摘 要

随着社会经济的发展，国内人口老龄化不断加剧，导致肢体功能丧失的老年人越来越多。同时，由于灾祸而造成的运动性障碍患者的数量也在与日俱增。这些患者中绝大多数都因为传统手工康复的局限性而无法获得有效的治疗。而康复机器人可以替代医疗师，为患者提供高精度控制、重复性好以及能记录重要状态信息的科学的训练方式，从而提高康复效率，让更多的患者能够接受康复治疗。康复机器人应最大程度的模拟人工康复训练方式，在预测出患者运动意图后，为其提供人性化的人机交互辅助康复训练，这对于康复机器人的康复效果的提高至关重要。因此，本文对基于力触觉的康复机器人的交互接口开展了研究，主要研究内容如以下方面：

（1）设计并实现康复机器人机交互接口硬件系统，主要包括倾角传感器模块、位移传感器模块和脚底压力传感器模块的硬件电路的设计与实现。

（2）根据交互接口硬件系统与康复机器人实验平台的工作原理设计了康复机器人交互信息的测量与控制软件系统。交互信息测量部分主要是对各个传感器采集的原始信号进行处理并在人机交互界面中显示，康复机器人控制部分主要是通过交互界面对机器人进行控制。

（3）通过对脚踝康复机器人实验平台的运动学知识的学习，结合机器人运动的轨迹规划方法，得到了机器人的运动轨迹。通过PID控制方法，控制机器人按照规划的康复运动轨迹进行运动。

（4）在实际环境中对交互接口进行了调试和实验，验证了各个传感器模块的硬件电路的可用性。在各个传感器模块可用的情况下，验证了康复机器人交互信息的测量与控制软件系统的有效性。

关键词：人机交互接口，传感器，康复机器人，控制系统

Abstract

With the development of social economy and the improvement of people's living standard, the aging population in China is becoming more and more serious, which leads to the loss of limb function. At the same time, the number of athletic disorders due to the scourge is increasing. The vast majority of these patients can not receive effective treatment because of the limitations of traditional manual rehabilitation. The rehabilitation robot can replace the medical division, providing high precision control, good repeatability and can record the important information of the scientific training methods for patients, so as to improve the recovery efficiency, reduce labor intensity, so that more patients can receive rehabilitation treatment. Rehabilitation robot should be the greatest degree in artificial rehabilitation. After the prediction of the patient's motion intention, it is very important to improve the rehabilitation effect of rehabilitation robot after providing the humanized human-robot interaction rehabilitation training. Therefore, the interactive interface of rehabilitation robot based on haptic is studied in this paper. The main research contents are as follows:

(1) Design and implement the interactive interface hardware system of rehabilitation robot, including the design and implementation of tilt sensor module, displacement sensor module and foot pressure sensor module.

(2) According to the working principle of the interactive interface hardware system and the rehabilitation robot experimental platform, the interactive information measurement and control software system of the rehabilitation robot is designed. The interactive information measurement part mainly deals with the original signal collected by each sensor and is displayed in the human-robot interaction interface. The control part of the rehabilitation robot mainly controls the robot through the interactive interface.

(3) By studying the kinematics knowledge of the experimental platform of the ankle rehabilitation robot, combined with the trajectory planning method of the robot movement, the movement trajectory of the robot is planned. Through the PID control method, the robot is controlled according to the planned rehabilitation trajectory.

(4) In the actual environment, the interactive interface is debugged and experimented, and the usability of the hardware circuit of each sensor module is verified. In the case where each sensor module is available, the validity of the measurement and control software system of the rehabilitation robot interaction information is verified.

Keywords: human-robot interaction interface, sensor, rehabilitation robot, control system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 相关领域国内外研究现状 2

1.2.1 康复机器人研究现状分析 2

1.2.2 康复机器人的交互研究现状分析 4

1.3 本文主要研究内容及结构 5

第2章 人机交互接口系统设计 6

2.1 人机交互接口的整体架构 6

2.2 脚踝康复机器人平台 6

2.3 硬件系统整体架构 8

2.4 硬件各模块的设计与实现 8

2.4.1 压力传感器模块的设计与实现 8

2.4.2 倾角传感器模块的设计与实现 12

2.4.3 位移传感器模块的设计与实现 13

2.5 本章小结 14

第3章 系统测量与控制软件设计 15

3.1 软件原理 15

3.2 人机交互界面的设计 16

3.3 传感器数据采集与处理模块 16

3.3.1 压力数据采集与处理程序 17

3.3.2 角度传数据采集与处理程序 17

3.3.3 位移传数据采集与处理程序 18

3.4 康复机器人控制模块 18

3.4.1 康复机器人运动轨迹的规划 18

3.4.2 PID控制方法及其程序 19

3.4.3 软件实现 20

3.5 本章小结 21

第4章 仿真与实验结果分析 22

4.1 压力传感器模块测试 22

4.2 倾角传感器模块测试 24

4.3 位移传感器模块测试 26

4.4 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 全文工作总结 28

5.2 下一步工作展望 28

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

据有关统计显示，国内年龄在60岁及以上的人口已达2.12亿^[1]。而伴随着人数的增加，他们的健康问题也受到了极大的关注。随着年龄的增长而产生的生理机能的衰退使老年人经常面临着如脑中风、残疾等疾病的困扰，给他们的生活带来了很大的不便^[2]。此外，肢体由于各种原因而遭受的损伤，如运动员训练不当而造成的肌肉拉伤，交通事故导致的肢体损伤，各种疾病产生的神经系统的损伤等，给人们的工作和生活带来诸多麻烦与不便。

面对这些问题，康复训练是当前的一种极为有效的恢复方法。当前的康复训练通常都是依赖于医师，通过人工或借助简易的医疗设备来带动肢体进行运动。这种方法需要极多的康复医疗师且康复效率低，花费的人力物力成本较高，因此需要一种新的技术来替代传统的方法。而可进行交互的康复机器人可以替代医疗师，为患者提供可重复性高、强度高、有针对性以及能记录重要状态信息等科学训练方式。因此，康复机器人已逐渐成为代替传统理疗师帮助患者进行康复训练的重要工具^[3]。

目前，康复机器人主要有两种训练模式：主动训练和被动训练。主动训练是针对已经具有一定运动能力的患者，根据其运动意图，由机器人辅助其完成康复训练。其实现的困难点在于如何正确的提取人的运动意图以及根据人的运动意图控制机器人进行运动。被动训练主要针对患者运动能力很弱时，由机器人带动患者肢体沿着规划的轨迹进行康复运动。其缺陷在于由于缺乏患者的主动参与，导致人机交互程度低，训练效果比主动康复训练差；其优点在于能带动患者进行运动，从而刺激患者的神经，帮助患者恢复肌力直至能进行主动运动^[4]。因此，无论是对于主动训练还是被动训练，康复训练中的人机交互程度，对于康复效果的提高都有着重要的作用^[5]。