基于力反馈的远程上/下肢康复机器人研究

摘要

康复机器人已经广泛地运用于中风患者的康复锻炼中，成为康复工程领域的重要研究前沿之一。我国残障人数总计约6700万，是世界残障者最多的国家；我国65岁以上的老年人口占全国人口总数的11％以上，并有持续增长的趋势，预计到2010年将超过2亿，而我国现在的康复治疗师基数却仅有5460人。如此大的供需差距而我国的康复机器人研究才刚刚起步，因此本课题的研究具有重要的应用前景和现实意义。
　　 远程康复机器人的研制不仅有助于解决传统康复训练方法迫切需要解决的问题，而且可以帮助康复医师制定出更为客观的康复评价指标，从而为更加深入的了解康复规律提供了可能。本文通过对国内外康复机器人的发展现状及应用情况的总结，提出了基于力反馈的远程上/下肢康复机器人设计方案，具体研究如下：
　　 根据基于力反馈的远程上/下肢康复机器人系统的应用场合和应用对象，通过对各种设计方案的比较和选择，确定了系统的总体设计方案，包括机械结构设计、安全性设计、运动控制系统的选择、计算机控制系统的选择和软件开发环境的选择等，并根据市场需求提出了一种集上肢和下肢康复锻炼于一体的家用/社区医院用的远程康复机器人。
　　 为了便于康复治疗师能够方便地远程监控和指导患者的康复锻炼，本文设计了便携式的肌电信号和血氧饱和度测量仪，它可在线检测患者康复锻炼过程的肌电信号，随同视频信号、力信号和运动位置信号一起反馈给康复治疗师。整个系统以C8051F340单片机为核心，完成了传感器数据采集，力矩电机以及磁流变阻尼器的驱动等，并加入了隔离电路，为整个系统的正常安全的工作提供了硬件上的保障。
　　 利用Viusal C++设计了远程康复机器人的PC机控制软件，其中包括基于Directshow的视频数据采集、基于Socket的网络通讯程序、基于虚拟现实的游戏软件，用于保存患者康复信息的数据库程序，实现了患者的在康复治疗师远程监控下的康复锻炼以及康复信息的保存。
　　 实验证明，该康复系统有良好的适用性和有效性，其运行安全、可靠，并能够充分的调动患者的康复锻炼积极性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

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

1.2.3 初步结论和目前存在的问题

1.3 本文的研究内容及主要工作

第二章 远程上/下肢康复机器人系统设计方案

2.1 康复机器人的设计原则

2.1.1 机构设计原则

2.1.2 传感器设计原则

2.1.3 控制器设计原则

2.1.4 辅助测量仪器原则

2.1.5 机器人功能模块设计原则

2.2 系统机械机构设计

2.2.1 系统机械结构简介

2.2.2 机器人安全性设计

2.3 运动控制系统选择

2.3.1 电机的选择

2.3.2 磁流变阻尼器的选择

2.4 计算机控制系统结构的选择

2.5 编程语言及编程工具选择

2.5.1 下位机

2.5.2 上位机

2.6 本章小结

第三章 远程上/下肢康复机器人的测控系统设计

3.1 传感器及其检测电路

3.1.1 位置传感器检测电路

3.1.2 扭矩传感器检测电路

3.2 生理参数检测电路

3.2.1 血氧饱和度检测电路

3.2.2 肌电信号检测电路

3.3 单片机处理单元C8051F340

3.4 电机驱动电路

3.5 磁流变阻尼器控制

3.5.1 恒流原理

3.5.2 恒流源电路设计

3.6 基准电源的使用

3.7 系统的抗干扰设计

3.8 接口与通讯

3.9 下位机软件设计

3.10 本章小结

第四章 远程上/下肢康复机器人系统软件设计

4.1 视频数据采集和显示

4.1.1 数据采集和显示

4.1.2 视频的采集和显示

4.2 网络通讯环节设计

4.2.1 数据的网络传输

4.2.2 视频的编解码和网络传输

4.2.3 语音的网络传输

4.3 康复游戏设计

4.4 患者信息数据库设计

4.5 本章小结

第五章 临床实验与分析

5.1 实验目的

5.2 实验对象

5.3 实验过程

5.4 实验结果及分析

5.4.1 实验结果

5.4.2 实验结果分析

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 课题总结

6.2 远程康复机器人不足及发展展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果