摘 要

随着经济的发展和科技的进步，医疗机械仪器的水平也进一步提高，加之近年来我国骨折、中风等疾病人数增多，虽然患者存活率有很大的提高，但致残率却也非常高。传统的康复训练方式存在耗费人力物力、训练方式单调枯燥、无法直观分析患者训练运动情况等问题，所以康复机器人成为当下医疗机械仪器的研究热点，把虚拟现实技术用于康复机器人的辅助康复训练中，可以提高患者进行康复训练的积极性，帮助患者早日恢复运动功能。

本文设计实现了一个基于虚拟现实的机器人辅助康复训练环境，这个训练环境包含了一个虚拟现实训练游戏——3D赛车游戏，一个虚拟现实训练人机交互上位机软件。通过TCP通信，患者可以在玩3D赛车游戏时进行康复训练，与虚拟现实训练环境交互。主要研究内容如下：

（1）搭建虚拟现实训练场景。学习康复训练医学理论，根据运动需求，设计满足以角度传感器为运动数据依据的包含前进、后退、左转和右转四个动作的赛车游戏。设计了一套含有山川湖泊、跨江大桥的蜿蜒曲折公路的场景，既能满足患者的训练，又能增加患者的沉浸感，帮助患者保持训练的积极性。

（2）设计虚拟现实训练人机交互界面。基于实验室已有的脚踝康复机器人与机器人数据采集和控制的下位机程序，设计上位机人机交互界面，将数据采集和机器人控制加入交互系统中，当做患者运动情况监控以及被动训练控制策略。界面可以控制虚拟现实康复训练系统的开始和结束，显示运动数据。

（3）实现患者与虚拟现实环境的网络通信交互。使用TCP/IP协议，搭建服务器与客户端，将患者的运动信号转换为虚拟现实场景中的输入。最后使用脚踝康复机器人进行试验，赛车能够根据患者脚踝的运动而运动。

关键词：康复训练；虚拟现实；通信交互

Abstract

With the development of the economy and the progress of science and technology, the level of medical equipment has been further improved, coupled with recent years, China's fractures, stroke and other diseases increased, although the survival rate of patients has greatly improved, but the disability is also very high. The traditional rehabilitation training methods exist human and material resources, training methods monotonous and boring, can not intuitively analyze the training situation of patients training and other issues, so the rehabilitation of the robot into the current medical equipment research hotspot, the virtual reality technology for rehabilitation robot rehabilitation training , Can improve the patient's rehabilitation training initiative to help patients with early recovery of motor function.

This paper designs and implements a robot - based rehabilitation training environment based on virtual reality. This training environment includes a virtual reality training game - 3D racing game, a virtual reality training human - computer interaction PC software. Through TCP communication, patients can play 3D racing games for rehabilitation training, and virtual reality training environment interaction. The main research contents are as follows:

(1) to build virtual reality training scene. Learning rehabilitation training medical theory, according to the needs of the movement, designed to meet the angle sensor for the movement data based on forward, backward, turn left and turn right four racing game. Designed a set of mountains and lakes, rivers and lakes across the meandering road of the meandering road, both to meet the training of patients, but also increase the patient's immersion, to help patients maintain the enthusiasm of training.

(2) design virtual reality training human-computer interaction interface. Based on the existing ankle rehabilitation robot and robotic data acquisition and control of the lower computer program, the host computer man-machine interaction interface, the data acquisition and robot control to join the interactive system, as the patient movement monitoring and passive training control strategy. The interface can control

the start and end of the virtual reality rehabilitation training system, showing the movement data.

(3) to achieve the patient and virtual reality environment of network communication interaction. Using TCP / IP protocol, build the server and client, the patient's motion signal into virtual reality scene input. Finally, the use of ankle rehabilitation robot to test, the car can be based on the movement of patients with ankle movement.

Key words：Rehabilitation training; Virtual reality; Communication interaction

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 虚拟现实与康复理论 1

1.2.1 虚拟现实技术介绍 1

1.2.2 虚拟现实在康复领域的应用 2

1.3虚拟现实与康复训练国内外研究现状 2

1.4课题研究内容 3

第2章 虚拟现实训练游戏设计 5

2.1开发工具 5

2.2 3D赛车游戏设计 5

2.2.1道路场景及赛车模型设计 7

2.2.2 赛车运动控制 8

2.2.3 相机跟随 10

2.3 本章小结 11

第3章 康复训练人机交互系统设计 12

3.1 LabVIEW简介 12

3.2 系统软件设计 12

3.2.1 系统总体结构 12

3.2.2 信号采集监控模块 13

3.2.3 系统控制和被动训练控制模块 16

3.3 本章小结 18

第4章 患者与虚拟现实环境的通信交互 19

4.1 Socket通信 19

4.1.1七层网络模型 19

4.1.2 TCP协议 21

4.1.3 Socket套接字 22

4.2客户端 23

4.3服务器端 24

4.4 本章小结 26

第5章 研究结果及分析 27

5.1 虚拟现实康复训练实验 27

5.2 结果分析 28

5.3 本章小结 31

第6章 总结和展望 32

6.1 工作总结 32

6.2 下一步工作展望 33

参考文献 34

致谢 37

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

康复指的是利用各种各样的辅助方式，帮助患者减轻运动障碍的影响，并使残疾患者能尽快恢复运动能力融入社会。德国的康复治疗训练理念认为，对于一个肢体损伤需要做手术的患者来说，手术对于他们的疾患痊愈仅仅是第一步，为了能提高生活质量并使生活恢复正常，后续的康复工作是必不可少的。现在，国内外的康复专家们对于康复治疗训练的重要性已经有了一个共同的认知——患者从手术到治疗最后能正常生活，有1/3的的作用来自于手术，还有2/3来自于康复治疗和康复训练。由此可见康复过程的重要性。康复训练作为康复医学的一个重要手段，主要是通过训练这种方法使患者肢体恢复正常的自理功能，尽可能使患者生理心理都康复，达到治疗效果。近年来我国骨折、中风等疾病人数增多，虽然医疗水平的提高使患者存活率得到了很大的提高，但致残率却还是非常高，例如中风，据有关统计资料显示，我国脑卒中风患者的病后残障率高达75%^[1]。

当前大多数康复训练还是以人工制定方案、人工指导、人工辅助为主，只有少数设备仪器生厂制造商会制造一些矫形器、肢体运动康复机等仪器设备来辅助患者运动，帮助患者更好的进行康复训练。由于缺少康复治疗专业人员的正确指导，患者训练姿势不正确或不到位，就会导致本部分中枢神经无法通过训练来建立新的通信，达不到治疗效果。传统的康复训练内容枯燥无趣，治疗周期较长，花费的人力物力成本较高^[2]。因此，一套经济实惠、功能实用的康复训练辅助系统对于患者的康复训练姿势矫正、康复评估、训练兴趣提升有较大帮助，对进一步提高康复效果也有着非常重要的作用。

1.2 虚拟现实与康复理论

1.2.1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实（Virtual Reality）是利用计算机建造的一种新型人机交互方式。虚拟现实技术以现代发达的计算机人工合成环境与传感式硬件结合，给沉浸在虚拟现实环境中的用户营造出视觉、听觉、触觉等感觉，使用户在三维立体空间中体验计算机人工合成的虚拟环境，产生身临其境的真实体会。