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机器人辅助上肢康复的虚拟现实训练系统的研究

作 者: 邵卫
导 师: 谢叻
学 校: 上海交通大学
专 业: 材料工程
关键词: 上肢康复机器人 虚拟现实 康复训练 OpenGL 立体显示
分类号: TP391.9
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


将机器人引入康复领域,不仅能够满足患者的基本训练需求,提高康复训练的效率,而且可以为制定更为客观的康复评价体系提供条件。虚拟现实技术为康复训练提供了重复练习、成绩反馈和维持动机三大技术手段,大量研究结果表明,患者能将在虚拟环境中学会的运动技能迁移到现实世界中。基于以上背景,本文作了以下几方面研究:本文首先学习了偏瘫康复的理论知识,对临床偏瘫运动功能康复治疗方法以及存在的问题有了一定的了解。由此确立了课题的研究目标为研制一种基于虚拟现实的机器人辅助训练系统,使之能够辅助中枢神经损伤患者完成临床上要求的康复训练内容。依据机器人辅助康复训练系统的设计原则即安全性、舒适性、主动性、便捷性,本文设计了两套用于上肢康复的机器人辅助的虚拟现实训练软件系统:外骨骼机器人康复训练系统和多功能便携式上肢运动康复训练系统。这两套系统能满足多种训练模式,患者不仅可以在单关节运动训练模式下训练,也可以在多关节复合训练模式下进行训练,是适用于家庭康复的训练系统。课题采用VC++和OpenGL设计了多款用于康复的虚拟游戏场景,如接气球游戏,弹钢琴游戏,移动小球场景,并将音乐、画面和语言提示等感官刺激加入到康复训练过程中。另外,为增加患者沉浸感,该系统还实现了虚拟场景的三维立体显示,患者可选择戴上红蓝立体眼镜,通过康复机器人与虚拟场景进行交互。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-19
  1.1 课题的研究背景和意义  9-10
    1.1.1 课题的背景  9
    1.1.2 课题的研究意义  9-10
  1.2 上肢康复训练机器人的研究现状  10-16
    1.2.1 国外上肢康复机器人研究现状  11-15
    1.2.2 国内上肢康复机器人研究现状  15-16
  1.3 课题研究主要内容  16-17
  1.4 本论文的组织结构  17-19
第二章 机器人康复系统的设计目标和原则  19-27
  2.1 偏瘫康复的理论基础  19-22
    2.1.1 偏瘫康复概述  19
    2.1.2 偏瘫的异常运动模式  19-20
    2.1.3 脑卒中后常用的运动治疗方法  20-22
  2.2 康复的基本任务和上肢康复目标  22-23
    2.2.1 康复的基本任务  22-23
    2.2.2 偏瘫上肢康复的目标  23
  2.3 机器人辅助康复训练系统的设计原则  23-26
    2.3.1 安全性  23-24
    2.3.2 舒适性  24
    2.3.3 主动性  24-25
    2.3.4 便捷性  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章 机器人康复系统的结构组成  27-36
  3.1 外骨骼机器人康复训练系统  27-31
    3.1.1 可穿戴式六自由度上肢外骨骼康复机器人  28-29
    3.1.2 USB 2815 数据采集卡  29-30
    3.1.3 三维立体眼镜  30-31
  3.2 多功能便携式上肢运动康复训练系统  31-35
    3.2.1 拉线式位移传感器  33-34
    3.2.2 无线手指鼠标  34-35
  3.3 本章小结  35-36
第四章 机器人虚拟现实康复软件系统的实现  36-71
  4.1 虚拟现实技术简介  36-37
  4.2 虚拟现实技术的实现  37-45
    4.2.1 OpenGL简介  37-40
    4.2.2 OpenGL的初始化  40-43
    4.2.3 立体视觉基本原理  43-45
  4.3 软件界面的设计  45-49
    4.3.1 窗口的分割  46-47
    4.3.2 左右视图之间的通信  47-49
  4.4 针对上肢康复机器人的虚拟训练场景的设计  49-63
    4.4.1 虚拟人体建模  50-54
    4.4.2 简化上肢的正运动学分析  54-56
    4.4.3 光照与纹理贴图  56-60
    4.4.4 传感器数据的读取与格式转换  60-62
    4.4.5 3D立体场景的程序实现  62-63
  4.5 多功能便携式上肢运动康复系统的虚拟训练场景的设计  63-70
    4.5.1 粒子爆炸效果的实现  65-67
    4.5.2 TGA格式图片的读取  67-68
    4.5.3 Alpha混合  68-70
  4.6 本章小结  70-71
第五章 实验  71-76
  5.1 实验目的  71
  5.2 实验设备  71-72
  5.3 实验对象与结果  72-76
    5.3.1 实验对象  72
    5.3.2 实验过程与结果  72-76
第六章 结论  76-77
  6.1 结论  76
  6.2 存在问题与建议  76-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
硕士期间发表的学术文章及专利  82-84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理(信息加工) > 计算机仿真
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