（测试计量技术及仪器专业论文）面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统.pdf

摘要 摘要 康复机器人已经广泛地运用于中风患者的康复锻炼中，成为康复】：程领域的重要研究前沿之一。 “以人为核心”的康复机器人指的是必须充分发挥患者的主观能动性，让患者在较高的积极性下以 较轻松的心态下完成康复锻炼过程，康复医学研究证明，患者的康复积极性越高，康复的效果也就 越好。但是由于我国特殊的国情，我国的康复机器人研究才刚刚起步，因此本课题的研究具有重要 的应用前景。 本文通过对国内外康复训练机器人的发展现状及应用情况的总结，在“以人为核心”思想的指 导下提出了面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统设计方案，具体研究如下： 根据面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统的应用场合和应用对象，通过对各种设计方案的比较 和选择，确定了系统的总体设计方案，包括机械结构设计、安全性设计、运动控制系统的选择、计 算机控制系统的选择和软件开发环境的选择等，并根据应用对象提出了本系统采用的康复锻炼方式。 设计了力反馈虚拟驾驶系统中的传感器数据采集电路、d a 和a d 转换电路、伺服电机驱动与 控制电路、u s b 接口电路等硬件电路，加入了隔离电路，为整个系统的正常安全的工作提供了硬件 上的保障。在完成硬件设计基础上，开发了基于c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机的下位机控制软件。 利用v i u s a lc + + 设计了力反馈虚拟驾驶系统的p c 机控制软件，包括基于d i r e c t s h o w 的视频数 据采集、基于s o c k e t 的网络通讯程序、基于o p e n g l 虚拟驾驶软件设计，基于a d o 的用于保存患者 康复信息的数据库程序，实现了患者的在康复治疗师远程监控下的虚拟驾驶环境中的康复锻炼以及 康复信息的保存。 实验证明，该康复系统运行安全、可靠，在康复治疗师的远程控制下，能够充分的调动患者的 康复锻炼积极性，完成了康复训练，具有良好的效果。 关键词：康复机器人、数据采集、u s b 通讯、视频采集、虚拟现实、网络通讯、数据库 东南人学硕十学位论文 a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i o nr o b o t sh a v eb e e nw i d e l yu s e dt oh e l pt h es t r o k ep a t i e n t sd or e h a b i l i t a t i o n e x e r c i s e ，w h i c hi si nt h ef r o n t i e ro fr e h a b i l i t a t i o nr e s e a r c ha r e a h u m a n o r i e n t e d r e h a b i l i t a t i o nr o b o t sr e f e rt ot h ep r o c e s si nw h i c hp a t i e n t sa r er e q u i r e dt ob ea c t i v e l y i n v o l v e di nt h ee x e r c i s ew i t har e l a x e dm a n n e r a sh a sb e e np r o v e nb yn e u r o - r e h a b i l i t a t i o n s c i e n t i s t st h a tt h em o r ea c t i v et h ep a t i e n t sa r et h eb e t t e rt h e yr e c o v e r d u et ot h es p e c i a l n a t i o n a lc i r c u m s t a n c e s ，r e h a b i l i t a t i o nr o b o t sr e s e a r c hi sa ti t se a r l y s t a g ei nc h i n a t h e r e f o r e ， t h i ss t u d yh a sv e r yb r i g h tp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n b a s e do nt h es t a t u sq u oo ft h er e h a b i l i t a t i o nr o b o t sa p p l i c a t i o na th o m ea n da b r o a d ，u n d e r t h eg u i d a n c eo fh u m a n o r i e n t e dp r i n c i p l e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p e dak i n do fv i r t u a ld r i v i n g s y s t e m 、i t hf o r c e - f e e d b a c kr e s o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n sa n da p p l i c a t i o no b j e c t so ft h er e h a b i l i t a t i o nr o b o t a n dc o m p a r i s o n sb e t w e e nv a r i o u sa p p r o a c h e s ，t h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sp r o p o s e dw h i c h i n c l u d e sm e c h a n i cd e s i g n 、s a f e t yd e s i g n 、t h ec h o i c eo fd r i v ew a y s 、s e l e c t i o no fc o m p u t e r c o n t r o l l i n gs y s t e ma n ds e l e c t i o no fs o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t f u r t h e r m o r e ，t h i s s t u d yp u t sf o r w a r dt h es u i t a b l ew a yo fe x e r c i s ef o rp a t i e n tb yu s i n gt h es y s t e m w ed e s i g ns e n s o rd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，d aa n da dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，s e r v om o t o r d r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i t s ，u s bi n t e r f a c ec i r c u i t s ，e t c ，i nt h ev i r t u a ld r i v i n gs y s t e mw i t h f o r c e f e e d b a c k t oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m ，t h ei s o l a t i o nc i r c u i tf o ra h a r d w a r ep r o t e c t i o ni sj o i n e d a n dt h em i c r o c o n t r o l l e rc 8 0 51f 3 4 0i su s e dt oc o n t r o lt h e h a r d w a r e t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h ev i r t u a ld r i v i n gs y s t e mw i t hf o r c e f e e d b a c ki s d e s i g n e db y u s i n gv i u s a lc 抖，i n c l u d i n gt h ev i d e od a t aa c q u i s i t i o nb a s e dd i r e c t s h o w , t h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sp r o c e d u r e sb a s e do ns o c k e t ，t h ed a t a b a s ef o rt h ep r e s e r v a t i o no fp a t i e n t s i n f o r m a t i o nb a s eo na d o t h ep r o g r a ma c h i e v e st h ed e s i g ng o a l ss u c ha sr e h a b i l i t a t i o n e x e r c i s ei nt h ev i r t u a l d r i v i n gs y s t e m 、r e h a b i l i t a t i o ni n f o r m a t i o ns a v i n g i nt h er e m o t e m o n i t o r i n go fr e h a b i l i t a t i o nd o c t o r a si se x p e r i m e n t a l l yp r o v e d ，t h i ss y s t e mi ss a f ea n dr e l i a b l e u n d e rt h ed i s t a n ts u p e r v i s i o n o fd o c t o r s ，i tc a nf u l l yg u i d ep a t i e n t st oa c t i v e l yp a r t i c i p a t ei nr e h a b i l i t a t i o ne x e r c i s ea n d a c h i e v ev e r yg o o dr e s u l t k e y w o r d s ：r e h a b i l i t a t i o nr o b o t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，u s bc o m m u n i c a t i o n s ，v i d e oa c q u i s i t i o n ， v i r t u a lr e a l i t y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的l l - 方# i ，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一虢漱褪们o o p | 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 中风学名脑卒中是中医学的一个病名，也是人们对急性脑血管疾病的统称和俗称。它是以猝然 昏倒，不省人事，伴发口眼歪斜、语言不利、半身不遂或无昏倒而突然出现? 卜身不遂为主要症状的 一类疾病。自古以来，中风难治，众所周知，世界卫生组织将这种病确定为当今人类的第一杀手。 这种病的特点是来势急，发病快，难以预防。一旦患了中风，重者死亡，轻者半身瘫痪，生活不能 自理，给患者本人和家庭带来极人痛苦和沉重负担。我国是中风病的高发地区之一，到目前为l l = ， 中风患者已经突破6 0 0 万，而且随着物质生活条件的改善和生存环境的变化，中风发病率在我国呈上 升趋势，大约每年新增中风病人2 0 0 万，每年约有2 0 万人因患中风死亡，7 5 的患者留下不同程度的 残疾障碍，5 年内复发率高达4 1 。在留下残疾障碍的中风幸存者中，一般以运动功能障碍居多，并 且由于身体某些部位长期不运动，其肌肉营养、氧等供应减少，肌力下降，甚至出现肌肉萎缩，严 重者因废用而致使肌细胞纤维化。肌肉萎缩不仅使胳膊和腿无力，有时还能造成关节挛缩，导致肢 体功能障碍，给患者以及患者的家人带来无法想象的痛苦，甚至于出现“一人中风，全家偏瘫”的 现象。因此对中风患者，必须争取早期康复治疗，尤其在发病后的前三个月内的康复治疗是获得理 想功能恢复的最佳时机，对病程长者，其潜在功能恢复力也不容忽视，应当继续进行相应的康复治 疗，也可达到改善功能的效果。根据临床经验，在发病后两年内，如果康复措施得当，会有不同程 度的恢复。所以，深入研究治疗中风后遗症的有效方法，对于提高中风病人的生活水平和减轻家庭 及社会经济负担具有重要的意义【l 儿2 。 中风后遗症的康复治疗是指对发生中风以后所遗留下的半身不遂、语言障碍等残疾症状，综合 协调地采用各种有效措施，减轻残疾和因残疾所带来的后果。目前，康复治疗的传统方法主要是依 赖于物理疗法和康复治疗师对患者进行手把手的指导和训练。这种方式存在如下问题：首先，名 康复治疗师只能同时对一名患者进行运动训练，训练效率低，并且由于康复治疗师自身原因，无法 保证患者得到足够的训练强度，治疗效果多取决于康复治疗师的经验和水平；其次，不能精确控制 和记录参数( 运动速度、轨迹、强度等) ，不利于治疗方案的确定和改进，康复评价指标不够客观，不 利于中风患者神经康复规律的深入研究：此外，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练不具有 吸引力，患者被动接受治疗，参与治疗的主动性和积极性不够等。可以看出，单靠康复治疗师的指 导进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进，并且培养一名优秀的康复治疗师 的周期较长，且国内康复治疗师的数量又相当的有限，这样供不应求的局面导致康复成本偏高，超 出广大普通老百姓的经济承受能力，无法达到构建和谐社会的要求。因此，应该开拓更高效、更科 学、更积极、更先进的康复训练手段，使之能够有效地完成中风患者的康复训练并且满足广大普通 老百姓的经济承受能力。 随着计算机网络技术、控制技术、遥操作技术和机器人技术的发展，遥操作机器人技术开始应 用于远程医疗、远程手术、远程康复等领域1 3 l 【4 引。利用这些先进的技术，我们完全可以利用远程控 制的康复机器人代理纯手工操作的康复治疗师来引导中风患者进行康复锻炼，进而解决传统训练方 法存在的问题。首先，康复机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求， 它将康复治疗师从繁重的训练任务中解脱出来，而专注于制订治疗方案、分析训练数据、优化训练 内容并改进机器人的功能，从而提高了康复的效率；其次，机器人可以客观记录训练中患肢的位置、 方向、速度以及所产生的力等客观数据供康复治疗师分析，以评价治疗的效果。这些数据使康复治 疗师可以从中发现数据与治疗结果间的相关关系，从而可能深入了解中枢神经康复的规律，进一步 了解大脑与运动功能之间控制与影响的关系，为大脑的开发开辟新的天地，从而提高康复的科学性； 再次，机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，令患者积极参与治疗，并 东南人学硕j ：学位论义 及时得到治疗效果的反馈信息，使得远程治疗和集中治疗成为可能1 6 j ，从而提剑康复的积极性。 本课题的目的是构建一个面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统，它的核心是一个康复机器人。 利用这个系统。中风患者可以在家通过网络在康复治疗师的指导下，在享受赛车游戏的快乐下进行 康复锻炼，当中风患者操作康复机器人的时候，康复机器人上面的各个传感器实时地采集康复机器 人在每个时刻的位置、速度以及力矩：康复治疗师则可以通过网络摄像头以及网络传输过来的各个 传感器数据实时地掌控中风患者的康复锻炼进程，并且可以根据患者康复锻炼的情况实时改变锻炼 的参数，在遇到突发情况时随时暂停或停i ：锻炼过程，从而使中风患者安全，有效，快乐地完成康 复锻炼计划。可以预计，该系统的实现，既可充分调动中风患者的康复积极性从而提供有效的康复 训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健的成本。另外，机器人可以记录详实的治疗数据及 图形，能提供客观、准确的治疗和评价参数，有助于机器入辅助治疗偏瘫研究的深入开展，具有改 善康复效果和提高康复效率的潜力。 1 2 国内外研究现状 康复机器人作为医疗机器人的一个重要分支。它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、 机械力学、电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域，已经成为了国际机器人领域的 一个研究热点。目前，康复机器人已经广泛地应用在康复护理、假肢和康复治疗等方面，这不仅促 进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新理论和新技术的发展。 1 2 1 国外研究现状 康复机器人是机器人技术和康复工程的结合。首次尝试将服务残疾人的机器人系统产品化是在2 0 世纪 的6 0 年代至n 7 0 年代。实践证明这些尝试都失败了，这主要有两个方面原冈：其一是设计的不理想，尤其是 人机接口；其二不是技术的原因，而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败h 1 。2 0 世纪8 0 年代是 康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。1 9 9 0 年 以前全球的5 6 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。1 9 9 0 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。从康复机器人发展的系统结构来看，主要分为三个阶段： 第一阶段是本地康复医疗训练机器人系统，以1 9 9 1 年m i t 设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统 i l i t - m a n u s 为代表；第二阶段是远程康复医疗训练机器人系统，以斯坦福人学和芝加哥康复研究所联 合研制了一种便携式家用远群康复系统为代表；第三阶段是基r 虚拟环境的康复医疗训练机器人系 统，以r u t g e r s 和s t a n f o r d 医学院研制了一套家用康复医疗机器人系统为代表哺1 。 目前，康复机器人的研究主要集中在功能电刺激和肌电信号控制、康复机械手和康复训练机器人等几 个方面。 ( 1 ) 功能电刺激和肌电信号控制研究现状 该领域的研究主要沿着两个方向：一个方向是功能电刺激，另个方向是肌电信号控制。功能电刺激 是一项结合了临床医学、康复医学，医学工程及电脑科技的治疗技术。它利用电流作用来代替丧失 的神经讯号，让冈神经障碍而无法动作的肌肉产生收缩，从而促进损伤的周围神经再生。肌电信号 控制是利用分离的肌群电信号( 肌电信号) 控制康复器械，使其能够具有与肢体相同的对外界刺激的反应能 力和对脑神经信号的识别和处理能力，模拟肢体动作，实现肢体的康复治疗。在功能电刺激系统的研究开 发方面，由于电刺激参数与肌肉收缩力( 位移) 的关系还处在试验探索阶段，因此该技术的应用受到很大的 限制，相对而言，肌电信号的采集处理已经有比较高的识别率( 单动作的识别率可达到9 5 以匕) ，因而 大量的研究工作倾向于肌电信号控制方面。 ( 2 ) 康复机械手的研究现状 康复机械手的目的是通过机器人手臂完成残疾人的手臂功能。机械手必须具有足够的自由度以 2 满足不同删户的需求，根据机器 坎术的发展水平，股儿有以r 一种结构。 q 基于桌面i 佧站的机械手 这种机械平安装在个彻底结构化的控制平台上，在崩定的空间内操柏：。具有足够a 由度的串联机器 人配e 适台残 吏人使川的人机界面是这种机器人典刑的设计模式。目前此类机器人已经逃到了实用化如 法国c e a 公司开发的m a s 匝r 系统、美国t o l f a c o r p o r a t i o n 开发的d e v l 系统，英国o x f o r d i n t e l l i g e n t m a c h i n e sl t d 开技的r a i d 系统以及英国人m i k et o p p i n g 研制了h a n d y l 康复机器人锋。其中h a n d y l 康 复机器人是目前世界上最成功的一种低价的康复机器人系统i l l t 2 1 1 现在有i o o 多名严重残疾的患者经常在 使川它在许多发选国家中也都有患者采用了这种机器人。幽卜1 为基 。桌面1 2 作站的康复机械手r a i d 系统。幽卜2 为h a n d y l 康复机器人。 圜卜1 基于桌面工作站的康复机械手r a i d 系统图1 _ 2m a n d y l 康复机器人 基t 轮椅的机械手 这种机挑手已经成为面向应用的流行设计，可以在任何地域使_ l j 如k 心系统”就是一种基于轮椅 的机械手系统，在电动轮椅上安装了一个六自由度的机械手，能帮助行动不便的老人和残疾人独立地行动。 随着智能轮椅研究的发展这种机械手也会得到更广泛地应州，但这种结构导致机械手刚性f 降抓取 的精度达不到要求。 基于移动机器人的机械手 这类机械手是目前毋先进的康显机械手，这种机械手安装在移动机器人或者是自主或半自主的小车上 从而适用丁更多的患者，同时扩大了机械手活动空闻升提高了抓取精度。同本东京 学的st a c h i 教授开 发了一个移动式康复机器人m e l d o g 作为。导盲犬”；欧洲s c u o l a s u p e r i o r esa n n a 实验室在u i t m a d 系统的基础上开发了m o v a i o 系统，该系统由若干个闶定的位r 室内主要工作区域( 如厨房和卧室) 的作站和一个可以在室内自由避障的移动机器人组成，操作者可以通过工作站的实时图形界面监 控和干预机器人的动作，目前该系统已经在意人利经过残疾人使阁验证；法国e v r y 人学研制了一种移 动式康复机器人a r p h ，使用者可毗从e 作站实旅远程控制，使移动机器人宴现定位和抓取操作。剖1 3 为国外目前正在研制的基于移动机器人的康复机械手a 嵫 豳卜3 国外目前正在研制的基于移动机器人的康复机械手 3 ) 康复治疗机器人的研究现状 康复治疗机器人是康复医学和机器，凡技术的完美结台，其不冉把机器 等怍辅助患者的t 且，而是把 3 m m | 位i 机器人羊计算机当f 1 提高临床康复效率的新_ o 治疗m 。 q m 机 c l w 机是利康复医学中连续被动运动( c o n t i n u o u sp a s s i v em o t i o n c f m ) 5 的基本原理对受伤肢体 进行康复浩疗的机械装置是目前为l r 唯一的机器人生物力学或生物物理化学类础的麻片j 的例证。但由于 技术水平所限这类c p l l 机睦划停留在“人关节”康复的范围内。目前，市场上已经开发埘1 。腕关节和 手指关1 i 这样的“小蕉仃”康复的c p m 机( 图卜4 为r o l y a n 公司的手关节和腕芙仃c p m 机) ，但他们还不 能像“大关节”c 刚机那样实现精确的控制不能对手指抓握等精巧的动作进行训练治疗的效果还有待 提高。 圈1 5 中风病人康复训练m i t s 系统图l _ 6 安装在轮椅上的n i t m a n j u s 协调运动康复治疗机器人 现实社会中有这样的人群，他们偏瘫、中风有的两个上肢或下胺的其中个有残疾，这就严重影响 丁病人的活动和操作能力，尤其是必须由双手或双睡米完成的j 作能力降低或丧失。目前已经有i 午多研 究机构在研究双手协调、取腿协渊等问题。美国加利福尼幔t = 学的科研人员对需用取手完成的日常】作进 于了了理论分析井研制了恢复双手操作协调撵作能力的原理性样机，试验结果证实了该装置的有效性。 驾驶康复治疗机器人 美国纽约州立人学的c l e t a nj a d h a v ，p a v i nn a i ra n dv e n k a tk r o v i 于2 0 0 6 年研究出一个触觉康复 系统非常适用丁上肢中风病人在家康复锻炼通过在虚拟环境中参数的设置，病人便可以在家进行相应 的康复锻炼，并且可以接受剑虚拟驾驶的快乐，从而提高了病人的积极性，提高了康复的效率。但是它使 用的硬件是市场化的基于振动感知力反馈方向盘，反馈力小且可控性不强，不能根据病人情况进行反馈力 的调整，存在一定的缺陷。 1 2 2 国内研究现状 目前，国内在该领域进行研究的主要有清华大学、东南大学、上海交通人学、哈尔滨工业大学、哈尔 滨：i ：程大学等。其中，上海交通大学和复臣大学合作展开了“神经的运动控制与控制信息源的研究”，其 研究目的是提取神经信息，利用神经信息来控制电子假手。目前，七个自由度假手模拟装置已设计完成， 神经信息的提取正在进行动物试验，信息的整合与控制电路的设计进周顺利。清华大学在国家“8 6 3 ”计 划支持下，从2 0 0 0 年起即开展了机器人辅助神经康复的研究，研制出一种上肢康复设备u e c m ，可 以在平面内进行两个自由度的运行训练。东南大学研制的基于力反馈的远程康复机械臂利用良好的人机 交互界面构建出虚拟的环境，利用基于i n t e r n e t 的多机通信，实现了一对多的康复医疗方式，通过对力 反馈的控制，大大提高了康复效率1 1 8 。 整体上说，在我国，康复机器人虽然起步比国外晚，但是已经得到了普遍的重视，发展速度迅速， 高校的优秀研究成果已经通过大型企业迅速转化为产品，满足了广大消费者的需求。由此可以看出利用先 进的电脑控制技术和配套的康复机器人进行康复锻炼是一种不可逆转的趋势，但是现阶段的康复机器人离 达到智能化，人机工程化还有段的距离，在提高病人的积极性和康复效率上还有很大的不足，仍需要进 一步努力。 1 3 本文的研究内容及主要工作 本课题的研究目的是研制面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统，利用这个系统，中风患者可以在 家通过网络在康复治疗师的指导下，在享受赛车游戏的快乐中进行康复锻炼；而康复治疗师则可以 通过网络摄像头以及网络传输过来的各个传感器数据实时地掌控中风患者的康复锻炼进程。 其中第一章介绍本课题的研究背景和研究意义，总结国内外相关研究现状。 第二章提出了虚拟驾驶系统的具体设计方案，包括系统机械结构设计、运动控制系统选择，计算机控 制系统选择，编程语言和编程工具选择等，最后简单介绍系统所采用的锻炼模式。 第三章详细介绍了虚拟驾驶系统的控制电路硬件系统设计，包括传感器及其检测电路、a d 转换电路、 d a 转换电路、电源及抗干扰设计和u s b 接口电路设计等。 第四章介绍了虚拟驾驶系统的控制软件设计，包括视频数据采集，网络通讯环节和患者信息数据库的 建立等。 第五章介绍了基于虚拟现实的虚拟驾驶软件设计，并给出患者在游戏过程中的康复锻炼结果，验证了 系统用丁辅助康复锻炼的有效性。 第六章对全文内容进行总结，指出本文的主要贡献和不足，并提出今后进一步研究的建议。 5 东南人学硕l j 学位论文 第二章面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统设计方案 本课题所研究的面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统的服务对象是手臂有运动障碍的轻度患者，即 面向的是手臂已经康复到具有一定的运动能力，但仍需要继续进行康复锻炼以求达到全部康复的患者。为 了提高康复治疗师的康复指导效率以及节约康复成本，本系统使康复医疗室和患者通过计算机网络连接， 从而使患者在家便可以在康复治疗师的指导下进行康复锻炼，进而早日康复。为了使患者在本系统的支持 下能够完成康复锻炼任务，要求系统必须安全、稳定，因此在方案设计中加入了安全以及防干扰措施；为 了能够满肘“大基层消费者的消费水平和操作水平，要求本系统成本低廉、结构小巧、且操作简单适合家 庭使用，因此在方案设计中必须要兼顾系统可靠性和经济性等多方面的因素。 2 1 系统机械机构设计 2 1 1 力反馈驾驶系统机械结构简介 传感器 图2 1 力反馈驾驶系统机械结构 如图2 - 1 所示，整个力反馈驶系统的机械结构由方向盘、转动限位器、方向盘联轴器、扭矩传 感器、联轴器、直流伺服电机、光电编码器和脚踏及速度传感器8 部分组成。在进行康复锻炼时， 患者通过操纵方向盘以及脚踏从而控制游戏中的赛车进行赛车游戏，通过对系统中各个传感器数据 的采集，康复治疗师可以实时准确的掌握患者的康复情况，根据不同的康复情况，反馈给电机不同 的指令，从而使患者手臂受到一定的力矩，达到康复锻炼的效果，实物如图2 2 所示。 6 受= 翌塑塑壁塞墼堕盟坐丛堕星型型墼墨堕丝! 直塞 图22 力反馈驾驶系统机械实物圈 2 12 安全性设计 在引言巾我们已经提到，本系统的使州对象是手臂有运动障碍的轻度患者使朋方式是患者通过 操纵驾驶系统中的方向盘等吐备控制游戏中的赛车，在特定的条件下系统中的电机反馈一定的力矩，通 过这些措施，让患者的手臂通过科学的锻炼慢慢得以恢复以至痊愈。而相对与健康人手臂来说，息者的 患肢更容易受到损伤，所以力反馈驾驶系统在保障患肢安全性方面要求粮高。针对这一要求系统 在硬件和软忭上都做了保护措施。 硬件上，首先在机械结构上，为了使方向盘在工作过程中不超过一定的运动范围在结构鞋计 时增加了限位装置限制了方向盘的转动角度，防止出现连续旋转的现象：其次住电路设计上面， 我们设计了方向盘转动角度的上r 限，- - b 控制系统检测到溢出现象，马上扁动保护措施。 软件上，每次锻炼的力反馈值由康复治疗师设置，患者或者患者家属修改力反馈值需要得到康 复治疗师的许可。 2 2 运动控制系统选择 2 2l 力反馈方式的选择 力反馈方式主要有两种，一种是机械力反馈，它的原理是通过机械振动形成力反馈，这种力反 馈不但反馈力小而且不容易受到控制：另一种反馈是电动力反馈，就是让一定型号的电机根据指令 提供相应的力矩从而形成力反馈。由于本系统中的力反馈是要严格受到康复瀹疗师的控制，而且为 了达到康复的敛果系统反馈力大小要不停的变化，那么传统的基于机械振动的力反馈是不能达到本 系统的要求，而只要选择合适的电机，系统完全可以根据康复治疗师的指令提供不断变化的力矩， 田此系统中使用丁第一种力反馈方式也就是电动力反馈。 22 2 电机选择 上节中，我f j 确定了系统是通过电机提供力反馈，电机在直流控制系统中右步进电机和伺服电机 两种，且两者在控制方式l 存在差别，步进 乜机为基r 脉冲串的开环控制，而伺服电机为c j j 环拄制。同时。 ， 东南人学硕十学位论文 步进电机与伺服电机相比有低速时平滑性较若( 低速时会有振动) 、过载时出现火步。响应速度慢等缺点， 冈此虽然伺服电机价格较高，但本系统更需要它体积小、重量轻和良好的控制性等特点，因此选用了峰值 功率可达1 6 0 w 的直流伺服电机，其主要性能参数如f ： 工作电压：2 7 7 工作电流：o 6 a 峰值功率：1 6 0 7 w 最人输出力矩：2 7 3 n m 2 3 计算机控制系统结构的选择 控制系统从算法的处理方式看，可分为串行、并行两种结构类型。其中，串行控制器从计算机结构和 控制方式可分为三种引： ( 1 ) 单c p u 结构，集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部的控制功能，但是控制过程需要许多计算，如坐标变换等，因此， 这种控制结构速度最慢，而且，控制系统不易维护。 ( 2 ) 二级c p u 结构，集中控制方式 一级c p u 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能等。二级c p u 完成全部相关的控制 工作。这类系统的两级c p u 之间没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合关系。 ( 3 ) 多c p u 结构，分布式控制方式 目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理及运动学计算，轨迹规划等； 下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动。这些c p u 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这 种结构控制器的下作速度和控制性能明显提高。 由于本系统只需用个直流伺服电机驱动，在选择控制方案时，不需要采用多c p u 结构，仅采用二级 c p u 结构。上位机( 本文采用p c 机) 通过u s b 通信接口与下位机( c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片耄兀) 进行通信，上位机负责 整个系统管理及用户界面设计，可以实现力反馈虚拟驾驶系统的远程在线控制，进行训练效果监测，单片 机接受上位机的控制指令控制电机的运动速度和位置。 2 4 编程语言及编程工具选择 2 4 1 下位机 目前，下位机( 单片机) 的编程语言主要有a 5 1 和c 5 1 两种。 一般来说实现同样的功能，用a 5 1 编写的程序代码量比较少，程序执行效率较高。但是编写a 5 1 程序必须对单片机和硬件接口的结构有很深入的了解，而且程序可读性较差，很少用于复杂系统的 设计中。 c 5 1 是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备了汇编语言的功能。 用c 5 1 来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显增加软件的可读性，便于改进和扩充， 以研制出规模更大，性能更完备的系统。采用c 5 1 不必对单片机和硬件接口的结构有很深入的了解， 编译器可以自动完成变量的存储单元的分配，编程者可以专注于应用软件部分的设计，大大加快软 件的开发速度。采用c 5 1 可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于产品中单片机的重新选 型。 本设计选择的单片机为( 8 0 5 1 f 3 4 0 ，拥有足够大的程序存储器空间，因此选择c 5 1 作为程序的开发 语言。比较常用的单片机软件编程工具有m e d w i n 、k e i l c 等，本设计选用的k e i l 公司提供的k e i l 8 0 8 工 具，它与所选用的芯片c 8 0 5 1 f 3 4 0 具有良好的接口，能够很好地提高程序的开发效率。 8 第二章面向康复锻炼的力反馈虚拟钙驶系统设计方案 2 4 2 上位机 本设计的上位机程序选择微软的v i s u a lc + + 6 0 作为编译平台，原冈有以f 几点： ( 1 ) c + + 是面向对象的高级语言，它的语法比较灵活，编译后的可执行程序的运行速度比较快，是目前 使用最为“泛的编程语言，具有良好的可移植性。 ( 2 ) v is u a lc + + 6 0 具有优秀的兼容性，支持a n s i 标准c ，c + + ，而且还支持微软的扩展c ，c + + 以及 u n i x 的c ，c + + 。 ( 3 ) v is u a lc + + 6 0 包含有丰富的m f c 函数库。利用m f c 的a p p w i z a r d 可以很容易地构建出应用程序 的主干，同时也可以利用其中丰富的函数库实现系统设计所需的网络通信和数据库操作等功能，减少了程 序的开发周期。 ( 4 ) v is u a lc + + 6 0 能够很好的支持d i r e c t x ，实现图像采集以及编码解码，能够很好的支持s o c k e t 套接字实现网络通信。 ( 5 ) 由于系统需要用o p e n g l 函数库来设计一个游戏供患者锻炼使用，而v c 对o p e n g l 的支持最好，能 很方便地进行o p e n ( ；l 编程，实现对3 d s 文件地读入显示，其功能十分强大。 2 5 锻炼模式介绍 ( 1 ) 被动锻炼模式 该模式主要适用于病情比较严重的患者，这些患者的肢体已经基本丧失了自主运动的能力，此时就需 要通过设置一定的运动参数，使机器人产生一定的力矩，以平稳的速度和输出力带动患者患肢进行运动， 以达到康复锻炼的目的。 ( 2 ) 主动锻炼模式 该模式适用于病情比较轻的患者，这些患者的患肢虽然有些运动障碍，但是没有完全丧失运动能力， 因此可以通过设计一些轻松的康复游戏，使患者利用机器人进行主动锻炼，同时通过锻炼过程中机器人采 集剑的患者患肢的运动参数来判定患者的康复状况。 ( 3 ) 带阻尼力的主动锻炼模式 该模式适用于即将康复的患者，这些患者的患肢已经基本恢复了运动能力，这时就可以根据患 者的康复情况，在康复锻炼过程中机器人给患者的患肢输出一定大小的阻尼力，让患者克服这些阻 尼力来完成锻炼，从而逐步恢复到正常状态。 本系统的面对对象是手臂有运动障碍的轻度患者，这类患者的最佳锻炼模式是带阻尼的主动锻炼模 式，即根据患者的康复情况，在康复锻炼过程中给患者的患肢输出一定大小的阻尼力，让患者克服这 些阻尼力来完成锻炼，从而逐步恢复到正常状态。 2 6 本章小结 本章通过面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统的需求分析和各种设计方案的分析对比，选择了 一套最适合本系统设计要求的方案，为后续设计指明了设计方向和目标。 9 东南人学硕 ：学位论文 第三章力反馈驾驶系统控制电路设计 根据设计要求，本系统需要完成以下功能： ( 1 ) 光电编码器、扭矩传感器、加速传感器和减速传感器信号地采集与调理放大 ( 2 ) 模拟信号的a d 转换 ( 3 ) 基于u s b 的数据通信 ( 4 ) 数字信号的d a 转换 ( 5 ) 系统的抗干扰设计 ( 6 ) 电机的驱动电路设计 图3 - 1 为面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统控制电路的组成框图。 图3 - 1 基于u s b 接口的力反馈驾驶系统控制电路的组成框图 各路传感器采集的数值通过a d 转换电路转换成数字量后传入单片机处理单元，单片机对其进行相应 的处理后通过u s b 接口电路传入控制计算机，同时控制计算机将康复治疗师的指令通过u s b 接口传入单片 机处理单元，经过单片机的处理后经过d a 转换电路进入电机控制电路从而控制电机提供相应的力矩。 3 1 传感器与检测电路设计 3 1 1 光电编码器检测电路 ( 1 ) 光电编码器原理 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目前应用最多的位置传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直 径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电 动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如 图3 2 所示，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断 旋转方向，码盘还可提供相位相差9 0 。的两路脉冲信号。 光源透镜 码盘 透镜光敏元件放大整形 图3 - 2 光电编码器原理示意图 1 0 笙二! ! 坚塑兰壁墨堕g ! 型! 坠墼苎 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式_ l 电弃式。根据其刻度方法及信号输出彤 式可分为增母式、绝对式虬及淀合a - - 种。本系统中采川的是p i e 系列增域式光电编码器( 外观 警i 盘口酣3 - 3 ) 。p i e 系列光电编码器直接利_ l 1 j 光电转换原理输山三组方波脉冲a 、b 千uz 相；a 、b 两 组脉冲相何著9 09 ，从而可方便地判断出旋转方向，而z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它 的优点是原理构遗简单，机械平均寿命可在几万小时以1 2 ，抗干扰能力强，可靠性高，适台丁k 距 离传输其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息而这点我* j 可以往硬件电路上旺置校准点来弥 补。 图3 - 3p i e 系列光电编码器外观圈 ( 2 ) 光电编码器信号采集电路 在用光电编码器测量力反馈驾驶系统中方向盘旋转角度时需要考虑到方向盅旋转是双向的，即 方向盘既可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转园此需要对编码器的输出信号进行鉴相后才能计数。 光电编码器鉴相电路如图34 。 图3 - 4 光电编码器鉴相电路 如凹3 - 5 光电编码器鉴相电路输出波形中所示，当光电编码器顺时针旋转时通道 l 输出波形 超前通道b l 输出波形9 0 ，d 触发器输出q 为高电平，0 非为低电平。上面与非门打开，计数脉冲 通过( i t 形w 1 ) ，送至c 8 0 5 1 f 3 4 0 的p 22 口，顺时针计数器开始计数，其计数结果保存在顺时针寄 存器中，此时，f 面与l h j 关闭，其输出为高电平逆时针计数器停j t 计数。当光电编码器逆时针 旋转时，通道 输出波形比通道b 输出波形延迟9 0 。，d 触发嚣输出0 为低电平，q 非为高电平， 上面与非门关闭，其输出为高电平( 波形w i ) ，顺时针计数器停l t 计数而此时，下面与非门打开 计数脉冲通过( 波形w 2 ) 送至c f 8 0 5 i f 3 4 0 的p 23 口，逆时针计数器开始计数其计数结果保存在 逆时针寄存器中。在单片机稃序中从系统设置的校准点开始，根据顺时针寄存器值与逆时针寄存 器值的差值就可以计算出方向盘的转动角度，光电编码器的分辨率是5 0 0 个脉冲圈，所以转动的角 度计算公式如f ： 0 = 口+ 口，5 0 0 x3 6 0 口：系统韧始校准值： 口：方向盘转动的角度 口：顺时针寄存嚣与逆时针寄存器差值： 东南 学顿士学位论业 8 】 b i 【- - i l - - 一i - i q ”uul - l ” 圈3 - 5 光电编码器鉴相电路输出波形 3 1 2 扭矩传感器检测电路 ( 1 ) 批矩传搏器原理 面向康复的力反馈虚拟驾驶系统耍求能够搏知康复患者锻炼过程中上胜的恢复情况，咀便康复 治疗师制订下一个阶段的康复计划在本系统中判断患者的上肢恢复情况是通过康复患者握住有力 矩施加的方向盘的臂力大小来衡量，而这就需要有感知臂力人小的扣矩传感器。扭矩