基于无线式数据手套的虚拟手控制系统研究*

王清波 虞 成

基于无线式数据手套的虚拟手控制系统研究*

王清波①虞 成①

目的：建立基于无线式数据手套的康复训练平台，利用虚拟现实的视觉等反馈机制，弥补传统康复训练的不足，帮助患者在反复的尝试-练习-更正过程中，不断提高其参与积极性及康复效果。方法：使用多个弯曲传感器采集手指弯曲程度，通过分压电路转换成模拟信号，使用芯片(STC12C5A60S2)的模拟数字(AD)采集单元，转换为数字量并通过串口传输数据，通过蓝牙模块将数据无线发送至主机端，数据提取后用于控制虚拟手。结果：弯曲传感器数据采集准确、有效，利用无线蓝牙进行数据传输，其传输稳定方便，三维虚拟手模型控制连续及有效。结论：构建一套基于无线式数据手套的虚拟手控制系统，能够有效用于患者的手部运动康复。

弯曲传感器；虚拟现实；康复

[First-author's address]Equipment Department, Hangzhou First People's Hospital, Hangzhou 310006, China.

脑卒中，即中风或脑血管意外(cerebrovascular aceident，CVA)，属于脑血管类疾病，是由于脑部供血受阻而迅速发展的脑功能缺失[1]。上肢动作是众多脑卒中患者能够简单、快捷实现自主生活的基础[2]。目前，临床上对于脑卒中患者在进行康复训练时，由治疗师手把手地对患者进行一对一的训练，其训练方式无法向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程枯燥单调，患者往往是被动接受治疗，参与治疗的主动性不够[3]。为此，本研究设计一款能够测量手指活动角度的数据手套，结合虚拟现实技术，利用现有虚拟手模型有效地跟踪患者手的运动，实现建立患者手部康复训练的虚拟手平台。

1 基于数据手套的三维虚拟手控制系统设计

三维虚拟手控制系统由数据手套设计和三维虚拟手控制两部分组成。其中数据手套包括关节角度传感器、测量电路、微控制器单元(micro controller unit，MCU)及无线传输模块组成。由关节角度传感器进行关节角度测量，测量电路将关节角度变化的物理量转换为电信号，MCU进行模拟数字(analog digital，AD)采集并将数据按照固定格式发包，无线传输模块负责数据手套数据的无线传输，如图1所示。

图1 三维虚拟手控制系统设计示图

1.1.1 角度传感器设计

使用弯曲传感器，以实现检测手指关节的弯曲角度。弯曲传感器表面是一层特殊的电阻材料，当弯曲传感器受到应力发生弯曲变形时，表面的电阻值随即发生变化，弯曲程度越高，电阻值越大。弯曲传感器可应用于机器人、虚拟运动及音乐设备等相关领域，工作寿命＞100万次弯曲[4](如图2所示)。

图2 弯曲传感器角度变化检测线路及装置图

1.1.2 信号调理设计

通过串接角度传感器电阻，测量角度传感器的电压，将其连接到电压跟随电路[5]。其电路如图3所示。

图3 电压比较电路图

1.1.3 数字控制部分

采用的STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟和(或)机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗及超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/ D转换(250 K/s)，针对电机控制，强干扰场合[6]。其中A/D转换部分包括10位精度模拟数字转换器(analog digital converter，ADC)，共8路，转换速度可达250 K/s(25万次/s)。手指的角度变化通过弯曲传感器测量→经过分压电路→跟随电路→经STC12C5A60S2的P1口进行AD采集。采集程序如下：

ADC_RES=0；//高8位数据清零

ADC_RESL=0；//低2位清零

在新的文化环境下，现代工笔画艺术存在不同的探索与表现形式。一方面，以展现工笔绘画的色彩空间与图式语言来扩大传统工笔艺术的感染力与表现力，当代工笔绘画艺术家对工笔画艺术及其生存环境进行了积极的探索与开拓，将工笔绘画置于广大的时空之中，给观者以丰富的联想与参照，并赋予其审美情趣和视觉方式的某种现代特征；另一方面，许多抽象的、装饰性的作品通过高度的提炼、概括以及适当地夸张、变形，恰当地传达了现代人的审美趣味，具有独特之性，发展了传统工笔绘画艺术的装饰美。细观罗春辉的作品，我们会明显感知，他是综合上述两种表现形式并形成有自己风格的艺术家。

ADC_CONTR|=0x08；//启动AD转换

while(!tp) //判断AD转换是否完成

{

tp=0x10;

tp&=ADC_CONTR;

}

ADC_CONTR&=0xe7;

1.1.4 无线传输单元

蓝牙是一种短距离无线通信技术，最初用于代替传统电缆形式的串口通信RS-232，实现串口接口设备之间的无线传输以及降低移动设备的功耗和成本[7]。自20世纪90年代末期蓝牙无线通讯技术提出以来，该通讯技术在医疗、工业控制、智能家居、汽车电子、实时定位系统以及手机通讯等诸多领域中得到广泛的应用，具有易于组网、通信稳定、抗干扰能力强、成本低廉以及易于操作等优点[8]。

本研究使用HC-05蓝牙串口套件，其使用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。波特率为4800、9600、19200和38400，默认为9600。模块如图4所示。

图4 蓝牙模块示图

1.2 软件单元设计

开放场景图(open scene graph，OSG)是一款高性能的三维图形开发库，是开源的高性能三维图形开发包，广泛应用于可视化仿真、视频游戏、虚拟现实及专业领域的三维可视化以及三维造型领域。由于其在标准C++和OpenGL的之上建立，能够在Windows、GNu/Linux等多个操作系统平台上使用[9]。

本研究使用虚拟手OSG模型作为展示模型，提供作为患者的手部视觉反馈[10]。该模型仿真手指的关节结构，具备拇指(2关节)，食指(3关节)、中指(3关节)、无名指(3关节)、小指(3关节)及腕关节等控制参数，可通过结构体的参数设置来进行模型控制(如图5所示)。

图5 虚拟手模型及骨架示图

2 三维虚拟手控制系统的实现

2.1 无线数据手套

无线数据手套部分开机上电后可自动检测弯曲角度，能够测量拇指、食指、中指、无名指及小指的弯曲角度，并可按照50 Hz/s的速度传输数据。蓝牙模块上电后可自动连接，通过串口检测接收，数据无丢包现象，并可有效传输。弯曲传感器采用粘合的方式固定在手套上。数据手套佩戴舒适，采集模块置于手掌背部，无明显阻碍。

2.2 虚拟手模型控制

虚拟手模型部分采用已有虚拟手(浙江大学求是高等研究院设计)，本研究主要设计接口部分。虚拟手模型共15关节，本设计中使用角度传感器，各指关节采用联动方式。因虚拟手模型每次获取角度需更新输出，考虑显卡输出频率受限，故在虚拟手模型显示部分对采集的数据进行删减，降低输出频率，显示频率更新设计为10 Hz。模拟手显示有效，能够在10 Hz频率上按照手指角度定时输出。

3 结论

有研究表明，脑卒中患者在虚拟场景中通过视、听、触和嗅觉的反馈能够实时调整对虚拟物体的移动、抓、放等操作，手的灵巧度和运动控制能力在训练后都有明显的改善[11]。南加州大学研制的虚拟康复系统以游戏的形式帮助患者训练上肢和手的各种功能，增强了训练的趣味性，并尝试将虚拟现实(virtual reality，VR)技术用于功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)系统的设计和测试[12-13]。患者能在虚拟环境中学会运动技能，并且能将掌握的运动技能运用于现实世界的真实环境[14-15]。

研究使用多个弯曲传感器测量手指弯曲程度，通过分压电路将传感器电阻信息转换成模拟信号，输入至芯片(STC12C5A60S2)的AD采集单元，并转换为数字量然后利用串口通过蓝牙模块传输数据，从而构建无线数据手套。数据通过蓝牙模块无线发送至主机端，数据提取后用于控制虚拟手。该系统为患者提供了带视觉反馈的自主康复训练平台，经健康人试验，系统能够达到预期的设计技术要求，且性能稳定。目前，现有的系统仅可提供实时的视觉反馈，而用于记录患者长时程的康复记录、便于患者观察康复效果以及提高康复主动性的数据库环节设计有待后续进行。

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Research on virtual hand control system based on wireless data glove/

WANG Qing-bo, YU Cheng//
China Medical Equipment,2015,12(12):35-37.

Objective:To establish a rehabilitation training system based on virtual hand model, in order to make up the lack of traditional rehabilitation by using vision feedback mechanism of virtual reality, and help patients raise participation enthusiasm and rehabilitation effect through the process of attempt-exercise-correction.Methods:Flex-sensor was used to collect the angle of fingers' bending. The AD collection module was used to transform the signal to digital and transmitted by serial port.Then the data was transmitted to computer by bluetooth module and used to control the virtual hand.Results:Hall current sensor was accurate and effective for data collection. The acquisition terminal and monitor server were fast and convenient for data transmission and management.Conclusion:A control system for virtual hand based on wireless data glove was constructed, and it could be used effectively for the recovery of hand movement.

Flex-sensor; Virtual reality; Rehabilitation

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.011

1672-8270(2015)12-0035-03

R197.324

A

2015-07-22

南京医科大学科技发展基金(2013NZMU229)“基于虚拟手模型的自主康复训练系统研制及定量评价模型研究”

①杭州市第一人民医院设备科 浙江 杭州 310006

王清波,男,(1983- ),硕士，工程师。杭州市第一人民医院设备科，从事医学生物传感器、检测等技术方面的项目研究以及医疗设备的临床验证研究、医疗设备售后的技术支持等工作。