節(jié)，可以做屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)偏癱患者的全面康復(fù)治療和康復(fù)功能評(píng)定學(xué)的研究，如圖2[13]，兩個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作方向與角度范圍如表1和表2所示。

圖2 上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向

表1 肩關(guān)節(jié)動(dòng)作方向和角度范圍

表2 肘關(guān)節(jié)動(dòng)作方向和角度范圍

2.2 上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合人體上肢結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性所設(shè)計(jì)的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由滑臺(tái)模組、懸吊系統(tǒng)（卷線(xiàn)裝置和T 型架）和支撐機(jī)架等幾部分組成。該機(jī)器人以患者肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)為著力點(diǎn)，采用3根繩索懸吊上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。其中，肘關(guān)節(jié)處采用1 根繩索，腕關(guān)節(jié)處采用2根繩索，3根繩索的上端連接于懸掛機(jī)構(gòu)上的支架，下端通過(guò)連接護(hù)具套對(duì)上肢進(jìn)行懸吊，同時(shí)，將滑臺(tái)布置于患者上方，通過(guò)彈性繩連接驅(qū)動(dòng)手臂完成患者上肢的空間運(yùn)動(dòng)。

圖3 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人

不考慮繩索晃動(dòng)所引起的誤差，該機(jī)器人模型的空間幾何關(guān)系如圖4 所示[13]。整個(gè)機(jī)構(gòu)為混聯(lián)機(jī)構(gòu)形式，串聯(lián)部分由滑臺(tái)模組裝置的兩個(gè)平移自由度(d1,d2)和旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θ1組成；并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分由3根繩索上下收放自由度(d3、d4、d5)組成。其中，基坐標(biāo)系的原點(diǎn)為O,A代表肘關(guān)節(jié)位置，其初始坐標(biāo)為(Ax,Ay,Az)=(d2,d1,d3),B代表腕關(guān)節(jié)位置，其初始坐標(biāo)為(Bx,By,Bz),θ3代表腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，L1、L3代表T型架對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的桿長(zhǎng)，L2代表前臂長(zhǎng)度，L4代表腕關(guān)節(jié)直徑，θ2代表AB與AB′1的夾角，即AB與豎直面yoz的夾角，θ1代表旋轉(zhuǎn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖4 康復(fù)機(jī)器人空間幾何關(guān)系

通過(guò)正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可得：

結(jié)合式（1），通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可得角度θ1和θ2分別為：

而θ1和θ2取值范圍分別為(-60°,90°)、(-45°,45°),所以θ1和θ2只有唯一解。

前臂旋前和旋后動(dòng)作通過(guò)改變懸繩d4和d5的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的動(dòng)作，根據(jù)上述公式求得。其余動(dòng)作懸繩d4和d5的長(zhǎng)度始終相等，且滿(mǎn)足公式：

綜上，該機(jī)器人共有6 個(gè)自由度，懸繩個(gè)數(shù)小于自由度數(shù)，該機(jī)構(gòu)是欠約束結(jié)構(gòu)式的，能夠遍歷健全上肢的空間運(yùn)動(dòng)域。其中，滑臺(tái)模組由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工字型同步帶，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈伸、收展2個(gè)自由度；卷線(xiàn)裝置由3 伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)3 根繩索在豎直空間中的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)、肘關(guān)節(jié)的屈伸和旋轉(zhuǎn)3個(gè)自由度；T型架由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)上肢在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)自由度。

2.3 柔性上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案

結(jié)合柔性上肢康復(fù)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的柔性上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)，如圖5 所示?？刂葡到y(tǒng)主要由CPAC 控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)交互環(huán)境、Nokov動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等輔助訓(xùn)練設(shè)備構(gòu)成。該控制系統(tǒng)模式含有主被動(dòng)兩套訓(xùn)練方式。被動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練模式是在患者上肢未完全喪失功能，具備一定的自主運(yùn)動(dòng)能力下進(jìn)行的一種模式，該模式簡(jiǎn)單有效，當(dāng)前多數(shù)上肢康復(fù)機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)這種訓(xùn)練模式。基于被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式，利用輔助設(shè)備開(kāi)發(fā)了一種主動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練，即實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上肢運(yùn)動(dòng)情況，機(jī)器人自主帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

圖5 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)原理圖

通過(guò)對(duì)腦卒中患者的犯病特征和上肢的異常運(yùn)動(dòng)的深入觀察，閱讀和查詢(xún)了大量相關(guān)文獻(xiàn)，重慶醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院從醫(yī)學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合臨床試驗(yàn)，分析了患者上肢各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀況，設(shè)計(jì)了一套上肢吃飯動(dòng)作訓(xùn)練方案，其肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表3所示。

表3 吃飯訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)方案

3 VR在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

3.1 VR交互系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)是一門(mén)借助計(jì)算機(jī)構(gòu)建出一個(gè)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境十分逼近的虛擬環(huán)境，且支持用戶(hù)使用自然的技能親身感受的人機(jī)交互技術(shù)[14-17]，其基本特征為3I，即immersion（沉浸）、interaction（交互）和imagination（構(gòu)想）。

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的交互既包括人與系統(tǒng)發(fā)生的交互，還包括虛擬對(duì)象間的交互。這兩個(gè)層面的交互存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：首先，用戶(hù)的交互行為映射為虛擬環(huán)境中虛擬對(duì)象的交互行為；然后，虛擬對(duì)象之間生成交互，相互作用，并使得其自身狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)產(chǎn)生變化；最后，用戶(hù)根據(jù)對(duì)象狀態(tài)變化及其變遷過(guò)程，調(diào)整自己的交互行為。設(shè)計(jì)了基于Unity3D 引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練游戲。上肢康復(fù)訓(xùn)練是上肢運(yùn)動(dòng)功能反復(fù)學(xué)習(xí)的過(guò)程，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到上肢康復(fù)訓(xùn)練當(dāng)中，可以提供反復(fù)刺激，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，并保持所學(xué)習(xí)的技能。虛擬康復(fù)訓(xùn)練游戲具備真正的互動(dòng)體驗(yàn)，使患者在訓(xùn)練中沉浸在一起，并得到積極的反饋。如圖6所示。

圖6 人機(jī)交互康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)

3.2 場(chǎng)景加載

基于上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)方案，設(shè)計(jì)了上肢康復(fù)機(jī)器人VR系統(tǒng)，構(gòu)建了吃飯、梳頭、洗澡、穿衣四個(gè)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)模型，如圖7 所示。模型的制作過(guò)程中包括建模、材質(zhì)和動(dòng)畫(huà)環(huán)節(jié)。使用SolidWorks 或proe 等專(zhuān)業(yè)工程建模軟件搭建餐桌、盤(pán)子、勺子、食物、手臂等三維模型，但在制作VR內(nèi)容時(shí)，過(guò)于精細(xì)的模型會(huì)占用大量的CPU導(dǎo)致VR展示時(shí)幀率過(guò)低出現(xiàn)卡頓，使用效果不佳，所以用工業(yè)軟件搭建三維模型后，利用3DMAX進(jìn)行精簡(jiǎn)和渲染處理，最后保存的fbx 格式文檔導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在Unity3D中給物體增加剛體組件和碰撞體后，仿真系統(tǒng)中的物體就具備碰撞檢測(cè)和重力等物理特性。本實(shí)驗(yàn)采用HTC VIVE虛擬設(shè)備，通過(guò)VR虛擬頭盔建立虛擬場(chǎng)景空間原點(diǎn)，操控手柄基于頭盔建立相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，各個(gè)模塊的空間布局以空間原點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)，對(duì)于部分原始模型可采用二級(jí)建模的方式來(lái)避免模型面數(shù)較多、布線(xiàn)不合理的問(wèn)題。

圖7 動(dòng)態(tài)交互模型

3.3 動(dòng)態(tài)模型的交互性節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

交互性節(jié)點(diǎn)：虛擬對(duì)象可以通過(guò)各自成功匹配的交互節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的聯(lián)結(jié)約束關(guān)系，是操作行為能夠得以發(fā)生的接口。

在虛擬仿真設(shè)計(jì)中，連續(xù)運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的好壞對(duì)界面動(dòng)畫(huà)效果產(chǎn)生直接的影響，為保證虛擬動(dòng)作顯得自然生動(dòng)，需要嚴(yán)格標(biāo)定動(dòng)態(tài)模型的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[18]。

假設(shè)虛擬模型上的點(diǎn)P在場(chǎng)景圖像中的亞像素坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)分別為(m,n)和(Xu,Yu,Zu)。通過(guò)式（5）將場(chǎng)景中的亞像素坐標(biāo)來(lái)獲得徑向和切向畸變中攝像機(jī)坐標(biāo)的歸一化坐標(biāo)。

其中，ax、ay為虛擬場(chǎng)景中圖像坐標(biāo)系在X軸和Y軸的尺度因子；xd(1)、xd(2)為進(jìn)行歸一化的虛擬場(chǎng)景X、Y軸向坐標(biāo)點(diǎn)；m0、n0為虛擬場(chǎng)景中心像素坐標(biāo)。對(duì)歸一化處理后的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景圖像坐標(biāo)xn，經(jīng)過(guò)多次迭代實(shí)現(xiàn)徑向和切向畸變補(bǔ)償，當(dāng)xn對(duì)應(yīng)的初始估計(jì)值為xd，通過(guò)來(lái)表示xn，利用式（5）聯(lián)合求解得到歸一化處理后的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)xn，表示為：

式（6）中的?1和?2分別為切線(xiàn)畸變值，k為徑向畸變值，通過(guò)xn與?、k的多次迭代，獲得收斂的xn值，由于xn為線(xiàn)性模型中攝像機(jī)坐標(biāo)系的歸一坐標(biāo)，當(dāng)攝像機(jī)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc)，通過(guò)公式實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景三維坐標(biāo)系和攝像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化：

其中，t 和R 分別為攝像機(jī)外部平移向量和對(duì)應(yīng)的選擇矩陣，通過(guò)上式獲得動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)的深度值。

3.4 上肢運(yùn)動(dòng)捕捉與補(bǔ)償

由上述分析中，當(dāng)知道節(jié)點(diǎn)在虛擬場(chǎng)景中的各坐標(biāo)分量，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)坐標(biāo)系的歸一化處理，得到上肢運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)與虛擬運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而將捕捉到關(guān)鍵點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)化為由一系列動(dòng)畫(huà)幀組成的運(yùn)動(dòng)序列，如圖8為運(yùn)動(dòng)捕捉模塊，即在一個(gè)連續(xù)事件上追蹤關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，描述三維空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程，創(chuàng)建三維人物骨骼動(dòng)畫(huà)源文件。

圖8 運(yùn)動(dòng)捕捉模塊

為獲得患者上肢在空間中的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室使用了Nokov（度量）光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 康復(fù)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集

通過(guò)標(biāo)定，確定三維空間的原點(diǎn)位置，構(gòu)建三維空間坐標(biāo)體系：每個(gè)紅外鏡頭都會(huì)拍一個(gè)2D圖像，其中至少有兩個(gè)鏡頭拍到同一個(gè)點(diǎn)，才會(huì)呈現(xiàn)出3D效果，并測(cè)出其空間坐標(biāo)，拍攝鏡頭越多，坐標(biāo)位置越精確。完成標(biāo)定后，紅外攝像頭拍攝到熒光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即為在控制器作用下的腕關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，生成.trc 格式的三維數(shù)據(jù)跟蹤文件。

柔性上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練后，患者上肢具有一定的自主能力，但與正常人相比，患者上肢的自主運(yùn)動(dòng)不夠連續(xù)，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)不到康復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，因此，在對(duì)患者上肢進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，柔性上肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)該對(duì)康復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，如圖10所示。

圖10 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償流程圖

利用大量的患者上肢康復(fù)過(guò)程中訓(xùn)練數(shù)據(jù)，擬定適合患者上肢運(yùn)動(dòng)的速度是V0。柔性上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，通過(guò)NOKOV動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量上肢在運(yùn)動(dòng)空間的位置變化參數(shù)。在CPAC控制器里，計(jì)算動(dòng)作捕捉系統(tǒng)中每一幀的空間坐標(biāo)變化量(V)，并且與擬定的速度(V0)進(jìn)行比較。當(dāng)測(cè)得患者上肢運(yùn)動(dòng)速度V＜V0時(shí)，表示患者自主運(yùn)動(dòng)能力不足，需要在康復(fù)機(jī)器人的牽引下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，因此，CPAC控制發(fā)出脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得繩索牽引上肢運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上肢運(yùn)動(dòng)速度V≥V0時(shí)，表示患者能夠自主運(yùn)動(dòng)，故末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟隨上肢，做主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)獲取上肢運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)位置后，利用Unity3D軟件的SDK數(shù)據(jù)插件讀取空間坐標(biāo)位置并轉(zhuǎn)化為虛擬動(dòng)態(tài)模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)交互。

3.5 柔性上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能與驗(yàn)證

患者戴上VR頭盔，握住操控手柄，康復(fù)機(jī)器人處于初始狀態(tài)，此時(shí)Unity3D中的空間原點(diǎn)與硬件驅(qū)動(dòng)傳過(guò)來(lái)的點(diǎn)進(jìn)行匹配，使得虛擬環(huán)境中的手臂位置與患者坐的位置保持一致。通過(guò)配套的兩個(gè)紅外攝像頭對(duì)手柄進(jìn)行定位，即測(cè)量康復(fù)機(jī)器人末端位置。獲取數(shù)據(jù)后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)接口傳入U(xiǎn)nity3D軟件，實(shí)現(xiàn)虛擬手臂跟隨運(yùn)動(dòng)，如圖11所示。

圖11 VR訓(xùn)練裝置

患者和虛擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景中的交互，不僅通過(guò)虛擬場(chǎng)景觀察手臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)效果，同時(shí)可以檢測(cè)到任務(wù)動(dòng)作路徑的規(guī)范性和有效性。本文通過(guò)患者的坐姿特征，在場(chǎng)景嘴的同等高度下設(shè)置了碰撞檢測(cè)體，實(shí)現(xiàn)碰撞功能提高吃飯訓(xùn)練動(dòng)作的仿真度，驗(yàn)證吃飯動(dòng)作的準(zhǔn)確度，如圖12所示。

圖12 碰撞檢測(cè)體

在虛擬場(chǎng)景中，結(jié)合患者的視覺(jué)特征，碰撞檢測(cè)體設(shè)置在機(jī)器人視覺(jué)正下方，替代患者的嘴，通過(guò)刀叉食物的實(shí)時(shí)狀態(tài)，判斷吃飯訓(xùn)練動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可行度。

本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)算法采用層次包圍盒算法。在Unity3D 中，根據(jù)手柄與周?chē)矬w間的碰撞形式：進(jìn)入碰撞與未發(fā)生碰撞的臨界狀態(tài)、碰撞發(fā)生中、脫離碰撞狀態(tài)，會(huì)分別調(diào)用On Collision Enter() 、On Collision Stay()、On Collision Exit()三個(gè)函數(shù)[19]，將碰撞時(shí)所要執(zhí)行的邏輯分別加入到這三個(gè)函數(shù)中，從而實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)功能，完成吃飯訓(xùn)練，如圖13所示。

圖13 碰撞檢測(cè)試驗(yàn)

當(dāng)食物在靠近嘴時(shí)，程序檢測(cè)到碰撞發(fā)生，將虛擬場(chǎng)景中的食物顏色由黃色變?yōu)榍嗌?，脫離碰撞狀態(tài)后，食物消失，這表明本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有碰撞功能，并驗(yàn)證了吃飯訓(xùn)練完成。

4 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和柔性上肢康復(fù)機(jī)器人中的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，為患者在康復(fù)過(guò)程中提供了有效的康復(fù)訓(xùn)練，增強(qiáng)了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)性和趣味性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在柔性上肢康復(fù)機(jī)器人的應(yīng)用主要包括：

（1）柔性上肢康復(fù)機(jī)器人復(fù)合訓(xùn)練動(dòng)作設(shè)計(jì)，驗(yàn)證康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的可行性。

（2）結(jié)合康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)域，運(yùn)用3DMAX和Unity3D軟件搭建上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。

（3）標(biāo)定上肢運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)引入交互節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的坐標(biāo)系和攝像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，完成虛擬動(dòng)態(tài)模型交互。

（4）設(shè)置碰撞檢測(cè)體，完成碰撞檢測(cè)試驗(yàn)，實(shí)證吃飯動(dòng)作訓(xùn)練，完善柔性上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)交互功能。