基于绳索驱动的手指运动功能康复训练系统

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随着我国人口老龄化的到来,患有各种疾病和肢体运动障碍的中老年人口数量迅速增长。肢体运动功能对于完成人们一天的活动非常重要。为了完成各项精细且高难度的日常工作,人的手指频繁接触各类工具,所以也非常容易受到伤害。为了恢复患者的手指运动功能,除了手术治疗与药物治疗外,康复训练对辅助手指运动功能的恢复也起着至关重要的作用。本课题在国家重点研发计划(2017YFB1303201)的资助下,提出了一款基于绳索驱动的手指运动功能康复训练系统。该系统具有结构紧凑、轻便柔软的特点,具体工作内容如下:根据人手生物学特性及运动特点,比较传统可穿戴式手部康复机器人的机械结构,针对结构不够紧凑、力传递效率低等问题,本文基于“仿生”,设计了一种外肌腱驱动的手指康复机器人机械结构,实现了四根手指的屈曲/伸展运动,拇指的屈曲/伸展、外展/内收。同时针对驱动器比自由度少的情况,提出了欠驱动方法,采用差动结构实现了抓握运动中的自适应,降低了系统的复杂性。针对传统机电驱动反驱能力差、力矩体积比小、惯性大等缺点,本文创新了驱动方式,将传统的直流电机驱动转为基于磁流变阻尼器的有源/无源混合驱动方式,使用无源执行器磁流变阻尼器分配有源执行器直流电机产生的机械动力,通过改变磁流变阻尼器的输出扭矩改变施加在机器人上的扭矩,从而将动力源的动态特性与输出解耦,降低了系统的惯性,提高了系统的动态性能,增大力矩-体积比。本文根据不同康复时期、不同损伤程度、不同年龄段的康复需求,设计了四种康复训练模式——被动模式、主动模式、阻尼模式和镜像模式,根据每种模式的训练特点,开发了多种虚拟现实游戏,实现了多模式训练,增加患者沉浸感。同时,基于Unity3D和Labview设计了人手运动功能康复训练系统的客户端和服务器端,采用TCP技术实现了患者与医师的远程数据通信,为远程医疗提供技术保障。通过对康复训练系统的驱动系统性能测试、欠驱动性能测试、运动空间范围实验、康复训练模式实验,验证了本系统各个模块功能良好,实现了预期的功能。
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