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生物融合式肘腕康复机器人控制软件设计与实现

王冬华  
【摘要】:肘、腕关节是人类进行日常活动的主要载体,其损伤后若得不到彻底的康复,会严重影响患者的生活质量,而及时的运动训练是其高质量康复的重要手段。随着康复机器人技术的发展,涌现出了一系列康复机器人用于肘腕关节的运动训练。针对训练过程中因人机运动轴线不重合带来的关节康复角度不准确、康复运动控制精度低等问题,以及人机交互体验差,无法实现“沉浸式”康复运动训练等不足,在课题室已有肘腕康复机器人样机的基础上,通过引入生物融合式康复机构设计理念对肘关节康复角度进行修正,并进一步设计开发肘腕康复机器人控制软件系统,主要开展以下研究工作:首先,在对人体肘、腕关节运动机理分析的基础上,将人体关节进行运动副等效,并在机器人机构中增设弹性移动副,人机构成生物融合式康复机构。通过弹性移动副位置分析,对人体前臂长度进行识别,实现人体肘关节康复角度的修正,进而提高康复运动精度。其次,基于肘腕康复机器人的控制功能需求分析,划分功能模块,并运用.NET三层设计架构和MVC设计模式搭建控制软件的总体架构,并对数据库、多线程和串口通信三个关键模块进行设计,并进一步开发可视化的人机交互界面。针对肘、腕关节的康复运动特点,设计并搭建相应的虚拟训练场景,为患者提供“沉浸式”康复训练环境。最后,在已有康复机器人样机的基础上,研制能够实现人体关节精确运动的第三代肘腕康复机器人。应用所研制的肘腕康复机器人开展被动模式下的肘关节屈伸实验,对人体前臂长度尺寸识别功能及肘关节屈伸康复角修正功能进行验证。基于虚拟训练场景进一步开展主动模式下的肘关节屈伸和腕关节屈伸康复实验,对控制软件进行验证。


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