周劍波

摘要：基于機器人的康復(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)機理，規(guī)劃了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)策略，先后運用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等軟件，構(gòu)建了用于踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)訓(xùn)練的城市漫游虛擬場景系統(tǒng)，并完成了踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機器人、PMAC卡下位機等相關(guān)軟硬件的研制。該訓(xùn)練系統(tǒng)中友好的人機界面可以引導(dǎo)患者積極主動地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，從而使患者重獲健康，同時緩解醫(yī)生的工作壓力，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)在遭受暴力時會向一側(cè)驟然運動，在超過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。針對裸關(guān)節(jié)損傷的治療方式，除了藥物和手術(shù)外，及時正確科學(xué)地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，對于肢體運動功能的恢復(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)實醫(yī)療系統(tǒng)是一種集計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(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沉浸性的康復(fù)環(huán)境，而且從心理上鼓勵患者更加主動地、積極地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，同時緩解了醫(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)。

本文開發(fā)的VR應(yīng)用系統(tǒng)屬于桌面型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。硬件環(huán)境的搭建借助了配置高效圖形加速卡的個人計算機，軟件操作系統(tǒng)采用Windows 10企業(yè)版，編譯平臺采用Microsoft Visual studio 2010，編程語言使用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/外展等基本動作完成順序及其對應(yīng)的關(guān)節(jié)活動度，本文將踝關(guān)節(jié)康復(fù)的基本目標(biāo)分為以下三點：

1）恢復(fù)和增強踝關(guān)節(jié)自如舒張和收縮的功能。

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

3）恢復(fù)裸關(guān)節(jié)正常的感覺，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：

1）患者在城市場景中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時的感受，與平時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的狀態(tài)之一，通過漫游系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)可直接反應(yīng)患者踝關(guān)節(jié)的真實康復(fù)狀況。

基于此，本文選擇城市漫游場景，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，保證患者能在各個場景中自由切換；需對模型進(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)開發(fā)流程如圖1所示。

幾何建模使用模塊化建模方法實現(xiàn)，其本質(zhì)為將復(fù)雜的模型系統(tǒng)劃分成若干初級對象子系統(tǒng)建模后，再對各子系統(tǒng)模型進(jìn)行編輯，并將其按一定的關(guān)系連接起來。建模的過程中，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)。對于具備行為能力的模型，除對其進(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，例如鳥類在人接近時會飛走等。場景中紋理的處理，首先使用細(xì)節(jié)層次技術(shù)（LOD）對同一個物體拍攝若干不同逼近程度的二維圖像，對圖像進(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體模型的對應(yīng)頂點上[3]。這樣可以避免采用大量多邊形來表示場景的各個細(xì)節(jié)，從而提高了圖形的顯示速度。各模型建立完畢后，采用矩形邊界檢測技術(shù)對其進(jìn)行碰撞檢測，進(jìn)而確定各模型在場景中的定位。建模流程及場景布局流程如圖2所示。

建模完成后，在OpenGL應(yīng)用程序中采用隨機高程數(shù)據(jù)生成法生成特征性較強的高程數(shù)據(jù)，然后使用曲線擬合法生成相對平滑的地形，再根據(jù)高程數(shù)據(jù)對地形進(jìn)行顏色生成和紋理映射。OpenGL是由計算機圖形學(xué)原理開發(fā)而成的軟件，可通過試覺、聽覺反饋來進(jìn)行可視化仿真。借助Visual C++的API函數(shù)可實現(xiàn)利用OpenGL的圖形庫建立場景。在OpenGL中，通過實例技術(shù)調(diào)整三維空間中物體的幾何變換矩陣來產(chǎn)生物體的實例，而模型的數(shù)據(jù)增量極小，從而節(jié)省內(nèi)存。場景搭建完畢后，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)計在場景中建立一個攝像機用來模擬用戶的觀察點，控制面板上增加了控制鍵以實現(xiàn)視角在各方向的切換及視覺點的重置。另外，本設(shè)計在虛擬場景中合理地設(shè)置了光源的位置和強度，提高了虛擬環(huán)境的真實性和沉浸感。城市漫游系統(tǒng)的整體模擬效果圖如圖5所示。

本文采用常見的軸向包圍盒算法對訓(xùn)練中的場景進(jìn)行碰撞檢測，原理為將物體及其子部分的包圍盒組成包圍盒樹層次結(jié)構(gòu)[4-8]。通過在指定位置遍歷各對象的包圍盒樹，判斷各對象間是否發(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，場景模擬結(jié)束，患者可重新設(shè)置參數(shù)并開始新的訓(xùn)練。

1.3 城市漫游系統(tǒng)的軟硬件平臺搭建

城市漫游康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)配套的硬件平臺由踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機器人、控制系統(tǒng)硬件（包括力矩電機、驅(qū)動器、光電編碼器、六維力/力矩傳感器、多軸運動控制卡）和PC 機組成。硬件平臺使用多軸運動控制卡實時控制各電機協(xié)調(diào)一致地動作，并同上位機和其他控制設(shè)備進(jìn)行通訊。硬件平臺的框架和實物圖如圖6所示。

軟件平臺被設(shè)計為一種借助PMAC卡（下位機）實現(xiàn)前臺實時運動控制，工控機（上位機）實現(xiàn)后臺管理的開放式、模塊化控制系統(tǒng)。工控機與PMAC間通過實時可靠的通訊共同完成加工任務(wù)。軟硬件平臺搭建完畢后，患者即可通過該康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練?；颊啧钻P(guān)節(jié)動作、機器人動作及場景中目標(biāo)的動作關(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)理論和實踐，規(guī)劃了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)策略，先后運用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等軟件，構(gòu)建了用于踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)訓(xùn)練的城市漫游虛擬場景系統(tǒng)，并完成了相關(guān)軟硬件的研制。通過該訓(xùn)練系統(tǒng)中友好的人機界面，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)由被動康復(fù)轉(zhuǎn)為主動訓(xùn)練，在幫助患者恢復(fù)健康的同時緩解了醫(yī)生的工作壓力，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

在未來的研究中，需繼續(xù)完善虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計，充分考慮康復(fù)治療的趣味性，精心設(shè)計多種適合踝關(guān)節(jié)主動康復(fù)的游戲場景，并在虛擬現(xiàn)實中實現(xiàn)力反饋控制。同時，建立患者病例庫，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。

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