基于虚拟现实的踝关节康复机器人的综述

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第1 9卷第 1期 20 0 6年 1月

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机电产品开崖与钏新

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基于虚拟现实的踝关节康复机器人的综述张小俊，刘更谦，何春燕，路光达，岳宏(河北工业大学机器人及自动化研究所。犬津 303 ) 0 10

摘

要：根据国内外踝关节康复器械的研究现状，提出了基于虚拟现实的踝关节康复机器人的构成，其本质是一种触觉感知接口。从医学、虚拟现实技术和触觉感知接口技术的角度。阐述了亟待解决的虚拟

现实建模、三维图形处理、系统融合、透明性、灵敏度等关键技术。分析了康复方案及功能评价策略的制定。

关键词：虚拟现实；踝关节康复机器人；触觉感知接口；力反馈中图分类号：T 2 P4文献标识码：A 文章编号：10— 6 3 (0 6 10 9 0 0 2 6 7 2 0 )0— 2— 3

0引言 踝关节损伤是一种常见的骨关节损伤，其发生率在

跃的技术研究领域，其本质就是要给人以真实的体验和方便的人机交互。虚拟现实技术的人机交互性也正被许

多专家学者探索应用于医学领域，而应用于康复医学方面则是有着巨大的潜力。将虚拟现实技术用于踝关节康复系统。可以避免传统康复训练的枯燥和乏味，使康复训练融于娱乐中，从而增强患者训练兴趣和提高康复效果 L 4由于踝关节易受到损伤，适用于踝关节康复训 。练的机器人在将来必然会有着广阔的市场。

下肢损伤中居第二位。踝关节损伤的临床治疗证明：踝关节在康复期进行功能康复训练，可加速组织愈合并有利于恢复韧带的本体感觉。加快患者康复速度，还可预防今后由于踝关节不稳而造成的反复扭伤 L l 1。由于现有的产品只能辅助患者进行简单的康复训练，患者的训练

不能被感知和得到及时的评估，因此难以满足踝关节康复治疗的要求，为此，研究人员在踝关节康复方面展开了深入的研究。美国新泽西州的 R￣ m大学于 19 ue 99年研制出

1踝

关节康复机器人的构成 虚拟现实系统按用户沉浸的程度不同，可分为桌面式虚拟现实系统，沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现

R￣ m A ke的踝关节康复系统，使患者在家里娱乐 u e nl的过程中就得到了康复治疗。该系统主体是基于气动伺服系统控制的 Se at构。用一台 P机生成虚拟场 t r机 w C

实系统。桌面虚拟现实系统是使用 P C机或低级的工作站来实现虚拟仿真，用户借助计算的屏幕观察虚拟场

景，由一台主频 2 3 3 MHz的奔腾嵌入式计算机作为控制器。该系统可采集康复训练过程中平台的运动和输出力的数据，存入数据库，并可通过网络传输给异地的医师。由医师及时给出有针对性的康复治疗方案，指导患者进行有效地康复训练。R tes A ke已被用于临床试 un r n l验。得到了患者和医师的良好反映。然而 R t r A ke ug s n l e

景，且通过操纵鼠标、跟踪球、力矩球等操纵虚拟场景中；沉浸式虚拟现实系统则是利用头盔显示器和数据手

套等交互设备把用户的视觉、听觉、和其他感觉封闭起来，使用户真正融入到 V系统的虚拟环境中；分布式 R虚拟现实系统则要通过网络技术把各个用户联系在一起，使他们共享同一个虚拟空间，最终达到协同工作的目的。根据实际需要和制造成本，基于虚拟现实的踝关节康复机器人只需设计成一套桌面式的虚拟现实系统， 即系统中生成和显示三维虚拟场景的任务由一台 P C机来完成。随着硬件技术的不断提高，P C机图象处理能力也越来越强，由它生成的虚拟场景能够满足踝关节康复系统要求，获得以娱乐为目的的沉浸感。整个系统还需

存在着机构复杂，自由度数多以及需要配置独立气源等缺点。为此，英国伦敦大学的 Ja .a和索尔福德大 in SD i学的 C r tp e s r hi oh rNet等人提出了只有三个或四个自由 s e度的踝关节康复并联机构的构型方案例。总之，踝关节康复机器人在结构设计、运动控制、康复方案、功能评价策略等方面仍需要深入研究。 虚拟现实 ( r a R ai )是 9 V

iu l ely t t O年代以来十分活

要有力/矩传感器、位置跟踪器、3 D声音生成器、合力一适的控制板卡等硬件设备。另外，作为一套康复系统，

收稿日期：2 0— 0 3 05 1— 0作者简介：小俊 (90,男，硕士研究生。研究方向为机张 18一)器人技术。

由康复方案、训练结果、评价策略等组成的软件系统也是整个系统的重要组成部分。基于虚拟现实的踝关节康复系统的结构框图如图 1示。所

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开发与创新

方案，以实现科学合理的康复训练治疗。

2踝关节康复机器人的关键技术21虚拟现实 .毋庸置疑，虚拟现实技术由于涉及多学科知识，且要求硬件条件高，一些技术上的难题制约着它的发展 .所以，现在尚未达到广泛应用的程度。基于虚拟现实的

踝关节康复机器人的开发与研制，同样也存在着有待解决的技术难题：

( )虚拟现实建模。建立虚拟环境数据库，并对虚 1图 l基于虚拟现实的踝关节康复系统F g 1 An l e a l i to ￣t m a e n Vi t a a i i. k e r h b i t i n s e b s d o ru l Re l y la t