本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是上世紀(jì)80年代興起的，在本世紀(jì)初隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的提高發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新的綜合了眾多學(xué)科的新興技術(shù)，它是集成了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、人工智能交互、計(jì)算機(jī)仿真、顯示技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)等多種信息技術(shù)的前沿科學(xué)。虛擬現(xiàn)實(shí)可以借助計(jì)算機(jī)模擬出人們?cè)O(shè)想的實(shí)體，而且可以通過(guò)人的感官或者四肢與這個(gè)虛擬的實(shí)體進(jìn)行互動(dòng)。隨著科技的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，從最開(kāi)始的軍工方面已經(jīng)滲透到現(xiàn)在的建筑工程、人文教育、醫(yī)療康復(fù)、娛樂(lè)文化等。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到康復(fù)醫(yī)療中，可以避免枯燥的康復(fù)訓(xùn)練、提高病人的主動(dòng)康復(fù)的積極性和整體康復(fù)訓(xùn)練效果。然而國(guó)內(nèi)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)尚處于初步發(fā)展階段，虛擬訓(xùn)練的模式比較簡(jiǎn)單，虛擬場(chǎng)景的三維效果不佳及開(kāi)放性不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供一種五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)，包括：

交互力采集模塊，安裝在五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人大臂、小臂、握柄處的交互力信號(hào)，并發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；

位置采集模塊，安裝在五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)角度信息，并發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；

控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)被動(dòng)訓(xùn)練模式或者主動(dòng)訓(xùn)練模式控制患者上肢進(jìn)行訓(xùn)練，并將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到控制計(jì)算機(jī)中的虛擬場(chǎng)景中。

所述控制計(jì)算機(jī)，包括：

人機(jī)交互模塊，選擇主動(dòng)訓(xùn)練模式或者被動(dòng)訓(xùn)練模式；

機(jī)器人控制模塊，在被動(dòng)訓(xùn)練模式下控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；在主動(dòng)訓(xùn)練模式下通過(guò)患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的交互力控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；

交互式虛擬環(huán)境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人模型及虛擬場(chǎng)景模型，根據(jù)位置采集模塊實(shí)時(shí)采集的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景中，并和虛擬場(chǎng)景中的虛擬物進(jìn)行交互。

所述機(jī)器人控制模塊，包括：

被動(dòng)訓(xùn)練控制模塊，設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度信息，將設(shè)置的信息作為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的輸入信號(hào)控制其帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練；

主動(dòng)訓(xùn)練控制模塊，將患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人之間的交互力信號(hào)轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號(hào)，控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人跟隨患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練。

本發(fā)明還提供一種利用所述的系統(tǒng)進(jìn)行五自由度外上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)交互的方法，包括：

步驟1：通過(guò)控制計(jì)算機(jī)建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人模型及虛擬場(chǎng)景模型；

步驟2：通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的人機(jī)交互模塊選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式或者主動(dòng)訓(xùn)練模式，若選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟3，若選擇主動(dòng)訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟4；

步驟3：在控制計(jì)算機(jī)中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度信息，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的機(jī)器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練，并執(zhí)行步驟4；

步驟4：將患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人之間的交互力信號(hào)轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號(hào)，控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人跟隨患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練；

步驟5：根據(jù)位置采集模塊實(shí)時(shí)采集的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景中，并和虛擬場(chǎng)景中的虛擬物進(jìn)行交互，返回步驟2。

有益效果：

本發(fā)明通過(guò)控制計(jì)算機(jī)建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人模型及虛擬場(chǎng)景模型；通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的人機(jī)交互模塊選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式或者主動(dòng)訓(xùn)練模式；被動(dòng)訓(xùn)練模式下在控制計(jì)算機(jī)中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度信息，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的機(jī)器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練；主動(dòng)訓(xùn)練模式下將患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人之間的交互力信號(hào)轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號(hào)，通過(guò)控制各關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)來(lái)控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人跟隨患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練；根據(jù)位置采集模塊實(shí)時(shí)采集的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景中，并和虛擬場(chǎng)景中的虛擬物進(jìn)行交互。

本發(fā)明將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中，通過(guò)虛擬模型實(shí)時(shí)顯示康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。五自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)，是一種主動(dòng)訓(xùn)練和被動(dòng)訓(xùn)練想結(jié)合的訓(xùn)練系統(tǒng)。醫(yī)師通過(guò)選擇被動(dòng)訓(xùn)練和主動(dòng)訓(xùn)練兩種訓(xùn)練來(lái)對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。在被動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，輸入康復(fù)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置和速度，來(lái)控制機(jī)器人對(duì)患者進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練，同時(shí)通過(guò)RS232串口通信讀取給關(guān)節(jié)的位置反饋，在虛擬環(huán)境中顯示康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在主動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中，通過(guò)采集患者和康復(fù)機(jī)器人的交互力，來(lái)對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行速度控制，患者通過(guò)虛擬環(huán)境中的機(jī)器臂模型與其他模型進(jìn)行虛擬交互訓(xùn)練。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式五自由度外上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)交互的方法流程圖；

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式對(duì)應(yīng)肩部外展的壓力傳感器采集的交互力信號(hào)圖；

圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式交互力信號(hào)與控制速度的關(guān)系圖；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)情況圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)施方式中，五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所提供的五自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。機(jī)器人控制模塊采用MAC-3002SSP4運(yùn)動(dòng)控制卡用于控制肩部的兩個(gè)交流電機(jī)，采用Copley直流驅(qū)動(dòng)器用于控制肘部和腕部的三個(gè)直流電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行位置或者速度控制；

各關(guān)節(jié)的運(yùn)行速度應(yīng)在30度每秒一下；

肩部俯仰的角度范圍在0度到105度之間；

肩部外展的角度范圍在-25度到100度之間；

肘部俯仰的角度范圍在0度到56度之間；

腕部回轉(zhuǎn)的角度范圍在-90度到90度之間；

腕部俯仰的角度范圍在0度到56度之間；

一種五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)，如圖1所示，包括：

交互力采集模塊，安裝在五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人大臂、小臂、握柄處的交互力信號(hào)，并通過(guò)RS232串口通信發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；采用FSR壓力傳感器作為交互力采集模塊，它是一種體積小，感測(cè)精度高，超薄型電阻式壓力傳感器。這款壓力傳感器是將施加在FSR傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，從而獲得壓力信息。壓力越大，電阻越低。其允許用在壓力0g~10kg的場(chǎng)合。加載在FSR的電壓為5v，分壓電阻為10kΩ。4個(gè)FSR壓力傳感器安裝在康復(fù)機(jī)器人大臂的前后和左右4個(gè)方向用于控制肩部?jī)蓚€(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；2個(gè)FSR壓力傳感器安裝在康復(fù)機(jī)器人小臂的前后2個(gè)方向用于控制肘部一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；在康復(fù)機(jī)器人握柄的前側(cè)安裝2個(gè)FSR壓力傳感器和后側(cè)安裝2個(gè)FSR壓力傳感器用于控制腕部?jī)蓚€(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。交互力采集模塊采用Arduino開(kāi)發(fā)板讀出它數(shù)字量的值，通過(guò)RS232串口通信發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)。

位置采集模塊，采用增量式編碼器，安裝在五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)角度信息，并通過(guò)RS232串口通信發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；

控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)被動(dòng)訓(xùn)練模式或者主動(dòng)訓(xùn)練模式控制患者上肢進(jìn)行訓(xùn)練，并將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到控制計(jì)算機(jī)中的虛擬場(chǎng)景中。本實(shí)施方式中，控制計(jì)算機(jī)采集到的交互力信號(hào)的范圍0到5v對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的值的范圍是0到1024；

所述控制計(jì)算機(jī)，包括：

人機(jī)交互模塊，選擇主動(dòng)訓(xùn)練模式或者被動(dòng)訓(xùn)練模式；

機(jī)器人控制模塊，在被動(dòng)訓(xùn)練模式下控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；在主動(dòng)訓(xùn)練模式下通過(guò)患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的交互力控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；

交互式虛擬環(huán)境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人模型及虛擬場(chǎng)景模型，根據(jù)位置采集模塊實(shí)時(shí)采集的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景中，并和虛擬場(chǎng)景中的虛擬物進(jìn)行交互。所述虛擬場(chǎng)景模型，例如房間，山峰和天空等；虛擬場(chǎng)景模型中還建立用于交互的其他模型，例如蘋(píng)果，果盤(pán)和桌子等?？刂朴?jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口通信收集到各關(guān)節(jié)的角度信息，將上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景當(dāng)中，并和虛擬場(chǎng)景中的其他模型進(jìn)行交互。被動(dòng)訓(xùn)練模式下通過(guò)控制計(jì)算機(jī)控制康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)模式下可以通過(guò)患者與機(jī)器人的接觸力控制康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

所述機(jī)器人控制模塊，包括：

被動(dòng)訓(xùn)練控制模塊，設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度信息，將設(shè)置的信息作為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的輸入信號(hào)控制其帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練；

主動(dòng)訓(xùn)練控制模塊，將患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人之間的交互力信號(hào)轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號(hào)，控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人跟隨患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練。

本發(fā)明還提供一種利用所述的系統(tǒng)進(jìn)行五自由度外上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)交互的方法，如圖2所示，包括：

步驟1：通過(guò)控制計(jì)算機(jī)建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人模型及虛擬場(chǎng)景模型；

步驟2：通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的人機(jī)交互模塊選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式或者主動(dòng)訓(xùn)練模式，若選擇被動(dòng)訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟3，若選擇主動(dòng)訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟4；

步驟3：在控制計(jì)算機(jī)中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的位置和速度信息，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)中的機(jī)器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)患者上肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練，并執(zhí)行步驟4；

步驟4：將患者與五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人之間的交互力信號(hào)轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號(hào)，控制五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人跟隨患者進(jìn)行主動(dòng)訓(xùn)練。這里以肩部外展方向的壓力傳感器采集到的交互力信號(hào)（如圖3所示）為例，其中交互力信號(hào)與角速度的關(guān)系如圖4所示，控制肩部關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)的最終效果如圖5；

步驟5：根據(jù)位置采集模塊實(shí)時(shí)采集的五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況實(shí)時(shí)顯示到虛擬場(chǎng)景中，并和虛擬場(chǎng)景中的虛擬物進(jìn)行交互，返回步驟2。