情景交互式康复训练机器人技术研究与系统设计

摘要

近年来，随着医学技术发展和人口老龄化，有肢体运动功能障碍的患者逐年增加，为了帮助这些患者，减轻患者家庭和社会的负担，同时解决康复医疗的供需矛盾，康复医疗已成为国际关注的重要问题，而康复训练机器人技术的研究已成为康复医学工程与机器人领域跨学科的研究热点。
　　康复医学的最新研究成果表明大脑具有可塑性和神经网络重构机制，充分的运动、感知刺激和患者积极主动的响应是激发这种机制的有效前提，康复训练机器人的临床应用也表明患者康复训练的效果与其在康复训练过程中的主动性与积极性联系密切。
　　本课题在研究和分析现有技术的基础上，将虚拟现实技术、机器人技术相结合，研究基于虚拟场景交互的下肢康复训练机器人技术，在机器人辅助下肢康复训练过程中引入生动的、多感知的交互式虚拟场景，开展情景交互式康复训练机器人系统中的信息检测、机器人设计与控制、虚拟场景设计与人机交互等技术研究，完成情景交互式康复训练机器人系统设计，具体内容如下:
　　设计了情景交互式康复训练机器人系统，主要由下肢康复训练机器人、情景交互子系统、视觉信息采集模块、下位机系统及无线通信连接组成。
　　在分析人体步态运动的基础上，设计了一种下肢康复训练机器人，其拟步态运动轨迹可以帮助患者完成下肢多关节的协调运动训练，情景交互子系统和下肢康复训练机器人通过无线通信连接交换信息，完成了下肢康复训练机器人的控制和力反馈输出。
　　情景交互子系统利用Kinect摄像头捕获人体运动信息，将患者的体感信息作为系统输入控制虚拟人物的同步运动与场景交互，同时结合3D Studio Max软件，先后采用基于OpenGL函数库和基于Unity3D游戏引擎的方法开发了用于情景交互的虚拟场景，设计了虚拟人物与患者间的步态同步控制算法，实现了康复训练过程中的同步交互。
　　最后，在所设计的下肢康复训练机器人和产品化康复机器人上完成了软硬件系统的联调测试。实验结果表明下肢康复训练机器人设计合理，安全、稳定，情景交互子系统能够满足康复训练机器人情景交互的需要，步态同步控制算法有效，人机交互良好，能够满足设计要求，可以激励并帮助脑卒中患者等下肢运动功能障碍病人实现积极主动的康复训练。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本课题的研究内容及章节安排

2．1 引言

2．2 系统总体结构设计

2．3 动作捕获与识别

2．3．1 Kinect传感器结构介绍

2．3．2 Kinect工作原理介绍

2．3．3 骨骼数据介绍

2．4 虚拟环境搭建与人机交互

2．4．1 OpenGL简介及其在开发虚拟环境中的应用

2．4．2 Unity3D游戏引擎简介及其在开发虚拟环境中的应用

2．5 系统通信实现

2．6 康复评估策略研究

2．7 本章小结

第三章 情景交互式康复训练机器人机构及硬件系统设计

3．1 引言

3．2 情景交互式康复训练机器人机械结构设计

3．2．1 人体下肢运动分析

3．2．2 下肢康复训练机器人机构设计

3．3 驱动方案设计

3．4 通信硬件电路设计

3．5 设计完成效果

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 动作捕获与处理

4．3 手势识别的实现

4．4 基于OpenGL的虚拟交互系统设计

4．4．1 虚拟环境搭建

4．4．2 虚拟人物的同步交互

4．4．3 虚拟环境中的碰撞检测

4．4．4 阴影制作

4．4．5 系统运行效果

4．5 基于Unity3D引擎的虚拟交互场景设计

4．5．1 开发平台相关介绍

4．5．2 场景地形制作

4．5．3 碰撞检测与角色控制器

4．5．4 渲染效果

4．5．5 图形用户界面设计

4．5．6 虚拟场景运行效果

4．6 基于Unity3D引擎的康复训练机器人步态同步控制算法研究

4．6．1 虚拟人物动作实现

4．6．2 实时步速更新

4．6．3 步幅在线更新

4．6．4 关键帧同步补偿控制

4．6．5 同步交互

4．7 力反馈研究

4．8 下位机软件设计

4．9 通信与监控软件设计

4．9．1 模块通信

4．9．2 无线通信连接

4．9．3 监控软件设计

4．10 系统误差来源分析

4．11 本章小结

5．1 引言

5．2 传感器标定实验

5．3 手势识别实验

5．4 步态同步控制实验及结果分析

5．5 虚拟交互反馈力分析实验

5．6 系统在产品化康复训练机器人上的应用研究

5．7 本章小结

6．1 课题总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要科研成果