目录
第一章绪论 (1)
1.1研究背景 (1)
1.2上肢康复机器人研究概况和发展趋势 (2)
1.2.1 国外上肢康复机器人研究现状 (2)
1.2.2 国内上肢康复机器人研究现状 (4)
1.3 研究意义 (5)
1.4 研究内容 (5)
1.5 论文组织结构 (6)
第二章康复机器人设计的理论基础 (7)
2.1 偏瘫的特征和表现 (7)
2.1.1 偏瘫的特征 (7)
2.1.2 偏瘫的异常运动模式 (7)
2.2 偏瘫后常用的运动治疗方法 (8)
2.3 康复机器人的设计原则及要求 (8)
2.4 驱动方式的选择 (10)
2.5上肢康复机器人的训练模式 (11)
2.6 本章小结 (11)
第三章康复机器人系统设计及运动学分析 (12)
3.1 康复机器人系统设计 (12)
3.1.1 康复机器人结构方案设计 (12)
3.1.2 康复机器人控制方案设计 (13)
3.1.3 康复机器人系统总体框架 (14)
3.2 康复机器人运动学模型 (16)
3.2.1 康复机器人正运动学模型的建立 (17)
3.2.2 康复机器人逆运动学模型的建立 (20)
3.3 康复机器人的雅可比矩阵 (22)
3.4 康复机器人力矩传感器模型的建立 (23)
3.5 本章小结 (23)
第四章康复机器人控制系统的硬件设计 (24)
4.1测力模块设计 (24)
4.1.1 测力传感器的选择及其电路设计 (25)
4.1.2 肌张力信号放大电路及低通滤波电路设计 (26)
4.2 无线通信模块设计 (28)
4.2.1 通信模块CPU简介 (28)
4.2.2 电源管理电路及复位电路设计 (29)
4.2.3 时钟模块 (30)
4.2.4 MSP430F149内部ADC12模块 (31)
4.2.5 WIFI模块电路设计 (32)
4.3 主控制单元的硬件设计 (33)
4.3.1 芯片的选择 (33)
4.3.2 芯片扩展电路设计 (34)
4.4 电机模块 (41)
4.4.1 电机选择 (41)
4.4.2 编码器 (42)
4.4.3 电机驱动模块设计 (42)
4.5 本章小结 (46)
第五章康复机器人控制系统的软件设计 (47)
5.1系统初始化程序设计 (47)
5.1.1 系统的启动 (47)
5.1.2 输入/输出接口初始化 (49)
5.1.3 中断设置 (50)
5.1.4 CAN模块 (51)
5.2 信号采集及处理程序设计 (52)
5.3 电机控制程序设计 (54)
5.4 主控程序设计 (55)
5.5 人机界面设计 (59)
5.5.1 触摸屏的选择 (59)
5.5.2 人机软件设计 (59)
5.5.3 人机通讯程序设计 (62)
5.6 系统测试 (64)
5.7 本章小结 (65)
结论 (67)
参考文献 (68)
攻读硕士学位期间发表的学术论文 (71)
致谢 (72)
第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景
据世界卫生组织统计，很多国家已逐渐面临社会人群的老龄化，再过20年，全世界老龄化现象将会更加严重，其中偏瘫患者在老龄化人群中占有很大比例[1]；另外，由于重大疾病和意外事故等因素造成大量残疾人，其中偏瘫在残疾疾病中也比较常见。由于偏瘫患者失去了基本的生活自理能力，其治疗过程又极其缓慢，因此在物质和精神上都给其家庭带来很大的伤害。由于偏瘫患者自己无法进行自由运动，为防止肌体发生萎缩，目前最有效的治疗方案是对患者肢体进行运动治疗。现如今，通用的上肢康复治疗方式是：医师通过人工康复训练和物理方式对患者进行康复治疗。它的主要表现形式：医师根据患者的运动意愿对其患肢进行反复动作，以达到患者能恢复自己完成相应动作的效果。但是这种康复训练存在如下问题：第一、医师对患者的训练采取一对一的训练方式，该训练方式消耗大量的人力，并且简单的人工康复训练很难满足患者的康复要求，在这个康复训练过程中，医师的实际经验和医学水平占主导作用；第二、由于人工康复训练不能对患者建立一个比较完整的康复体系，这将会影响对患者进行持续、稳定的治疗，进而影响患者的康复效果；第三、人工训练方式无法获得患者具体的医学康复数据，如患者肢体的运动速度，运动轨迹，训练强度等，这将影响患者后期康复治疗。针对以上情况，传统康复训练效率低，而且消耗大量的人力和物力，并且治疗的整个过程对医师的依赖性太强。因此，需要选取更合适的康复训练方式来替代传统的人工康复训练方式，运用先进的医疗技术来治疗偏瘫患者，对于偏瘫患者的康复治疗显得尤为重要。
随着计算机技术和智能控制理论的快速发展，机器人控制技术也逐渐成熟，并广泛运用到工业、医疗及生活等领域。机器人控制技术是一个新兴的研究领域，各国的研究者已对其进行密切关注和研究[2,3]。医用康复机器人结合了机器人控制技术和人体医学理论，广泛用于医学诊断和偏瘫康复治疗等领域。其中，上肢偏瘫康复机器人在医用康复机器人中占据相当大的比例。该康复机器人能解决传统人工康复治疗存在的诸多问题。上肢康复机器人具有如下优点：第一、康复机器人无主观性和疲劳意识，因此它能按照医师要求长时间的对患者进行康复训练；第二、康复机器人在对患者进行训练的过程中，医师可以通过对其运动轨迹、速度、力矩等数据进行记录并结合该数据对患者的康复情况进行评估[4,5]，并且能根据这些数据及时地调整机器人姿态，为规划下一步康复治疗