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作品名稱：智能上下肢康復機器人
學校名稱：煙臺大學
參賽隊伍：健行者隊
參賽學生：姜軒昂 廉成瑞 朱潤澤
指導老師：楊仁弟
本項目產品使用四自由度機械臂（以上圖片為產品模型），可使用PS2手柄控制，并采用大功率高精度直流無刷電機，具有足夠的靈活度和力量帶動患者胳膊或腿部活動，促進肌無力病人的胳膊或腿部的血液循環(huán)以及康復，并且可以通過切換終端的方式改變功能。該產品使用深度攝像頭實時獲取患者位姿信息，可以充分獲取患者位姿以及坐標信息。采用樹莓派和Arduino進行數(shù)據(jù)處理和控制，具有充足的數(shù)據(jù)處理能力。樹莓派采用Ubuntu和ROS2操作系統(tǒng)，具有很強的操作協(xié)作性。ROS2采用DDS底層通訊模式，具有很強的實時性，有效的根據(jù)環(huán)境進行處理和反饋。康復末端采用高強度魔術貼，可以包裹住患者胳膊或腿部，并根據(jù)人體便捷的調整魔術貼的粗細。機械臂末端的深度攝像頭可以將魔術貼與患者接觸位置，患者胳膊或腿部相對肩部或臀部的位姿圖像信息傳入樹莓派，并將其加入ROS2消息隊列，由ROS2中姿態(tài)處理功能包訂閱，姿態(tài)處理功能包使用Opencv處理圖像信息，解析出患者胳膊或腿部骨骼輪廓信息，并由樹莓派實時生成胳膊或腿部活動軌跡。軌跡信息將交由Moveit2!功能包生成機械臂關節(jié)角度信息，然后通過USB和CH340轉為串口數(shù)據(jù)交由Arduino處理，控制電機運動。為提高機械臂運行穩(wěn)定，控制器采用PID算法和卡爾曼濾波減小誤差和提高精度，提高穩(wěn)定性，減少工作時對人體的頓挫感，大幅提高人體舒適度。切換終端后，機械臂可以做一些簡單的事情，比如協(xié)助病人起床等等。
我們的康復機器人充分考慮其強度、成本、實用性、美觀性等問題，在安裝好機械臂后，考慮患者運動的上肢軌跡，使患者的上肢運動更加有效，動作更加全面，恢復得更加痊愈健康；在安裝上深度攝像頭后，通過視覺對患者上肢的抓取，設計出上肢的坐標標定，形成機械臂末端軌跡規(guī)劃。因各個患者的上肢受傷程度不同，所以使用該上肢康復機器人時的速度因人而異，應設計機械臂各關節(jié)的移動速度并將其分檔，為大多數(shù)的患者找到適合自己的速度，使患者恢復過程更加舒適。為保證使用過程的流暢性，應考慮機械臂運動時的避障。
以四自由度機械臂為主體，有很高的靈活度，能夠協(xié)助使用者完成幾乎所有的手臂動作；能夠通過視覺識別技術判斷使用者手臂的位置和姿勢，從而計算出帶動使用者手臂活動的最優(yōu)解；不同于一般的康復機器，本項目的康復機械臂可以進行拆卸，能夠根據(jù)需要安裝在合適的位置。
與人工徒手操作的康復治療相比，有三大優(yōu)點。一是機器人更適合執(zhí)行長時間簡單重復的運動任務，能夠保證康復訓練的強度、效果與精度，且具有良好的運動一致性，同時也降低了護理人員的勞動強度；二是康復機器人具備可編程能力，可針對患者的損傷程度和康復程度，提供不同強度和模式的個性化訓練，增強患者的主動參與意識，對提高康復效率具有重要意義；三是康復機器人通常集成了多種傳感器，并且具有強大的信息處理能力，可以有效監(jiān)測和記錄整個康復訓練過程中人體運動的數(shù)據(jù)，對患者的康復進度給予實時反饋，并可對患者的康復進展作出量化評價，為醫(yī)生改進康復治療方案提供依據(jù)。
完善的評估系統(tǒng)，我們會對每一個患者治療前后進行全面的評估。訓練過程中采集患者上肢各關節(jié)各方向活動度，及時記錄保存評估數(shù)據(jù)，建立病人數(shù)據(jù)庫，準確評估患者的功能障礙情況，為治療進展提供強有力的依據(jù)。評估數(shù)據(jù)以及訓練數(shù)據(jù)進行信息記錄儲存及數(shù)據(jù)分析、實時聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療互聯(lián)。
趣味的訓練過程，上肢康復機器人設有豐富的游戲，通過游戲的方法提高患者主動參與的積極性，提升手、眼協(xié)調功能，提高認知功能，加快肢體功能恢復，增強患者的康復信心。將訓練融入其中，讓患者的訓練不再枯燥，大大提高了患者的積極參與性。針對于不同評估結果，選擇針對性訓練模式。
豐富的訓練方式，多種訓練模式滿足不同患者的訓練需求，多款情景互動式游戲還包括了梳頭、進食等日常生活活動能力訓練。通過模擬日常生活中的活動，提供多種激勵性的練習和游戲，鼓勵患者進行更長時間的有效訓練，提升其神經可塑性變化和運動再學習能力，讓患者最大程度地回歸社會回歸生活。
