本發明涉及虛擬現實技術領域，具體涉及一種五自由度上肢康復機器人的虛擬現實交互系統及方法。

背景技術：

虛擬現實技術是上世紀80年代興起的，在本世紀初隨著計算機硬件水平的提高發展起來的一門嶄新的綜合了眾多學科的新興技術，它是集成了計算機圖形技術、人工智能交互、計算機仿真、顯示技術、多媒體技術、傳感技術和網絡等多種信息技術的前沿科學。虛擬現實可以借助計算機模擬出人們設想的實體，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，虛擬現實技術已經應用到各個領域，從最開始的軍工方面已經滲透到現在的建筑工程、人文教育、醫療康復、娛樂文化等。將虛擬現實技術引入到康復醫療中，可以避免枯燥的康復訓練、提高病人的主動康復的積極性和整體康復訓練效果。然而國內基于虛擬現實技術的訓練系統尚處于初步發展階段，虛擬訓練的模式比較簡單，虛擬場景的三維效果不佳及開放性不足。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種五自由度上肢康復機器人的虛擬現實交互系統及方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明提供一種五自由度上肢康復機器人的虛擬現實交互系統，包括：

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

位置采集模塊，安裝在五自由度上肢康復機器人上，采集五自由度上肢康復機器人的各個關節角度信息，并發送給控制計算機；

控制計算機，通過被動訓練模式或者主動訓練模式控制患者上肢進行訓練，并將五自由度上肢康復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，選擇主動訓練模式或者被動訓練模式；

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

交互式虛擬環境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復機器人模型及虛擬場景模型，根據位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復機器人的各關節角度信息，將五自由度上肢康復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：

被動訓練控制模塊，設置五自由度上肢康復機器人的各關節運動的位置和速度信息，將設置的信息作為五自由度上肢康復機器人的輸入信號控制其帶動患者上肢進行被動訓練；

主動訓練控制模塊，將患者與五自由度上肢康復機器人之間的交互力信號轉化為五自由度上肢康復機器人各關節的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復機器人跟隨患者進行主動訓練。

本發明還提供一種利用所述的系統進行五自由度外上肢康復機器人虛擬現實交互的方法，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練模式或者主動訓練模式，若選擇被動訓練模式，則執行步驟3，若選擇主動訓練模式，則執行步驟4；

步驟3：在控制計算機中設置五自由度上肢康復機器人的各關節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機器人帶動患者上肢進行被動訓練，并執行步驟4；

步驟4：將患者與五自由度上肢康復機器人之間的交互力信號轉化為五自由度上肢康復機器人各關節的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復機器人跟隨患者進行主動訓練；

步驟5：根據位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復機器人的各關節角度信息，將五自由度上肢康復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：

本發明通過控制計算機建立虛擬的五自由度上肢康復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練模式或者主動訓練模式；被動訓練模式下在控制計算機中設置五自由度上肢康復機器人的各關節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機器人帶動患者上肢進行被動訓練；主動訓練模式下將患者與五自由度上肢康復機器人之間的交互力信號轉化為五自由度上肢康復機器人各關節的速度輸入信號，通過控制各關節的伺服電機來控制五自由度上肢康復機器人跟隨患者進行主動訓練；根據位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復機器人的各關節角度信息，將五自由度上肢康復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。

本發明將虛擬現實技術應用于康復訓練中，通過虛擬模型實時顯示康復機器人的運動狀態。五自由度外骨骼上肢康復機器人的虛擬現實交互系統，是一種主動訓練和被動訓練想結合的訓練系統。醫師通過選擇被動訓練和主動訓練兩種訓練來對患者進行康復訓練。在被動訓練過程中，輸入康復機器人各個關節的運動位置和速度，來控制機器人對患者進行被動訓練，同時通過RS232串口通信讀取給關節的位置反饋，在虛擬環境中顯示康復機器人的運動狀態。在主動訓練過程中，通過采集患者和康復機器人的交互力，來對康復機器人進行速度控制，患者通過虛擬環境中的機器臂模型與其他模型進行虛擬交互訓練。

附圖說明

圖1是本發明具體實施方式五自由度上肢康復機器人的虛擬現實交互系統框圖；

圖2是本發明具體實施方式五自由度外上肢康復機器人虛擬現實交互的方法流程圖；

圖3是本發明具體實施方式對應肩部外展的壓力傳感器采集的交互力信號圖；

圖4是本發明具體實施方式交互力信號與控制速度的關系圖；

圖5是本發明具體實施方式肩關節外展運動情況圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細說明。

本實施方式中，五自由度上肢康復機器人是哈爾濱工業大學機器人研究所提供的五自由度外骨骼上肢康復機器人教學實驗平臺。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直流驅動器用于控制肘部和腕部的三個直流電機，最終實現對上肢康復機器人各關節進行位置或者速度控制；

各關節的運行速度應在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機器人的虛擬現實交互系統，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機器人上，采集五自由度上肢康復機器人大臂、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傳感器薄膜區域的壓力轉換成電阻值的變化，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；在康復機器人握柄的前側安裝2個FSR壓力傳感器和后側安裝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開發板讀出它數字量的值，通過RS232串口通信發送給控制計算機。

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機器人上，采集五自由度上肢康復機器人的各個關節角度信息，并通過RS232串口通信發送給控制計算機；

控制計算機，通過被動訓練模式或者主動訓練模式控制患者上肢進行訓練，并將五自由度上肢康復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對應的數字量的值的范圍是0到1024；

所述控制計算機，包括：

人機交互模塊，選擇主動訓練模式或者被動訓練模式；

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

交互式虛擬環境模塊，建立虛擬的五自由度上肢康復機器人模型及虛擬場景模型，根據位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復機器人的各關節角度信息，將五自由度上肢康復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節的角度信息，將上肢康復機器人的實際運動狀況實時顯示到虛擬場景當中，并和虛擬場景中的其他模型進行交互。被動訓練模式下通過控制計算機控制康復機器人運動。主動模式下可以通過患者與機器人的接觸力控制康復機器人運動。

所述機器人控制模塊，包括：

被動訓練控制模塊，設置五自由度上肢康復機器人的各關節運動的位置和速度信息，將設置的信息作為五自由度上肢康復機器人的輸入信號控制其帶動患者上肢進行被動訓練；

主動訓練控制模塊，將患者與五自由度上肢康復機器人之間的交互力信號轉化為五自由度上肢康復機器人各關節的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復機器人跟隨患者進行主動訓練。

本發明還提供一種利用所述的系統進行五自由度外上肢康復機器人虛擬現實交互的方法，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練模式或者主動訓練模式，若選擇被動訓練模式，則執行步驟3，若選擇主動訓練模式，則執行步驟4；

步驟3：在控制計算機中設置五自由度上肢康復機器人的各關節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機器人帶動患者上肢進行被動訓練，并執行步驟4；

步驟4：將患者與五自由度上肢康復機器人之間的交互力信號轉化為五自由度上肢康復機器人各關節的速度輸入信號，控制五自由度上肢康復機器人跟隨患者進行主動訓練。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系如圖4所示，控制肩部關節外展運動的最終效果如圖5；

步驟5：根據位置采集模塊實時采集的五自由度上肢康復機器人的各關節角度信息，將五自由度上肢康復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。