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外骨骼式手部康复机器人控制系统与策略研究

陈宏伟  
【摘要】:手是人体最重要的器官之一,在人类日常生活中扮演着无可替代的作用。由于脑卒中(中风)等术后因中枢神经损伤导致的手部运动功能障碍,为患者的日常生活带来了极大了影响,需要通过康复训练来重新获得运动功能。随着机器人及相关技术的发展,利用机器人技术辅助患者手指进行弯曲及伸展训练已成为众多医疗研究机构的研究热点之一。 本文首先概述了康复领域目前比较熟知的康复理论并分析了国内外手部康复机器人的研究现状,总结概括了上述各种方案的优缺点。随后本项目阐述了康复原理及研究方案,在概述外骨骼式手部康复机器人机械系统的基础上,详细说明了机器人硬件系统的设计思路和硬件组成,其主要包括单芯片系统、电机驱动控制系统、传感器采集系统和通信及电源管理系统四个部分。 为了给患者提供便携、人性化的康复体验,本文基于Android系统设计了由用户交互式图层、数据访问层、虚拟现实康复训练层和个性化康复层组成的人机交互康复软件。人机交互康复软件通过蓝牙模块控制机器人运动的同时可以在图表中实时显示来自控制系统采集到的患者运动康复参数,并利用虚拟现实技术搭建手指弹钢琴的运动情景诱导患者进行康复训练,提高患者的康复效果。 在对外骨骼式手部康复机器人运动学、动力学分析的基础上,设计了两种基本康复模式:被动康复模式和主动康复模式,研究了主动加被动模式的康复控制策略,通过指尖力传感器实现两种基本康复模式的自主切换。在此基础上结合人机交互康复软件构成主动诱导式的康复控制方法,以诱导患者主动参与康复训练,提高患者的康复效果。 通过搭建外骨骼式手部康复机器人实验平台,对设计完成的外骨骼式手部康复机器人硬件系统与人机交互康复软件分别进行性能测试并验证系统各模块的可行性与可靠性;然后结合外骨骼式手部康复机器人机械系统对机器人进行整体实验以验证本文所提出的康复控制策略。实验表明本系统运行稳定可靠,康复策略具有可行性,可以用于脑卒中患者的康复训练。


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