应用触觉交互的人手运动功能虚拟康复系统的关键问题研究

依据康复医学发展的需要和趋势，瞄准触觉交互技术与人手运动功能康复交叉而产生的人手虚拟康复这一新兴的研究领域，研究其中涉及的关键技术和理论。研究内容包括：1）用于辅助人手康复训练的触觉交互装置，能够为人手提供主动运动、被动运动、助力运动和阻抗运动等多种康复训练模式，适应不同的人手尺寸，且不受佩戴位置的影响；2）力、位置、速度等多种传感器集成和信息提取方法；3）不同康复训练模式的识别和实现多种控制模式的集成的控制系统架构；4）包括刚体和可变形体的复杂虚拟对象建模方法，刚体-刚体、刚体-变形体、变形体-变形体等多种形式接触运动学模型及相应的碰撞检测算法和触觉渲染算法；5）基于位置、力等人手康复训练参数的人手运动技能量化指标及参数模型。通过我们的研究，为进一步设计和开发全方位高性能的人手虚拟康复训练系统提供理论依据和方法。

依据康复医学发展的需要和趋势，瞄准触觉交互技术与人手运动功能康复交叉而产生的人手虚拟康复这一新兴的研究领域，研究其中涉及的关键技术和理论。.项目开展的研究工作及取得的成果体现在以下几个方面：.1）研究了具有力觉反馈功能的人手运动康复系统的整体架构，实现了主动、被动、主动助力及抗阻共四种康复运动模式，研究了人手康复机器人设计、控制及力觉渲染等多个领域的关键技术。.2）设计了两代外骨架式多关节人手康复机器人，结构上具有双向驱动功能，每个手指具有4个自由度，可适应人手不同尺寸和不同关节活动度，适应不同康复阶段的人手活动度的变化，最大限度地满足人手运动要求。机器人集成了关节位置传感器及力传感器，可以实时采集每个手指关节的转角信息及指尖力信息，人手关节信息用来实现人手与虚拟手的运动映射，指尖力信息用来进行摩擦力补偿，也可进一步作为人手康复程度的一个量化评价参数。.3）对于所设计的康复机器人，分析了其运动学及动力学，通过建模与实验相结合的方法分析了影响反向驱动性能的主要因素，进一步研究了绳传动对系统性能的影响及补偿方法。提出用对掌工作空间及对掌度描述人手对掌功能的程度，为康复评价提供可量化的指标。.4）控制系统的研究内容包括控制策略选择和控制算法实现。基于不同的电机驱动器，我们尝试了不同的控制策略，分别研究了基于力矩控制模式驱动器的及基于多模式驱动器的控制策略和控制算法。并针对绳索/绳套这一特殊的传动方式，提出了摩擦补偿的控制算法。.5）仿真子系统研究了包括刚体和可变形体的复杂虚拟对象建模方法，刚体-刚体、刚体-变形体、变形体-变形体等多种形式接触运动学模型及相应的碰撞检测算法、多点接触的力觉渲染及变形的图形渲染。. 通过我们的研究，建立了具有力觉反馈功能的人手运动康复系统的原型样机，从功能上证实了该系统的可行性，确定了提高系统性能及可靠性尚需研究的问题，为进一步设计和开发全方位高性能的人手虚拟康复训练系统提供理论依据和方法。