1. 研究目的与意义
现代社会科学技术日新月异，人民的生活水平也不断改善，中国正快速迈入人口老龄化社会，在这老龄人群中，因各种疾病或事故造成的偏瘫呈现逐年上涨的趋势。
因此，对康复机器人的相关研究就应运而生，也日益成为智能机器人和康复医学工程领域的研究大方向。
在科技的赋能下，应用于康复训练的机械手不断得到发展，它能让临床医师走出传统的训练治疗模式，从而可以使更多病人在中风或受伤后都有机会进行手部的康复治疗。
2. 课题关键问题和重难点
对康复训练机械手来说，需解决的关键问题如下：
1) 寻找适合的曲度传感器。曲度传感器是康复训练机械手的关键部件，它的灵敏度、测量范围等都会影响数据的准确性，是康复训练机械手运动的基础；
2) 选择合适的单片机。单片机系统应该具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点；
3. 国内外研究现状（文献综述）
| 随着科技的进步，使得现代化生活水平逐渐提高，但我国目前老龄化进程也明显加快，老年人因各种疾病或事故造成的偏瘫逐渐引起了全社会的广泛关注，目前患者恢复主要还是通过康复训练师协助患者做康复运动来实现的，存在着康复治疗不规范，效果难以定量评价，治疗患者数量有限等严重问题。为了从根本上解决上述问题，我国863高新计划和国家支撑计划已经把康复机器人列为重点发展对象。对于康复训练机械手领域的国内外研究现状、研究方向及发展趋势，主要如下：
1) 国内的研究现状、研究方向及发展趋势：人体手部功能极为精细、灵敏，因而帮助手部运动功能康复的机械手研制也就相对复杂和多样化。目前康复训练机械手基本上都是采用外骨骼式结构，其实现形式主要有两种：末端直接拉伸式和多关节驱动式。2004年，哈尔滨工程大学开发出了一种手部康复训练器，它由控制系统、电机驱动等装置组成，该训练器结构简单、操作方便、成本低廉。2007年，哈尔滨工业大学设计了一种新型手指CPM机，该机构采用模块化的设计思想，执行模块、驱动模块、控制模块分离，集成了多个传感器，能够对康复训练过程中的各种数据进行实时反馈。采用康复训练机械手进行辅助康复训练，目前还只是刚刚开始，尽管机械手辅助康复训练与传统的依靠医护人员进行辅助康复训练的方式相比具有明显的优势，并且已经取得了比较好的效果。但是它们大多采用一个动力源驱动，控制方便，但不够精确，不能实现单个手指的运动，训练过程过于单一，不能达到手指康复训练的要求，而且价格较高，不能对康复训练效果进行实时监控，缺乏感知信息。综合以上分析，国内康复训练机械手的研究还处于起步阶段，现有的产品虽能实现部分功能，但也存在着很多缺点和不足，还有很大的研究空间。 2) 国外的研究现状、研究方向及发展趋势：2001年，美国科研人员研制出了对手指进行康复训练的机械手，由电机控制运动，驱动机构与执行机构分离，结构比较简单紧凑，系统灵活性较好。意大利学者研制的康复训练机械手的主要特征是有独立的模块，每根手指连接处的转动中心都与人手关节相对应，均由一个执行器独立驱动、拉线传动，控制较方便。2005年，德国柏林工业大学Wedge等人采用的是模块化设计的思想，每根手指由1个电机驱动、2条钢丝绳牵引，且钢丝绳的伸缩是由滑轮半径确定的，成一定的比例，对手指的大小尺寸具有完全适应能力，方便康复训练时因人调整。通过以上对国外技术与产品的相关研究分析，可知康复训练机械手涵盖了康复医学、生物力学、机器人与控制学等各个学科，康复训练机械手也会像其他康复机器人在日常生活中的广泛应用，创造出更大的价值，逐步平民化、产品化、市场化，真正走入残疾人和老年人的实际生活中，提供及时有效的帮助，提高生活质量，增加幸福感。 纵观国内外对康复训练机械手的研究，现在技术应用于偏瘫患者手部康复训练在各个发达国家、发展中国家也都有一定程度的研究，并已有相当多的成熟技术与能力。而在康复训练机械手的研制过程中，功能需求最终能否顺利实现是由很多因素共同影响和作用的，包括机械手的机械结构设计、驱动控制的选择等，要结合专业的康复医疗知识，了解目前的康复方法，将其运用到机构的机械结构设计、控制系统设计中来。所以，针对发展迅猛但并不完善的康复训练机械手领域，我们仍需要做很多努力。 参考文献 [1] 李胜群. 手指康复机器人结构与控制系统研究[D]. 华中科技大学，2009(02). [2] 李海丽. 手功能康复机器人的设计与研究[D]. 上海交通大学，2015(06). [3] 齐贺男，吴学锋，李东亚. 手指康复机器人的设计与研究[J]. 机电工程技术，2022(02). [4] 昌赢，孟青云，喻洪流. 手部康复机器人技术研究进展[J]. 北京生物医学工程，2018(06). [5] 刘更谦，安宁，路光达，陈贵亮. 一种新型手部康复机器人的设计与分析[J]. 机械设计与制造， 2018(06) [6] 赵瑜. 外骨骼式手指康复机器人的设计和分析[D]. 燕山大学，2018(04). [7] 翟宇毅，马新愿，陈冬冬，雷静桃. 柔性穿戴式上肢康复机器人关节运动控制研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版)，2021(06). [8] 杨昭显，梁兴波，党海钊. 康复机器人设计分析[J]. 科技资讯，2020(07). [9] 张简一. 手指康复机器人的分析与研究[D]. 哈尔滨理工大学，2019(01). [10]安宁. 手指康复机器人的机构及其控制方法研究[D]. 河北工业大学，2019(02). [11] D. Leonardis et al.. An EMG-Controlled Robotic HandExoskeleton for Bilateral Rehabilitation[J]. IEEE Transactions on Haptics，2015. [12] S. Ueki et al.. Development of a Hand-Assist RobotWith Multi-Degrees-of-Freedom for Rehabilitation Therapy[J]. IEEE/ASME Transactionson Mechatronics，2012. [13] P. Polygerinos, K. C Galloway, E. Savage, M. Herman,K.O.Donnell and C.J. Walsh. Soft Robotic Glove for Hand Rehabilitation andTask Specific Training[J]. IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA)，2015
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4. 研究方案
| 基于SMT32康复训练机械手可以实现同步手部动作，人手动，摄像头识别手部动作，机械手动；穿戴式控制器动，传感器识别手部动作，机械手动。以上二者均通过无线传输将手指曲度数值传输至机械手的单片机，单片机通过PWM控制舵机转动，完成对机械手的控制。在控制全程中，语音模块实时播报各关节的运动状态。 基于SMT32康复训练机械手总体设计方案分为硬件部分和软件部分： 硬件部分设计方案如下： 硬件模块化框图如图4.1所示：
穿戴式控制器硬件电路设计方案主要以STM32单片机为核心处理器，曲度传感器实时读取手指姿态变化程度，通过信号放大器放大数据，再传送至单片机A/D转换端口，经运算得到手指变化曲度，OLED显示屏显示相关数据。 机械手作为动作跟随执行对象，机械结构设计参考人体手掌、手指等关节按1：1进行3D建模、打印和组装。其中，拇指和其它四指之中任意的一个手指能够完成对线状物体的抓取，拇指和其它任意两指能够完成对物体的封闭抓取，四个手指能够更稳定的抓取物体，小指在人手抓取物体的是起辅助作用。另外，手指关节的数目决定了自由度的数量，自由度是仿生手灵巧度的决定性因素。机械手采用多指灵巧手作为末端执行器，实现精确定位，减少延迟和抖动现象。其硬件电路设计方案以STM32单片机为核心处理器、舵机为执行动作机构。其控制电路主要以STM32单片机为核心处理器，通过IIC协议控制舵机控制板，输出PWM控制舵机运动，从而实现机械手跟随穿戴式控制器做出相应的动作。 语音模块实时播报各关节的运动状态。通过机械手上的单片机获取各关节的手指曲度数值，利用串口通信，将要播报的运动状态传送给语音模块，语音模块通过语音合成、线路输出后，经功率放大器由喇叭向外界播报各关节实时的运动状态。 软件部分设计方案如下： 穿戴式控制器的软件设计是一个集多种传感器、通信方式和算法的综合型系统，具备以下功能： 1)通过串口通信方式接收手指曲度数值； 2)通过A/D转换器实时获取手指曲度数值； 3)将手指曲度数值发送至机械手的单片机。 同步手部动作的实现由Python的OpenCV库来完成。调用mediapipe库、numpy库、CV2库将人的手掌划分为21个点，通过PC端的摄像头采集到的人手动作图像分解成对这21个点运动的计算，将计算的数值发送给机械手上的单片机，通过控制舵机转动完成对机械手的控制，从而实现同步手部动作。 软件部分流程图如图4.2、4.3所示：
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5. 工作计划
第 1 周 接受任务书，领会课题含义，按要求查找相关资料，翻译相关英文资料；
第 2 周 阅读相关资料，理解有关内容；写出开题报告一份；
第 3 周 确定手部动作传感器，参阅有关资料，分析调理电路工作原理；
以上是毕业论文开题报告，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
