五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统及方法与流程

本发明涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统及方法。

背景技术：

虚拟现实技术是上世纪80年代兴起的，在本世纪初随着计算机硬件水平的提高发展起来的一门崭新的综合了众多学科的新兴技术，它是集成了计算机图形技术、人工智能交互、计算机仿真、显示技术、多媒体技术、传感技术和网络等多种信息技术的前沿科学。虚拟现实可以借助计算机模拟出人们设想的实体，而且可以通过人的感官或者四肢与这个虚拟的实体进行互动。随着科技的进步，虚拟现实技术已经应用到各个领域，从最开始的军工方面已经渗透到现在的建筑工程、人文教育、医疗康复、娱乐文化等。将虚拟现实技术引入到康复医疗中，可以避免枯燥的康复训练、提高病人的主动康复的积极性和整体康复训练效果。然而国内基于虚拟现实技术的训练系统尚处于初步发展阶段，虚拟训练的模式比较简单，虚拟场景的三维效果不佳及开放性不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统，包括：

交互力采集模块，安装在五自由度上肢康复机器人上，采集五自由度上肢康复机器人大臂、小臂、握柄处的交互力信号，并发送给控制计算机；

位置采集模块，安装在五自由度上肢康复机器人上，采集五自由度上肢康复机器人的各个关节角度信息，并发送给控制计算机；

控制计算机，通过被动训练模式或者主动训练模式控制患者上肢进行训练，并将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到控制计算机中的虚拟场景中。

所述控制计算机，包括：

人机交互模块，选择主动训练模式或者被动训练模式；

机器人控制模块，在被动训练模式下控制五自由度上肢康复机器人运动；在主动训练模式下通过患者与五自由度上肢康复机器人的交互力控制五自由度上肢康复机器人运动；

交互式虚拟环境模块，建立虚拟的五自由度上肢康复机器人模型及虚拟场景模型，根据位置采集模块实时采集的五自由度上肢康复机器人的各关节角度信息，将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景中，并和虚拟场景中的虚拟物进行交互。

所述机器人控制模块，包括：

被动训练控制模块，设置五自由度上肢康复机器人的各关节运动的位置和速度信息，将设置的信息作为五自由度上肢康复机器人的输入信号控制其带动患者上肢进行被动训练；

主动训练控制模块，将患者与五自由度上肢康复机器人之间的交互力信号转化为五自由度上肢康复机器人各关节的速度输入信号，控制五自由度上肢康复机器人跟随患者进行主动训练。

本发明还提供一种利用所述的系统进行五自由度外上肢康复机器人虚拟现实交互的方法，包括：

步骤1：通过控制计算机建立虚拟的五自由度上肢康复机器人模型及虚拟场景模型；

步骤2：通过控制计算机中的人机交互模块选择被动训练模式或者主动训练模式，若选择被动训练模式，则执行步骤3，若选择主动训练模式，则执行步骤4；

步骤3：在控制计算机中设置五自由度上肢康复机器人的各关节运动的位置和速度信息，通过控制计算机中的机器人控制模块控制五自由度上肢康复机器人带动患者上肢进行被动训练，并执行步骤4；

步骤4：将患者与五自由度上肢康复机器人之间的交互力信号转化为五自由度上肢康复机器人各关节的速度输入信号，控制五自由度上肢康复机器人跟随患者进行主动训练；

步骤5：根据位置采集模块实时采集的五自由度上肢康复机器人的各关节角度信息，将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景中，并和虚拟场景中的虚拟物进行交互，返回步骤2。

有益效果：

本发明通过控制计算机建立虚拟的五自由度上肢康复机器人模型及虚拟场景模型；通过控制计算机中的人机交互模块选择被动训练模式或者主动训练模式；被动训练模式下在控制计算机中设置五自由度上肢康复机器人的各关节运动的位置和速度信息，通过控制计算机中的机器人控制模块控制五自由度上肢康复机器人带动患者上肢进行被动训练；主动训练模式下将患者与五自由度上肢康复机器人之间的交互力信号转化为五自由度上肢康复机器人各关节的速度输入信号，通过控制各关节的伺服电机来控制五自由度上肢康复机器人跟随患者进行主动训练；根据位置采集模块实时采集的五自由度上肢康复机器人的各关节角度信息，将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景中，并和虚拟场景中的虚拟物进行交互。

本发明将虚拟现实技术应用于康复训练中，通过虚拟模型实时显示康复机器人的运动状态。五自由度外骨骼上肢康复机器人的虚拟现实交互系统，是一种主动训练和被动训练想结合的训练系统。医师通过选择被动训练和主动训练两种训练来对患者进行康复训练。在被动训练过程中，输入康复机器人各个关节的运动位置和速度，来控制机器人对患者进行被动训练，同时通过RS232串口通信读取给关节的位置反馈，在虚拟环境中显示康复机器人的运动状态。在主动训练过程中，通过采集患者和康复机器人的交互力，来对康复机器人进行速度控制，患者通过虚拟环境中的机器臂模型与其他模型进行虚拟交互训练。

附图说明

图1是本发明具体实施方式五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统框图；

图2是本发明具体实施方式五自由度外上肢康复机器人虚拟现实交互的方法流程图；

图3是本发明具体实施方式对应肩部外展的压力传感器采集的交互力信号图；

图4是本发明具体实施方式交互力信号与控制速度的关系图；

图5是本发明具体实施方式肩关节外展运动情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式中，五自由度上肢康复机器人是哈尔滨工业大学机器人研究所提供的五自由度外骨骼上肢康复机器人教学实验平台。机器人控制模块采用MAC-3002SSP4运动控制卡用于控制肩部的两个交流电机，采用Copley直流驱动器用于控制肘部和腕部的三个直流电机，最终实现对上肢康复机器人各关节进行位置或者速度控制；

各关节的运行速度应在30度每秒一下；

肩部俯仰的角度范围在0度到105度之间；

肩部外展的角度范围在-25度到100度之间；

肘部俯仰的角度范围在0度到56度之间；

腕部回转的角度范围在-90度到90度之间；

腕部俯仰的角度范围在0度到56度之间；

一种五自由度上肢康复机器人的虚拟现实交互系统，如图1所示，包括：

交互力采集模块，安装在五自由度上肢康复机器人上，采集五自由度上肢康复机器人大臂、小臂、握柄处的交互力信号，并通过RS232串口通信发送给控制计算机；采用FSR压力传感器作为交互力采集模块，它是一种体积小，感测精度高，超薄型电阻式压力传感器。这款压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，电阻越低。其允许用在压力0g~10kg的场合。加载在FSR的电压为5v，分压电阻为10kΩ。4个FSR压力传感器安装在康复机器人大臂的前后和左右4个方向用于控制肩部两个自由度的运动；2个FSR压力传感器安装在康复机器人小臂的前后2个方向用于控制肘部一个自由度的运动；在康复机器人握柄的前侧安装2个FSR压力传感器和后侧安装2个FSR压力传感器用于控制腕部两个自由度的运动。交互力采集模块采用Arduino开发板读出它数字量的值，通过RS232串口通信发送给控制计算机。

位置采集模块，采用增量式编码器，安装在五自由度上肢康复机器人上，采集五自由度上肢康复机器人的各个关节角度信息，并通过RS232串口通信发送给控制计算机；

控制计算机，通过被动训练模式或者主动训练模式控制患者上肢进行训练，并将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到控制计算机中的虚拟场景中。本实施方式中，控制计算机采集到的交互力信号的范围0到5v对应的数字量的值的范围是0到1024；

所述控制计算机，包括：

人机交互模块，选择主动训练模式或者被动训练模式；

机器人控制模块，在被动训练模式下控制五自由度上肢康复机器人运动；在主动训练模式下通过患者与五自由度上肢康复机器人的交互力控制五自由度上肢康复机器人运动；

交互式虚拟环境模块，建立虚拟的五自由度上肢康复机器人模型及虚拟场景模型，根据位置采集模块实时采集的五自由度上肢康复机器人的各关节角度信息，将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景中，并和虚拟场景中的虚拟物进行交互。所述虚拟场景模型，例如房间，山峰和天空等；虚拟场景模型中还建立用于交互的其他模型，例如苹果，果盘和桌子等。控制计算机通过RS232串口通信收集到各关节的角度信息，将上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景当中，并和虚拟场景中的其他模型进行交互。被动训练模式下通过控制计算机控制康复机器人运动。主动模式下可以通过患者与机器人的接触力控制康复机器人运动。

所述机器人控制模块，包括：

被动训练控制模块，设置五自由度上肢康复机器人的各关节运动的位置和速度信息，将设置的信息作为五自由度上肢康复机器人的输入信号控制其带动患者上肢进行被动训练；

主动训练控制模块，将患者与五自由度上肢康复机器人之间的交互力信号转化为五自由度上肢康复机器人各关节的速度输入信号，控制五自由度上肢康复机器人跟随患者进行主动训练。

本发明还提供一种利用所述的系统进行五自由度外上肢康复机器人虚拟现实交互的方法，如图2所示，包括：

步骤1：通过控制计算机建立虚拟的五自由度上肢康复机器人模型及虚拟场景模型；

步骤2：通过控制计算机中的人机交互模块选择被动训练模式或者主动训练模式，若选择被动训练模式，则执行步骤3，若选择主动训练模式，则执行步骤4；

步骤3：在控制计算机中设置五自由度上肢康复机器人的各关节运动的位置和速度信息，通过控制计算机中的机器人控制模块控制五自由度上肢康复机器人带动患者上肢进行被动训练，并执行步骤4；

步骤4：将患者与五自由度上肢康复机器人之间的交互力信号转化为五自由度上肢康复机器人各关节的速度输入信号，控制五自由度上肢康复机器人跟随患者进行主动训练。这里以肩部外展方向的压力传感器采集到的交互力信号（如图3所示）为例，其中交互力信号与角速度的关系如图4所示，控制肩部关节外展运动的最终效果如图5；

步骤5：根据位置采集模块实时采集的五自由度上肢康复机器人的各关节角度信息，将五自由度上肢康复机器人的实际运动状况实时显示到虚拟场景中，并和虚拟场景中的虚拟物进行交互，返回步骤2。