五自由度上肢康復(fù)機器人的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)及方法與流程

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

背景技術(shù)：

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是上世紀(jì)80年代興起的，在本世紀(jì)初隨著計算機硬件水平的提高發(fā)展起來的一門嶄新的綜合了眾多學(xué)科的新興技術(shù)，它是集成了計算機圖形技術(shù)、人工智能交互、計算機仿真、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)實可以借助計算機模擬出人們設(shè)想的實體，而且可以通過人的感官或者四肢與這個虛擬的實體進行互動。隨著科技的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，從最開始的軍工方面已經(jīng)滲透到現(xiàn)在的建筑工程、人文教育、醫(yī)療康復(fù)、娛樂文化等。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到康復(fù)醫(yī)療中，可以避免枯燥的康復(fù)訓(xùn)練、提高病人的主動康復(fù)的積極性和整體康復(fù)訓(xùn)練效果。然而國內(nèi)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的訓(xùn)練系統(tǒng)尚處于初步發(fā)展階段，虛擬訓(xùn)練的模式比較簡單，虛擬場景的三維效果不佳及開放性不足。

技術(shù)實現(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)機器人的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

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

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

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

控制計算機，通過被動訓(xùn)練模式或者主動訓(xùn)練模式控制患者上肢進行訓(xùn)練，并將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到控制計算機中的虛擬場景中。

所述控制計算機，包括：

人機交互模塊，選擇主動訓(xùn)練模式或者被動訓(xùn)練模式；

機器人控制模塊，在被動訓(xùn)練模式下控制五自由度上肢康復(fù)機器人運動；在主動訓(xùn)練模式下通過患者與五自由度上肢康復(fù)機器人的交互力控制五自由度上肢康復(fù)機器人運動；

交互式虛擬環(huán)境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機器人模型及虛擬場景模型，根據(jù)位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景中，并和虛擬場景中的虛擬物進行交互。

所述機器人控制模塊，包括：

被動訓(xùn)練控制模塊，設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)運動的位置和速度信息，將設(shè)置的信息作為五自由度上肢康復(fù)機器人的輸入信號控制其帶動患者上肢進行被動訓(xùn)練；

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

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

步驟1：通過控制計算機建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機器人模型及虛擬場景模型；

步驟2：通過控制計算機中的人機交互模塊選擇被動訓(xùn)練模式或者主動訓(xùn)練模式，若選擇被動訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟3，若選擇主動訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟4；

步驟3：在控制計算機中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)運動的位置和速度信息，通過控制計算機中的機器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機器人帶動患者上肢進行被動訓(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)機器人之間的交互力信號轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復(fù)機器人跟隨患者進行主動訓(xùn)練；

步驟5：根據(jù)位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景中，并和虛擬場景中的虛擬物進行交互，返回步驟2。

有益效果：

本發(fā)明通過控制計算機建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機器人模型及虛擬場景模型；通過控制計算機中的人機交互模塊選擇被動訓(xùn)練模式或者主動訓(xùn)練模式；被動訓(xùn)練模式下在控制計算機中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)運動的位置和速度信息，通過控制計算機中的機器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機器人帶動患者上肢進行被動訓(xùn)練；主動訓(xùn)練模式下將患者與五自由度上肢康復(fù)機器人之間的交互力信號轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號，通過控制各關(guān)節(jié)的伺服電機來控制五自由度上肢康復(fù)機器人跟隨患者進行主動訓(xùn)練；根據(jù)位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景中，并和虛擬場景中的虛擬物進行交互。

本發(fā)明將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練中，通過虛擬模型實時顯示康復(fù)機器人的運動狀態(tài)。五自由度外骨骼上肢康復(fù)機器人的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)，是一種主動訓(xùn)練和被動訓(xùn)練想結(jié)合的訓(xùn)練系統(tǒng)。醫(yī)師通過選擇被動訓(xùn)練和主動訓(xùn)練兩種訓(xùn)練來對患者進行康復(fù)訓(xùn)練。在被動訓(xùn)練過程中，輸入康復(fù)機器人各個關(guān)節(jié)的運動位置和速度，來控制機器人對患者進行被動訓(xùn)練，同時通過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)機器人的運動狀態(tài)。在主動訓(xùn)練過程中，通過采集患者和康復(fù)機器人的交互力，來對康復(fù)機器人進行速度控制，患者通過虛擬環(huán)境中的機器臂模型與其他模型進行虛擬交互訓(xùn)練。

附圖說明

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

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

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

圖4是本發(fā)明具體實施方式交互力信號與控制速度的關(guān)系圖；

圖5是本發(fā)明具體實施方式肩關(guān)節(jié)外展運動情況圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細說明。

本實施方式中，五自由度上肢康復(fù)機器人是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所提供的五自由度外骨骼上肢康復(fù)機器人教學(xué)實驗平臺。機器人控制模塊采用MAC-3002SSP4運動控制卡用于控制肩部的兩個交流電機，采用Copley直流驅(qū)動器用于控制肘部和腕部的三個直流電機，最終實現(xiàn)對上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)進行位置或者速度控制；

各關(guān)節(jié)的運行速度應(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)機器人的虛擬現(xiàn)實交互系統(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)機器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機器人大臂、小臂、握柄處的交互力信號，并通過RS232串口通信發(fā)送給控制計算機；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的場合。加載在FSR的電壓為5v，分壓電阻為10kΩ。4個FSR壓力傳感器安裝在康復(fù)機器人大臂的前后和左右4個方向用于控制肩部兩個自由度的運動；2個FSR壓力傳感器安裝在康復(fù)機器人小臂的前后2個方向用于控制肘部一個自由度的運動；在康復(fù)機器人握柄的前側(cè)安裝2個FSR壓力傳感器和后側(cè)安裝2個FSR壓力傳感器用于控制腕部兩個自由度的運動。交互力采集模塊采用Arduino開發(fā)板讀出它數(shù)字量的值，通過RS232串口通信發(fā)送給控制計算機。

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)機器人上，采集五自由度上肢康復(fù)機器人的各個關(guān)節(jié)角度信息，并通過RS232串口通信發(fā)送給控制計算機；

控制計算機，通過被動訓(xùn)練模式或者主動訓(xùn)練模式控制患者上肢進行訓(xùn)練，并將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到控制計算機中的虛擬場景中。本實施方式中，控制計算機采集到的交互力信號的范圍0到5v對應(yīng)的數(shù)字量的值的范圍是0到1024；

所述控制計算機，包括：

人機交互模塊，選擇主動訓(xùn)練模式或者被動訓(xùn)練模式；

機器人控制模塊，在被動訓(xùn)練模式下控制五自由度上肢康復(fù)機器人運動；在主動訓(xùn)練模式下通過患者與五自由度上肢康復(fù)機器人的交互力控制五自由度上肢康復(fù)機器人運動；

交互式虛擬環(huán)境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機器人模型及虛擬場景模型，根據(jù)位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景中，并和虛擬場景中的虛擬物進行交互。所述虛擬場景模型，例如房間，山峰和天空等；虛擬場景模型中還建立用于交互的其他模型，例如蘋果，果盤和桌子等。控制計算機通過RS232串口通信收集到各關(guān)節(jié)的角度信息，將上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景當(dāng)中，并和虛擬場景中的其他模型進行交互。被動訓(xùn)練模式下通過控制計算機控制康復(fù)機器人運動。主動模式下可以通過患者與機器人的接觸力控制康復(fù)機器人運動。

所述機器人控制模塊，包括：

被動訓(xùn)練控制模塊，設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)運動的位置和速度信息，將設(shè)置的信息作為五自由度上肢康復(fù)機器人的輸入信號控制其帶動患者上肢進行被動訓(xùn)練；

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

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

步驟1：通過控制計算機建立虛擬的五自由度上肢康復(fù)機器人模型及虛擬場景模型；

步驟2：通過控制計算機中的人機交互模塊選擇被動訓(xùn)練模式或者主動訓(xùn)練模式，若選擇被動訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟3，若選擇主動訓(xùn)練模式，則執(zhí)行步驟4；

步驟3：在控制計算機中設(shè)置五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)運動的位置和速度信息，通過控制計算機中的機器人控制模塊控制五自由度上肢康復(fù)機器人帶動患者上肢進行被動訓(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)機器人之間的交互力信號轉(zhuǎn)化為五自由度上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復(fù)機器人跟隨患者進行主動訓(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（如圖3所示）為例，其中交互力信號與角速度的關(guān)系如圖4所示，控制肩部關(guān)節(jié)外展運動的最終效果如圖5；

步驟5：根據(jù)位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)角度信息，將五自由度上肢康復(fù)機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景中，并和虛擬場景中的虛擬物進行交互，返回步驟2。