基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练控制方法

现有基于Kinect构建的康复训练系统,大多以患者自行开展主动康复训练为主,未能充分利用康复医师的临床经验且很少用于机器人辅助康复训练系统,具有一定的局限.针对此问题,提出一种基于Kinect的机器人辅助上肢被动康复训练方法.首先,开展基于Kinect的上肢骨骼点跟踪与逆运动学计算;其次,基于Linux/QT及Kinect设计三维虚拟康复训练环境;再次,在康复医师示教训练任务并通过Kinect获取示教任务参考轨迹基础上,根据训练过程中Kinect实时捕获的患肢运动位置反馈,设计基于模糊推理的机器人辅助被动康复训练控制器;最后,基于Kinect及Barrett公司4自由度WAM~(TM)康复机器人构建试验统平台,对方法有效性进行试验验证.实验结果表明,所提方法能有效利用医师的临床康复经验,并使机器人较平稳地牵引受试者上肢沿示教任务轨迹进行训练,较好地实现了"医师—机器人—患者"之间的人机协同康复训练.     

面向下肢损伤主动康复的虚拟训练环境设计与应用

针对传统下肢康复机器人的康复过程无趣性和自主性差的弊端,基于WebGL的第三方库Three.js,设计虚拟训练场景,患者借助机器人提供的辅助力让肢体做出下肢前移、后撤、抬腿等训练动作,这些动作分别控制虚拟场景中人物的前进、后退、爬楼梯、踢足球等行为,使患者在康复过程中具有场景代入感,并主动沉浸于康复训练中,提高康复效率。     

基于HTC VIVE的上肢康复虚拟训练系统研究

偏瘫病人参与康复训练的主动性不强、目的不明确,导致效率较低.本文提出基于可穿戴设备HTC VIVE的偏瘫上肢康复训练方案,设计并实现了一种以任务为导向的康复训练系统.基于人体上肢运动学理论,使用D-H参数方法建立人体上肢5自由度模型,仿真模拟了上肢手腕部的运动空间,以确保训练方案的安全性.在Unreal Engine 4中构建虚拟康复训练场景,患者通过操纵控制器触碰虚拟场景中的目标点完成相应训练任务.经上肢行为正常人士及偏瘫病人临床测试,训练任务有效促进了病人参与康复训练的主动性,运动轨迹记录可及时反馈患肢的运动情况,系统满足康复训练的需求.     

4自由度上肢康复机器人结构设计与仿真分析

设计了一种4自由度外骨骼康复训练机器人,改善了当前康复机器人运动关节单一、康复训练空间有限的缺陷。参照人体上肢尺寸标准,应用SolidWorks绘制了机器人三维模型,根据DH法对机器人建立正向运动学模型,通过Matlab验证了模型的正确性。通过Adams对模型进行运动学仿真,验证了结构在不发生干涉的条件下能够实现多关节复合康复训练运动。同时对机器人工作空间进行仿真分析,验证了机器人工作空间与人体上肢的日常活动空间是相匹配的,能够满足患者上肢康复训练的要求,应用Matlab对抬臂屈肘康复运动进行轨迹规划,验证了整个康复运动平稳合理。     

基于绳索牵引的骨盆运动并联康复机器人的可控性研究

康复训练机器人是近年来出现的一种新型机器人,其在进行康复训练过程中,如何协调控制患者骨盆的运动规律现在还没有很好的解决.文中根据人的运动特性提出了利用绳索牵引控制骨盆的运动,骨盆运动规律的欠约束(不完全约束)绳索牵引并联机器人结构与人腿的支撑共同组成了绳杆混合并联机构.从可控性出发,分析在不同位姿时各个绳的拉力性能;从自由度解耦的角度判断实现力控制的可行性.依次设计了欠约束绳杆混合并联机器人结构,可满足对人体骨盆康复运动的控制要求.     

外骨骼式上肢康复机器人及其控制方法研究

提出了一种融合单、多关节及日常生活功能行动作训练的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧肢体运动的表面肌电信号用于驱动康复机器人辅助患者患侧肢体实现康复训练动作.采用肌电绝对值积分和自回归参数模型法对上肢运动中参与动作的4块肌肉产生的sEMG信号分别进行特征提取,并分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.该方法有利于提高中枢神经系统紧张度,促进血液循环,在康复的同时防止并发症的产生,更有利于提高患者运动积极性,保持患者正确运动的感觉.     

基于VR、体感控制技术的机器人设计

虚拟现实技术越来越成熟,而由其派生的增强现实技术,将真实场景与虚拟场景叠加,达到超越现实的感官体验.而我们将VR技术中的增强现实技术与体感技术结合,制作VR体感控制机器人.应用VR技术,利用VR眼镜、网络摄像头制作远程全息观察系统,从而获得机器人的全息视角;应用体感控制技术,利用姿态传感器、无线传输设备,制作远程体感控制的机械体,实现体感控制功能,配合视觉反馈,实现高自由度、高精度操作.     

上肢运动康复外骨骼肩关节优化设计与系统应用

针对脑卒中患者早期肌肉力量严重不足,需要密集重复性运动康复训练的情况,设计一套外骨骼机器人系统,并结合传统运动疗法提出镜像训练、示教训练和轨迹重复训练等训练模式.镜像训练通过健肢引导患肢运动,促使患者自主训练;示教训练由理疗师引导患肢运动,实现“一对多”分布式训练;轨迹重复训练能够按照理疗师指定的特定轨迹患肢进行动作重复训练.外骨骼机器人系统包含负责位姿检测的主外骨骼和负责动作辅助的从外骨骼2个子系统,两者具有相同的七自由度上肢串联运动学模型.根据人体肩关节旋转中心生理运动形式优化设计外骨骼自适应肩关节,提高了人机运动链相容性.临床实验结果表明:外骨骼系统能够为脑卒中患者提供安全可靠的运动训练.     

下肢康复机器人机械结构设计及动力学仿真

为推动康复机器人发展,提高下肢康复训练水平,设计了一种新型下肢训练康复机器人的机械结构.设计采用新型全向移动平台机构,实现了平面内任意方向的运动,并且可以在移动过程中实现任意半径转弯.从运动学角度分析了轮速与机器人轨迹间的数学关系,并采用虚拟样机技术结合Pro/E与Adams联合建模仿真的方法,建立了精确可靠的虚拟样机模型.实验仿真结果表明,设计的虚拟样机模型与数学模型具有一致性,验证了该下肢康复机器人机械结构的实际可行性,为物理样机的建立提供了可靠依据.     

5 DOF穿戴式上肢康复机器人控制方法研究

提出了一种面向偏瘫患者,可实现单关节和多关节运动的5自由度穿戴式上肢康复机器人的控制新方法.根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,该机器人利用偏瘫患者的健肢运动的表面肌电信号(sEMG)驱动康复机械臂辅助患者患肢实现康复训练.利用肌电绝对值积分(IAV)和自回归参数模型法(AR model)对选定的上肢四块肌肉运动产生的sEMG信号进行分析,所提取的特征分别作为基于Levenberg-Marquardt算法的反向传播神经网络的输入,6个上肢运动作为输出建立表面肌电信号与上肢康复动作之间的关系.试验结果表明该方法利用sEMG准确地完成了对上肢康复动作的识别.这一方法有利于提高患者运动积极性,保持正确运动的感觉,并为研究患者受损上肢表面肌电信号与肌肉运动的关系打下了基础.     

基于VR的家庭机器人建模

为了缩短研制周期和降低开发成本,引入虚拟样机模型来设计家庭机器人仿真系统．利用三维实时场景建模技术在SGI工作站上建立虚拟家庭环境和虚拟家庭机器人的实体模型,推导了差速移动机器人的运动学模型,并完成了家庭机器人在虚拟家庭环境中漫游的仿真试验．结果表明,将虚拟现实和机器人学相结合是机器人研究的一种有效手段．     

教育机器人三维软件系统的设计与实现

在中小学教育机器人领域,引入并实现了教育机器人的虚拟制造,实现了教育机器人的三维流程图编程和基于虚拟现实技术的教育机器人作业的动态仿真.首先介绍系统的设计目标,详尽阐述基于OpenGL的虚拟现实技术设计教育机器人系统软件.其次实现了教育机器人的虚拟制造、三维作业编辑和仿真,具体展示了系统软件的功能,最后对于系统工作做了总结.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

面向在轨测量任务的伴飞机器人三维仿真系统

为了避免空间伴飞机器人末端探测器与自身载体或者与待测航天器之间发生碰撞,在实际进行在轨测量之前,需要对其末端探测器轨迹规划方法进行充分的三维图形仿真.针对现有空间机器人地面仿真系统不能可视化的问题,设计了一种基于虚拟现实技术的三维仿真系统.首先,建立了基于Open Inventor的空间机器人三维实体几何模型,并构建反应空间机器人逻辑位置的三维仿真场景.然后,基于数据传输技术和构建的三维仿真场景建立了空间机器人可视化三维仿真系统.最后,建立空间机器人运动学模型并对空间机器人末端执行器跟踪的圆弧轨迹进行规划.仿真结果表明,利用该系统可直观得到空间机器人的运动过程以及空间机器人载体的运动特性,有利于空间机器人的轨迹规划和控制算法的仿真研究,可避免因不当轨迹规划而造成空间机器人发生碰撞.     

基于VRML的机器人空间连续轨迹运动仿真

以虚拟现实建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)辅以3DMAX作为建模工具, 建立了机器人的三维模型. 利用Java与虚拟现实建模语言之间外部编程方式的交互, 实现了机器人正运动学、逆运动学及连续轨迹运动仿真. 当进行连续轨迹运动仿真时, 建立工件的三维模型, 提取工件棱边信息, 机器人可以实现沿着工件轮廓的三维运动, 模拟去除工件毛刺、进行光整加工的过程. 仿真以六自由度机器人作为仿真对象, 但具有很强的适应性.     

教育机器人三维软件系统的设计与实现

在中小学教育机器人领域,引入并实现了教育机器人的虚拟制造,实现了教育机器人的三维流程图编程和基于虚拟现实技术的教育机器人作业的动态仿真.首先介绍系统的设计目标,详尽阐述基于OpenGL的虚拟现实技术设计教育机器人系统软件.其次实现了教育机器人的虚拟制造、三维作业编辑和仿真,具体展示了系统软件的功能,最后对于系统工作做了总结.     

基于图像与几何建模的虚拟现实系统设计

设计了一种基于图像与几何建模的虚拟现实系统,在分析和比较现有虚拟现实设计技术和方法的基础上,系统地结合了几何与图像绘制及建模技术优点,真实场景用基于图像绘制的方法建模实现,虚拟物体用几何的方法建模,然后再把虚拟物体和真实场景的全景图相结合构建虚拟现实环境,实现了虚拟现实系统的高逼真度、高绘制速度及良好交互性的有效融合.     

平面冗余自由度机器人自寻优运动优化方法

为了解决平面冗余自由度机器人的运动优化问题,提出一种自寻优方法。引入"臂角"参数,建立了平面4自由度机器人逆运动学的封闭解形式;针对机器人运动过程中远离关节极限的优化任务,提出一种自寻优方法,将4自由度机器人等效为四连杆机构,将优化目标转化为虚拟转矩作用于关节上,机器人将在虚拟力作用下向着平衡状态运动,最终实现机器人的运动优化。采用自寻优方法对机器人单点位姿及轨迹跟踪进行了运动仿真,结果表明:自寻优方法可以快速、有效地实现机器人的运动优化。     

基于jQuery的动态虚拟场景技术研究

介绍了X3D(eXtensible 3D)虚拟现实技术的特点,分析了使用SM修改虚拟场景的方法.在分析Ajax技术在X3D虚拟现实系统开发中使用现状及存在问题的基础上,提出将jQuery库引入到X3D虚拟系统开发过程中.该方法通过与SAI(scene access interface)的结合,实现了虚拟场景的动态加载和更新,有效提高了系统的开发效率.最后给出了相关应用实例.     

桌面型虚拟现实系统场景优化问题研究

桌面型虚拟现实系统的应用慢慢开始普及,特别是在网络上,有很多虚拟旅游、虚拟博物馆、虚拟学习环境,让人们在计算机前就能得到较为真实的直观感受。但是,虚拟现实场景的显示是由计算机的显卡和中央处理器实时运算产生的,对于小场景的虚拟现实问题不会很大,但对于大场景,如果不对虚拟场景模型进行优化处理,将大大影响其运行速度,降低虚拟现实场景的表现力。