基于虚拟现实的网络化步态训练康复机器人系统软件设计与实现

摘要

医学研究表明，及早对下肢残障患者进行康复训练能增强关节活动度，明显提高下肢运动能力的最终康复程度。康复机器人是机器人技术在医疗方面的新应用。基于虚拟现实的步态康复训练机器人系统不仅可以利用机器人对病人进行康复训练、数据记录、分析和掌握病人的康复情况，而且采用基于虚拟现实的辅助训练软件，通过虚拟环境来鼓励患者积极主动地参与康复训练，可以进一步地提高康复训练的效果。本文工作在是中科院合肥智能机械研究所机器人传感器实验室承担的国家863项目网络化多个老人残障者远程上肢康复训练机器人(No.2008AA04020)的资助下完成。本文的主要内容如下:
　　 (1)网络化步态训练康复系统的设计。康复训练系统的运动轨迹是基于人体正常行走时踝关节的运行轨迹设计的。系统提供主被动两种训练模式，每种模式下均设有四种不同难度的级别，以便患者不同阶段的训练。网络化康复系统实现了一名医生同时指导训练多名患者的模式，病患端的运动速度、力、脉搏、肌张力等生理信息，实际训练模式、训练难度、工况等训练信息和现场训练的视频，这些都能实时地在远程医生端显示出来，并且医生端可以实时监控指导病患的实际训练。
　　 (2)基于虚拟现实的康复训练系统的实现。引入cocos2d游戏引擎作为整个虚拟世界的创建基础，将患者训练时的运动速度作为游戏中角色的速度，在患者参与虚拟游戏的同时，粗略的评测出下肢运动能力和康复情况。
　　 (3)网络化系统、虚拟现实系统、康复训练系统的融合设计。以康复训练设备为病患训练时的实体基础，分别在医生端和病患端运行不同的软件，互相之间实现网络化通信。病患端软件引入虚拟现实系统，虚拟游戏以线程方式在系统中运行，以单例设计模式为主要模式，通过与病患端主软件协同合作，对病人的速度等生理信息进行快速合理有效的读取操作，并实时形象化的反映在游戏中。
　　 本文的创新之处是，充分融入了网络化远程监控操作，建立了以虚拟现实系统为辅助软件的步态训练康复机器人系统，既提高了病患参与康复训练的积极性，也实现了网络化一对多康复训练指导的模式，有效的节省了专业康复治疗师的人力和时间。