| 标题 | 基于踝关节康复训练的城市漫游系统研制 |
| 范文 | 周剑波 摘要：基于机器人的康复训练系统为踝关节康复提供了一个新的技术手段。本文基于踝关节康复训练医学机理，规划了基于虚拟现实技术的踝关节主动康复策略，先后运用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等软件，构建了用于踝关节主动康复训练的城市漫游虚拟场景系统，并完成了踝关节康复并联机器人、PMAC卡下位机等相关软硬件的研制。该训练系统中友好的人机界面可以引导患者积极主动地进行康复训练，从而使患者重获健康，同时缓解医生的工作压力，具有一定的经济和社会效益。 关键词：踝关节康复；虚拟现实技术；康复机器人；城市漫游系统 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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； 人體的踝关节在遭受暴力时会向一侧骤然运动，在超过其耐受力的条件下将引起关节周围组织的撕裂或损伤。针对裸关节损伤的治疗方式，除了药物和手术外，及时正确科学地进行康复训练，对于肢体运动功能的恢复和提高可起到非常重要的作用。裸关节康复虚拟现实医疗系统是一种集计算机技术、虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）、人工智能、三维仿真技术、多媒体技术等为一体的新兴技术[1]，该康复手段不仅为患者提供了一个沉浸性的康复环境，而且从心理上鼓励患者更加主动地、积极地进行康复训练，同时缓解了医生的工作压力，为康复学的发展做出了一定的贡献。 本文开发的VR应用系统属于桌面型虚拟现实系统。硬件环境的搭建借助了配置高效图形加速卡的个人计算机，软件操作系统采用Windows 10企业版，编译平台采用Microsoft Visual studio 2010，编程语言使用C++，符合虚拟仿真图形处理程序的高速度要求。 1设计材料与方法 1.1 需求分析 依据健康人体的踝关节的背伸/跖屈、内翻/外翻、内收/外展等基本动作完成顺序及其对应的关节活动度，本文将踝关节康复的基本目标分为以下三点： 1）恢复和增强踝关节自如舒张和收缩的功能。 2）恢复裸关节正常的活动度及增强支配关节活动度的肌肉力量。 3）恢复裸关节正常的感觉，提高裸关节的协调性、稳定性，防止产生后遗症。 为了达到上述目标，本文利用VR技术建立了城市漫游场景系统。将该系统应用于踝关节康复训练中，有如下优点： 1）患者在城市场景中进行康复训练时的感受，与平时在生活的城市中漫游的感受类似，这将带给患者亲切感，从而提高其康复训练的积极性； 2）城市场景具备步行街、花草、各标志性建筑、广告牌等多种元素，可降低每次训练的重复性和单调性； 3）城市漫游为人体日常生活中最常见的状态之一，通过漫游系统得到的数据可直接反应患者踝关节的真实康复状况。 基于此，本文选择城市漫游场景，建立踝关节康复训练虚拟系统。该系统需具备绚丽、流畅的界面，保证患者能在各个场景中自由切换；需对模型进行纹理映射和明暗效果处理，保证用户能够获得最自然的感受；需具备可扩充性，以及良好的可移植性和可扩展性[2]。 1.2 漫游系统的构建 本文研究的系统开发流程如图1所示。 几何建模使用模块化建模方法实现，其本质为将复杂的模型系统划分成若干初级对象子系统建模后，再对各子系统模型进行编辑，并将其按一定的关系连接起来。建模的过程中，除了考虑模型的几何性质外，还需关注模型固有的质量、惯性、纹理、形状改变方式等物理性质。对于具备行为能力的模型，除对其进行静态的几何与物理建模外，还需依据其行为特性进行行为建模，例如鸟类在人接近时会飞走等。场景中纹理的处理，首先使用细节层次技术（LOD）对同一个物体拍摄若干不同逼近程度的二维图像，对图像进行编辑和预处理后，使用纹理映射技术将二维图像的各像素值映射至三维实体模型的对应顶点上[3]。这样可以避免采用大量多边形来表示场景的各个细节，从而提高了图形的显示速度。各模型建立完毕后，采用矩形边界检测技术对其进行碰撞检测，进而确定各模型在场景中的定位。建模流程及场景布局流程如图2所示。 建模完成后，在OpenGL应用程序中采用随机高程数据生成法生成特征性较强的高程数据，然后使用曲线拟合法生成相对平滑的地形，再根据高程数据对地形进行颜色生成和纹理映射。OpenGL是由计算机图形学原理开发而成的软件，可通过试觉、听觉反馈来进行可视化仿真。借助Visual C++的API函数可实现利用OpenGL的图形库建立场景。在OpenGL中，通过实例技术调整三维空间中物体的几何变换矩阵来产生物体的实例，而模型的数据增量极小，从而节省内存。场景搭建完毕后，将3DMAX中建立的三维模型利用load3dobj函数导入基于Visual C++6.0的MFC环境下创建的单文档OpenGL应用程序中。地形模拟图如图4所示。 为了方便操作者和仿真环境的交互，本设计添加了多种漫游控制模块，如视窗的平移、旋转以及旋转等。本设计在场景中建立一个摄像机用来模拟用户的观察点，控制面板上增加了控制键以实现视角在各方向的切换及视觉点的重置。另外，本设计在虚拟场景中合理地设置了光源的位置和强度，提高了虚拟环境的真实性和沉浸感。城市漫游系统的整体模拟效果图如图5所示。 本文采用常见的轴向包围盒算法对训练中的场景进行碰撞检测，原理为将物体及其子部分的包围盒组成包围盒树层次结构[4-8]。通过在指定位置遍历各对象的包围盒树，判断各对象间是否发生了碰撞。若发生碰撞，则代表患者踝关节的训练轨迹出现了偏差，场景模拟结束，患者可重新设置参数并开始新的训练。 1.3 城市漫游系统的软硬件平台搭建 城市漫游康复训练系统配套的硬件平台由踝关节康复并联机器人、控制系统硬件（包括力矩电机、驱动器、光电编码器、六维力/力矩传感器、多轴运动控制卡）和PC 机组成。硬件平台使用多轴运动控制卡实时控制各电机协调一致地动作，并同上位机和其他控制设备进行通讯。硬件平台的框架和实物图如图6所示。 软件平台被设计为一种借助PMAC卡（下位机）实现前台实时运动控制，工控机（上位机）实现后台管理的开放式、模块化控制系统。工控机与PMAC间通过实时可靠的通讯共同完成加工任务。软硬件平台搭建完毕后，患者即可通过该康复系统进行踝关节康复训练。患者踝关节动作、機器人动作及场景中目标的动作关系如图7所示。 2小结 本文依据踝关节损伤康复训练的医学理论和实践，规划了基于虚拟现实技术的踝关节主动康复策略，先后运用了3DMax、OpenGL、Visual C++6.0等软件，构建了用于踝关节主动康复训练的城市漫游虚拟场景系统，并完成了相关软硬件的研制。通过该训练系统中友好的人机界面，患者可以舒适地进行康复训练。该系统的成功研制，使患者的心理状态由被动康复转为主动训练，在帮助患者恢复健康的同时缓解了医生的工作压力，具有一定的经济和社会效益。 在未来的研究中，需继续完善虚拟现实系统的设计，充分考虑康复治疗的趣味性，精心设计多种适合踝关节主动康复的游戏场景，并在虚拟现实中实现力反馈控制。同时，建立患者病例库，方便查询患者的康复治疗情况，也为患者确定康复方案提供参考信息。 参考文献： [1] Whitworth E， Lewis J A， Boian R， et al. 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