手功能康复训练机器人软件系统的设计与实现

摘要

脑卒中俗称中风，已经成为当今社会中危害人类健康的重大疾病之一，卒中后遗症往往包含手功能的丧失。根据大脑可塑性原理，手功能需要大量重复性的功能性训练来康复。基于虚拟现实技术的手功能康复训练机器人系统已成为当前的一个研究热点，但当前的研究及设备存在着软件系统和硬件设备的耦合过于紧密，虚拟现实游戏的管理较为困难，康复评估功能较弱等问题。 本文的研究目标是设计并实现一套手功能康复训练软件系统，采用软硬件分离的设计概念，为手功能康复训练机器人提供统一的软件接口，实现可适配于任何训练设备的软件系统，同时提供灵活的训练游戏管理方案和典型的虚拟现实训练游戏，并实现良好的康复评估功能。 本文创建了一个虚拟手模型，详细分析了人手的骨骼结构、关节自由度，建立了人手关节的层次关系模型和坐标系，结合空间坐标的齐次变换关系，得出手的正向运动和逆向运动学方程，以及人手运动的静态和动态约束，实现了对手模型的运动控制和手部运动跟踪功能。 本文设计并实现了手能力评定、训练方案的设定和虚拟现实训练游戏三个模块。用虚拟手模型模拟患者手部形态，评估手指运动范围和力量，完成手功能能力的评定。然后制定训练方案，并将训练参数发送给硬件设备进行康复训练，实现了软硬件的分离。基于Unity设计并实现了典型的虚拟训练游戏，实现手功能康复被动训练、助力训练、主动训练的多模式训练，支持多种功能性训练包括单指、对捏、抓握等动作。 本文依据康复评估医学指标，设计并完成了康复评估系统，将患者的训练数据保存至云服务器。根据患者的手功能障碍情况和康复指标的变化趋势，制定科学合理的康复方案，及时调整治疗计划。 经系统实验与测试，本文设计的软件系统各模块功能良好，系统具有稳定性和可用性，完成了设定的研究目标，满足脑卒中手功能障碍患者康复训练和康复评估的需求。

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