虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì) 課件 第4、5章 虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)中的人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)教育部高等學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十四五”規(guī)劃教材康復(fù)科學(xué)與技術(shù)系列教材虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)中的人機(jī)交互第四章虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互簡介01廣義上講，人機(jī)交互技術(shù)(Human-ComputerInteractionTechniques)是指通過計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對話的技術(shù)。它包括傳統(tǒng)人機(jī)交互方式和自然人機(jī)交互方式兩種，傳統(tǒng)人機(jī)交互方式包括鼠標(biāo)交互、鍵盤交互等:自然人機(jī)交互方式包括語音交互、手勢交互等。對虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)應(yīng)用而言，人機(jī)交百不僅體現(xiàn)在由計(jì)算機(jī)及其外圍硬件系統(tǒng)展示給患者的虛擬場景元素，還有患者在康復(fù)訓(xùn)練中對虛擬場景的作用和影響，通常是患者所表現(xiàn)出的生理活動(dòng)、行為特征參數(shù)，它們作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的輸入信息。在虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)中，人機(jī)交互技術(shù)是連接患者與虛擬任務(wù)的橋梁和紐帶，是確?；颊叩倪\(yùn)動(dòng)、認(rèn)知等生理、心理狀態(tài)及時(shí)被計(jì)算機(jī)感知的基礎(chǔ)，其地位十分重要一般而言，用于虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)的人機(jī)交互硬件設(shè)備既可以是鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿、方向盤、操作手柄、觸摸屏等傳統(tǒng)交互設(shè)備，也可以是功能較為豐富的自然交互設(shè)備如數(shù)據(jù)手套、手勢捕獲設(shè)備、體感設(shè)備、智能手環(huán)、腦電采集裝置、肌電采集裝置力反饋設(shè)備等。原則上，一切游戲外設(shè)、可穿戴式設(shè)備和自然交互設(shè)備都可以作為虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)的交互設(shè)備。虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，生成逼真的視、聽、觸覺一體化且在特定場景范圍內(nèi)的虛擬環(huán)境，通過外部設(shè)備，用戶以自然可操作的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行指令或信息交互，從而產(chǎn)生置身于真實(shí)環(huán)境中的體驗(yàn)和感受。為了給用戶提供一種更加生動(dòng)且接近現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)需要同時(shí)具備高真實(shí)感的環(huán)境表達(dá)和高效的用戶和環(huán)境之間的信息交換的特征，這其中涉及的人機(jī)交萬技術(shù)包含三維交瓦、姿勢交瓦、肌電與神經(jīng)交瓦、手持移動(dòng)設(shè)備交瓦、語音交互、力觸覺交互和多通道交瓦技術(shù)等。①三維交瓦:虛擬現(xiàn)實(shí)中最重要的交互方式之一，相較于二維交互，提供了更多的操作自由度，涉及全新的交互隱喻技術(shù)。②姿勢交:在虛擬現(xiàn)實(shí)中，將用戶的身體或肢體運(yùn)動(dòng)作為一種重要的輸入通道的交互方式。其中，體感交互是最直接的姿勢交互，它利用體感控制器檢測、記錄身體運(yùn)動(dòng)并以此控制虛擬對象進(jìn)行互動(dòng)，目前已廣泛應(yīng)用的體感產(chǎn)品有Kinect、LeapMotion等。③肌電與神經(jīng)交互:通過對肌電信號或腦電信號檢測及其運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別，以識(shí)別結(jié)果控制虛擬對象的交互方式。不斷發(fā)展的肌電手環(huán)及其運(yùn)動(dòng)手勢識(shí)別算法促進(jìn)了肌電交互應(yīng)用，近年來發(fā)展起來的腦電檢測模塊和腦電頭盔也為腦神經(jīng)虛擬現(xiàn)實(shí)交互提供了新的技術(shù)手段。④手持移動(dòng)設(shè)備交互:隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，手機(jī)為代表的手持移動(dòng)設(shè)備集成了相機(jī)、GPS、加速度計(jì)等不同的傳感器，提升了設(shè)備對環(huán)境和用戶行為的感知能力。⑤語音交互:用戶通過發(fā)布語音命令請求系統(tǒng)執(zhí)行特定功能，該交互方式解放了用戶的雙手。⑥力觸覺交互:力觸覺交互技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)中有著不可替代的作用，相較于傳統(tǒng)的視覺交互和聽覺交互，它更能使用戶產(chǎn)生真實(shí)的沉浸感。⑦多通道交:廣義上是指通過文字、語音、視覺、動(dòng)作、環(huán)境等多種方式進(jìn)行人機(jī)交互。在康復(fù)領(lǐng)域，更多的是指利用兩種或兩種以上多源數(shù)據(jù)之間的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)動(dòng)作、手勢、情感、意識(shí)等識(shí)別，進(jìn)而進(jìn)行人機(jī)交瓦的方法。例如，基于腦申和肌電融合進(jìn)行運(yùn)動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù);基于Kinect骨架數(shù)據(jù)和肌電融合進(jìn)行手勢動(dòng)作識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù);基于Kinect骨架數(shù)據(jù)、肌電和心電腦電融合，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。從生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的角度看，虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互是利用各種類型的傳感檢測技術(shù)獲取用戶的生理參數(shù)，再通過對生理參數(shù)的分析并結(jié)合預(yù)先設(shè)計(jì)的映射模式，由生理參數(shù)影響和改變虛擬對象的特征和狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)快慢和運(yùn)動(dòng)方位等。另外，用戶在觀察或感受到虛擬對象狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，又會(huì)根據(jù)虛擬對象的狀態(tài)改變不斷調(diào)整自身的生理狀態(tài)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)其與虛擬對象的人機(jī)交互。圖4-1所示是虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的信息傳遞示意圖。手指運(yùn)動(dòng)模式及手勢識(shí)別02手指運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征依靠獨(dú)特的生理解剖結(jié)構(gòu)和神經(jīng)肌肉控制，手具有人體最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)功能。手是多關(guān)節(jié)器官，由手掌和五指構(gòu)成。除拇指外，其余每根指都由3塊指骨和3個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，如圖4-2所示。手的關(guān)節(jié)包括燒腕關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、掌骨間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)和指骨間關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)有的能做屈、伸、收、展及環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手指運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征人手關(guān)節(jié)主要有如下兩種運(yùn)動(dòng)形式①屈和伸:組成關(guān)節(jié)的兩骨相互靠攏，其夾角逐漸變小的運(yùn)動(dòng)為屈;相反，兩骨之間的夾角逐漸變大的運(yùn)動(dòng)為伸。②內(nèi)收和外展:手指在內(nèi)收和外展時(shí)，以通過中指中軸的假想線為準(zhǔn)，手指向中指中軸靠攏的運(yùn)動(dòng)為內(nèi)收，而手指離開中指中軸的運(yùn)動(dòng)為外展。手部的掌指關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，可以進(jìn)行屈伸及內(nèi)收/外展兩種運(yùn)動(dòng)，而近指骨間關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)均只有1個(gè)自由度，只可進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)。基于數(shù)據(jù)手套的手指運(yùn)動(dòng)檢測及手勢識(shí)別數(shù)據(jù)手套的概念最早來自美國的JaronLanier于20世紀(jì)80年代提出的可穿戴式設(shè)備，它可檢測手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、反饋手部運(yùn)動(dòng)信息，使用者可以通過佩戴數(shù)據(jù)手套在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)諸如抓取、觸摸、移動(dòng)物體等動(dòng)作。作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種全新的交互手段，數(shù)據(jù)手套可以檢測手部運(yùn)動(dòng)信息、定位手部空間位置、測量手指彎曲度等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)手套有基于光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套、基于磁力計(jì)的數(shù)據(jù)手套、基于加速度傳感器的數(shù)據(jù)手套和力反饋手套?；跀?shù)據(jù)手套的手指運(yùn)動(dòng)檢測及手勢識(shí)別基于光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套采用光電彎曲傳感器，可以檢測手指關(guān)節(jié)彎曲角度和指縫間的延展角度，甚至包括手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜，適用于有限的簡單手勢的輸入。這類交互檢測系統(tǒng)的代表產(chǎn)品是5DT數(shù)據(jù)手套（見圖4-3）,它提供了跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，可獲取傳感器原始數(shù)據(jù)和自動(dòng)校正數(shù)據(jù)，提供內(nèi)置校正功能，并提供基本手勢的識(shí)別?；跀?shù)據(jù)手套的手指運(yùn)動(dòng)檢測及手勢識(shí)別數(shù)據(jù)手套的概念最早來自美國的JaronLanier于20世紀(jì)80年代提出的可穿戴式設(shè)備，它可檢測手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、反饋手部運(yùn)動(dòng)信息，使用者可以通過佩戴數(shù)據(jù)手套在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)諸如抓取、觸摸、移動(dòng)物體等動(dòng)作。作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種全新的交互手段，數(shù)據(jù)手套可以檢測手部運(yùn)動(dòng)信息、定位手部空間位置、測量手指彎曲度等數(shù)據(jù)。現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)手套有基于光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套、基于磁力計(jì)的數(shù)據(jù)手套、基于加速度傳感器的數(shù)據(jù)手套和力反饋手套?；跀?shù)據(jù)手套的手指運(yùn)動(dòng)檢測及手勢識(shí)別基于光纖傳感器的數(shù)據(jù)手套采用光電彎曲傳感器，可以檢測手指關(guān)節(jié)彎曲角度和指縫間的延展角度，甚至包括手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜，適用于有限的簡單手勢的輸入。這類交互檢測系統(tǒng)的代表產(chǎn)品是5DT數(shù)據(jù)手套（見圖4-3）,它提供了跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口，可獲取傳感器原始數(shù)據(jù)和自動(dòng)校正數(shù)據(jù)，提供內(nèi)置校正功能，并提供基本手勢的識(shí)別?；跀?shù)據(jù)手套的手指運(yùn)動(dòng)檢測及手勢識(shí)別在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，建立人手的模型，即虛擬手，并根據(jù)從數(shù)據(jù)手套獲取的數(shù)據(jù)更新各組成部分的相對位置和方位。由于虛擬手的各組成部分是相互關(guān)聯(lián)的，其運(yùn)動(dòng)是相互影響和牽連的，各手指的各指段從指根到指尖的運(yùn)動(dòng)存在著繼承關(guān)系。因此，通常需要建立樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了表現(xiàn)和控制虛擬手的這種運(yùn)動(dòng)特性，可將虛擬手的各組成部分視為不同的對象，并對其所具有的屬性和操作進(jìn)行封裝。在如圖4-4所示的虛擬手模型的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，手掌和各手指的指根為第一級子對象，各手指的中部指段為對應(yīng)指根的子對象，指尖為對應(yīng)的中部指段的子對象，指尖沒有子對象。父對象的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)子對象運(yùn)動(dòng)，子對象的運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響父對象的運(yùn)動(dòng)。手指運(yùn)動(dòng)的體感傳感檢測為了實(shí)現(xiàn)對手指運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測，國外某公司開發(fā)了一款專門捕獲手運(yùn)動(dòng)的體感控制器———LeapMotion0該設(shè)備利用內(nèi)置的核心部件，即3個(gè)紅外發(fā)光二極管，1片窄帶濾光片及2個(gè)內(nèi)置攝像頭(左右對稱)，實(shí)現(xiàn)從不同角度對手部運(yùn)動(dòng)的捕捉。LeapMotion采用右手笛卡兒坐標(biāo)系，原點(diǎn)在LeapMotion體感控制器的中心，X軸平行于控制器的長邊，Z軸平行于控制器的短邊，兩軸位于同一水平面，￥軸垂直于該水平面，正方向向上，如圖4-5(a)所示。LeapMotion的可視范圍呈倒金字塔形，塔尖在設(shè)備中心，工作范圍大約在設(shè)備前方的25?600mm。定義人手掌心的法向量為PalmNormal,切向量為Direction,如圖4-5(b)所示，通過這兩個(gè)向量可表示手掌的方位。手指運(yùn)動(dòng)的體感傳感檢測通過LeapMotion傳感器可以獲取各個(gè)指骨的單位方向向量。進(jìn)一步，手指屈伸運(yùn)動(dòng)可看成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)及近指骨間關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角可通過與該關(guān)節(jié)相連的兩指骨的方向向量求解。以食指為例(見圖4-6)，遠(yuǎn)指骨間關(guān)節(jié)及近指骨間關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角公式分別為：手指運(yùn)動(dòng)的體感傳感檢測

手指運(yùn)動(dòng)的體感傳感檢測設(shè)手掌平面法向量為肛，手掌平面與手指平面交線的單位方向向量為小:可求得掌指關(guān)節(jié)屈伸的角度值:基于LeapMotion記錄的數(shù)據(jù)，可以得到不同手勢的手指運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。圖4-7、圖4-8所示分別是右手抓握運(yùn)動(dòng)時(shí)不同手指的近指骨間關(guān)節(jié)角度、角速度隨時(shí)間的變化情況，它們具有幾乎一致的時(shí)間變化過程。肢體運(yùn)動(dòng)模式檢測03肢體運(yùn)動(dòng)的非接觸體感交互檢測體感交互技術(shù)是指用戶可以直接使用肢體動(dòng)作與周邊的裝置或環(huán)境互動(dòng)，無須使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，便可讓用戶身臨其境地與內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)。Kinect是某公司推出的一款融合即時(shí)動(dòng)作捕捉、影像辨識(shí)等功能的體感交互設(shè)備。它在硬件上集成了紅外線發(fā)射器、RGB彩色攝像頭、深度攝像頭及麥克風(fēng)陣列多項(xiàng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其具體分布如圖4-9所示。肢體運(yùn)動(dòng)的非接觸體感交互檢測Kinect的仰角控制電機(jī)可以調(diào)整攝像機(jī)的拍攝角度和視野。如圖4-10所示，從俯視與側(cè)視兩個(gè)角度展示了Kinect的視野范圍，圖4-10(a)所示的俯視圖中傳感器可以在水平線上檢測到57.5°視野范圍內(nèi)的物體，如圖4-10(b)所示的側(cè)視圖展示了攝像頭本身在豎直范圍內(nèi)的43.5°視野以及可通過驅(qū)動(dòng)底座控制電機(jī)從而額外調(diào)整仰角所增加的±27。視野。肢體運(yùn)動(dòng)的非接觸體感交互檢測Kinect的傳感系統(tǒng)采用基于“管線”結(jié)構(gòu)的體系構(gòu)架，通過其內(nèi)部配置的NUI接口庫可為開發(fā)者提供3類原始數(shù)據(jù)流，即深度數(shù)據(jù)流(DepthStream)、彩色數(shù)據(jù)流(ColorStream)及音頻數(shù)據(jù)流(AudioStream)。根據(jù)數(shù)據(jù)流的不同類型，開發(fā)者可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)骨骼追蹤、身份識(shí)別、語音識(shí)別等功能。如圖4-11所示為Kinect數(shù)據(jù)流示意圖。可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)信息檢測肢體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以通過姿態(tài)檢測進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程跟蹤和參數(shù)測量。一種六軸姿態(tài)角度傳感器(MPU-6050)廣泛用于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息檢測，它可以同時(shí)記錄加速度及角速度信號，采用動(dòng)力學(xué)解算及卡爾曼濾波算法能夠?qū)崟r(shí)求解出模塊的當(dāng)前姿態(tài)。在檢測跟蹤上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，六軸姿態(tài)角度傳感器默認(rèn)Z軸方向?yàn)樨Q直向上，X軸、y軸構(gòu)成的平面平行于水平面，z軸角度是相對角度。在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)可視化時(shí)，需要對人體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)變換進(jìn)行解算，根據(jù)各種姿態(tài)表示方法之間的換算及坐標(biāo)變換方法，可以解算出上肢的運(yùn)動(dòng)情況。傳感器可以實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前姿態(tài)的歐拉角表示及四元數(shù)表示?？纱┐魇饺梭w運(yùn)動(dòng)信息檢測(1)歐拉角表示如圖4-12所示，歐拉角是載體姿態(tài)描述方式中最為直觀的一種，因此常用來表示姿態(tài)角信息。在空間中，歐拉角描述從一個(gè)參考系通過已知的方向，經(jīng)過一系列基本旋轉(zhuǎn)得到新的參考系的方向的方式。歐拉角的核心思想是，將一次姿態(tài)變換的過程用三次旋轉(zhuǎn)來表示，每一次旋轉(zhuǎn)都是繞著某一個(gè)直角坐標(biāo)系進(jìn)行的，將三個(gè)旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)成一個(gè)序列，即可表示為歐拉角，其坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)順序定義為z—y—X,即先繞z軸旋轉(zhuǎn)，再繞y軸旋轉(zhuǎn)，最后繞x軸旋轉(zhuǎn)?？纱┐魇饺梭w運(yùn)動(dòng)信息檢測歐拉角的三次旋轉(zhuǎn)過程如下。第一次旋轉(zhuǎn)：z軸不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)獷角度，相應(yīng)的變換矩陣為第二次旋轉(zhuǎn)：在第一次旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，y軸為不動(dòng)軸，旋轉(zhuǎn)e角度，相應(yīng)的變換矩陣為(1)歐拉角表示可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)信息檢測第三次旋轉(zhuǎn)：在前兩次旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，X軸為不動(dòng)軸，旋轉(zhuǎn)8角度，相應(yīng)的變換矩陣為最后可得到姿態(tài)矩陣為(1)歐拉角表示可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)信息檢測（1）四元數(shù)表示四元數(shù)是一個(gè)四維矢量，由4個(gè)元素構(gòu)成。它可以用來表示剛體在三維空間中的姿態(tài)。如圖4-13所示。三維直角坐標(biāo)系。豆匕Z&可以認(rèn)為是由0豆匕2八坐標(biāo)系圍繞向量由旋轉(zhuǎn)e角度而得到的?？纱┐魇饺梭w運(yùn)動(dòng)信息檢測在單位時(shí)間間隔△t內(nèi)，假設(shè)剛體角速度為ω，則該轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向e及繞該軸轉(zhuǎn)切過的角度φ分別為相應(yīng)的四元數(shù)表達(dá)式為滿足約束條件以超復(fù)數(shù)形式表示為滿足約束條件利用三角函數(shù)公式：可將四元數(shù)轉(zhuǎn)換成姿態(tài)矩陣（1）四元數(shù)表示可穿戴式人體運(yùn)動(dòng)信息檢測（1）四元數(shù)表示慮擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)04神經(jīng)信息解碼及虛擬現(xiàn)實(shí)交互虛擬現(xiàn)實(shí)交互中，神經(jīng)肌肉電生理信號被實(shí)時(shí)檢測，通過時(shí)域、頻域及時(shí)頻域或變換域的信號分析方法，提取當(dāng)前狀態(tài)下神經(jīng)肌肉電活動(dòng)特征參數(shù)，再通過分類和模式識(shí)別算法判別用戶運(yùn)動(dòng)意圖，并以此驅(qū)動(dòng)和控制虛擬場景中的目標(biāo)對象，包括運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)快慢等運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，以及力量大小及動(dòng)態(tài)變化過程等動(dòng)力學(xué)特征。肌電信號檢測及運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別1.肌電信號檢測原理肌肉作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，它的興奮與收縮是骨骼肌最基本的機(jī)能，也是肌電信號形成的基礎(chǔ)。人體中每個(gè)肌細(xì)胞(又稱肌纖維)都受到來自運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突分支的支配，只有當(dāng)支配肌肉的神經(jīng)纖維興奮時(shí)，動(dòng)作電位通過神經(jīng)傳遞給肌肉，才能引起肌肉的興奮。一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元能夠支配多個(gè)肌纖維，但每個(gè)肌纖維只能被一個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配。一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和它所控制的肌纖維組成的興奮收縮偶聯(lián)單位稱為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元受到刺激時(shí)，肌纖維產(chǎn)生并傳導(dǎo)電沖動(dòng)，最終導(dǎo)致肌肉收縮。因此，肌電信號實(shí)際直接反映了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)指令，也常作為一種重要的神經(jīng)接口信號，被廣泛應(yīng)用于臨床神經(jīng)肌肉系統(tǒng)狀態(tài)評估、生物反饋、假肢控制、康復(fù)治療及臨床診斷等方面。肌電信號檢測及運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別2.肌電信號特征分析及運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別肌電信號是一種微弱的隨機(jī)生理信號，直接記錄的肌電信號需要經(jīng)過預(yù)處理、特征分析、模式識(shí)別3個(gè)主要環(huán)節(jié)才可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)意圖或運(yùn)動(dòng)模式的識(shí)別。肌電信號檢測及運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別2.肌電信號特征分析及運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別預(yù)處理預(yù)處理環(huán)節(jié)主要對原始肌電信號進(jìn)行帶通濾波、50Hz陷波(抑制工頻干擾)。特征分析頻域特征包括中值頻率、中位頻率等。小波分解、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、獨(dú)立分量分析也廣泛用于獲得肌電信號的時(shí)頻域及變換域特征。模式識(shí)別經(jīng)過上一步特征分析后，將所有類別的特征值構(gòu)建成訓(xùn)練數(shù)據(jù)并作為特征向量，輸入分類器中構(gòu)建訓(xùn)練模型，并用測試數(shù)據(jù)測試其分類精度，得到最終分類識(shí)別結(jié)果，該結(jié)果用于目標(biāo)動(dòng)作的解碼，輸出控制命令。肌電信號檢測及運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別2.肌電信號特征分析及運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互腦電信號檢測原理①腦電信號幅值較小，背景噪聲的干擾非常嚴(yán)重。在頭皮中采集的腦電信號其幅值大小通常為0」?30W丫。同時(shí)，由于50Hz工頻干擾、肌電信號、心電信號及眼電信號干擾等帶來的背景噪聲，使得原始腦電信號的成分較為復(fù)雜。因此，腦電信號預(yù)處理是腦電信號特征分析的關(guān)鍵。②腦電信號具有明顯的非平穩(wěn)特性，有很強(qiáng)的隨機(jī)性。這是因?yàn)榇竽X具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，使得腦電信號隨時(shí)間變化呈現(xiàn)非平穩(wěn)特征。③腦電信號具有非線性特性。機(jī)體組織的自我調(diào)節(jié)及自適應(yīng)機(jī)制導(dǎo)致腦電信號呈現(xiàn)非線性特征，這對傳統(tǒng)的基于線性理論的信號分析技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。因此，在腦電信號的處理過程中應(yīng)關(guān)注如何盡量減小其非線性特性的影響。01腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互④腦電信號具有顯著的頻域特性。因此，腦電信號的頻域分析一直是腦電信號分析研究的重點(diǎn)。⑤腦電信號具有特定的節(jié)律特性。根據(jù)頻率可以將其劃分成6、6、a、仇y波等，具體如表4.2所示。1.腦電信號檢測原理腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互腦電信號可分為自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電。自發(fā)腦電是指無特定外部刺激時(shí)的腦神經(jīng)電活動(dòng)變化，可用于診斷癲癇、腦腫瘤，也常為腦損傷、腦血栓、腦發(fā)育異常等疾病的診斷、預(yù)后和治療提供重要臨床信息，此外還用于睡眠、麻醉狀態(tài)的監(jiān)護(hù)；誘發(fā)腦電是指人體受到特定刺激后引起的腦神經(jīng)電活動(dòng)變化，又稱為誘發(fā)電位(EvokedPotentials,EP)或事件相關(guān)電位(Event-relatedPotentials,ERP),常見的有聽覺誘發(fā)電位、視覺誘發(fā)電位、體感誘發(fā)電位3種類型，誘發(fā)電位在神經(jīng)系統(tǒng)異常的診斷、聽覺/視覺功能評價(jià)等方面有廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值。近年來，腦電信號廣泛用于腦機(jī)接口。1.腦電信號檢測原理腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互2.腦電信號特征分析經(jīng)過長期發(fā)展，研究人員已經(jīng)提出了多種腦電信號分析處理方法。20世紀(jì)60年代，研究人員提出了快速傅里葉變換、信號分段和譜平均法等方法用于處理腦電信號。腦電信號作為一種隨機(jī)信號，除采用在頻域中進(jìn)行譜分析外，時(shí)間序列分析、參數(shù)模型法等時(shí)域處理方法也逐漸應(yīng)用于腦電信號的分析處理，并且具有更強(qiáng)的腦電特征提取能力。近年來，小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、混沌分析等新的信號技術(shù)也開始用于腦電信號的分析處理?？傮w而言，腦電信號的常用分析方法主要有以下幾類。腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互2.腦電信號特征分析①時(shí)域分析方法。腦電信號的時(shí)域分析可提取腦電時(shí)域特征，如特征電位潛伏期。通?？捎梅讲罘治?、相關(guān)分析、峰值檢測和過零點(diǎn)檢測等時(shí)域分析方法。②頻域分析方法。通過腦電功率譜分析可以提取腦電信號的頻域特征進(jìn)行分析，如經(jīng)典譜估計(jì)(周期圖)法和現(xiàn)代譜估計(jì)(參數(shù)模型譜估計(jì))法等。③時(shí)頻分析方法。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的小波變換是針對非平穩(wěn)信號的新時(shí)頻分析法。小波變換等時(shí)頻分析法正適用于非平穩(wěn)性質(zhì)的腦電信號分析。發(fā)展至今，腦電信號的時(shí)頻分析已經(jīng)較為成熟，并取得了許多成果，是目前重要的發(fā)展方向之一。腦神經(jīng)信號檢測及虛擬現(xiàn)實(shí)交互2.腦電信號特征分析④非線性分析方法。該方法基于非線性動(dòng)力學(xué)分析，用于提取腦電的非線性特征。常用的有復(fù)雜度分析、Lorentz散點(diǎn)圖、關(guān)聯(lián)維數(shù)D2、Komogrove熠、Lyapunov指數(shù)等。⑤多維統(tǒng)計(jì)分析方法。該方法與時(shí)域、頻域分析方法有本質(zhì)的區(qū)別，其特點(diǎn)是可以同時(shí)分析多個(gè)通道的腦電信號，有助于腦電信號的噪聲分離，提高腦電信號特征提取的質(zhì)量。常用的方法有主分量分析(PrincipalComponentAnalysis,PCA)、因子分析(FactorAnalysis,FA)和獨(dú)立分量分析(IndependentComponentAnalysis,ICA)等，其中獨(dú)立分量分析是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的多維統(tǒng)計(jì)分析方法，獨(dú)立分量分析在對非高斯信號研究的基礎(chǔ)上，以假設(shè)信號各個(gè)成分各自獨(dú)立為前提,可以對多個(gè)信號進(jìn)行混合后再進(jìn)行獨(dú)立源信號分離，從而消除噪聲信號。獨(dú)立分量分析法是現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)信號分析理論的最新成果，適用于多導(dǎo)腦電信號的統(tǒng)計(jì)分析。虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)系統(tǒng)

的人機(jī)交互設(shè)計(jì)05虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互算法設(shè)計(jì)(1)單模態(tài)信號識(shí)別對于單模態(tài)信號，如圖像、視頻、骨架、肌電信號或腦電信號等，典型的識(shí)別方法可分為兩類。一類是基于傳統(tǒng)模式的識(shí)別方法；另一類是基于深度學(xué)習(xí)的端到端識(shí)別方法。虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互算法設(shè)計(jì)(2)多模態(tài)信號識(shí)別多模態(tài)信號識(shí)別與單模態(tài)信號識(shí)別的不同之處主要在于多模態(tài)信號融合，如將動(dòng)作骨架數(shù)據(jù)與肌電信號融合，或?qū)⒓‰娦盘柵c腦電信號融合等。多模態(tài)信號融合分為特征級融合和決策級融合。特征級融合是指通過提取不同源信號的互補(bǔ)性特征建立特征集后，再根據(jù)傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行識(shí)別；決策級融合則是在識(shí)別方法級別對不同的分類算法進(jìn)行融合。虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)1.上肢建模與虛擬場景構(gòu)建虛擬上肢共由34個(gè)造型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，分為17個(gè)骨骼模型（上臂、前臂、手掌、14塊指骨）及17個(gè)關(guān)節(jié)模型（肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、14個(gè)手部關(guān)節(jié)）。圖4-21給出了部分關(guān)節(jié)坐標(biāo)系示意圖。根據(jù)對人體上肢層次結(jié)構(gòu)的分析，采用多坐標(biāo)系結(jié)合局部坐標(biāo)系的方法構(gòu)建虛擬上肢系統(tǒng)。多坐標(biāo)系是針對同一父坐標(biāo)系創(chuàng)建的，每個(gè)掌指關(guān)節(jié)以手掌節(jié)點(diǎn)為父坐標(biāo)系組成局部坐標(biāo)系，其余采用多坐標(biāo)系層層嵌套。虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)1.上肢建模與虛擬場景構(gòu)建在虛擬上肢模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入人體其他部位模型與虛擬上肢進(jìn)行裝配，同時(shí)將人物模型、桌子模型、椅子模型等模塊導(dǎo)入虛擬場景中。虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)1.虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制虛擬上肢的運(yùn)動(dòng)是由每個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。以V-RealmBuilder2.0平臺(tái)為例，節(jié)點(diǎn)的rotation域用于設(shè)定變換后新坐標(biāo)系相對原始坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸及旋轉(zhuǎn)角度，它可以由一個(gè)四元矢量(x,z)表示。通過rotation域的取值可以定義關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，隨著rotation域值的不斷改變，其各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系將會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而可以形成上肢各個(gè)部位的不同姿態(tài)的變換，完成虛擬上肢的運(yùn)動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)可視化時(shí)，需要對人體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)變換進(jìn)行解算，根據(jù)各種姿態(tài)表示方法之間的換算及坐標(biāo)變換方法，可以解算出上肢的運(yùn)動(dòng)情況，將解算出的結(jié)果與三維模型進(jìn)行對接，得到三維模塊姿態(tài)控制需要的參量，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。1.虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)對于上肢多關(guān)節(jié)、多自由度的運(yùn)動(dòng)生理結(jié)構(gòu)，剛體假設(shè)理論把人體上肢等效為由3根剛性連桿組成、連桿與連桿之間通過關(guān)節(jié)進(jìn)行連接的多剛體上肢系統(tǒng)，3根剛性連桿分別代表上臂、前臂和手掌。上肢各肢體的運(yùn)動(dòng)均視為繞關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，各方向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相交于關(guān)節(jié)處。由于人體上肢的構(gòu)成比較復(fù)雜，為了較完整地表示人體上肢的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，假設(shè)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)都是三柱面轉(zhuǎn)動(dòng)副3R關(guān)節(jié)。1.虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制設(shè)計(jì)1.虛擬現(xiàn)實(shí)上肢運(yùn)動(dòng)交互控制虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)代償自適應(yīng)調(diào)整1.肩外展運(yùn)動(dòng)下的代償狀態(tài)當(dāng)患者在完成單側(cè)的肩關(guān)節(jié)外展運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于患者運(yùn)動(dòng)能力不足，為了完成對目標(biāo)物體的觸碰，在訓(xùn)練過程中常伴隨軀體側(cè)傾的代償姿勢。因此系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測脊柱向量在坐標(biāo)系下打平面上與地面法向量的角度a（身體側(cè)傾角度）。利用Vector3.Project來計(jì)算向量在Z軸上的投影，向量本身減去此投影向量則為在XY平面上的向量，再計(jì)算得到的向量與向量(0,1,0)之間的角度α。當(dāng)系統(tǒng)檢測到角度a>15。時(shí)，則判定患者當(dāng)前的體態(tài)會(huì)影響訓(xùn)練效果。此時(shí)，系統(tǒng)使目標(biāo)物體的位置根據(jù)傾斜角度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證患者必須完成規(guī)定角度范圍的運(yùn)動(dòng)才能觸碰到預(yù)設(shè)的目標(biāo)物體。目標(biāo)物體位置在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨a的變化由虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)代償自適應(yīng)調(diào)整1.肩外展運(yùn)動(dòng)下的代償狀態(tài)轉(zhuǎn)移至虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)代償自適應(yīng)調(diào)整2.肩屈曲運(yùn)動(dòng)下的代償狀態(tài)當(dāng)患者完成肩關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于患者運(yùn)動(dòng)能力的不足，為了完成對目標(biāo)物體的觸碰，在訓(xùn)練過程中常伴隨軀體后傾的代償姿勢。因此系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測脊柱向量在"平面上與地面法向量之間的角度乂身體后傾角度)。利用Vector3.Project來計(jì)算向量在X軸上的投影，向量本身減去此投影向量則為在XZ平面上的向量，再計(jì)算得到的向量與向量(0,1,0)之間的角度y。當(dāng)系統(tǒng)檢測到7>15°時(shí)，標(biāo)志著患者正處于代償運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)了參數(shù)調(diào)整目標(biāo)物體的位置由轉(zhuǎn)移至虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)代償自適應(yīng)調(diào)整2.肩屈曲運(yùn)動(dòng)下的代償狀態(tài)通過上述兩種代償運(yùn)動(dòng)修正方式，系統(tǒng)一方面可以檢測出患者的不正常運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并給予提醒警告，另一方面會(huì)自適應(yīng)地調(diào)整目標(biāo)物體的位置，以保證只有完成相應(yīng)角度的運(yùn)動(dòng)才可觸碰到目標(biāo)物體，減小甚至消除代償運(yùn)動(dòng)給康復(fù)訓(xùn)練效果帶來的負(fù)面影響。自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制的實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的新“I”特性，即智能性。其調(diào)整方式進(jìn)一步保障了訓(xùn)練處方對康復(fù)患者的有效性，減小外部原因?qū)τ?xùn)練產(chǎn)生的負(fù)面影響，從而改善康復(fù)效果。虛擬現(xiàn)實(shí)康復(fù)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)教育部高等學(xué)校生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)“十四五”規(guī)劃教材康復(fù)科學(xué)與技術(shù)系列教材虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)應(yīng)用第五章運(yùn)動(dòng)康復(fù)基本知識(shí)01運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)人體運(yùn)動(dòng)是自然界最復(fù)雜的力學(xué)過程之一，它是神經(jīng)、肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)及外在環(huán)境條件協(xié)同作用的結(jié)果。人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)旨在闡明人體在外力和內(nèi)部受控肌力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并指導(dǎo)和服務(wù)于臨床康復(fù)和運(yùn)動(dòng)健康。1.骨生物力學(xué)特性骨骼最重要的力學(xué)特性是其自身的強(qiáng)度和剛度，主要由組成骨骼的骨密質(zhì)和骨松質(zhì)等主要成分決定。圖5-1所示為骨密質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，在彈性范圍內(nèi)，載荷引起的形變是可恢復(fù)變形，一且超過屈服臨界點(diǎn)，將引起不可恢復(fù)的永久變形。剛度是彈性范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率，又稱為彈性模量。運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)2.肌肉生物力學(xué)特性普遍接受的骨骼肌的力學(xué)模型是由英國著名生理學(xué)家希爾提出的三元素模型（見圖5-2）,它由收縮元（代表肌節(jié)中的肌動(dòng)蛋白及肌球蛋白微絲，當(dāng)肌肉興奮時(shí)可產(chǎn)生張力，即主動(dòng)張力）、并聯(lián)彈性元（代表肌纖維膜、肌束膜等結(jié)締組織，當(dāng)肌肉被牽拉時(shí)產(chǎn)生彈力，又稱為被動(dòng)張力）、串聯(lián)彈性元（主要代表微絲、橫橋的固有彈性，并與結(jié)締組織和肌腱有關(guān)，收縮元興奮后使肌肉具有彈性）組成。模型的串聯(lián)構(gòu)成肌肉的長度，模型的并聯(lián)構(gòu)成肌肉的厚度，整個(gè)肌肉的力學(xué)特性由多個(gè)模型串并聯(lián)表示。運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)2.肌肉生物力學(xué)特性當(dāng)肌肉產(chǎn)生力時(shí)，其長度可能出現(xiàn)縮短、伸長、不變?nèi)N情況；肌肉收縮的類型也可歸納為向心收縮（長度縮短，肌力大于外部力）、等長收縮（長度不變，肌力等于外部力）和離心收縮（長度變長，肌力小于外部力）。肌肉受力可用力-長度、力-速度、力-時(shí)間三種關(guān)系曲線進(jìn)行描述。圖5-3所示為肌肉的力-長度關(guān)系曲線示意圖。運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)3.關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性關(guān)節(jié)是人體骨連接的一種重要生理解剖結(jié)構(gòu)，由關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔三部分組成。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)就是分析關(guān)節(jié)的受力及其運(yùn)動(dòng)特征。關(guān)節(jié)是人體運(yùn)動(dòng)的樞紐，是傳遞載荷、協(xié)助運(yùn)動(dòng)的重要器官。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可分解為環(huán)節(jié)繞3個(gè)相互垂直的軸并在3個(gè)相互垂直的面上進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。人體由若干關(guān)節(jié)連接起來的身體環(huán)節(jié)組成，人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)鏈的末端效應(yīng)器完成各種運(yùn)動(dòng)。環(huán)節(jié)：一個(gè)環(huán)節(jié)是相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)中心之間的肢體部分，如大腿、小腿、上臂、前臂等，遠(yuǎn)端最后環(huán)節(jié)是指末端效應(yīng)器或末端環(huán)節(jié)，如頭、手、足等。運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)3.關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特性②運(yùn)動(dòng)副：兩個(gè)環(huán)節(jié)通過一個(gè)關(guān)節(jié)連接起來組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，如膝關(guān)節(jié)將大腿、小腿連接起來形成運(yùn)動(dòng)副；肘關(guān)節(jié)將上臂、前臂連接起來形成運(yùn)動(dòng)副。③運(yùn)動(dòng)鏈：3個(gè)或3個(gè)以上環(huán)節(jié)通過關(guān)節(jié)連接形成運(yùn)動(dòng)鏈。由于人體運(yùn)動(dòng)大多數(shù)情況下是多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，因此運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)茄芯咳梭w運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，運(yùn)動(dòng)鏈可分為開放鏈和閉合鏈。開鏈運(yùn)動(dòng)是近端關(guān)節(jié)固定而遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)（如步行時(shí)的擺動(dòng)相），閉鏈運(yùn)動(dòng)是指肢體遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)固定而近端關(guān)節(jié)活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)（如步行時(shí)的支撐相）。運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)力力是物體之間的相互作用，這種作用可使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化或使物體產(chǎn)生形變。人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)效應(yīng)可分為外力和內(nèi)力兩種類型。014.人體運(yùn)動(dòng)的基本術(shù)語關(guān)節(jié)力矩力矩是表示力作用于物體時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果的物理量。由于人的骨骼系統(tǒng)是一種復(fù)雜的杠桿系統(tǒng)，因此人體環(huán)節(jié)受外力或內(nèi)力作用時(shí)就會(huì)產(chǎn)生環(huán)節(jié)相對關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢，造成這種結(jié)果的物理量可用關(guān)節(jié)力矩（或關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩）進(jìn)行表征。02關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自由度是指一個(gè)關(guān)節(jié)在二維或三維空間可完成的運(yùn)動(dòng)數(shù)目。如果沒有約束，一個(gè)關(guān)節(jié)在二維空間具有3個(gè)自由度，在三維空間具有6個(gè)自由度。03運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)是用于描述人體運(yùn)動(dòng)特征的物理量，主要包括人體各部分運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度、角速度、角加速度，以及身體及關(guān)節(jié)的姿位和關(guān)節(jié)角度等。044.人體運(yùn)動(dòng)的基本術(shù)語人體慣性參數(shù)人體慣性參數(shù)是用于與測度人體形態(tài)有關(guān)的參數(shù)，主要包括人體及各部分的質(zhì)量及其質(zhì)心位置（也常用重心表示），以及各部分繞3個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。05運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量和位置決定了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式和范圍，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軸的多少，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可分為單軸運(yùn)動(dòng)、雙軸運(yùn)動(dòng)和三軸運(yùn)動(dòng)。06運(yùn)動(dòng)康復(fù)生物力學(xué)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)平面關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動(dòng)為伸、屈運(yùn)動(dòng)，圍繞冠狀軸進(jìn)行；關(guān)節(jié)在冠狀面的運(yùn)動(dòng)為內(nèi)收、外展運(yùn)動(dòng)，圍繞矢狀軸進(jìn)行；關(guān)節(jié)在水平面的運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圍繞垂直軸進(jìn)行。074.人體運(yùn)動(dòng)的基本術(shù)語運(yùn)動(dòng)方向屈伸運(yùn)動(dòng)是指關(guān)節(jié)沿冠狀軸運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致相關(guān)兩骨相互接近、角度減小為屈曲運(yùn)動(dòng)，反之為伸展運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)沿矢狀軸的運(yùn)動(dòng)使骨向正中線移動(dòng)，稱為內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，反之為外展運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)環(huán)繞垂直軸運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由前面向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)為旋內(nèi)運(yùn)動(dòng)，反之為旋外運(yùn)動(dòng)。08關(guān)節(jié)活動(dòng)類型①主動(dòng)活動(dòng)，作用于關(guān)節(jié)的肌肉隨意收縮使關(guān)節(jié)活動(dòng)；②主動(dòng)-助力活動(dòng)，作用于關(guān)節(jié)的肌肉隨意收縮，外加醫(yī)電的助力使關(guān)節(jié)活動(dòng)；③被動(dòng)活動(dòng)，完全由外力使關(guān)節(jié)活動(dòng)。09上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范1.上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)（1）肩關(guān)節(jié)肩部骨骼主要包括肱骨、鎖骨、肩胛骨等，組成了喙鎖關(guān)節(jié)、肩肱關(guān)節(jié)、肩胛胸壁關(guān)節(jié)、胸鎖關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、盂肱關(guān)節(jié)。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范1.上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)（1）肩關(guān)節(jié)上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范1.上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)（2）肘關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)由肱骨遠(yuǎn)端與尺骨、槎骨近端構(gòu)成，包括肱尺關(guān)節(jié)、肱梯關(guān)節(jié)、椀尺近端關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的肘關(guān)節(jié)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)作為屈伸運(yùn)動(dòng)（含5°?10°的過伸），而槎尺近端關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)協(xié)同可以開展前臂旋前和旋后運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)包括肘屈伸、前臂旋轉(zhuǎn)及肘-前臂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，肘屈伸和前臂旋轉(zhuǎn)的臨床操作規(guī)范如表5-2所示。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范1.上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)（2）肘關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)由肱骨遠(yuǎn)端與尺骨、槎骨近端構(gòu)成，包括肱尺關(guān)節(jié)、肱梯關(guān)節(jié)、椀尺近端關(guān)節(jié)。運(yùn)動(dòng)康復(fù)中的肘關(guān)節(jié)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)作為屈伸運(yùn)動(dòng)（含5°?10°的過伸），而槎尺近端關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)協(xié)同可以開展前臂旋前和旋后運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)包括肘屈伸、前臂旋轉(zhuǎn)及肘-前臂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，肘屈伸和前臂旋轉(zhuǎn)的臨床操作規(guī)范如表5-2所示。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范1.上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)（3）手部關(guān)節(jié)手部骨骼主要由8塊腕骨、5塊掌骨和14塊指骨組成，形成了槎腕關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、掌骨間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指骨間關(guān)節(jié)。腕關(guān)節(jié)由樓腕關(guān)節(jié)和腕骨間關(guān)節(jié)組成。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范髓關(guān)節(jié)髓關(guān)節(jié)由髓臼和股骨頭構(gòu)成，屬于多軸型球窩關(guān)節(jié)。髓關(guān)節(jié)可沿冠狀軸做伸展運(yùn)動(dòng)，沿矢狀軸做內(nèi)收、外展運(yùn)動(dòng)、沿垂直軸做旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng)。在主動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，髓關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)包括屈髓屈膝、伸髓伸膝、髓外展內(nèi)收、髓轉(zhuǎn)動(dòng)。膝部骨骼有股骨遠(yuǎn)端、脛骨近端、腓骨近端及骸骨。膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和馥骨構(gòu)成，包括脛骨關(guān)節(jié)、股臏關(guān)節(jié)、腓骨近端關(guān)節(jié)。在主動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，膝關(guān)節(jié)可進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)，在屈膝時(shí)還可進(jìn)行輕度磨動(dòng)與環(huán)轉(zhuǎn)。在被動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，膝關(guān)節(jié)和髓關(guān)節(jié)通常是同時(shí)訓(xùn)練的。012.下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)膝關(guān)節(jié)02上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范踝及足關(guān)節(jié)踝部骨骼包括脛骨、腓骨下端與距骨，它們共同組成了下脛腓關(guān)節(jié)和距小腿關(guān)節(jié)。踝的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)包括：跖屈-背伸，跖屈的同時(shí)屈曲足趾，背伸的同時(shí)伸展足趾;內(nèi)翻-外翻，踝內(nèi)翻的同時(shí)屈曲足趾，外翻的同時(shí)伸展足趾。足的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)主要有背伸、跖屈、內(nèi)收、外展、內(nèi)翻、外翻。被動(dòng)運(yùn)動(dòng)包括：踝背伸、距下關(guān)節(jié)內(nèi)翻-外翻、跑跖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、跖骨間關(guān)節(jié)活動(dòng)、跖趾關(guān)節(jié)屈伸等。032.下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范3.肢體康復(fù)功能訓(xùn)練(1)上肢功能訓(xùn)練①肩胛帶控制訓(xùn)練：利用人體自身的體重對肩關(guān)節(jié)做運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，以矯正肩胛骨后撤、下沉的異常姿勢，同時(shí)提高肩胛胸廓關(guān)鍵關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能和肩胛帶的控制能力。②抑制上肢痙攣訓(xùn)練：利用人體關(guān)節(jié)限位，可抑制上肢屈肌痙攣，緩解軀干痙攣，改善運(yùn)動(dòng)能力，誘發(fā)上肢分離運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提高上肢近端控制能力。③上肢分離運(yùn)動(dòng)誘發(fā)訓(xùn)練：通過輔助限制誘導(dǎo)患者完成上肢單一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，可抑制上肢屈肌聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)，誘發(fā)、強(qiáng)化上肢分離運(yùn)動(dòng)。④上肢目的性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練：通過對物品的轉(zhuǎn)移放置訓(xùn)練操作，提高上肢選擇性運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)速度。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范3.肢體康復(fù)功能訓(xùn)練(2)下肢功能訓(xùn)練①抑制下肢聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練：下肢聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)是由屈肌、伸肌聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)兩種異常運(yùn)動(dòng)模式組成的病理性運(yùn)動(dòng)模式。②易化下肢分離運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練：患者通過自己的能力將下垂在床邊的小腿抬起放回治療臺(tái)并維持膝關(guān)節(jié)的屈曲位再放回床邊，過程須保持踝關(guān)節(jié)的背屈，雕關(guān)節(jié)在抬起小腿的過程中完成屈曲、內(nèi)收、旋內(nèi)的分離運(yùn)動(dòng)，從而可抑制患側(cè)下肢聯(lián)帶運(yùn)動(dòng),易化下肢分離運(yùn)動(dòng)，可作為步行前的準(zhǔn)備訓(xùn)練。③下肢選擇性運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練：患者在髓關(guān)節(jié)保持屈曲位并做外展和內(nèi)收動(dòng)作，對于BrunstromW期以上的患者可利用腳靶練習(xí)動(dòng)作，破壞全身聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)，誘發(fā)多種運(yùn)動(dòng)組合的選擇性運(yùn)動(dòng)，提高動(dòng)作柔韌性、協(xié)調(diào)性和速度，提高全身綜合運(yùn)動(dòng)能力。上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范3.肢體康復(fù)功能訓(xùn)練④下肢分離運(yùn)動(dòng)易化訓(xùn)練：患者健側(cè)膝關(guān)節(jié)呈屈曲位，患側(cè)在膝關(guān)節(jié)伸展?fàn)顟B(tài)下完成屈曲-外展-旋內(nèi)動(dòng)作以訓(xùn)練髓關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)；患者處于俯臥位，在雕關(guān)節(jié)充分伸展?fàn)顟B(tài)下完成膝關(guān)節(jié)屈曲動(dòng)作。⑤患側(cè)髓關(guān)節(jié)伸展位的主動(dòng)控制訓(xùn)練：患者健側(cè)單腿站立并控制患側(cè)下肢膝關(guān)節(jié)屈曲，之后再控制慢慢放下患足，使足尖于健足后方著地，從而提高患側(cè)下肢處于擺動(dòng)相的控制能力，改善立位平衡功能，誘發(fā)雕關(guān)節(jié)伸展?fàn)顟B(tài)下膝關(guān)節(jié)屈曲的分離運(yùn)動(dòng)并提高軀干側(cè)屈肌的控制能力。(2)下肢功能訓(xùn)練上、下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練基本臨床操作規(guī)范3.肢體康復(fù)功能訓(xùn)練(2)下肢功能訓(xùn)練⑥患肢下側(cè)抗重力控制能力訓(xùn)練：患者呈坐位，將患側(cè)下肢屈曲抬起(髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)均呈90°),后慢慢放回原地，過程中控制髓關(guān)節(jié)不出現(xiàn)外展和旋外，從而誘發(fā)步行時(shí)患者先前邁出的基本動(dòng)作。⑦步行訓(xùn)練：通過一系列的步行訓(xùn)練矯正步行時(shí)錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)模式，改善軀干穩(wěn)定性，誘發(fā)髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的分離運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化步行基本功，改善平衡功能,提高步行能力，促使下肢肌肉活動(dòng)從而改善步態(tài)并恢復(fù)患者的正常步行功能。身體平衡協(xié)調(diào)與康復(fù)1.身體平衡機(jī)制平衡在力學(xué)上是指物體受到來自各個(gè)方向的作用力和反作用力的大小相等而使其維持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。身體平衡在臨床上是指身體所處的一種姿勢狀態(tài)，并能在運(yùn)動(dòng)或受到外力作用時(shí)自動(dòng)調(diào)整并維持姿態(tài)的一種能力，具體又分為靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡。靜態(tài)平衡是指整個(gè)身體或身體的某一部分處于某種特定姿態(tài)，如坐、站、臣卜，以及蹲馬步、單腳獨(dú)立等；動(dòng)態(tài)平衡又分為自動(dòng)態(tài)平衡和他動(dòng)態(tài)平衡，其中前者是指人體在完成各種自主運(yùn)動(dòng)（如由站到坐、由坐到站等姿態(tài)轉(zhuǎn)換）時(shí)，能重新建立穩(wěn)定狀態(tài)的能力，而后者是指人體對外界擾動(dòng)（如推、拉）產(chǎn)生反應(yīng)并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。當(dāng)平衡狀態(tài)改變時(shí)，機(jī)體恢復(fù)原有平衡或建立新平衡的過程包括反應(yīng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。反應(yīng)時(shí)間是指從平衡狀態(tài)的改變到出現(xiàn)可見運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，而運(yùn)動(dòng)時(shí)間是指從出現(xiàn)可見運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)完成，建立新平衡的時(shí)間。（1）平衡機(jī)制的基本概念身體平衡協(xié)調(diào)與康復(fù)（2）平衡的維持機(jī)制為了維持平衡，人體重心（CenterofGravity,CoG）必須落在支撐面范圍內(nèi)。一般認(rèn)為，保持人體平衡需要感覺輸入、中樞整合、運(yùn)動(dòng)控制3個(gè)環(huán)節(jié)參與，前庭系統(tǒng)、視覺調(diào)節(jié)系統(tǒng)、身體本體感覺系統(tǒng)、大腦平衡反射調(diào)節(jié)、小腦共濟(jì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)及肌群力量在人體平衡功能維持上都發(fā)揮著重要作用。①感覺輸入：正常情況下，人體通過視覺、軀體覺、前庭覺的出入來感知身體所處位置及其與地球引力和周圍環(huán)境的關(guān)系。②中樞整合：3種感覺信息在多級平衡覺神經(jīng)中樞進(jìn)行整合加工，并形成運(yùn)動(dòng)方案。③運(yùn)動(dòng)控制：中樞神經(jīng)系統(tǒng)在對多種感覺信息進(jìn)行分析整合后下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以不同的協(xié)同運(yùn)動(dòng)模式控制身體及某些部位的姿勢變化，以將身體重心調(diào)整回到原來的范圍或重新建立新的平衡。1.身體平衡機(jī)制身體平衡協(xié)調(diào)與康復(fù)（2）平衡的維持機(jī)制1.身體平衡機(jī)制當(dāng)平衡變化時(shí)，人體可通過以下3種調(diào)節(jié)機(jī)制來維持或建立新的平衡。①踝調(diào)節(jié)：當(dāng)人體站立在一個(gè)穩(wěn)定而且較大的支撐面上，同時(shí)受到較小的外界擾動(dòng)時(shí)，身體重心以踝關(guān)節(jié)為軸進(jìn)行前后轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)，調(diào)整重心以保持身體的穩(wěn)定性。②髓調(diào)節(jié)：當(dāng)人體站立在較小的支撐面（小于雙足面積）上，受到較大外界擾動(dòng)時(shí)，身體擺動(dòng)幅度較大；為了減小身體擺動(dòng)，使重心重新回到雙足范圍內(nèi)，人體將通過貌關(guān)節(jié)的屈伸來調(diào)整身體重心以維持平衡。③跨步調(diào)節(jié)：外界擾動(dòng)過大使身體擺動(dòng)進(jìn)一步增加時(shí)，重心超出其穩(wěn)定極限人體啟動(dòng)跨步調(diào)節(jié)機(jī)制，自動(dòng)向用力方向快速跨出或跳躍一步，重新建立身體重心支撐點(diǎn)。身體平衡協(xié)調(diào)與康復(fù)2.平衡功能的康復(fù)訓(xùn)練通常，平衡訓(xùn)練采用循序漸進(jìn)原則，主要表現(xiàn)在以下方面。①支撐面由大到?。河?xùn)練時(shí)支撐面面積由大逐漸變小，即從最穩(wěn)定的體位過渡到最不穩(wěn)定的體位。②重心由低到高：仰臥位-前臂支撐下的俯臥位-肘膝跪位-雙膝跪位-半跪位-坐位-站立位，重心由低到高，逐步增加平衡訓(xùn)練的難度。③從睜眼到閉眼：視覺對平衡有補(bǔ)償作用，在初始訓(xùn)練時(shí)可在睜眼狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)平衡功能改善后，可在閉眼狀態(tài)下進(jìn)行，以增加訓(xùn)練難度。④從靜態(tài)平衡到動(dòng)態(tài)平衡：首先恢復(fù)患者保持獨(dú)自坐或獨(dú)自站的靜態(tài)平衡功能，再訓(xùn)練自動(dòng)態(tài)平衡，最后才是他動(dòng)態(tài)平衡。⑤逐漸增加訓(xùn)練的復(fù)雜性：一般先在穩(wěn)定的支撐面上進(jìn)行，而后在活動(dòng)的支撐面上進(jìn)行。身體平衡協(xié)調(diào)與康復(fù)2.平衡功能的康復(fù)訓(xùn)練平衡訓(xùn)練就是幫助患者重新找回重心位置并保持身體穩(wěn)定的訓(xùn)練方法，包括坐位平衡訓(xùn)練和站位平衡訓(xùn)練兩大類，其中針對平衡反應(yīng)的訓(xùn)練是指建立相對于支撐面變化而控制重心的平衡調(diào)節(jié)反應(yīng)的訓(xùn)練，如站立時(shí)的踝調(diào)節(jié)反應(yīng)和能調(diào)節(jié)反應(yīng)、在支撐面變化時(shí)的誘發(fā)平衡調(diào)節(jié)反應(yīng)，以及重心偏移至支撐面以外的跨步反應(yīng)和保護(hù)性伸展反應(yīng)等。運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的

上肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)02上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)任務(wù)訓(xùn)練模式的訓(xùn)練動(dòng)作包括上肢聯(lián)帶運(yùn)動(dòng)抑制訓(xùn)練和上肢分離運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化訓(xùn)練，對應(yīng)于物理治療中肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展、肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展和肩關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)康復(fù)動(dòng)作，即訓(xùn)練動(dòng)作I、U、山，旨在有針對性地提高關(guān)節(jié)靈活性，增加肌力和肌肉耐力。游戲訓(xùn)練模式的訓(xùn)練為上肢目的性訓(xùn)練，對應(yīng)于作業(yè)治療中綜合性的日常動(dòng)作訓(xùn)練，即訓(xùn)練動(dòng)作W、V、VI,旨在綜合改善各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)能力和靈活性。表5-5列出了臨床上肢康復(fù)訓(xùn)練方案及參數(shù)。上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)1.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)為了計(jì)算并設(shè)計(jì)出虛擬環(huán)境中任務(wù)與位置信息的具體映射關(guān)系，人體模型的肢體長度是必需的計(jì)算依據(jù)之一。然而，在虛擬場景中對模型的驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是對骨骼的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此將關(guān)節(jié)之間的距離作為模型的肢體長度，具體需要檢測的關(guān)節(jié)點(diǎn)分布如圖5-12所示。上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)(1)訓(xùn)練動(dòng)作Ⅰ確定坐標(biāo)系原點(diǎn)，利用三角函數(shù)，通過計(jì)算可以獲得初始體態(tài)下患者末端的位置為（當(dāng)角色的上肢到達(dá)初始體態(tài)位置后，表示患者已完成到初始體態(tài)的轉(zhuǎn)換并做好開始訓(xùn)練的準(zhǔn)備，此時(shí)目標(biāo)物體出現(xiàn)，因難度不同會(huì)使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度（目標(biāo)角度）（60°或90°）有所不同，目標(biāo)物體在局部坐標(biāo)系中的位置為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)(1)訓(xùn)練動(dòng)作Ⅰ根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。曲線的構(gòu)造方式采用10個(gè)小型對象物體形成軌跡虛線。其預(yù)設(shè)的虛線映射模型關(guān)系為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)(1)訓(xùn)練動(dòng)作Ⅰ在計(jì)算獲得以上關(guān)鍵位置的局部坐標(biāo)后，左乘變換矩陣即利用前面公式可得到最終目標(biāo)位置在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)（2）訓(xùn)練動(dòng)作Ⅱ通過三角函數(shù)計(jì)算可得初始體態(tài)下患者的末端在局部坐標(biāo)系中的位置當(dāng)患肢到達(dá)規(guī)定位置后，目標(biāo)物體出現(xiàn)，具體位置根據(jù)目標(biāo)角度而定同樣，根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)曲線映射模型關(guān)系為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)（3）訓(xùn)練動(dòng)作Ⅲ通過計(jì)算可得初始體態(tài)下患肢的末端位置在局部坐標(biāo)系中的位置當(dāng)患肢到達(dá)規(guī)定位置后，目標(biāo)物體出現(xiàn)，具體位置同樣根據(jù)目標(biāo)角度而定，即根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。構(gòu)建模型映射關(guān)系為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)(4)訓(xùn)練動(dòng)作Ⅳ目標(biāo)在局部坐標(biāo)系中的初始位置與訓(xùn)練動(dòng)作Ⅰ的初始體態(tài)位置相同，設(shè)定為，，在計(jì)算獲得局部坐標(biāo)后，左乘轉(zhuǎn)換矩陣，即可得到目標(biāo)初始位置全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)(4)訓(xùn)練動(dòng)作Ⅳ轉(zhuǎn)移目標(biāo)點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的位置為根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。構(gòu)建模型映射關(guān)系為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)（5）訓(xùn)練動(dòng)作Ⅴ目標(biāo)在局部坐標(biāo)系中的初始位置為，在計(jì)算獲得局部坐標(biāo)后,左乘轉(zhuǎn)換矩陣，即可得到目標(biāo)初始位置在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)移目標(biāo)點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的位置為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)（5）訓(xùn)練動(dòng)作Ⅴ根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。構(gòu)建模型映射關(guān)系為上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)及參數(shù)設(shè)計(jì)2.上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)（6）訓(xùn)練動(dòng)作Ⅵ標(biāo)在局部坐標(biāo)系中的初始位置與訓(xùn)練動(dòng)作Ⅰ的初始體態(tài)位置相同，設(shè)定為在計(jì)算獲得局部坐標(biāo)后，左乘轉(zhuǎn)換矩陣，可得到目標(biāo)初始位置在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置。轉(zhuǎn)移目標(biāo)在局部坐標(biāo)系中的位置為根據(jù)動(dòng)作的初始位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)，設(shè)計(jì)構(gòu)建動(dòng)作軌跡引導(dǎo)曲線。構(gòu)建模型映射關(guān)系為虛擬角色和場景建模（1）模型參數(shù)上臂參考《中國成年人人體尺寸(GB/T10000-1988)》中手臂的長度，具體參數(shù)如表5-6所示，將真實(shí)人體的上肢尺寸作為制作虛擬上肢的參考依據(jù)之一根據(jù)模型制作的比例要求及真實(shí)人體的上肢尺寸，定義了模型在制作過程中各部分的具體長度，如表5-7所示。1.虛擬角色建立虛擬角色和場景建模（2）角色模型制作角色模型參照Unity3D官方的模型任務(wù)Unitychan進(jìn)行構(gòu)型制作。模型構(gòu)建的順序從粗模型構(gòu)建開始，在模型構(gòu)建完成后，為其制作匹配的貼圖并設(shè)置材質(zhì)附著于模型之上。為了使虛擬模型順利參與到各種虛擬環(huán)境的交互中，應(yīng)根據(jù)模型的尺寸制作碰撞體。1.虛擬角色建立虛擬角色和場景建模1.虛擬角色建立①模型構(gòu)建。為了從整體上把控角色模型的比例，從頭部開始制作粗模型，然后依次是頸部-胸部-腰部-腹部-腿部-上肢，如表5-8所示。虛擬角色和場景建模1.虛擬角色建立②模型導(dǎo)入與關(guān)節(jié)限制設(shè)置。3dsMax為本書用于制作模型的軟件環(huán)境,虛擬現(xiàn)實(shí)場景的實(shí)現(xiàn)環(huán)境是Unity3D,因此需要將制作好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行操作，具體導(dǎo)入?yún)?shù)及其設(shè)置如表5-9所示。虛擬角色和場景建模1.虛擬角色建立Unity3D環(huán)境中的Mecanim系統(tǒng)使用肌肉來限制不同骨骼的運(yùn)動(dòng)范圍，一旦Avatar配置完成，Mecanim就能解析其骨骼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以在Muscles選項(xiàng)卡中調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。用戶可非常容易地調(diào)節(jié)角色的運(yùn)動(dòng)范圍，確保其看起來真實(shí)自然。用戶可以在視圖上方使用預(yù)先定義的變形方法對多塊骨骼同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，也可對單塊骨骼進(jìn)行調(diào)整。在Muscles選項(xiàng)卡中可直接對關(guān)節(jié)角度參數(shù)設(shè)置限制范圍，運(yùn)動(dòng)范圍限制的參數(shù)設(shè)置參照表5-10中的功能活動(dòng)度來進(jìn)行設(shè)置。虛擬角色和場景建模1.虛擬角色建立③人體模型碰撞體的制作。角色的碰撞體是針對產(chǎn)生交互的主要軀體部分而設(shè)計(jì)的。根據(jù)上肢模型形狀，選擇CapsuleCollider（膠囊碰撞體）這種形狀的碰撞體分別包裹在角色模型的上臂和前臂上。膠囊碰撞體由一個(gè)圓柱體和與其相連的兩個(gè)半球體組成，是一個(gè)膠囊形狀的基本碰撞體，其半徑和高度都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，既可用在角色控制器中，也可與其他不規(guī)則形狀的碰撞結(jié)合使用，其碰撞體參數(shù)設(shè)置如表5-11所示。虛擬角色和場景建模1.虛擬角色建立③人體模型碰撞體的制作。經(jīng)過以上步驟實(shí)現(xiàn)對模型本身的搭建、貼圖的制作及細(xì)節(jié)的修改，最終在虛擬場景中的角色模型如圖5-13所示。角色模型將作為用戶在虛擬場景中的化身去完成一系列的訓(xùn)練任務(wù)。虛擬角色和場景建模2.虛擬場景設(shè)計(jì)虛擬角色和場景建模2.虛擬場景設(shè)計(jì)物體模型的構(gòu)建與人體模型相比，貨架、收銀臺(tái)、頂燈、貨物類物品的形狀更規(guī)則，制作起來難度也小得多。通過構(gòu)建多邊形，再對模型進(jìn)行可編輯多邊形轉(zhuǎn)換后，做少量修改便可將相應(yīng)物體模型制作完成。01貼圖制作對于貨架、頂燈、購物車、收銀臺(tái)類環(huán)境模型，在材質(zhì)球中構(gòu)建黑色金屬的材質(zhì)附給模型；對于交互模型，先對模型進(jìn)行UVW的模型展開，再對展開后的UVW模板進(jìn)行繪制；一些規(guī)則的物品，如盒裝牛奶、盒裝餅干等，可直接通過PhotoShop軟件，配合包裝盒圖片進(jìn)行貼圖制作。02虛擬角色和場景建模2.虛擬場景設(shè)計(jì)物體模型碰撞體的制作交互模型的碰撞體是規(guī)則的幾何體形狀碰撞體，采用BoxCollider來構(gòu)建物體模型的碰撞體。盒碰撞體是一個(gè)立方體外形的基本碰撞體。該碰撞體可以調(diào)整為不同大小的長方體，可用作門、墻及盒裝貨物等。將碰撞體的IsTrigger選項(xiàng)勾選，其Size參數(shù)設(shè)置如表5-13所示，物體模型碰撞體需將模型本身完全覆蓋，因此設(shè)置參數(shù)應(yīng)使碰撞體大于模型。03虛擬角色和場景建模2.虛擬場景設(shè)計(jì)物體模型碰撞體的制作為物品模型碰撞體添加剛體組件，剛體的構(gòu)建能讓虛擬場景中的對象被物理引擎所控制，剛體參數(shù)設(shè)置如表5-14所示，它能通過受到推力和扭力來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的物理表現(xiàn)效果，這些效果都是基于NVIDIA的PhysX物理引擎來實(shí)現(xiàn)的。物理引擎的引入可提高用戶的浸入感，改善訓(xùn)練效果。03虛擬角色和場景建模2.虛擬場景設(shè)計(jì)物體模型碰撞體的制作03運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)1.基于Kinect的運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測前述上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)簡化為肩、肘、腕關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，因此追蹤記錄上肢關(guān)節(jié)的空間位置即可實(shí)現(xiàn)對虛擬環(huán)境角色的上肢運(yùn)動(dòng)控制。這里選用廣泛使用的Kinect體感運(yùn)動(dòng)檢測技術(shù)，骨骼追蹤作為Kinect的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)體感交互功能的重要基礎(chǔ)，它可以準(zhǔn)確地標(biāo)定人體的25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。Kinect骨骼跟蹤算法通過處理深度圖像信息來識(shí)別人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的具體位置。該算法可以通過深度圖像中的像素點(diǎn)來評估和判斷人體位置，再通過決策樹分類器來判斷像素點(diǎn)在對應(yīng)身體部分的可能性，進(jìn)而選拔出最大概率區(qū)域，緊接著通過計(jì)算分類器來判斷關(guān)節(jié)的相對位置作為身體的特定部位。最后，根據(jù)用戶的位置信息對骨架進(jìn)行標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)對人體25個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)追蹤。關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)將作為用戶控制虛擬角色的驅(qū)動(dòng)器。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)1.基于Kinect的運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測在Unity3D環(huán)境中，通常通過驅(qū)動(dòng)骨骼來完成對模型的控制，因此需要為制作的人物模型添加合理的骨骼構(gòu)造。Unity3D現(xiàn)有的動(dòng)畫制作大都依靠Mecanim系統(tǒng)其基本方法就是建立系統(tǒng)簡化骨架結(jié)構(gòu)與用戶實(shí)際骨架結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，即Avatar。首先，在模型(含骨骼)的Animation類型中選擇Humanoid，然后Mecanim系統(tǒng)會(huì)嘗試將用戶提供的骨架結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)內(nèi)嵌的骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，可選擇在Avatar面板中的Mapping參數(shù)項(xiàng)下使用Automap(自動(dòng)匹配原始姿態(tài))創(chuàng)建一個(gè)骨骼映射。Kinect骨骼跟蹤算法通過處理深度圖像信息來識(shí)別人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的具體位置。該算法可虛擬角色的模型需要與簡化骨骼數(shù)量相同。在Unity3D環(huán)境中，為角色模型附加角色控制器，并構(gòu)建Kinect的相關(guān)控制插件，對腳本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)從外部對虛擬環(huán)境中的人物角色進(jìn)行鏡像化的體感控制。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)1.基于Kinect的運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測采集數(shù)據(jù)的最終目的是實(shí)現(xiàn)體感控制，僅有關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息是不夠的，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而得到更多的有用信息。通過關(guān)節(jié)點(diǎn)位置來構(gòu)造“骨骼向量”,設(shè)骨骼向量起點(diǎn)關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為向量終點(diǎn)關(guān)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為則對應(yīng)的向量為通過提取Shoulder-Right與Elbow-Right兩個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，從而構(gòu)造出上臂向量；通過Elbow-Right與Wrist-Right關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出前臂向量；通過Spine-Base與Spine-Shoulder關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出脊柱向量。利用Vector3類中的Angle函數(shù)直接根據(jù)兩個(gè)向量計(jì)算求出關(guān)節(jié)角度，例如，前臂向量vecl和上臂向量vec2可直接通過anglesVector3.Angle（vecl,vec2）求得肘關(guān)節(jié)的彎曲角度，利用脊柱向量vec3與上臂向量vec2可計(jì)算得出肩關(guān)節(jié)的角度。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（1）訓(xùn)練初始動(dòng)作姿態(tài)的監(jiān)測①起始姿態(tài)引導(dǎo)線。針對訓(xùn)練動(dòng)作I、IV、V和訓(xùn)練方案的初始姿態(tài)為肘關(guān)節(jié)保持伸直，肩關(guān)節(jié)屈曲90°。因此，目標(biāo)引導(dǎo)的形式以整條手臂位置作為標(biāo)準(zhǔn)，從肩部位置開始到上肢末端位置通過預(yù)設(shè)黃色小立方體來構(gòu)建引導(dǎo)線。建立好預(yù)設(shè)的黃色小立方體，將其轉(zhuǎn)換為Prefab預(yù)設(shè)體并保存到項(xiàng)目資源之中。利用Instantiate函數(shù)在Unity3D環(huán)境中進(jìn)行實(shí)例化，使該交互物體出現(xiàn)在虛擬場景中的角色模型上肢在起始姿態(tài)下的手臂位置。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（1）訓(xùn)練初始動(dòng)作姿態(tài)的監(jiān)測①起始姿態(tài)引導(dǎo)線。利用矩陣變換，推導(dǎo)出兩個(gè)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的具體位置引導(dǎo)線需要由多個(gè)黃色小立方體共同構(gòu)成，其位置只在Z軸方向上發(fā)生改變。利用一個(gè)循環(huán)體，在改變Z軸坐標(biāo)值的過程中多次產(chǎn)生Prefab預(yù)設(shè)體即可完成初始體態(tài)預(yù)設(shè)線的設(shè)置。為黃色小立方體設(shè)置碰撞體，并將其標(biāo)簽（Tag）設(shè)置為LineL利用OnTriggerEnter函數(shù)檢測上肢與立方體的碰撞，當(dāng)物理引擎檢測到碰撞后，進(jìn)一步檢測碰撞體的Tag是否為Linel,若條件成立，則黃色碰撞體消失，當(dāng)所有的預(yù)設(shè)體消失后，表示患者已處于訓(xùn)練動(dòng)作的起始姿態(tài)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線和目標(biāo)物體出現(xiàn)并引導(dǎo)患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測

運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（2）運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)軌跡曲線采用的預(yù)設(shè)體為藍(lán)色球體，采用Instantiate函數(shù)在Unity3D環(huán)境中對其進(jìn)行實(shí)例化。以訓(xùn)練動(dòng)作I為例，根據(jù)前文所構(gòu)建的訓(xùn)練任務(wù)坐標(biāo)映射模型，利用循環(huán)語句在上肢末端起始位置和目標(biāo)位置之間構(gòu)建由多個(gè)藍(lán)色小球聯(lián)合組成的軌跡引導(dǎo)曲線。將藍(lán)色球體的Prefab預(yù)設(shè)體的Tag設(shè)置為Line2，并為人體模型添加碰撞檢測腳本，當(dāng)上肢碰撞體與藍(lán)色軌跡曲線發(fā)生碰撞后，軌跡曲線消失。當(dāng)患者沿軌跡曲線運(yùn)動(dòng)上肢使軌跡碰撞體消失后，上肢末端也就到達(dá)了目標(biāo)位置，從而達(dá)到引導(dǎo)和規(guī)范運(yùn)動(dòng)的目的。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（3）動(dòng)作完成情況判定①時(shí)間限制。在不同的難度分級中，根據(jù)時(shí)間要求，先定義單精度浮點(diǎn)數(shù)Timer的數(shù)值，在主函數(shù)中利用StartCoroutine開啟一個(gè)協(xié)程，在開啟的協(xié)程的接口中開始計(jì)時(shí)。當(dāng)Timer變量從規(guī)定值開始，協(xié)程暫停1s后再執(zhí)行變量減一的操作，從而實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)器的功能，對單次訓(xùn)練動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行限制。②關(guān)節(jié)角度。任務(wù)訓(xùn)練模式是以觸碰預(yù)設(shè)目標(biāo)物體為導(dǎo)向的，當(dāng)患者根據(jù)引導(dǎo)使上肢到達(dá)規(guī)定的初始位置后，目標(biāo)物體根據(jù)預(yù)設(shè)的映射模型出現(xiàn)在相應(yīng)的位置。系統(tǒng)的物理引擎開始不間斷地監(jiān)測碰撞信息，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊也實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)。當(dāng)患者根據(jù)視覺反饋控制人體模型觸碰到目標(biāo)物體時(shí)，達(dá)成訓(xùn)練的一級指標(biāo)要求，即在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)物理碰撞；同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并計(jì)算關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)，并與該難度等級下的目標(biāo)角度進(jìn)行比對以判斷是否達(dá)成訓(xùn)練的二級指標(biāo)要求，即關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度是否達(dá)標(biāo)。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（3）動(dòng)作完成情況判定③碰撞檢測。碰撞體的檢測主要是通過Unity3D的物理引擎來模擬實(shí)現(xiàn)的，而碰撞體發(fā)生碰撞后產(chǎn)生的具體效果需要通過編輯的腳本來設(shè)置。為交互的對象添加不同的標(biāo)簽(Tag),即在對象的Inspector屬性欄中為不同的交互對象設(shè)置標(biāo)簽，設(shè)置情況如表5-16所示。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（3）動(dòng)作完成情況判定③碰撞檢測。為上肢碰撞體編輯碰撞檢測腳本，利用OnTriggerEnter函數(shù)檢測上肢與交互對象的碰撞，當(dāng)物理引擎檢測到碰撞后，進(jìn)入函數(shù)內(nèi)部開始檢測碰撞體的標(biāo)簽，從而識(shí)別交互的具體對象，并為不同對象編輯不同的效果腳本，進(jìn)而在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)不同的交互結(jié)果。表5-17所示為不同函數(shù)與交互效果。運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.康復(fù)訓(xùn)練過程的跟蹤監(jiān)測（3）動(dòng)作完成情況判定④交互檢測。力觸覺反饋與腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)虛擬康復(fù)應(yīng)用設(shè)計(jì)03腕部運(yùn)動(dòng)康復(fù)任務(wù)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的力觸覺反饋與OpenGL庫相結(jié)合，Chai3D能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中創(chuàng)建和可視化三維虛擬對象和工具。交互工具是兩個(gè)商業(yè)硬件設(shè)備，包括觸覺反饋設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。觸覺反饋裝置(Omega.7,ForceDimensionInc.,Switzerland)為用戶提供3個(gè)自由度的力反饋和握力反饋(見圖5-20)。觸覺設(shè)備允許的操作空間是一個(gè)直徑為160mm,高為110mm的圓柱形，末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)范圍為240°><1400*180。下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用設(shè)計(jì)04人體下肢在靜止站立、姿態(tài)轉(zhuǎn)換、行走過程中同時(shí)承擔(dān)了支撐自身重量并維持身體平衡等功能，下肢康復(fù)訓(xùn)練在臨床康復(fù)中占據(jù)著非常重要的地位。行走是下肢承擔(dān)的主要生理功能。在下肢行走康復(fù)任務(wù)設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)模擬人體髓關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)范圍，并結(jié)合踝關(guān)節(jié)的相對運(yùn)動(dòng)，使下肢各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，逐步使患者恢復(fù)正常的行走功能。在下肢行走功能康復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還需要充分考慮臨床應(yīng)用需求。針對行走能力訓(xùn)練功能，臨床上特別關(guān)注直線訓(xùn)練和轉(zhuǎn)彎訓(xùn)練，進(jìn)一步可衍生出左轉(zhuǎn)彎訓(xùn)練、右轉(zhuǎn)彎訓(xùn)練、直線到轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)彎到直線等多種行走方式，訓(xùn)練任務(wù)可以是其中的一種，也可以是多種組合。模擬騎行的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.肌電信號檢測原理踏車是一種廣泛使用的下肢康復(fù)訓(xùn)練器械，騎行訓(xùn)練模式屬于主動(dòng)訓(xùn)練模式的一種，在模擬騎行姿態(tài)的同時(shí)，系統(tǒng)通過傳感器感知并獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖，然后按預(yù)設(shè)的控制策略得出相應(yīng)的末端運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)而幫助患者完成訓(xùn)練動(dòng)作。另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為患者呈現(xiàn)豐富多彩的虛擬場景，踏車系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)合，可以更有效地激發(fā)患者康復(fù)訓(xùn)練的主動(dòng)性和參與感，以及在虛擬場景中實(shí)現(xiàn)騎行目標(biāo)的成就感，進(jìn)一步提升康復(fù)療效，騎行訓(xùn)練模式與虛擬軟件系統(tǒng)之間的交互信息反饋是“人-機(jī)-虛擬場景”融合的重要保證。模擬騎行的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.肌電信號檢測原理①動(dòng)作實(shí)時(shí)同步機(jī)制：患者在主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，將通過騎行訓(xùn)練模式采集的運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給虛擬軟件端，用于控制虛擬人物模型的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)患者下肢與虛擬下肢之間的運(yùn)動(dòng)同步。②路況反饋機(jī)制：該虛擬游戲的路況主要分為平坦小路、泥濘小路、上坡路及下坡路4種。模擬騎行的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.基于足踝作用力檢測的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)正常的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)足部和踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)收/外展等基本運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍（或關(guān)節(jié)活動(dòng)度，ROM）參數(shù)如表5-18所示。模擬騎行的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.基于足踝作用力檢測的下肢康復(fù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)的基本任務(wù)和踝關(guān)節(jié)的解剖特點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)康復(fù)的基本目標(biāo)如下：①恢復(fù)和增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)自如的收縮和舒張功能；②恢復(fù)正常的關(guān)節(jié)活動(dòng)度，恢復(fù)和增強(qiáng)支配關(guān)節(jié)活動(dòng)度的肌肉力量；③恢復(fù)腳部正常感覺，增強(qiáng)人體本體感覺，提高關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生后遺癥。虛擬現(xiàn)實(shí)交互下的平衡功能康復(fù)應(yīng)用設(shè)計(jì)05虛擬現(xiàn)實(shí)平衡康復(fù)原理由于腦神經(jīng)具有可塑性，即自身結(jié)構(gòu)和功能可以隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷修飾和重組，這也為腦卒中等神經(jīng)損傷的功能康復(fù)提供了可能。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性依賴于傳入刺激的存在，及時(shí)有效的功能訓(xùn)練有助于誘發(fā)來自皮膚、關(guān)節(jié)深淺感受器的大量信息被激活、調(diào)控初級感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和次級運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)功能。研究表明，腦卒中平衡功能障礙的改善可以通過輸入正常的平衡功能運(yùn)動(dòng)模式來影響輸出，促進(jìn)正常平衡功能模式的形成，完成大腦皮層功能區(qū)“模式整合”，從而改善空間定向能力和動(dòng)作的協(xié)調(diào)性；同時(shí)，肌肉和關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)反過來又向中樞神經(jīng)系統(tǒng)提供了大量的淺、深感覺沖動(dòng)的輸入，激活中樞神經(jīng)，這樣就能有效地使患者的肢體運(yùn)動(dòng)盡可能協(xié)調(diào)和自然，達(dá)到最大限度恢復(fù)平衡功能的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)平衡康復(fù)原理虛擬現(xiàn)實(shí)游戲的任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練任務(wù)導(dǎo)向性訓(xùn)練(Task-orientedTraining,TOT)是以個(gè)體、任務(wù)與環(huán)境間的相互作用為基礎(chǔ)的，在完成任務(wù)的過程中，患者不斷得到成功和失敗的反饋，大腦對獲得的信息進(jìn)行整合和重組，促使運(yùn)動(dòng)模式不斷調(diào)整，形成優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)動(dòng)程序，使患者適應(yīng)環(huán)境改變的同時(shí)，學(xué)會(huì)解決目標(biāo)任務(wù)的方法，從而提高運(yùn)動(dòng)平衡功能。虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)游戲可以為患者設(shè)