基于运动感知的手指康复训练系统的设计与实现

摘要

康复医学与控制工程、机器人学等学科高度交叉的手指康复训练系统能够有效缩短脑卒中患者手指功能康复周期、降低康复医师的劳动强度和提高训练效率，是有效解决手指康复问题的前沿技术途径，具有重要的研究和应用价值。　　在整个手指运动中，拇指功能占50%以上，拇指和食指的对指功能占80%以上。脑卒中患者病后会出现对指等精细运动功能的丧失，也会失去一部分触觉感知和本体感受功能，失去对运动的感知，日常生活和工作能力受到严重影响。本文针对现有手指康复训练系统运动感知参数单一和缺少对指训练功能的问题，创新性的设计并实现了一套基于运动感知的手指康复训练系统，重点解决了该系统实现过程中的一系列工程技术问题，其中包括机械结构设计、指力检测、手指关节主动活动度（ActiveRange ofMotion，AROM）测量、电路设计、主动和被动训练模式设计、触摸式和语音识别人机交互以及3D虚拟手模型实时随动。主要研究结果如下：　　（1）根据对手指生理结构及运动特性的分析结果，创新性的设计了能够实现对指训练和拇指训练的机械结构。与其它手指训练装置相比，具有结构简单、安全性高的优点。系统测试结果表明：机械结构达到了安全性、可靠性和舒适性的设计要求。　　（2）针对患者手指运动反馈感知丧失的问题，设计并实现了基于多传感器的手指运动感知系统，实现了手指角度、速度、位置以及指力的感知，为手指康复评价和康复训练提供了客观数据。针对指力信号的滤波问题，提出了一种改进型的限幅消抖平均滤波法。该方法融合了限幅滤波法、消抖滤波法和平均滤波法的优点，能够有效的抑制指力信号的抖动和受到的干扰，提高指力感知系统对电压信号获取的精度，为主动训练模式的实现打下了基础。实验结果表明，相较于传统的限幅递推平均滤波法，所提出的改进型限幅消抖滤波法具有更强的消抖能力和抗干扰能力，其中样本信号的最大误差emax可进一步降低31.8%，方差S2可进一步降低37.4%。另外，针对手指AROM测量中存在的问题，本系统提出了一种双九轴姿态传感器测量手指AROM的方法，并设计了一种新型的可穿戴式测量装置，实现了手指AROM的测量，为手功能康复评价提供了一种新的技术途径。　　（3）基于手指运动感知系统，设计并实现了手指康复训练控制系统，包括硬件电路、下位机控制系统软件、人机交互系统和上位机监控系统。传统人机交互严重依赖PC机，导致康复训练系统因便携性差、价格贵难以实现家用化。本文设计了基于7寸智能触摸屏和语音模块的人机交互系统，实现了手指康复训练和康复评价的家用化。另外，为了能够实时呈现手指关节变化的细节，基于虚拟现实技术设计了3D虚拟手随动系统，其能够更好的反馈手指康复效果的信息。测试结果表明：系统软硬件均达到了安全性、和可靠性的设计要求。语音指令对系统控制的准确率在实验室、医院和住宅小区环境高达95%、90%和84%以上。　　（4）在康复医师的指导下，进行了手指康复训练实验。实验结果表明：训练装置能够带动拇指指腹和食指相碰完成对指被动训练；当指力达到阈值时，电机转动辅助手指完成对指主动训练；拇指训练时，其关节活动角均大于处于功能位的关节活动角。进一步验证了手指康复训练系统在不同训练模式下具有安全性、稳定性和有效性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究目的与内容

2 系统整体设计

2.1 系统需求分析

2.2 系统总体设计

2.3 训练装置机械结构设计与实现

2.3.1 手指生理结构和运动特性分析

2.3.2 传动与安全机构设计

2.3.3 对指与拇指训练机械结构设计

2.4 本章小结

3 基于多传感器的手指运动感知

3.1 指力感知

3.1.1 指力信号常用滤波法

3.1.2 改进型限幅消抖平均滤波法

3.1.3 实验结果分析

3.1.4 薄膜压力传感器标定

3.2 手指姿态感知

3.2.1 手指AROM康复评价

3.2.2 基于双九轴姿态传感器的手指AROM测量方法

3.2.3 数据融合算法

3.2.4 手指AROM的解算

3.2.5 手指单一关节欧拉角

3.2.6 可穿戴式手指AROM测量装置的设计与实现

3.3 手指速度和位置感知

3.4 本章小结

4 手指康复训练控制系统设计与实现

4.1 控制系统总体设计

4.2 硬件电路设计与实现

4.2.1 硬件电路总体结构

4.2.2 主控制器模块

4.2.3 传感测量模块

4.2.4 电机驱动模块

4.2.5 数据存储模块

4.2.6 电源管理模块

4.2.7 PCB设计与实现

4.3 下位机控制系统软件设计与实现

4.3.1 下位机控制系统软件流程设计

4.3.2 被动训练模式设计与实现

4.3.3 主动训练模式设计与实现

4.4 触摸式人机交互设计与实现

4.4.1 软件设计

4.4.2 通信测试

4.5 语音识别人机交互设计与实现

4.5.1 语音识别

4.5.2 硬件结构

4.5.3 软件设计与实现

4.6 上位机监控系统设计与实现

4.6.1 3D虚拟手模型实时随动系统设计与实现

4.6.2 实时数据传输方案

4.6.3 多线程技术

4.7 设备通信与控制

4.8 本章小结

5 系统测试与康复训练实验分析

5.1 系统测试

5.1.1 机械结构测试

5.1.2 硬件电路测试

5.1.3 语音识别交互测试

5.1.4 3D虚拟手模型实时随动系统测试

5.2 康复评价

5.3 康复训练实验

5.3.1 对指训练

5.3.2 拇指训练

5.3.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学校期间发表的学术论文及研究成果