基本信息
- 项目名称：
- 基于虚拟现实的上肢康复训练机器人系统设计与开发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 康复机器人是机器人技术在医疗方面的新应用。在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但是康复机器人研究仍处于起步阶段，所以康复训练机器人有广阔的市场前景。基于虚拟现实的上肢康复训练机器人系统不仅可以利用机器人对病人进行康复训练、数据记录、分析和掌握病人的康复情况，而且采用基于虚拟现实的辅助训练软件，通过虚拟环境来鼓励患者积极主动地参与康复训练，从而提高康复训练的效果。
- 详细介绍：
- 1、介绍了基于虚拟现实的上肢康复训练机器人的国内外发展现状及应用情况，设计了上肢康复训练机器人系统的总体方案和机械结构，选择了电机和传感器并设计了康复训练策略。 2、下位机硬件电路的设计与调试。采用ARM7主控板为核心控制器并设计了力信号采集电路、位置信号采集电路、电源电路、电机驱动电路等电路模块。 3、上肢康复训练机器人的监控软件设计，包括下位机和上位机两部分。下位机使用了嵌入式Linux操作系统，编写了驱动程序，分模块进行了应用程序的多线程编程开发。开发了上位机监控软件即医生端监控界面。 4、基于虚拟现实的辅助康复训练软件的开发。在VC++ 6.0平台下利用windows GDI、OpenGL、结合3dsmax开发了两套虚拟环境辅助训练程序，分别配合主动训练模式和抗阻训练模式。 5、基于虚拟现实的上肢康复训练机器人的实验研究，对有VR(虚拟现实)环境辅助的康复训练模式和没有VR环境辅助的康复训练模式的训练状态记录曲线进行了对比分析。实验结果表明在局域网环境下上肢康复机器人系统运动平稳，性能指标达到了设计的要求，并且VR环境的辅助对提高病人的训练兴趣和训练效果的提高起到了较好的作用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的及基本思路： 将虚拟现实与机器人技术应用于康复医疗领域，解决传统治疗偏瘫方法中的一些问题。研制一种基于虚拟现实的上肢康复训练机器人系统，用于辅助治疗脑偏瘫康复。 创新点： （1）控制系统采用上位机和下位机联合工作，对康复训练牵引机械臂进行监测和控制。 （2）硬件部分包括ARM主控模块（使用uClinux嵌入式操作系统）、测量控制电路、键盘及LCD显示电路及存储器件等。监控软件开发采用VB.NET开发。 （3）基于虚拟现实的辅助康复训练软件的开发。在VC++ 6.0平台下利用windows GDI、OpenGL、结合3dsmax开发了两套虚拟环境辅助训练程序，分别配合主动训练模式和抗阻训练模式。 （4）实现了新一代康复训练机器人的关键技术特征－－智能化控制系统。不仅可以手动和自动训练，而且可以进一步实现远程网络训练。 （5）控制系统集多种训练模式、人机交互友好、实时监测与控制等功能于一体。 技术关键： 虚拟现实技术、传感器及信号检测技术、ARM微处理器技术、网络通信技术、电磁兼容抗干扰技术、基于uClinux嵌入式操作系统的应用软件设计等。 主要技术指标： 系统样机实现下列功能：虚拟康复训练环境、多种康复训练模式（被动、主动、助力和抗阻）、人机交互友好、实时监测与控制、网络通信。
科学性、先进性
- 目前，在我国康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复机器人研究仍处于起步阶段，国内用于康复医疗训练的机器人系统比较少，但也正在开展相关研究 ，我国还没有商业化的康复训练机器人系统产品，国外特别是德国产品在国内有销售。 本项目研制的基于虚拟现实的上肢康复训练机器人系统其优点是： (1)基于ARM+uClinux的嵌入式控制系统； (2)基于虚拟现实的辅助康复训练软件的开发; (3)多种康复训练控制模式（被动、主动、助力和抗阻）； (4)人机友好交互； (5)实时监测与控制； (6)网络通信。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 研制开发的基于虚拟现实的上肢康复训练机器人系统，硬件上采用高性能ARM芯片及液晶显示等外围电路，软件上使用uClinux嵌入式操作系统并开发多种应用软件。在VC++ 6.0平台下利用windows GDI、OpenGL、结合3dsmax开发了两套虚拟环境辅助训练程序，分别配合主动训练模式和抗阻训练模式。监控软件开发采用VB.NET开发，界面包括实时信号显示区、信号采集区、医生操作区等，通信上采用网络通信方式，集多种训练模式、人机友好交互、实时监测与控制等功能于一体，具有明显的技术特点与优势。 目前，我国还没有商业化的康复训练机器人系统产品，国外特别是德国产品在国内有销售，因此具有很好的工程应用前景。
同类课题研究水平概述
- 国外相关领域的研究 1991年，MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平顺性，它有2个自由度，帮助中风患者的肩、肘部位的运动。MIT-MANUS是一种30英寸高的机械臂，并且与计算机屏幕相连接。在训练过程中我们将中风患者的手臂与机器人机械臂捆缚在一起，机械臂可以带动患者的肩部和肘部运动，运动轨迹在计算机屏幕上显示为光标移动。机器人能够像康复治疗师一样锻炼中风患者的手臂，这将有助于恢复患者由于中风而瘫痪的肩部和肘部运动机能。 1999年，Reinkensmeyer等研制了辅助和测量向导ARM-Guide，用来测定患者上肢的活动空间。2000年他们对该装置进行改进，用来辅助治疗和测量脑损伤患者上肢运动功能。该设备有一个直线轨道，其俯仰角和水平面内的偏斜角可以调整。实验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。 2005年，瑞士苏黎世大学的Nef等开发了一种新型的上肢康复机器人ARMin，它是一种6自由度半外骨架装置，安装有位置传感器及6维力/力矩传感器，能够进行肘部屈伸和肩膀的空间运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的活动。 国内的研究发展 清华大学在国家“863”计划支持下，从2000年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备UECM，可以在平面内进行两个自由度的运行训练。东南大学将力反馈遥操作机器人技术应用于康复医疗，设计了基于互联网的，一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统。 台湾国立成功大学研制了一种类似人手臂的康复训练装置，采用力-位置混杂模糊控制器提供恒定的力，使肘和肩部位按照设定轨迹运动。 此外，上海交通大学，复旦大学，哈尔滨工业大学等研究机构也在从事这方面研究。
