基于机器视觉的下肢外骨骼康复运动检测系统

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随着老龄化社会的到来,脑卒中发病率持续增高,出现行走障碍的患者日益增多,对医疗资源的需求逐渐扩大。下肢康复外骨骼作为康复医疗的一种重要辅助设备,给治疗下肢瘫痪提供了新的方法。外骨骼已然成为当下机器人研究领域一个重要的分支,涌现了形式各异的外骨骼设计方法,亟需一套运动检测系统对下肢康复外骨骼设计有效性进行评估。  本文首先分析了人体下肢运动模型,介绍了下肢关节生理结构及其运动特性。在此基础上描述了下肢运动步态,拟合了髋关节和膝关节运动角度解析式,建立了下肢运动D-H连杆模型,推导出了髋关节内旋外旋、内收外展、伸展屈曲三个自由度和膝关节伸展屈曲一个自由度的角度公式。  其次,在实验室原有研究基础上,重新设计了下肢康复外骨骼的控制系统,以适应外骨骼康复家庭化的新趋势。选用ARM处理器为主控芯片,在嵌入式Linux下编写基于CAN网络的外骨骼运动控制程序,实现下肢外骨骼驱动患者按正常步态轨迹在地面行走。预留网络接口和USB接口,以期实现医生患者端到端的实时交流,满足患者家庭化康复训练的需要。  然后,设计了视觉运动检测系统,以人机运动一致性为评价标准,对本文设计的外骨骼平台的康复有效性做量化检测。视觉运动检测系统以Kinect作为运动数据采集源,采用基于标记的视觉检测方法,按照D-H模型在下肢布置标记条,利用DBSCAN算法和最小二乘法建立下肢D-H坐标系,解算外骨骼驱动下的下肢运动角度参数。  最后,设计精度评估实验,验证了视觉运动检测系统的检测范围、静态测量精度和动态跟随精度,表明了该检测系统适用于对下肢运动的动态捕捉。设计人机运动一致性实验,量化检测外骨骼人机耦合特性,实验结果表明本文下肢外骨骼具有一定的行走驱动能力。
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