基于ROS的肩关节康复机器人控制系统设计与实现
发布时间：2023-09-17 14:07
随着国内老龄化加重,物质生活水平的的提高,脑卒中患者数量逐年上升并有年轻化的趋势。脑卒中会损伤神经系统进而导致患者运动功能障碍,偏瘫甚至全瘫。肢体运动功能障碍在传统治疗中,往往需要康复医师对患者的运动功能受损部位进行康复训练,这在患病初期是十分重要的。但患者的增加使得医疗资源紧缺,康复医师为患者康复训练的工作量增大。由于康复机器人具有节省人力,精度高且智能化的特点和广阔的研究前景,关于使用康复机器人来代替医生为患者进行康复训练的研究也越来越多。论文首先根据国内外研究现状总结康复机器人发展趋势及现存问题。然后在康复理论基础及外骨骼结构方面分析了现有康复机器人样机平台的功能需求,并根据所基于的开源机器人项目平台ROS的优势及缺点设计了易扩展、分布式且满足实时性的康复机器人控制系统总体结构。其中PC作为主控与机器人电机设备通过CAN总线通信,构成分布式硬件架构,并采用CANopen的应用协议保证总线通信的实时性。软件控制系统搭载在PC端,整体分为非实时域与实时域。非实时域处于标准的Linux环境,运行基于ROS的非实时任务。包括基于Rviz所设计实现的GUI,作为接收用户指令的交互入口并以三...
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 上肢康复机器人的国内外研究现状
1.2.1 国外上肢康复机器人研究现状
1.2.2 国内上肢康复机器人研究现状
1.3 机器人控制系统关键技术研究现状
1.4 上肢康复机器人及机器人控制系统开发的发展趋势及现存问题
1.5 论文的主要内容和组织结构
第二章 肩关节康复机器人平台分析及控制系统总体设计
2.1 康复机器人基于的康复医学理论
2.1.1 神经系统重塑理论
2.1.2 人体肩关节解剖学分析
2.2 肩关节康复机器人硬件平台
2.3 康复机器人控制系统方案设计
2.3.1 康复机器人控制系统功能需求分析
2.3.2 控制系统硬件结构
2.3.3 控制系统软件框架
2.4 本章小结
第三章 基于ROS的实时操作系统平台设计与实现
3.1 基于ROS的操作系统平台非实时行为的分析
3.1.1 传统基于ROS的操作系统非实时行为分析
3.1.2 常用的实时操作系统平台分析
3.2 基于ROS的RT-Linux实时操作系统实现
3.2.1 RT-Linux实时内核操作系统工作原理
3.2.2 RT-Linux实时内核操作系统配置与实现
3.3 实时进程间通信实现
3.3.1 默认的ROS下进程间通信方式
3.3.2 实时进程间通信的实现
3.3.3 实时进程与非实时进程间通信
3.4 康复机器人实时控制器
3.4.1 运动控制器
3.4.2 主站控制器
3.5 系统实时性测试实验
3.5.1 系统响应延迟的测试实验
3.5.2 进程间通信延迟测试实验
3.6 本章小结
第四章 面向肩关节的多模式康复训练方法
4.1 康复机器人的肩关节康复训练模式分析
4.2 基于图形用户交互界面的被动式康复训练模式
4.2.1 被动康复训练图形用户交互界面
4.2.2 康复机器人的运动学分析
4.2.3 单/复合自由度康复训练运动规划
4.3 基于肩关节表面肌电信号的主动式康复训练
4.3.1 基于表面肌电信号获取运动意图的方法
4.3.2 肌电信号特征提取方法
4.3.3 模式识别方法
4.3.4 主被动切换的康复训练模式
4.3.5 肩关节动作肌电采集实验
4.3.6 运动意图分类识别实验
4.4 可动态调整助力的镜像康复训练
4.4.1 动态调节助力的镜像康复训练控制算法设计
4.4.2 肩关节力估计实验
4.4.3 镜像康复训练实验
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 全文总结
5.2 前景展望
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目
致谢
本文编号：3847577
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 上肢康复机器人的国内外研究现状
1.2.1 国外上肢康复机器人研究现状
1.2.2 国内上肢康复机器人研究现状
1.3 机器人控制系统关键技术研究现状
1.4 上肢康复机器人及机器人控制系统开发的发展趋势及现存问题
1.5 论文的主要内容和组织结构
第二章 肩关节康复机器人平台分析及控制系统总体设计
2.1 康复机器人基于的康复医学理论
2.1.1 神经系统重塑理论
2.1.2 人体肩关节解剖学分析
2.2 肩关节康复机器人硬件平台
2.3 康复机器人控制系统方案设计
2.3.1 康复机器人控制系统功能需求分析
2.3.2 控制系统硬件结构
2.3.3 控制系统软件框架
2.4 本章小结
第三章 基于ROS的实时操作系统平台设计与实现
3.1 基于ROS的操作系统平台非实时行为的分析
3.1.1 传统基于ROS的操作系统非实时行为分析
3.1.2 常用的实时操作系统平台分析
3.2 基于ROS的RT-Linux实时操作系统实现
3.2.1 RT-Linux实时内核操作系统工作原理
3.2.2 RT-Linux实时内核操作系统配置与实现
3.3 实时进程间通信实现
3.3.1 默认的ROS下进程间通信方式
3.3.2 实时进程间通信的实现
3.3.3 实时进程与非实时进程间通信
3.4 康复机器人实时控制器
3.4.1 运动控制器
3.4.2 主站控制器
3.5 系统实时性测试实验
3.5.1 系统响应延迟的测试实验
3.5.2 进程间通信延迟测试实验
3.6 本章小结
第四章 面向肩关节的多模式康复训练方法
4.1 康复机器人的肩关节康复训练模式分析
4.2 基于图形用户交互界面的被动式康复训练模式
4.2.1 被动康复训练图形用户交互界面
4.2.2 康复机器人的运动学分析
4.2.3 单/复合自由度康复训练运动规划
4.3 基于肩关节表面肌电信号的主动式康复训练
4.3.1 基于表面肌电信号获取运动意图的方法
4.3.2 肌电信号特征提取方法
4.3.3 模式识别方法
4.3.4 主被动切换的康复训练模式
4.3.5 肩关节动作肌电采集实验
4.3.6 运动意图分类识别实验
4.4 可动态调整助力的镜像康复训练
4.4.1 动态调节助力的镜像康复训练控制算法设计
4.4.2 肩关节力估计实验
4.4.3 镜像康复训练实验
4.5 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 全文总结
5.2 前景展望
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目
致谢
本文编号：3847577
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3847577.html
