上肢康复训练机器人训练与康复评估系统设计.docx
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1、上肢康复训练机器人训练与康复评估系统设计 摘要摘要:传统康复治疗须要康复医师与患者一对一训练,这种方式耗费大量人力资源,效率低、成本高。随着机器人、物联网、人机交互等技术的发展与成熟,智能康复训练机器人应运而生。在VC+集成环境下,结合MFC、MYSQL數据库和虚拟现实技术,设计了一个集用户信息管理、康复评估、康复训练及生成康复报告等功能模块为一体的可视化康复评估和训练系统,用图形界面操作上肢康复机器人,提高康复训练的效率并维持患者训练主动性、趣味性。 关键词关键词:人机交互;康复评估;虚拟现实 DOIDOI:10.11907/rjdk.173048 中图分类号:TP319 文献标识码:A文章
2、编号文章编号:16737800005008303 0引言 脑卒中具有高发病率、高死亡率和高致残率,偏瘫是脑卒中患者最常见的后遗症,仅有小部分人可以通过治疗复原原状,行之有效的方法是在病情稳定48小时后,依据功能障碍和康复评价状况,实施康复治疗方案1。而在日常生活中上肢帮助人们完成近60%73%的功能,包括抓握/移动物体、运用工具等,由此对上肢功能的复原极为重要。 临床上ROM评估多为人工测量,借助通用量角器、方盘量角器、电子量角器等测量工具,0位是起先位,对于大多数运动,解剖位即为起先位。由于上肢康复机器人自身机械结构特性,加上以往的量表评估方法和机器人训练参数之间的对应关系,目前还没有可信的
3、公认的结论可供参考,因此本系统针对上肢康复机器人设计了一套机器适用的ROM评估方法,以便协作康复训练获得更好的康复效果。 虚拟现实技术就是利用物联网技术,搭建逼真的三维视、听、触一体化的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟世界自然交互,从而产生身临其境般的感受和体验2。在康复训练中,先对患者的自身状况进行客观康复评估,依据评估结果制定相应强度的康复安排,虚拟训练治疗方法的互动性与沉醉感可以很好地激励患者,国内外已有探讨证明虚拟现实技术能够改善脑卒中患者偏瘫上肢的运动功能34。此外,与传统康复训练相比较,虚拟现实嬉戏具有更高的平安性、舒适性和运动精确性,例如虚拟厨房操作避开了真实厨房操
4、作时发生意外、被物体碰伤及被开水烫伤等危急5 。 1总体设计方案 依据需求分析,本系统总体分为康复评估、康复训练、生成康复报告3个部分,系统模块结构如图1所示。 康复医师登录后,显示其名下的患者信息,假如非其名下的患者也可通过搜寻获得信息,同时包括患者基本信息的添加、删除、修改操作。首次运用设备的患者须要进行康复评估,康复评估由关节活动度评估,主动肌力评估和认知功能评估3个模块组成,康复治疗师依据评估结果为患者制定相应的康复安排,康复嬉戏根据功能可分为ROM功能复原训练、认知功能复原训练、ADL复原训练,实现整个手臂、肩、肘、腕的多部位康复训练。此外针对肌力较弱的患者,本系统设计了助力模式和被
5、动训练模式。生成康复报告模块对患者的康复评估和康复训练结果进行分析总结并以图表形式呈现,同时通过历史记录查询可直观显示阶段性康复结果。 本系统选用上海理工高校与上海电气中心探讨院合作研发的一款多自由度中心驱动式上肢康复机器人作为试验样机,该机器人拥有独立的机械传动系统和底层电气限制系统,可以完成肩关节外展/内收、肩关节屈曲/伸展、肘关节屈曲/伸展、前臂旋前/旋后、腕部桡偏/尺偏、腕部旋前/旋后6个机械自由度的康复训练,能够实时检测患者患肢的肌力和运动范围,实现被动、助力、主动等康复训练模式。 2系统数据通信设计 2.1客户端与上肢康复机器人的串口通信 本系统通过Modbus通信协议实现客户端与
6、上肢康复训练机器人之间的通信,通过串口RS485转USB实现Modbus 协议的串行链路通信。Modbus帧格式由地址、功能码、数据段、校验码组成,数据段内容依据主-从或从-主关系可包括寄存器起始地址、寄存器数数据位等。 本系统中主机向从机发送的恳求帧格式如图2所示。从机得到恳求后向主机发送的响应帧格式如图3所示。 客户端的编码实现,首先设置波特率、数据位、奇偶校验打开串口,客户端作为Modbus的主站须要处理的事务有:发送恳求帧、等待应答、处理应答、处理差错和等待转换延迟,对应程序中的实现须要对吩咐进行数据组包和发送,对接收的吩咐进行数据解包。以读指令组包为例: 下位机收到读指令将返回一条数
7、据包,接收到数据解包后为原始编码器值,通过进一步解析转换得到所须要的值,即上肢康复机器人各关节角度值、扭矩值、电机电流值等。客户端在收到下位机返回的数据时会再次发送读指令,实现数据的实时传输。本系统在自定义的Analysis类中实现数据的解包和转换。 2.2客户端与虚拟现实嬉戏的数据通信 客户端通过基于面对连接的套接字方式与嬉戏进程进行数据通信,Socket是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元,包含连接运用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远地主机的IP地址和远地进程的协议端口的信息。代码实现将Socket的创建、绑定、监听、连接、接收、读写、关闭等流程封装在自定义的S
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