面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统

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，成为康复工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、USB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C8051F340单片机的下位机控制软件。 利用Viusal C++设计了力反馈虚拟驾驶系统的PC机控制软件，包括基于Directshow的视频数据采集、基于Socket的网络通讯程序、基于OpenGL虚拟驾驶软件设计，基于ADO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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本文的研究内容及主要工作

第二章面向康复锻炼的力反馈虚拟驾驶系统设计方案

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

2.1.2安全性设计

2.2运动控制系统选择

2.2.1力反馈方式的选择

2.2.2电机选择

2.3计算机控制系统结构的选择

2.4编程语言及编程工具选择

2.4.1下位机

2.4.2上位机

2.5锻炼模式介绍

2.6本章小结

第三章力反馈驾驶系统控制电路设计

3.1传感器与检测电路设计

3.1.1光电编码器检测电路

3.1.2扭矩传感器检测电路

3.1.3加速传感器与减速传感器信号采集电路

3.2单片机处理单元C8051F340

3.3 A/D转换模块

3.4 USB通信模块

3.4.1 USB通信介绍

3.4.2 USB通信实现

3.5 D/A转换电路

3.6基准电源的使用

3.7电机驱动电路

3.8系统的抗干扰设计

3.9下位机软件设计

3.10本章小结

第四章力反馈驾驶系统控制软件设计

4.1视频数据采集和网络通讯环节设计

4.1.1视频数据采集

4.1.2视频数据编码与解码

4.1.3网络通讯环节设计

4.2患者信息数据库设计

4.2.1数据库理论简介及数据库系统选择

4.2.2数据库设计

4.2.3数据库访问技术

4.2.4 ADO数据库编程

4.3实验与结果

4.4本章小结

第五章基于虚拟现实技术的康复驾驶软件设计

5.1虚拟现实技术及OpenGL介绍

5.1.1虚拟现实技术概述

5.1.2 OpenGL简介

5.2主动锻炼模式赛车游戏程序设计

5.2.1 OpenGL接口程序

5.2.2赛车游戏场景漫游的初始化

5.2.3天空、地面、树等背景图案的绘制

5.2.4赛车跑道的绘制

5.2.5赛车3DS模型的导入和显示

5.2.6赛车方向的确定

5.2.7赛车速度的确定

5.2.8简单的碰撞检测

5.2.9绘制优化及声音效果

5.2.10游戏控制流程图

5.2.11实验及结果分析

5.3本章小结

第六章总结和展望

6.1课题总结

6.2基于虚拟现实的康复系统发展展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的主要论文