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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。
作品圖片
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。
