基于虚拟现实技术的主动式三自由度上肢康复机器人研究

摘要

人体上肢运动是由神经系统和运动系统共同协调作用完成，是人类独立生活必不可少的条件之一。运动系统或神经系统出现问题会导致人体肢体障碍，严重者甚至会丧失运动能力，严重影响人的正常生活。脑卒中是一种因人体神经损伤而产生的疾病，通常多发生于中老年人群中。随着医学技术的进步，脑卒中患者的死亡率大幅降低，但是患者治疗后多伴有偏瘫症状。现代研究表明，偏瘫患者神经功能受损后，经过科学的康复训练可使其中枢神经系统完成结构重组和功能代偿，在一定程度上恢复运动功能。目前，传统康复模式中存在着训练方式单一、效率低下等不足，相比之下结合了现代康复医学、计算机虚拟现实技术和工程技术的康复机器人，不仅可以提供多种训练模式帮助患者进行康复，而且采用虚拟现实环境能够提高患者的主动性，具有一定的优势。为此本课题开发的上肢康复机器人有着非常重要的研究意义和应用前景。
　　针对上肢偏瘫患者中自主能力较弱者不能实现自主运动的情况，本文在实现了被动式训练模式的上肢康复机器人基础上对其进行拓展，开发了主动式的训练模式系统。
　　主动训练模式主要采用交流伺服电机作为动力源，通过电机的输出力矩带动机器人手柄进行运动从而引导患者完成康复训练。对伺服电机的数学模型进行分析，通过MATLAB平台对伺服系统进行模型建立，采用id=0的矢量控制策略，整定了PID参数，并对整个伺服系统进行仿真验证其控制方案正确性。
　　整个系统的控制核心由数字处理器DSP2407A完成。DSP2407A具有专用电机控制模块，利用该模块实现伺服电机的SVPWM矢量控制。ADC模块完成电流和电压采样功能，QEP模块完成对编码器的信号采集，系统通信由SCI模块实现，通过I/O口输出PWM波控制磁粉离合器输出可控力矩。系统中还设计了安全保护电路，有效保证系统正常运行。
　　本文开发了一款擦黑板的虚拟现实游戏帮助患者进行训练康复，在Visual C++平台下结合OpenGL图形技术建立虚拟环境，在该环境下患者可以进行漫游和擦黑板两种训练模式。环境中采用3DMAX建立模型导入，采用纹理贴图实现逼真的虚拟场景，并且加入了碰撞检测和编写擦黑板算法。主动模式的开发丰富了康复模式，对患者实现循序渐进的康复具有一定指导意义，也为下一步的康复评价和康复环境的开发等工作奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．3 课题研究现状

1．4 论文研究目的和内容

1．4．1 论文研究目的

1．4．2 论文研究内容

第二章 伺服电机的控制方案

2．1 引言

2．2 伺服电机数学模型

2．2．1 数学模型建立的条件

2．2．2 永磁同步电机基本方程

2．2．3 坐标变换

2．3 伺服电机的矢量控制

2．3．1 id=0的控制策略

2．3．2 电压空间矢量脉宽调制

2．4 PI控制器设计

2．4．1 电流环PI控制器设计

2．4．2 速度环PI控制器设计

2．4．3 位置环PI控制器设计

2．5 伺服系统的Simulink仿真

2．6 本章小结

第三章 控制系统的硬件设计

3．1 引言

3．2 系统总体控制框架设计

3．3 基于DSP的控制回路

3．3．1 TMS320LF2407A芯片

3．3．2 DSP控制单元

3．4 系统主回路设计

3．4．1 主功率电路

3．4．2 IPM驱动和电平转换

3．5 检测电路

3．5．1 转子位置检测

3．5．2 速度检测

3．6 本章小结

第四章 控制系统的软件设计

4．1 引言

4．2 软件控制系统的整体结构

4．3 DSP软件开发平台CCS3．3

4．4 软件各单元设计

4．4．1 位置速度计算

4．4．2 三环PI控制

4．4．3 SVPWM软件实现

4．4．4 串行通讯

4．5 本章小结

第五章 康复平台的建立

5．1 引言

5．2 虚拟现实技术

5．3 虚拟现实环境的实现技术

5．3．1 开放性图形库

5．3．2 Visual C++下程序框架建立

5．4 虚拟环境的建立和开发

5．4．1 3D模型载入

5．4．2 碰撞检测技术

5．4．3 黑板擦除程序

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 前景与展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的学术论文

致谢