本文選題：上肢康復(fù)機器人　切入點：虛擬現(xiàn)實　出處：《大連海事大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：人體上肢運動是由神經(jīng)系統(tǒng)和運動系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)作用完成,是人類獨立生活必不可少的條件之一。運動系統(tǒng)或神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題會導(dǎo)致人體肢體障礙,嚴(yán)重者甚至?xí)䥺适н\動能力,嚴(yán)重影響人的正常生活。腦卒中是一種因人體神經(jīng)損傷而產(chǎn)生的疾病,通常多發(fā)生于中老年人群中。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,腦卒中患者的死亡率大幅降低,但是患者治療后多伴有偏癱癥狀。現(xiàn)代研究表明,偏癱患者神經(jīng)功能受損后,經(jīng)過科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練可使其中樞神經(jīng)系統(tǒng)完成結(jié)構(gòu)重組和功能代償,在一定程度上恢復(fù)運動功能。目前,傳統(tǒng)康復(fù)模式中存在著訓(xùn)練方式單一、效率低下等不足,相比之下結(jié)合了現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)、計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和工程技術(shù)的康復(fù)機器人,不僅可以提供多種訓(xùn)練模式幫助患者進(jìn)行康復(fù),而且采用虛擬現(xiàn)實環(huán)境能夠提高患者的主動性,具有一定的優(yōu)勢。為此本課題開發(fā)的上肢康復(fù)機器人有著非常重要的研究意義和應(yīng)用前景。針對上肢偏癱患者中自主能力較弱者不能實現(xiàn)自主運動的情況,本文在實現(xiàn)了被動式訓(xùn)練模式的上肢康復(fù)機器人基礎(chǔ)上對其進(jìn)行拓展,開發(fā)了主動式的訓(xùn)練模式系統(tǒng)。主動訓(xùn)練模式主要采用交流伺服電機作為動力源,通過電機的輸出力矩帶動機器人手柄進(jìn)行運動從而引導(dǎo)患者完成康復(fù)訓(xùn)練。對伺服電機的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,通過MATLAB平臺對伺服系統(tǒng)進(jìn)行模型建立,采用id=O的矢量控制策略,整定了PID參數(shù),并對整個伺服系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證其控制方案正確性。整個系統(tǒng)的控制核心由數(shù)字處理器DSP2407A完成。DSP2407A具有專用電機控制模塊,利用該模塊實現(xiàn)伺服電機的SVPWM矢量控制。ADC模塊完成電流和電壓采樣功能,QEP模塊完成對編碼器的信號采集,系統(tǒng)通信由SCI模塊實現(xiàn),通過I/O口輸出PWM波控制磁粉離合器輸出可控力矩。系統(tǒng)中還設(shè)計了安全保護(hù)電路,有效保證系統(tǒng)正常運行。本文開發(fā)了一款擦黑板的虛擬現(xiàn)實游戲幫助患者進(jìn)行訓(xùn)練康復(fù),在Visual C++平臺下結(jié)合OpenGL圖形技術(shù)建立虛擬環(huán)境,在該環(huán)境下患者可以進(jìn)行漫游和擦黑板兩種訓(xùn)練模式。環(huán)境中采用3DMAX建立模型導(dǎo)入,采用紋理貼圖實現(xiàn)逼真的虛擬場景,并且加入了碰撞檢測和編寫擦黑板算法。主動模式的開發(fā)豐富了康復(fù)模式,對患者實現(xiàn)循序漸進(jìn)的康復(fù)具有一定指導(dǎo)意義,也為下一步的康復(fù)評價和康復(fù)環(huán)境的開發(fā)等工作奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:The upper limb movement of human body is accomplished by the coordinated action of the nervous system and the motor system, and is one of the indispensable conditions for the human being to live independently. The problems of the motor system or nervous system can lead to the human body limb disorder. Stroke is a disease caused by nerve injury in the human body, which usually occurs in middle and old people. With the development of medical technology, The mortality rate of stroke patients has been greatly reduced, but most of them are accompanied by hemiplegic symptoms after treatment. Modern studies show that patients with hemiplegia suffer from neurological impairment. Scientific rehabilitation training can make the central nervous system complete the structural reorganization and functional compensation, and restore the motor function to a certain extent. At present, the traditional rehabilitation mode has some shortcomings, such as single training mode, low efficiency and so on. In contrast, rehabilitation robots, which combine modern rehabilitation medicine, computer virtual reality technology and engineering technology, can not only provide a variety of training modes to help patients with rehabilitation, but also improve patients' initiative by adopting virtual reality environment. The robot developed in this paper has a very important research significance and application prospect. In view of the situation that the patients with upper extremity hemiplegia can not realize autonomous movement, the weak autonomous ability can not be realized in the upper limb hemiplegia patients. In this paper, the passive training mode of the upper limb rehabilitation robot is expanded, and the active training mode system is developed. The active training mode mainly uses AC servo motor as the power source. The motor output torque drives the robot handle to carry on the movement to guide the patient to complete the rehabilitation training. The mathematical model of the servo motor is analyzed, and the servo system model is established through the MATLAB platform. The vector control strategy of id=O is adopted. The PID parameters are adjusted, and the whole servo system is simulated to verify the correctness of the control scheme. The control core of the whole system is completed by the digital processor DSP2407A. DSP2407A has a special motor control module. The SVPWM vector control. ADC module of servo motor is used to complete the sampling function of current and voltage. The signal acquisition of encoder is accomplished by QEP module. The system communication is realized by SCI module. I / O port output PWM wave control magnetic powder clutch output controllable torque. The system also designed a safety protection circuit to effectively ensure the normal operation of the system. This paper developed a blackboard wiping virtual reality game to help patients with training and rehabilitation. The virtual environment is established under the Visual C platform combined with the OpenGL graphics technology. In this environment, patients can carry on two training modes: roaming and blackboard cleaning. In the environment, 3D Max is used to establish model import and texture mapping is used to realize realistic virtual scene. In addition, collision detection and blackboard erasure algorithm are added. The development of active mode enriches the rehabilitation mode, which has certain guiding significance for patients to realize gradual rehabilitation. It also lays a foundation for the evaluation of rehabilitation and the development of rehabilitation environment.
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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