手部康复训练机器人控制系统设计

论文总字数：22293字

摘 要

当前，随着中国人口的老龄化，中风患者的数量逐年增加，中风的死亡率高，既使患者能够幸存，也会留下不同程度的残疾，尤其是手部残疾，因此都需要后续持久的恢复治疗。但对大多数患者而言，依靠少数的治疗专家来获得长期的康复训练是不实际的。

在机器人技术不断创新与进步，其应用领域不断扩展的今天，手指康复机器人应运而生，它的出现使得患者可以在医生的指导下独立进行手指恢复训练，弥补了医生数量不足、医疗水平层次不齐等问题。同时，手指康复机器人的出现也给相应的康复理论的研究带来动力。本课题研究的是手指康复机构工作过程中的控制电路。

在实验室已有的康复机械机构上，设计相应的硬件电路控制系统，对患者使用康复机器人过程中的手部状态进行采集，手部运动进行控制。主控芯片采用NXP 1700系列ARM芯片，应用模块化设计思想，方便后期的维护和升级。所设计的电路模块主要包括：主控制器模块，传感器数据采集模块，磁流变液阻尼器驱动模块，电机驱动模块，通信调试模块，以及电源模块。

关键词: 手指康复； 电路控制； ARM； 模块化思想

DESIGN OF CONTROL SYSTEM FOR HAND REHABILITATION ROBOT

Abstract

At present, with the situation of aging Chinese population becoming serious, the number of stroke patients has increased year by year, and the mortality rate of this disease is high. Even if patients survive, they still get different degree of paralysis, especially hand paralysis. So they need follow-up lasting recovery treatment. But for most patients, it is not practical to rely on a small number of treatment specialists to get a long term recovery.

In recent years, robot technology has get huge progress, its applications continue to expand. Finger rehabilitation robot arises at the historic moment, it makes patients can be under the guidance of a doctor's independent finger recovery training, to make up for the shortage of doctors and the problem of medical level. At the same time, the emergence of the finger rehabilitation robot also brings power to the research of the corresponding rehabilitation theory. The research of this topic is the control circuit of single finger rehabilitation training recovery system.

In this paper, we design the corresponding hardware circuit control system for the existing rehabilitation mechanism, and then collect the hand state in the process of rehabilitation robot. Main control chip using NXP 1700 series ARM chip. Using the application of modular design ideas, to facilitate the maintenance and upgrading. The circuit module mainly comprises a sensor data acquisition module, a magneto rheological fluid damper drive module, an electric motor drive module, a communication debugging module and a power module.

KEY WORDS: finger rehabilitation; circuit control; ARM chip; module design;

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 Ⅲ

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 3

1.2.2 国外研究现状 4

1.3 现有手指康复装置的不足 4

1.4 本文研究内容概述 5

第二章 手指康复机器人结构分析 6

2.1手指康复机器人总体结构 6

2.2手指康复机器人传感驱动装置 7

第三章 控制系统硬件电路的设计与实现 11

3.1硬件电路总体结构与功能 11

3.2主控制器模块 12

3.3传感器数据采集模块 13

3.3.1 力矩传感器数据采集处理电路 13

3.3.1 光电编码器信号分析处理电路 16

3.3.1 压力传感器数据采集处理电路 17

3.4磁流变液阻尼器控制模块 20

3.5直流电机驱动模块 22

3.6通信接口模块 24

3.7电源管理模块 25

第四章 总结与展望 27

4.1课题总结 27

4.2展望 27

致谢 28

参考文献 29

1. 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

“脑卒中”（cerebral stroke）俗称“中风”、“脑血管意外”（cerebral vascular accident，CVA），是一种急性脑血管疾病[^[1]]。是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，严重者可引起死亡。调查显示，城乡合计脑卒中已成为我国第一位死亡原因，也是中国成年人残疾的首要原因。通过调查各大医院的“中风”患者就诊记录可以发现，即使患者能够幸存，仍然有很大一部分留下残疾，尤其是手部残疾的后遗症[^[2]]。手是人体构造复杂又非常灵活的一部分，日常生活中，手是人不可或缺的工具，一旦因为脑血管意外导致手部出现残疾，将会丧失手部的运动和感觉技能，严重影响了患者的生活质量，更有甚者，患者将失去劳动能力和自理能力。

临床显示，对于由中风引起肢体部分残疾的患者，及早地进行康复训练治疗能够有效的保持患者关节的活跃度，能够有效提高患者的运动能力[^[3]]。当前，随着中国的人口老龄化，由脑卒中和骨折引发残疾的患者数量逐渐增加，这些患者都需要及时的和持久的恢复治疗来重返健康，但对大多数患者而言，依靠中国少数的治疗专家来获得长期的康复训练过程是不实际的。

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