虚拟现实康复车的组成及功能

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虚拟现实康复车的组成及功能　黄靖远　李海燕　凌迪,等 163

虚拟现实康复车的组成及功能

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清华大学精密仪器与机械学系　黄靖远摘要　。这种康复车可以使患,让患者在轻松愉快的环境中锻炼,。

;;1　引言

我国目前每年都有数十万肢体伤残患

者,对下肢伤残或下肢手术后需进行恢复的患者,最有效的康复方法是体育疗法,即通过被动运动、辅助运动、主动运动和抵抗运动尽可能恢复肌肉的运动能力。通常,这些训练工作主要是依靠理疗师和简单的器械完成,这给医疗工作者带来很大的负担,因为任何一个患者的恢复都必须由一个理疗师来辅助完成,而且训练过程单调无趣,患者总是处于被动状态,训练程度不容易被理疗师及时了解,还不能做到将功能评测、运动疗法和心理疗法有机地结合在一起。

因此,我们迫切需要这样一种康复器械,它引入计算机技术,在患者训练前、训练中和训练后,对患者受损部位的功能有一个客观的评定,以帮助患者确定训练的步骤和强度,如关节活动度、训练方法、时间长短、强度大小等。这样可以实时地调整训练计划和训练强度。而且,利用计算机的优势,还可以同时对患者进行心理治疗,不断地给患者以正确的心理暗示和鼓励,并配以优美的音乐和图象,增加训练的乐趣,起到事半功倍的效果。我们目前研究的正是这样一种虚拟现实康复车(或称康复车),见图1。2　虚拟康复车的结构

结构简图如图2所示。它包括四大部分:(1)支架部分:它是康复车的支撑部分,在其上面安装其他的部件及控制电路。它是由不锈钢管通过焊接而成的一个框架1,在其两端各有一个轴承座3和8,以安装转动座椅部分。

(2)转动部分:为了更逼真地模拟自由骑行转弯时的感觉,我们设计了这个转动座椅部分,当人操作转向杆5转向时,转向杆会通过一套滑轮机构带动转动部分绕水平轴转动,用来模拟人自然骑行转弯时的身体倾斜。

(3)阻力模拟部分:这是康复车的核心部分,它已经被设计成一个模块,可以自由地拆卸和安装。为了方便不同身材的患者使用,这部分被设计为可以在旋转架上前后调整移动的组件,在调整的时候患者不必离开器械,这对于比较严重的患者来说则是非常必要的,可以大大地减少患者上下器械的次数。此外这样的结构还可以针对不同程度障碍的患者,方便地调整患者的关节活动度。

(4)虚拟现实产生器:通过计算机,引入虚拟现实技术,使患者在训练过程中可以选择不同的场景,产生很强的临境感和沉浸感,在很大程度上增加使用者的兴趣,在训练的同时可欣赏风景和音乐,同时使心理治疗成为可能。

Ξ自然科学基金资助项目,批准号39370784

ΞΞ邮政编码:100084　北京　收稿日期:1997-11-30

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164 中国康复理论与实践1998年第4卷第4期

图1　虚拟现实康复车概貌　　　　　　　　　图2　康复车的整体结构简图

　　使用这种座椅式的结构,可以使患者全身的重量由座椅支撑,全身的平衡由座椅、座椅靠背、座椅扶手来共同维持,这样,就减轻了患者的负担,可以认真地完成规定的动作,而不必考虑平衡问题。3　虚拟现实康复车的功能

原有康复器械由于结构的限制,使用效果不十分理想。我们设计的康复训练车通过骑行方式来训练和恢复患者下肢的功能。这种康复训练车可实现以下几种不同于传统康复器械的功能。

3.1　多种运动方式的实现:阻力模拟元件采用的是电机,当电机工作于发电机方式时,可提供可调的阻力,而当电机工作于电动机方式时,可以产生动力。由于采用了这种新型的阻力模拟器,使得我们设计的康复车不仅可以通过加载,使患者克服阻力运动而锻炼下肢肌肉力量,而且针对下肢障碍严重或刚进行过下肢手术的患者下肢肌肉无力,不能产生动力的特点,设计了被动运动的功能,通过被动的跟随,患者的下肢肌肉得到周期性的舒张,可以保持肌肉的静态长度而不致萎缩。因此,选用电机作为阻力模拟器件可以很好地完成康复医疗所需要的四种运动方式,即:主动运动、辅助运动、被动运动和抵抗运动。而这四种训练方式也是针对不同程度、不同

阶段患者而设计的,通过合理的使用这种训练方式,患者可以循序渐进地恢复自己的肌肉力量,最终达到独立活动的能力。

3.2　智能控制的阻力模拟:通过单片机的智能控制,精细地描述和模拟人在正常骑行时的阻力分布情况,通过这种模拟,人的骑行感觉更顺畅,更平滑,并最大限度地减少了冲击和速度的波动,以保证患者训练时的舒适感。3.3　心理治疗的实现:通过虚拟现实技术的引进,提高了患者训练时的兴趣。患者锻炼的全部过程都是在计算机的控制下完成的。患者可以通过选择不同的路径进行不同程度的训练。患者的骑行速度和方向动作都采集入计算机,计算机根据这些信号产生不同的景物图象及音乐并播放出来,这使患者感到是在风景优美的地方进行游览。通过这些手段,放松了患者的紧张情绪,提高了锻炼的兴趣,进而增强了锻炼效果。由于有计算机的参与,使得心理治疗成为现实,计算机在患者锻炼的同时,不断地采集患者的生理信号,并分析患者锻炼的效果和程度,根据患者不同的状态,给予不同的信息,如鼓励、暗示、建议等,通过这些信息,患者会及时地调整自己锻炼方式,及时地休息,达到事半功倍的效果。

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4　康复车的控制系统4.1　控制系统的总体结构

控制电路是康复车的重要组成部分,它是控制机械部件进行正常工作,实现人机交

互的关键所在。

,大大简化了电路,。图3

图3　控制系统框图　　　　　　　　　　图4　单片机功能简图

　　由图中可见,控制系统可以分为三大部分:第一部分是传感器电路,包括骑行速度测量、转向测量以及人体各运动参数测量电路;第二部分是有关电机的控制电路,包括运动阻力模拟电路、电机速度控制电路和工作方式切换电路;第三部分是单片机与外围电路、单片机与计算机的接口电路。4.2　传感电路

实现虚拟现实系统的关键之一是高级的传感技术。系统中需要测量患者骑行的速度、空间转向和人体的运动参数以及对外界条件的测量。因此,在虚拟现实康复系统中,传感电路是比较重要的,它包括方向和速度两个部分。在速度传感器中采用了光电传感器。它有结构简单、性能稳定、测量范围大等优点,又由于光电传感为非接触式,其耐用性也很好。在测量转向的电路中使用了电位计式传感器,它具有结构简单、信号强、精确度高、性能稳定、受环境影响小、容易实现任意函数关系等优点。

4.3　电机控制电路

康复车中,电机不仅是器械的动力装置,同时也是器械的阻力模拟装置。由于是用于康复医疗的医用器械,所以对电机的负载要求不高,但要求电机有很宽的调整范围和较高的电效率以及紧凑的结构,以适用于医疗和家用。我们使用的是稀土盘式直流电机。它有体积小、重量轻、能量转换效率高以及调速性能好等优点,易于控制。

在我们的康复车上,电机的速度控制采用双键调速电路,即分别用增速键和减速键来产生加速和减速信号,并由可逆计数器来记录代表转速大小的值,再通过PWM电路控制电机的转速。4.4　单片机控制电路

单片机是康复车控制电路的核心,它是传感器与虚拟环境,虚拟环境与运动控制系统之间进行通讯的中介。我们采用了MCS-51系列单片机。

4.4.1　系统对单片机资源的利用

在康复车的控制系统中,单片机主要完成以下几个功能:

①对骑行速度信号的处理。

②对使用者骑行时双腿所处角度的测量。并 …… 此处隐藏：3057字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……