论文总字数：24958字

摘 要

脑脑卒中是危害老年人健康的第一杀手，患者在术后常伴随有偏瘫等后遗症，康复医学表明，通过对脑卒中病人进行肢体运动训练和刺激可以帮助其恢复行动能力，并且患者在康复训练过程中的积极性与主动性越高，其恢复效果越好。康复机器人在康复医疗领域能很好地代替康复医师对患者进行有效地康复训练。

本文在分析了康复机器人的研究现状、发展趋势的基础上设计了一套面向脑卒中病人的上肢康复训练与评估系统，包括了一个上肢康复机器人系统，一个Unity虚拟交互场景和一套场景交互式康复评估系统。其中，上肢康复机器人系统使用自主设计的绳索牵引外骨骼机构与控制电路实现控制手臂的四自由度运动。虚拟交互场景使用Kinect2.0体感设备采集患者关节信息，使患者能与场景物体进行交互，提高康复训练的趣味性。康复评估系统通过Kinect2.0采集患者关节角的动作序列，通过DTW算法与标准模板比较，给出评估成绩。本文将上述三者有机整合为一套完整的上肢康复训练与评估系统，并通过实验验证了该系统的可行性。

关键词：脑卒中，上肢康复机器人，虚拟交互场景，康复评估

Abstract

Stroke is the first killer that endangers the health of the elderly. Patients often suffer from hemiplegia and other sequelae after operation. Rehabilitation medicine has shown that limb motor training and stimulation can help stroke patients recover their mobility. At the same time, patients in the rehabilitation training process, the higher the initiative and enthusiasm, the better the effect of rehabilitation training. Rehabilitation robot can take the place of rehabilitation doctor to train patients effectively in the field of rehabilitation medicine.

On the basis of analyzing the present research situation and developing trend of rehabilitation robot, this paper designs a rehabilitation training and evaluation system for upper limb for stroke patients, including an upper limb rehabilitation robot system. A Unity virtual interactive scene and a scene interactive rehabilitation evaluation system. Among them, the upper limb rehabilitation robot system uses self-designed rope traction exoskeleton mechanism and control circuit to control the arm motion of four degrees of freedom. Virtual interactive scene uses Kinect2.0 somatosensory equipment to collect information of patients' joints so that patients can interact with scene objects and improve the interest of rehabilitation training. The rehabilitation evaluation system collects the action sequence of the joint angle of the patient by Kinect2.0, and compares the results with the standard template by DTW algorithm. In this paper, the above three are integrated into a complete upper limb rehabilitation training and evaluation system, and the feasibility of the system is verified by experiments.

KEY WORDS: Stroke,Upper limb rehabilitation robot, Virtual interactive scene, Rehabilitation assessment

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 4

1.1 项目研究的意义与目的 4

1.2 国内外研究现状 5

第二章 系统方案 7

第三章 绳索牵引上肢康复机器人设计 8

3.1 康复装置结构设计 8

3.1.1 总体设计 8

3.1.2 各模块介绍 10

3.2 控制电路设计 12

3.2.1 电机与驱动选择 12

3.2.2 编码器选择 13

3.2.3 拉力传感器选择 13

3.2.4 单片机选择 14

3.2.5 控制电路板设计 15

第四章 虚拟交互场景设计 16

4.1 软件系统介绍 16

4.2 程序结构 17

4.2.1 主要类功能介绍 17

4.2.2 赛车场景软件实现 18

4.2.3 摘苹果场景软件实现 19

4.3 软件场景展示 20

4.3.1 开始场景 20

4.3.2 开始场景副本 21

4.3.3 赛车场景 21

4.3.4 摘苹果场景 23

第五章 上肢康复评估系统设计 25

5.1 系统框架 25

5.2 系统实现 26

5.2.1 关节角计算 26

5.2.2 关节角序列选取 26

5.2.3 DTW算法 27

5.2.4 标准模板建立 28

5.2.5 实验结果与分析 30

5.3 软件场景展示 30

第六章 结论 31

致 谢 32

参考文献 33

绪论

项目研究的意义与目的

随着社会老龄化的加剧，截止2017年底我国60岁以上老年人口已经达到2.41亿，占总人口的17.3%，人口老龄化形式严峻，全球很多国家也面临着相同的问题。与此同时，老年人健康状况并不容乐观，老年人的失能率达到18.3％。究其原因，脑卒中是危害老年人健康的第一杀手，发病率呈上升趋势。我国是脑卒中的高发地区之一，根据卫生部公布的全国死因调查显示，卒中目前已经超过恶性肿瘤，成为我国第一致死病因，即使在幸存者中，也有约70%~80%的病人留有不同程度的残疾。此外，在我国由于车祸、事故等因素引起肢体受伤的患者数量也不在少数。社会和家庭需要花费极大的代价来治疗和护理这些患者，给社会和家庭带来了沉重的负担。

脑卒中导致偏瘫的根本原因是由于人体中枢神经系统受到了损伤，导致无法对肢体运动进行有效的控制。对此，有效地治疗方案是在术后进行康复训练，通过训练重新建立肢体与脑部损伤中枢神经间的联系^[1]，研究表明，人体上肢的神经控制中枢相比下肢更为复杂，损伤后的康复也更为缓慢。所以，上肢康复训练在康复医学中显得尤为重要。脑卒中患者的康复治疗通常由康复医师与患者通过一对一的肢体训练实现，训练过程中患者需进行大量重复性运动以刺激受损脑部区域进行自我修复。但这类重复性一对一训练存在效率低、成本高，极大占用康复医师资源和无法在家进行康复训练等缺点。因此，相对于传统康复训练，机器人康复设备是很有吸引力的替代品，因为它们可以在长时间内保持稳定的性能，并通过各种传感器提供定量的结果。系统回馈表明，机器人辅助康复可以提供与传统治疗相同或更好的性能^[2][3]。

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