被动式上肢康复机器人虚拟现实控制系统开发

摘要

研究表明，及时有效的运动康复训练可有效地促进偏瘫上肢障碍患者的康复。基于虚拟现实技术的康复机器人是虚拟现实技术和机器人技术在康复领域的前沿应用，不仅能够利用康复机器人辅助患者康复训练、采集训练参数等，而且采用虚拟现实技术建立虚拟场景可鼓励患者更加积极主动地参与康复训练。
　　为帮助偏瘫上肢障碍患者实现完全康复，本课题组进行了基于虚拟现实技术的被动式三自由度上肢康复机器人系统的开发。目前已完成康复机器人样机的研制以及运动学分析，作者在参与整个课题的基础上，重点负责建立虚拟现实交互平台以及整体控制系统的开发。
　　虚拟现实技术构建虚拟场景用于康复治疗时涉及重复、反馈和动机三个关键环节，更加符合临床康复应用需求，可帮助患者实现更加安全、有效和持久的运动性康复训练。本文在Visual C++开发环境下，利用Windows GDI和OpenGL（开放型图形库）创建了用于康复训练的虚拟场景。该场景的建立不仅符合康复机器人的实际运动情况，同时在场景中设置了阻抗运动模式，通过力的反馈作用可适应不同患者的康复训练强度，大大提高了患者的康复训练兴趣。
　　为实现患者、康复机器人以及虚拟场景三者之间的可靠交互，本文对整体控制系统进行了开发，包含两个方面:首先，利用多线程串口通信技术实现了康复机器人三重轴转动数据的实时采集和处理，完成了康复机器人与虚拟场景之间的交互。其次，利用数字信号处理器2407A建立了下位机控制系统。2407A输出地占空比可调的脉宽调制信号(PWM)可方便驱动磁粉制动器，同时考虑到PWM信号不足以控制功率管的原因，利用IR2125建立了驱动放大电路，整体实现了可方便调节磁粉制动器输出力矩大小的预期功能，满足实现不同康复训练强度的要求。整体系统的成功实现为日后其他工作如康复模式的增加、评价系统的建立等奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题意义

1．2 虚拟现实康复机器人研究现状

1．3 本课题研究现状

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 虚拟现实康复平台的建立

2．1 引言

2．2 虚拟现实技术对肢体障碍康复的影响

2．3 虚拟现实技术概述

2．4 虚拟场景的实现技术

2．4．1 OpenGL概述

2．4．2 基于VC++的OpenGL程序框架的建立

2．5 康复机器人虚拟场景的建立

2．5．1 康复机器人运动模式

2．5．2 虚拟场景的建立

2．6 本章小结

第三章 计算机多串口通信

3．1 引言

3．2 绝对式编码器的应用

3．2．1 绝对式编码器概述

3．2．2 绝对式编码器的技术通信协议

3．3 绝对式编码器与计算机的通信

3．4 Windows多线程下串行通信的实现

3．4．1 Windows多线程

3．4．2 Windows多线程串行通信原理

3．4．3 Windows多线程串行通信实现方法

3．5 总体设计思想

3．5．1 CSerialPort类程序框架的建立

3．5．2 多串口实时通信的实现

3．6 本章小结

第四章 下位机硬件通信

4．1 引言

4．2 TMS320LF2407A

4．3 2407A整体控制系统

4．4 2047A最小系统各模块功能及电路介绍

4．4．1 2407A最小系统

4．4．2 DSP与计算机的串行通信

4．5 磁粉制动器的应用

4．5．1 磁粉制动器概述

4．5．2 磁粉制动器的应用参数

4．6 磁粉制动器驱动放大电路的实现

4．6．1 磁粉制动器的驱动方式

4．6．2 驱动放大电路的建立

4．6．3 系统试验平台

4．7 本章小结

第五章 下位机软件通信

5．1 引言

5．2 CCS 3．3软件

5．3 DSP产生PWM信号的方法

5．4 SCI和PWM程序

5．5 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 全文总结

6．2 前景展望

参考文献

攻读学位期间公开发表学术论文情况

致谢