多种原因引起的运动功能障碍严重影响患者日常生活,康复训练对肢体运动功能恢复有重要的意义。基础研究及临床实践已经证实,虚拟现实技术通过视觉反馈和提示可促进肢体运动功能康复,其主要生理机制是镜像神经元的运动记忆功能提高了被试的运动参与积极性,从而促进大脑运动皮层区域产生短暂的运动幻想。近年来,人们不断探索和完善虚拟现实技术在运动康复中的应用,利用虚拟现实提供的运动场景和肢体运动可视化激活大脑镜像神经元。针对课题组正在开展的上肢康复研究需要,本论文设计研究了多关节虚拟上肢系统,并实现了虚拟关节运动的交互控制。首先,本文分析了上肢的生理结构及运动特点,以此为基础采用实体模型结合棒模型的几何建模方法在V-Realm Builder 2.0平台搭建虚拟上肢模型,定义了上肢关节相互关联的层次模型和坐标系,并利用3ds max对虚拟上肢模型外观优化。根据人体上肢运动特点对虚拟上肢的运动控制进行设计,设置rotation域控制关节运动方位及运动角度,实现了对虚拟上肢的单关节单步运动、单关节多步运动及多关节运动等多种运动方式编码;利用Leap Motion体感设备采集手部运动数据,通过关节运动学数据分析建立抓握动作手指关节角度-时间模型,在前述运动编码方式的基础上构建手部关节运动的姿态控制矩阵,并通过等间隔和非等间隔两种降采样方式压缩编码控制矩阵。设计建立了虚拟上肢运动姿态模型,并采用6轴蓝牙姿态传感器检测人体上肢真实的运动姿态数据,以Simulink中的S-function函数完成数据的实时接收和处理,建立了传感器姿态数据四元数与虚拟上肢关节运动控制参数rotation的实时映射关系,通过VR Sink模块将得到的rotation值写入虚拟世界域中,以此驱动虚拟上肢关节的运动,从而实现了虚拟上肢平台的实时人机交互功能,为上肢的运动提供实时的可视化反馈。本文设计的虚拟上肢平台最后应用于课题组关于运动可视化调节中枢神经活动的研究中,该平台提供了接近人体实际肘关节屈/伸运动的动作演示以及肘关节运动的实时可视化反馈。结果表明,该平台实现了虚拟上肢与人体真实上肢运动的一致性,同时搭建虚拟上肢平台实验环境为被试者提供较为逼真的上肢运动的可视化反馈,有良好的沉浸感,满足课题组实验的人机交互需求。