生物融合式肘腕康复机器人控制软件设计与实现
发布时间：2021-01-30 05:56
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...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MIT-MANUS上肢康复机器人2005年，英国苏黎世大学的科研人员
过程中它还可以采集患肢在运动时的康复数据，并通过PC端显示器进行可视化显示。此外，MIT-MANUS借助互联网还能够帮助康复医师和患者实现远程操作和康复训练。2002年，以英国雷丁大学为主研者的团队研发了一款名为GENTLE/S的康复机器人[4]，如图1-2所示，它采用升降摇臂结构和绳索驱动的方式来实现肩关节和肘关节的康复训练，同时集成了具有3个被动自由度的手腕康复模块，以此来实现手腕康复训练。GENTLE/S同时还结合了计算机虚拟技术，通过搭建虚拟康复场景来调动患者参与康复的积极性。图1-1MIT-MANUS上肢康复机器人图1-2GENTLE/S上肢康复机器人2005年，英国苏黎世大学的科研人员研制了一款名为ARMin[5]的康复机器人，如图1-3所示，在结构设计方面它主要采用串联机构来实现6个自由度的运动，包括大臂转动、肩关节内外旋、肩关节屈伸、肘关节屈伸、腕关节屈伸以及前臂转动。它还配置有高精度的位移、角度和力传感器，通过结合PID的力控制策略来满足康复机器人对安全性和运动柔顺性的要求。ARMin康复机器人的运动惯性小，摩擦阻力小以及可反向驱动，同时引入了人机交互策略，通过触觉和视听觉等直接反应患动主动参与康复训练的意愿[5],提高了患者的参与感。2009年研发出的第二代ARMin比
第1章绪论-3-第一代康复机器人多了1个自由度[6]，如图1-4所示，可以帮助患者可以更好地完成一些日常活动的训练。图1-3第一代ARMin上肢康复机器人图1-4第二代ARMin上肢康复机器人MartinLevesley教授等学者研发的iPAM[7](intelligentPneumaticArmMovement)康复机器人，如图1-5所示，它主要由两条气动机械臂组成，远端矫形器用于控制患者前臂运动，近端矫形器连接在上臂的中点，以控制相对于远端臂的近端机器人运动。iPAM具有6个自由度[8],包括肩膀处的5个自由度，肘部的1个自由度。iPAM的正常运行需要精准控制两个机械手臂之间的安全协作，在使用之前，需要对患者手臂位置进行校准，实现和软件系统中手臂模型相匹配。为了提供准确的手臂位置，控制系统需要以500Hz的频率对前向运动学进行50次迭代处理，因此它对控制器的计算能力有着较高要求。图1-5iPAM双臂康复机器人2013年，EdoardoSotgiu等人研发了如图1-6所示的BRANDO康复机器人[9]，它有3个被动自由度、3个主动自由度以及1个用于调整关节位置高度的自由度。在机器人控制系统上，它主要分成两个级别：底层控制是一个实时系统，主要在目标单元(TU)上实现，以单台工控机为控制中心，支持机器人正向运动学计算和重力补偿算法，通过数据采集卡(DAQ)等硬件采集编码器数据和驱动器信号，来控制机器人电机
【参考文献】：
期刊论文
[1]运动反馈虚拟现实四肢康复系统训练模块设计[J]. 王俊华,吴珺. 中国康复理论与实践. 2019(07)
[2]基于Unity与HTC Vive的Delta机器人虚拟仿真实验[J]. 李玉胜,董保香,穆洁尘,宫金良. 教育现代化. 2019(58)
[3]康复训练机器人造型与交互界面设计研究[J]. 杨涛,高学山,戴福全,彭晋民,朱志涵. 福建工程学院学报. 2019(01)
[4]多线程在WinForm窗体开发中的应用研究[J]. 周岚. 软件工程. 2017(03)
[5]基于多线程技术的测控系统软件设计[J]. 杨珂,宋国堃,赵世平. 电子设计工程. 2016(16)
[6]基于ADO.NET的训练评估系统数据库设计[J]. 何泽,徐国华. 信息技术. 2016(05)
[7]基于B/S架构模式的三层结构设计与实现[J]. 黄兴荣. 电脑知识与技术. 2015(32)
[8]基于虚拟现实的交互式上肢康复训练系统研究[J]. 雷毅,喻洪流,王露露,王振平. 生物医学工程学进展. 2015(01)
[9]上肢康复机器人研究进展康复工程[J]. 刘恩辰,梁蔓安. 中国康复理论与实践. 2014(09)
[10]一种生物融合式踝关节康复机器人的设计[J]. 边辉,汪琦,刘晓,赵铁石. 中国康复医学杂志. 2013(07)
博士论文
[1]基于人体上肢协同运动特征的外骨骼机器人设计方法研究[D]. 柳锴.华中科技大学 2018
[2]外骨骼上肢运动功能康复系统的人因工程研究[D]. 刘志辉.东华大学 2017
[3]上肢外骨骼机器人康复训练系统研究[D]. 陈燕燕.哈尔滨工业大学 2017
[4]生物融合式康复机构理论与应用研究[D]. 边辉.燕山大学 2011
硕士论文
[1]基于虚拟现实的康复游戏关键模块的设计与实现[D]. 朱世杰.华中科技大学 2019
[2]肘腕康复机器人优化设计及控制系统研究[D]. 陈子叶.燕山大学 2018
[3]基于虚拟现实技术的上肢主动康复训练系统研究[D]. 陈东林.北京服装学院 2018
[4]情景交互式康复训练机器人技术研究与系统设计[D]. 秦超龙.东南大学 2017
[5]坐卧式下肢康复机器人机械设计及虚拟训练系统开发[D]. 林木松.燕山大学 2017
[6]基于RealSenseTM的上肢辅助复健系统的设计与实现[D]. 徐伟诚.北京工业大学 2016
[7]下肢康复机器人的控制与虚拟现实技术研究[D]. 许朋.燕山大学 2016
[8]基于虚拟现实技术的康复训练系统研究[D]. 苏航.华南理工大学 2015
[9]肘腕关节康复机器人研制[D]. 王晓倩.燕山大学 2015
[10]三自由度手臂康复机器人结构设计与仿真研究[D]. 徐金随.哈尔滨工程大学 2015
本文编号：3008379
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MIT-MANUS上肢康复机器人2005年，英国苏黎世大学的科研人员
过程中它还可以采集患肢在运动时的康复数据，并通过PC端显示器进行可视化显示。此外，MIT-MANUS借助互联网还能够帮助康复医师和患者实现远程操作和康复训练。2002年，以英国雷丁大学为主研者的团队研发了一款名为GENTLE/S的康复机器人[4]，如图1-2所示，它采用升降摇臂结构和绳索驱动的方式来实现肩关节和肘关节的康复训练，同时集成了具有3个被动自由度的手腕康复模块，以此来实现手腕康复训练。GENTLE/S同时还结合了计算机虚拟技术，通过搭建虚拟康复场景来调动患者参与康复的积极性。图1-1MIT-MANUS上肢康复机器人图1-2GENTLE/S上肢康复机器人2005年，英国苏黎世大学的科研人员研制了一款名为ARMin[5]的康复机器人，如图1-3所示，在结构设计方面它主要采用串联机构来实现6个自由度的运动，包括大臂转动、肩关节内外旋、肩关节屈伸、肘关节屈伸、腕关节屈伸以及前臂转动。它还配置有高精度的位移、角度和力传感器，通过结合PID的力控制策略来满足康复机器人对安全性和运动柔顺性的要求。ARMin康复机器人的运动惯性小，摩擦阻力小以及可反向驱动，同时引入了人机交互策略，通过触觉和视听觉等直接反应患动主动参与康复训练的意愿[5],提高了患者的参与感。2009年研发出的第二代ARMin比
第1章绪论-3-第一代康复机器人多了1个自由度[6]，如图1-4所示，可以帮助患者可以更好地完成一些日常活动的训练。图1-3第一代ARMin上肢康复机器人图1-4第二代ARMin上肢康复机器人MartinLevesley教授等学者研发的iPAM[7](intelligentPneumaticArmMovement)康复机器人，如图1-5所示，它主要由两条气动机械臂组成，远端矫形器用于控制患者前臂运动，近端矫形器连接在上臂的中点，以控制相对于远端臂的近端机器人运动。iPAM具有6个自由度[8],包括肩膀处的5个自由度，肘部的1个自由度。iPAM的正常运行需要精准控制两个机械手臂之间的安全协作，在使用之前，需要对患者手臂位置进行校准，实现和软件系统中手臂模型相匹配。为了提供准确的手臂位置，控制系统需要以500Hz的频率对前向运动学进行50次迭代处理，因此它对控制器的计算能力有着较高要求。图1-5iPAM双臂康复机器人2013年，EdoardoSotgiu等人研发了如图1-6所示的BRANDO康复机器人[9]，它有3个被动自由度、3个主动自由度以及1个用于调整关节位置高度的自由度。在机器人控制系统上，它主要分成两个级别：底层控制是一个实时系统，主要在目标单元(TU)上实现，以单台工控机为控制中心，支持机器人正向运动学计算和重力补偿算法，通过数据采集卡(DAQ)等硬件采集编码器数据和驱动器信号，来控制机器人电机
【参考文献】：
期刊论文
[1]运动反馈虚拟现实四肢康复系统训练模块设计[J]. 王俊华,吴珺. 中国康复理论与实践. 2019(07)
[2]基于Unity与HTC Vive的Delta机器人虚拟仿真实验[J]. 李玉胜,董保香,穆洁尘,宫金良. 教育现代化. 2019(58)
[3]康复训练机器人造型与交互界面设计研究[J]. 杨涛,高学山,戴福全,彭晋民,朱志涵. 福建工程学院学报. 2019(01)
[4]多线程在WinForm窗体开发中的应用研究[J]. 周岚. 软件工程. 2017(03)
[5]基于多线程技术的测控系统软件设计[J]. 杨珂,宋国堃,赵世平. 电子设计工程. 2016(16)
[6]基于ADO.NET的训练评估系统数据库设计[J]. 何泽,徐国华. 信息技术. 2016(05)
[7]基于B/S架构模式的三层结构设计与实现[J]. 黄兴荣. 电脑知识与技术. 2015(32)
[8]基于虚拟现实的交互式上肢康复训练系统研究[J]. 雷毅,喻洪流,王露露,王振平. 生物医学工程学进展. 2015(01)
[9]上肢康复机器人研究进展康复工程[J]. 刘恩辰,梁蔓安. 中国康复理论与实践. 2014(09)
[10]一种生物融合式踝关节康复机器人的设计[J]. 边辉,汪琦,刘晓,赵铁石. 中国康复医学杂志. 2013(07)
博士论文
[1]基于人体上肢协同运动特征的外骨骼机器人设计方法研究[D]. 柳锴.华中科技大学 2018
[2]外骨骼上肢运动功能康复系统的人因工程研究[D]. 刘志辉.东华大学 2017
[3]上肢外骨骼机器人康复训练系统研究[D]. 陈燕燕.哈尔滨工业大学 2017
[4]生物融合式康复机构理论与应用研究[D]. 边辉.燕山大学 2011
硕士论文
[1]基于虚拟现实的康复游戏关键模块的设计与实现[D]. 朱世杰.华中科技大学 2019
[2]肘腕康复机器人优化设计及控制系统研究[D]. 陈子叶.燕山大学 2018
[3]基于虚拟现实技术的上肢主动康复训练系统研究[D]. 陈东林.北京服装学院 2018
[4]情景交互式康复训练机器人技术研究与系统设计[D]. 秦超龙.东南大学 2017
[5]坐卧式下肢康复机器人机械设计及虚拟训练系统开发[D]. 林木松.燕山大学 2017
[6]基于RealSenseTM的上肢辅助复健系统的设计与实现[D]. 徐伟诚.北京工业大学 2016
[7]下肢康复机器人的控制与虚拟现实技术研究[D]. 许朋.燕山大学 2016
[8]基于虚拟现实技术的康复训练系统研究[D]. 苏航.华南理工大学 2015
[9]肘腕关节康复机器人研制[D]. 王晓倩.燕山大学 2015
[10]三自由度手臂康复机器人结构设计与仿真研究[D]. 徐金随.哈尔滨工程大学 2015
本文编号：3008379
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/3008379.html
