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康复医疗手臂外骨骼系统的研究

李军强  
【摘要】:随着社会的发展和物质生活的极大丰富,因中枢神经疾病产生的肢体运动功能障碍的康复医疗,越来越受到人们的重视,各种康复设备便应需而生了。在深入的研究了相关理论及前人的研究成果后,本课题结合机器人外骨骼技术、虚拟现实技术和远程监控技术,研制了一套用于康复医疗的手臂外骨骼系统。 外骨骼系统是机器人研究领域中的一个分支,它是一种各关节与人体关节相一致,并依附于人体外部的机械系统。操作者与外骨骼之间可以进行直接的力及其它各种信息的传递,因此,非常适合用于运动功能障碍患者的康复医疗。本课题开发与研制了一台具有康复医疗功能的3自由度的手臂外骨骼系统。当患者进行被动康复医疗时,外骨骼可以带动人体手臂实现肩部的屈/伸运动、外摆/内收运动及肘部的屈/伸运动,患者进行主动康复医疗时,外骨骼跟随人体手臂一起运动。外骨骼以步进电机作为动力源,用角度位移传感器测量其手臂的运动位置。 传统的康复医疗既枯燥又乏味,这样不但使患者感到厌烦,也会降低康复医疗的效果。而虚拟现实技术的交互作用和沉浸感却可以使患者沉浸在另一个虚拟的世界中,并可以使其与这个世界中的事物产生交互作用。本课题中,应用虚拟现实技术制作了一个虚拟人和一个虚拟场景。虚拟人处于虚拟场景中,它可以跟随患者一起运动,并可以在虚拟场景中进行漫游等,这样就会使康复医疗变得更有趣味性,同时能够获得更好的医疗效果。 将网络技术应用于康复医疗,可以实现康复医疗的异地操作与监控。本课题设计了一套远程监控系统,借助于Internet实现了康复医疗的异地操作。本研究将虚拟现实技术和康复的远程监控手段相结合,同时提出了一种减少网络延时的方法。应用这种系统,一方面可以使医生在异地控制外骨骼的运动,指导患者进行康复医疗。另一方面,在远端,医生可以通过虚拟人的运动对外骨骼的运动进行监测,进而了解患者手臂的运动。用虚拟人的运动再现患者的运动来实现监测功能,克服了因使用摄像头视觉反馈系统而需要的大量图像数据传输的弊端,系统中只需传输3个手臂位置数据,从而减少了网络的时间延迟。 本课题的研究成果对手臂康复医疗系统的进一步研制及远程监控程序的开发都具有重要的参考价值。


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