基于虚拟环境训练及视觉运动辨识的上肢康复技术研究

作     者：孙熠璇 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜志江

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：上肢康复机器人 虚拟现实 视觉运动辨识 ROS 

摘      要：上肢偏瘫是一种常见的脑卒中后遗症，能够通过长期的功能训练治疗得到改善近年来，国内外对机器人辅助上肢康复技术展开了广泛研究，其克服传统疗法耗时耗力的缺点，可以实现长期稳定的重复训练以及对康复过程的精确记录然而有效的康复治疗方法还需要加强运动的任务导向性，并注重调动患者的主动参与意识因此，本文在已有的5自由度上肢康复机器人基础上，开发面向运动任务目标的虚拟现实训练环境，设计基于视觉辨识及健肢-患肢动作映射的镜像训练方法，以构建一个可行有效的新型上肢康复系统 为了设计出场景开放视角灵活的3D虚拟训练环境，本文采用基于ROS-Gazebo软件架构的开发方法，以建立并运行机器人仿真世界的形式呈现虚拟现实为了提高患者在人机交互中的真实体验，引入外形逼真的虚拟人体作为虚拟场景中的受控对象，其上肢具有与康复机器人对应的五个自由度及运动学模型，为二者实现一致运动提供前提条件由于虚拟人以人形化机器人的形式存在于虚拟世界，针对其各自由度运用位置控制器，以保证其跟随机器人运动的同步性设计以触及动作为导向的运动任务，提高患者的主动运动意愿及训练兴趣 本文以Kinect深度摄像头为传感器，采用视觉捕捉的方式进行健侧肢体的运动辨识，进而将动作镜像到对侧，使机器人辅助患肢实现双侧同步协调运动基于Kinect软硬件体系及其人体骨骼跟踪功能，以管线流程获取患者健肢关节点空间位置原始数据由于健康上肢具有7自由度，而康复机器人辅助下的患肢仅有5自由度，因此提出了基于优化概念的健肢-患肢运动映射方法，设计了以映射前后手臂位置差异最小和手部空间方向最接近为优化目标的映射方案，以尽可能减少康复训练中双侧上肢的运动不对称度 最后，研究新型上肢康复系统的架构形式及构建过程并进行具体实现，使系统中康复机器人控制主机虚拟现实主机及Kinect摄像头四个硬件组成部分协同完成预期任务两台主机之间通过以太网连接并采用ROS框架下的通讯机制，以保证快速的机器人-虚拟人位姿信息交互为了协调管理系统各硬件部分的工作，建立控制主机软件体系，使其具有机器人位置信息实时发布功能，以及控制康复运动训练的用户操作界面针对系统的整体使用效果及主动镜像训练方式进行实验，验证了系统的有效可行性，并通过获取系统运行中的工作数据检验了基于Kinect视觉捕捉的运动映射方法的可靠辨识效果