1.3康復(fù)機器人系統(tǒng)工作原理 
該康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)由 4部分組成：基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的輔助訓(xùn)練客戶端，康復(fù)機器人控制系統(tǒng)（下位機） ,醫(yī)生端監(jiān)控計算機（上位機），和網(wǎng)絡(luò)通訊部分。其中康復(fù)機器人控制系統(tǒng)由 ARM主控模塊、測量控制電路、鍵盤及 LCD顯示電路、存儲器件等主要部分組成。被動訓(xùn)練模式運行時，安裝在康復(fù)訓(xùn)練牽引機械臂的力和位置傳感器將采集的病人運動的力和位置信號經(jīng)過信號處理后送給 ARM主控模塊，主控模塊經(jīng)過預(yù)處理后再通過下位機網(wǎng)絡(luò)模塊把力和位置信息通過局域網(wǎng)傳送給醫(yī)生端監(jiān)控主機,同時監(jiān)控軟件繪制出力度信號和位置信號的實時曲線，并訪問后臺病案數(shù)據(jù)庫，實時記錄訓(xùn)練各項狀態(tài)參數(shù)。醫(yī)生根據(jù)反饋的信息判斷病人的康復(fù)情況，并通過上位機設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，發(fā)送控制指令給下位機，下位機根據(jù)醫(yī)生設(shè)置的參數(shù)，采用相應(yīng)的控制算法，發(fā)送控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動電機，從而控制康復(fù)訓(xùn)練牽引機械臂的運動。主動模式和阻抗模式運行時，虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練客戶端軟件和上位機遠程監(jiān)控軟件同時通過局域網(wǎng)連接至下位機 ARM嵌入式康復(fù)機器人主控模塊，主控模塊把采集到的力度和位置信號經(jīng)過預(yù)處理后，同時發(fā)送給上位機監(jiān)控程序和虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練程序。虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件利用接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)算法轉(zhuǎn)化為虛擬場景中物體的坐標(biāo)，同時配合設(shè)置好的虛擬場景和人機交互策略實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實輔助康復(fù)訓(xùn)練過程。本文分別使用 windows GDI 和 OpenGL＋3dmax 設(shè)計了兩套虛擬現(xiàn)實康復(fù)訓(xùn)練程序，分別配合主動訓(xùn)練模式和阻抗訓(xùn)練模式。
2、虛擬現(xiàn)實輔助康復(fù)訓(xùn)練客戶端軟件開發(fā)
康復(fù)病人由于肢體肌肉處于廢退狀態(tài)，很容易對鍛煉感到厭煩，這對于病人的康復(fù)進程是很不利的。為此本文利用 Windows GDI，OpenGL＋3Dmax設(shè)計了兩個具有良好交互性的游戲程序作為患者輔助康復(fù)訓(xùn)練平臺，使患者在游戲過程中不知不覺的完成鍛煉，變原來的消極鍛煉為積極主動的參與鍛煉。
2.1配合阻抗訓(xùn)練模式的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件設(shè)計
2.1.1 阻抗訓(xùn)練模式介紹
該訓(xùn)練模式適用于即將康復(fù)的患者，這類患者的患肢已經(jīng)逐步恢復(fù)運動能力，這時就可以根據(jù)患者的康復(fù)情況，在康復(fù)鍛煉過程中通過機器人給患者的患肢作用一定大小的阻尼力，使患者完成動作的時候克服阻力，從而增強肌肉的力量，逐步恢復(fù)到正常狀態(tài)。
2.1.2 程序設(shè)計
該軟件采用 VC＋＋6.0創(chuàng)建的基于單文檔的 MFC應(yīng)用程序。游戲開始后病人通過控制機械臂的水平運動，控制虛擬場景中水平擋板的移動反彈小球，擊打上畫面上方的矩形磚塊。如圖 3所示。程序開始運行后，通過 GDI繪制出彈球游戲的基本場景，小球和水平移動擋板，完成游戲參數(shù)的基本初始化工作。在創(chuàng)建框架窗體的同時使用 CAsyncSocket類的 MySocket派生類，初始化訓(xùn)練客戶端套接字，封裝了網(wǎng)絡(luò)通信消息響應(yīng)函數(shù)。并重載了其中的 OnReceive(), OnAccept(),OnConnect()，OnClose()等消息響應(yīng)函數(shù),這些函數(shù)分別映射 CMyView類中相應(yīng)的處理函數(shù)。完成套接字初始化后，立即與下位機服務(wù)器連接，并開始接收下位機傳送的位置和力度數(shù)據(jù)。當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達時，程序映射調(diào)用 CMyView類中的 OnReceive()函數(shù)，完成接收下位機傳送的位置信號數(shù)據(jù)，通過公式（1）
shippositon=(long)(-w*855/180) （1）
其中 w為接收到的機械臂角度值，shippositon為經(jīng)過換算后的擋板在屏幕上位置的坐標(biāo)點數(shù)值。將機械臂角度值轉(zhuǎn)化為虛擬環(huán)境中水平擋板的實際位置值，最后傳送至 Moveship（）函數(shù)中完成移動擋板，碰撞檢測，刷新場景等流程。水平擋板在程序運行開始后初始化在視圖區(qū)域中間位置，即機器人機械臂 90度位置。當(dāng)病人左右移動機械臂時，由下位機根據(jù)與 90度位置偏離程度的大小，通過計算輸出相應(yīng)大小的阻尼力。程序一共分為三個難度等級，每一難度等級的磚塊全部擊打完畢并進入下一難度等級。每增加一級，程序會加速小球的下落速度來提高游戲難度。運行時程序同時記錄病人的得分情況和游戲生命值。
 
500)this.style.width=500;" />

2.2配合主動訓(xùn)練模式的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練軟件設(shè)計
2.2.1 主動訓(xùn)練模式介紹 該訓(xùn)練模式適用于病情比較輕的患者，這些的患者的患肢雖然有些運動障礙，但是沒有完全喪失運動能力，因此可以通過設(shè)計一些具有良好交互性的虛擬場景游戲，使患者完全自主地利用康復(fù)機器人進行鍛煉。
2.2.2程序設(shè)計

 整個軟件采用VC＋＋6.0創(chuàng)建的 win32 application應(yīng)用程序，調(diào)用 OpenGL的庫函數(shù)開發(fā)。軟件所涉及的帶有貼圖的 3D模型和其他圖形素材，采用了現(xiàn)成的資源，這樣既保證了圖形圖像的質(zhì)量又提高了開發(fā)效率。該輔助訓(xùn)練軟件結(jié)合主動訓(xùn)練模式，給病人提供了寬廣的 3D虛擬場景，通過訓(xùn)練臂，并輔助一個羅技游戲搖桿進行漫游，患者通過機械臂控制場景人物平面方位角的改變，輔助游戲搖桿負(fù)責(zé)場景人物的前進，后退，俯仰角度以及射擊擊發(fā)?；颊咝枰瓿傻慕换ビ?xùn)練任務(wù)是盡快在該場景中找出移動的目標(biāo)靶并射擊命中。如圖 4所示： 
 
500)this.style.width=500;" />

 該程序首先由 Win32應(yīng)用程序框架中的WinMain()函數(shù)提供程序的入口。當(dāng)窗口成功建立時，MsgProc()窗口回調(diào)函數(shù)調(diào)出OpenGL框架中Init()函數(shù)對OpenGL視圖進行變換調(diào)整。Windows窗口生成后就進入 GameLoop()主循環(huán)中，在此一直循環(huán)調(diào)用 OpenGL框架中的Render()函數(shù)進行我們需要的圖形場景處理和顯示，程序退出時，調(diào)用 CleanUp（）清除OpenGL連接。在交互方面，程序初始化時采用 Winsock 2.0建立了套接字，通過局域網(wǎng)接收下位機傳送的機械臂位置數(shù)據(jù)，通過計算轉(zhuǎn)化為場景人物的平面旋轉(zhuǎn)角度。從而達到實時交互的目的。前進后退，俯仰角度的改變以及子彈的發(fā)射，采用鍵盤按鍵消息事件的方式實現(xiàn)，再通過游戲搖桿驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)響應(yīng)的按鍵，達到搖桿輔助控制的目的。程序分別使用mciSendString函數(shù)和 sndPlaySound函數(shù)來實現(xiàn)游戲過程中的各種音效。

 3、實驗結(jié)果
進行康復(fù)訓(xùn)練時，病人的手固定在康復(fù)訓(xùn)練牽引機械臂的托盤上，醫(yī)生通過上位機界面（醫(yī)生端）分別設(shè)置運動模式為主動訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練，并調(diào)用相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實輔助訓(xùn)練程序進行交互式康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)果明顯提高了病人參與康復(fù)訓(xùn)練的積極性，訓(xùn)練時間明顯增加，同時病人也能保持興奮愉快的狀態(tài)。病人訓(xùn)練的同時，上位機界面實時曲線繪制正常，在阻抗訓(xùn)練模式下實時訓(xùn)練參數(shù)曲線繪制如圖 5所示，能較為準(zhǔn)確的反映病人的訓(xùn)練狀態(tài)。訓(xùn)練結(jié)束后打開病案數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)記錄表，可以看到位置數(shù)據(jù)和力度數(shù)據(jù)記錄正確。
 
500)this.style.width=500;" />

5、總結(jié)
綜上所述，本康復(fù)訓(xùn)練機器人系統(tǒng)采用的上下位機聯(lián)合的方式，通過設(shè)計兩種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的互動訓(xùn)練程序，為患者的康復(fù)訓(xùn)練提供了一個生動的平臺，將患者從枯燥乏味的康復(fù)訓(xùn)練中解放出來。實驗結(jié)果證明，所設(shè)計的輔助訓(xùn)練程序能夠較好的配合患者進行主動訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練模式的要求。在以后的研究中，還需要針對網(wǎng)絡(luò)時延對病人與虛擬環(huán)境交互實時性的影響進行進一步的克服和改進。
本文作者的創(chuàng)新點是：本文針對中風(fēng)病人和上肢受傷病人在傳統(tǒng)的基于康復(fù)器械的訓(xùn)練中，人機之間缺乏良好的互動性以及訓(xùn)練模式內(nèi)容枯燥乏味的缺點，開發(fā)了一種新穎的基于虛擬現(xiàn)實和計算機網(wǎng)絡(luò)的上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合康復(fù)訓(xùn)練的主動模式和阻抗模式，可以對病人進行具有趣味性和良好交互性的康復(fù)訓(xùn)練過程。