基本信息
- 項(xiàng)目名稱:
- 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)
- 小類:
- 信息技術(shù)
- 大類:
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介:
- 康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療方面的新應(yīng)用。在我國,康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視,但是康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段,所以康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有廣闊的市場前景?;谔摂M現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)不僅可以利用機(jī)器人對(duì)病人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練、數(shù)據(jù)記錄、分析和掌握病人的康復(fù)情況,而且采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助訓(xùn)練軟件,通過虛擬環(huán)境來鼓勵(lì)患者積極主動(dòng)地參與康復(fù)訓(xùn)練,從而提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。
- 詳細(xì)介紹:
- 1、介紹了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況,設(shè)計(jì)了上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的總體方案和機(jī)械結(jié)構(gòu),選擇了電機(jī)和傳感器并設(shè)計(jì)了康復(fù)訓(xùn)練策略。 2、下位機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。采用ARM7主控板為核心控制器并設(shè)計(jì)了力信號(hào)采集電路、位置信號(hào)采集電路、電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等電路模塊。 3、上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì),包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。下位機(jī)使用了嵌入式Linux操作系統(tǒng),編寫了驅(qū)動(dòng)程序,分模塊進(jìn)行了應(yīng)用程序的多線程編程開發(fā)。開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控軟件即醫(yī)生端監(jiān)控界面。 4、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助康復(fù)訓(xùn)練軟件的開發(fā)。在VC++ 6.0平臺(tái)下利用windows GDI、OpenGL、結(jié)合3dsmax開發(fā)了兩套虛擬環(huán)境輔助訓(xùn)練程序,分別配合主動(dòng)訓(xùn)練模式和抗阻訓(xùn)練模式。 5、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)有VR(虛擬現(xiàn)實(shí))環(huán)境輔助的康復(fù)訓(xùn)練模式和沒有VR環(huán)境輔助的康復(fù)訓(xùn)練模式的訓(xùn)練狀態(tài)記錄曲線進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在局域網(wǎng)環(huán)境下上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,并且VR環(huán)境的輔助對(duì)提高病人的訓(xùn)練興趣和訓(xùn)練效果的提高起到了較好的作用。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的及基本思路: 將虛擬現(xiàn)實(shí)與機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域,解決傳統(tǒng)治療偏癱方法中的一些問題。研制一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng),用于輔助治療腦偏癱康復(fù)。 創(chuàng)新點(diǎn): (1)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)聯(lián)合工作,對(duì)康復(fù)訓(xùn)練牽引機(jī)械臂進(jìn)行監(jiān)測和控制。 (2)硬件部分包括ARM主控模塊(使用uClinux嵌入式操作系統(tǒng))、測量控制電路、鍵盤及LCD顯示電路及存儲(chǔ)器件等。監(jiān)控軟件開發(fā)采用VB.NET開發(fā)。 (3)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助康復(fù)訓(xùn)練軟件的開發(fā)。在VC++ 6.0平臺(tái)下利用windows GDI、OpenGL、結(jié)合3dsmax開發(fā)了兩套虛擬環(huán)境輔助訓(xùn)練程序,分別配合主動(dòng)訓(xùn)練模式和抗阻訓(xùn)練模式。 (4)實(shí)現(xiàn)了新一代康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)特征--智能化控制系統(tǒng)。不僅可以手動(dòng)和自動(dòng)訓(xùn)練,而且可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。 (5)控制系統(tǒng)集多種訓(xùn)練模式、人機(jī)交互友好、實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制等功能于一體。 技術(shù)關(guān)鍵: 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感器及信號(hào)檢測技術(shù)、ARM微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電磁兼容抗干擾技術(shù)、基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等。 主要技術(shù)指標(biāo): 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)下列功能:虛擬康復(fù)訓(xùn)練環(huán)境、多種康復(fù)訓(xùn)練模式(被動(dòng)、主動(dòng)、助力和抗阻)、人機(jī)交互友好、實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制、網(wǎng)絡(luò)通信。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前,在我國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程雖然得到了普遍的重視,而康復(fù)機(jī)器人研究仍處于起步階段,國內(nèi)用于康復(fù)醫(yī)療訓(xùn)練的機(jī)器人系統(tǒng)比較少,但也正在開展相關(guān)研究 ,我國還沒有商業(yè)化的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品,國外特別是德國產(chǎn)品在國內(nèi)有銷售。 本項(xiàng)目研制的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)是: (1)基于ARM+uClinux的嵌入式控制系統(tǒng); (2)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輔助康復(fù)訓(xùn)練軟件的開發(fā); (3)多種康復(fù)訓(xùn)練控制模式(被動(dòng)、主動(dòng)、助力和抗阻); (4)人機(jī)友好交互; (5)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制; (6)網(wǎng)絡(luò)通信。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 研制開發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng),硬件上采用高性能ARM芯片及液晶顯示等外圍電路,軟件上使用uClinux嵌入式操作系統(tǒng)并開發(fā)多種應(yīng)用軟件。在VC++ 6.0平臺(tái)下利用windows GDI、OpenGL、結(jié)合3dsmax開發(fā)了兩套虛擬環(huán)境輔助訓(xùn)練程序,分別配合主動(dòng)訓(xùn)練模式和抗阻訓(xùn)練模式。監(jiān)控軟件開發(fā)采用VB.NET開發(fā),界面包括實(shí)時(shí)信號(hào)顯示區(qū)、信號(hào)采集區(qū)、醫(yī)生操作區(qū)等,通信上采用網(wǎng)絡(luò)通信方式,集多種訓(xùn)練模式、人機(jī)友好交互、實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制等功能于一體,具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。 目前,我國還沒有商業(yè)化的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品,國外特別是德國產(chǎn)品在國內(nèi)有銷售,因此具有很好的工程應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 國外相關(guān)領(lǐng)域的研究 1991年,MIT設(shè)計(jì)完成了第一臺(tái)上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)MIT-MANUS,該設(shè)備采用五連桿機(jī)構(gòu),末端阻抗較小,利用阻抗控制實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練的安全性、穩(wěn)定性和平順性,它有2個(gè)自由度,幫助中風(fēng)患者的肩、肘部位的運(yùn)動(dòng)。MIT-MANUS是一種30英寸高的機(jī)械臂,并且與計(jì)算機(jī)屏幕相連接。在訓(xùn)練過程中我們將中風(fēng)患者的手臂與機(jī)器人機(jī)械臂捆縛在一起,機(jī)械臂可以帶動(dòng)患者的肩部和肘部運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示為光標(biāo)移動(dòng)。機(jī)器人能夠像康復(fù)治療師一樣鍛煉中風(fēng)患者的手臂,這將有助于恢復(fù)患者由于中風(fēng)而癱瘓的肩部和肘部運(yùn)動(dòng)機(jī)能。 1999年,Reinkensmeyer等研制了輔助和測量向?qū)RM-Guide,用來測定患者上肢的活動(dòng)空間。2000年他們對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn),用來輔助治療和測量腦損傷患者上肢運(yùn)動(dòng)功能。該設(shè)備有一個(gè)直線軌道,其俯仰角和水平面內(nèi)的偏斜角可以調(diào)整。實(shí)驗(yàn)中患者手臂縛在夾板上,沿直線軌道運(yùn)動(dòng),傳感器可以記錄患者前臂所產(chǎn)生的力。 2005年,瑞士蘇黎世大學(xué)的Nef等開發(fā)了一種新型的上肢康復(fù)機(jī)器人ARMin,它是一種6自由度半外骨架裝置,安裝有位置傳感器及6維力/力矩傳感器,能夠進(jìn)行肘部屈伸和肩膀的空間運(yùn)動(dòng),用于臨床訓(xùn)練上肢損傷患者日程生活中的活動(dòng)。 國內(nèi)的研究發(fā)展 清華大學(xué)在國家“863”計(jì)劃支持下,從2000年起即開展了機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)的研究,研制了一種上肢康復(fù)設(shè)備UECM,可以在平面內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)自由度的運(yùn)行訓(xùn)練。東南大學(xué)將力反饋遙操作機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療,設(shè)計(jì)了基于互聯(lián)網(wǎng)的,一對(duì)多的力覺輔助遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)。 臺(tái)灣國立成功大學(xué)研制了一種類似人手臂的康復(fù)訓(xùn)練裝置,采用力-位置混雜模糊控制器提供恒定的力,使肘和肩部位按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)。 此外,上海交通大學(xué),復(fù)旦大學(xué),哈爾濱工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也在從事這方面研究。