（流体机械及工程专业论文）中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 中医推拿是一种行之有效的医疗保健手段，至今已有2 干多年的发展历史， 一直是缓解和治疗各种慢性疼痛最为有效的手段之一。然而，时至今日在推拿手 法的推广过程中，各大医院的临床治疗仍由有经验的推拿师人工进行。推拿工作 劳动强度大，推拿疗效取决于推拿医师的技术熟练程度、推拿经验和推拿手法的 力度、位置等多种人为因素，从而阻碍了该项技术的发展与推广应用。因此，研 制中医按摩机器人以代替推拿师的人工劳动对于提高人们的生活质量和幸福指数 具有重要的现实意义和实用价值。 本文在国家8 6 3 项目的支持下，对中医按摩机器人末端执行器的机构型式及 主要运动学性能进行了研究。提出将串联机械臂与并联末端执行器机构配合使 用，完成推拿手法中按、揉、滚、拍、振等主流动作。其中，串联机械臂实现机 器人按摩位置的初步定位和对末端执行器进行姿态调整，并联末端执行器机构实 现沿自身轴线方向的平移和绕与轴线方向垂直的平面内的一维转动。该混联中医 按摩机器入结构简单，工作空间大，转动灵活，刚度高，动平台摆动角度大，能 较好地满足推拿操作特性要求。论文的主要研究工作如下： 第一，以实现按、揉、滚、振、拍主流推拿手法为目的，依据推拿手法的运 动学特征，对中医推拿机器人进行了整体方案设计。串联机械臂( 含龙门架) 实 现机器人按摩位置的初步定位和姿态调整，安装在机械臂终端的并联末端执行器 实现一平移一转动两自由度运动。基于并联机构机型创新设计理论，完成了末端 执行器主体并联机构的选型，并用a d a m s 验证了该机型的运动学特性。 第二，对所选末端执行器的并联机构进行了位置正反解分析，通过对位置方 程求导，得出机构的速度、加速度正反解数学表达式，利用m a t l a b 和a d a m s 联合仿真对得出的理论结果进行验证分析。基于反解模型，运用蒙特卡罗思想及 三维网格搜索法得到机构的工作空间。运用j a c o b i a n 代数法，对机构的奇异位形 进行了分析，得出机构出现奇异位形的类型和条件。 第三，采用传递矩阵法研究由静态误差引起的推拿机器人末端位姿误差。基 于机器人末端执行器位置反解结果，通过全微分误差分析理论，建立误差模型， 进行求解计算，构造了机器人末端执行器并联机构输出位姿误差与各误差源之间 的对应关系。重点研究了杆长误差、驱动误差和运动副间隙误差对机构精度的影 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 响，得出杆长误差对末端执行器精度的影响最大。 第四，根据中医推拿手法的施力及负载要求，合理设计了中医推拿机器人末 端执行器的硬件和软件系统。以小型化、轻量化和实用性的设计理念，对末端执 行器进行了设计和优化。通过对中医推拿机器人样机进行试制、调试和实验，表 明推拿机器人能实现按法、揉法、滚法、振法和拍法的主流按摩动作，其总体性 能满足推拿机器人的设计要求。 关键词：末端执行器，运动学，并联机构，精度，结构设计，仿真 江苏大学硕士学位论文 t c m ( t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ) m a s s a g ei sak i n do fe f f e c t i v em e d i c a lc u r e m e a n sw i t hah i s t o r yo fo v e rt w ot h o u s a n dy e a r s ，w h i c hh a sb e e no n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o dt oe a s ea n dt r e a tc h r o m cp a i n n o w a d a y s ，i nt h ep o p u l a r i z a t i o no f t c m ，c l i n i c a lt r e a t m e n ti s s t i l la r t i f i c i a l l yc a r d e dt h r o u g hb ye x p e r i e n c e dm a s s a g e t e a c h e r si ne a c hh o s p i t a l h o w e v e r , m a s s a g ed e m a n d sag r e a td e a lo ft i r i n ga n fb o r i n g l a b o r , a n dt h ec u r ee f f e c ti sh i g h l yr e l a t e dt ot h es k i l l s ，e x p e r i e n c e ，s t r e n g t ha n d p o s i t i o n oi nm a s s a g e ，h u m a nf a c t o mi n f l u e n c ei ss i g n i f i c a n t ，b o t ho fw h i c ha r et h e h i n d e r sf o r t h ed e v e l o p m e n t ，s p r e a da n da p p l i c a t i o no ft c m t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n g t c mr o b o tt o r e p l a c et h em a s s a g ed i v i s i o no fl a b o rf o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f p e o p l e sl i v i n ga n dh a p p i n e s si n d e xi sp r a c t i c a l l ys i g n i f i c a n ta n dv a l u a b l e t h i sp a p e rw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l “8 6 3 p r o j e c t i nt h ep a p e r , t h e o r g a n i z a t i o nf o r mo ft h ee n di m p l e m e n t a t i o nf o rt c mm a s s a g er o b o ta n dt h ek e y k i n e m a t i cp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e d i tc a m eu pt h a tt h es e r i e sa n dp a r a l l e l m a n i p u l a t o r e n da c t u a t o r sa g e n c i e sc a nb ec o o p e r a t e dt oc o m p l e t et h em a s s a g e t e c h n i q u e i nm a j o ra c t i o n ，i t c a l lc o m p l e t et h ep i n c h i n g ，r o l l i n g ，k n e a d i n ga n d f l u t t e r i n g t h e s e r i e sm e c h a n i c a la r mr o b o tm a s s a g eh a sr e a l i z e d p r e l i m i n a r y o r i e n t a t i o na n da d j u s t m e n to fp o s i t i o na n dp o s t u r eo fe n da c t u a t o r s ，a n dp a r a l l e le n d a c t u a t o r sa g e n c i e sh a sa c c o m p l i s h e dt r a n s l a t i o no ft h ea x i sa n dad e g r e eo ft u m i n g f r e e d o mw i t ht h ea x i so ft h ev e r t i c a lp l a n ea l o n gt h ed i r e c t i o no ft h e i ro w n t h i s p a r a l l e l s e r i e st c mm a s s a g er o b o th a ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs t i f f n e s s ，s w i n ga n g l eo f m o v i n gp l a t f o r m ，r o t a t i o n a ld e g r e eo ff r e e d o mf l e x i b l ew h i c hc a nm e e tt h em a s s a g e h a n d l i n gc h a r a c t e r i s t i c s d e m a n d s f i r s t l y , i no r d e rt or e a l i z et h ep r e s s i n g ，k n e a d i n g ，r o l l i n ga n df l u t t e r i n g ，b a s e do n t h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e ro fm a s s a g e ，t h ew h o l e s c h e m eo fd e s i g nf o rt c m m a s s a g e r o b o tw a sp u tf o r w a r ds e r i e sm e c h a n i c a la r mw h i c hc o n t a i n sp o r t a lf l a m er e a l i z e s p r e l i m i n a r yp o s i t i o n i n ga n da t t i t u d ea d j u s t m e n t ；t h em a s s a g eh e a dm a s s a g ew h i c hi s i n s t a l l e di n t h em e c h a n i c a la r ma c h i e v e sat r a n s l a t i o na n dat i i r nt w of r e e d o m m o v e m e n t b a s e do nt h ep a r a l l e lm e c h a n i s m ，t h es e l e c t i o no fe n da c t u a t o r sm a i nb o d y w a sc o m p l e t e da n dt h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so fi n s t i t u t i o n sw e r ev a l i d a t e db y a d a m s s e c o n d l y , t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v es o l u t i o n so fp o s i t i o na n a l y s i so ft h ep a r a l l e l 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学 生能研究 m e c h a n i s mw a ss o l v e d ，t h r o u g ht ot h ep o s i t i o ne q u a t i o nd e r i v a t i o n ，a n dc o n c l u d e s t h a tt h ei n s t i t u t i o no ft h ei n v e r s es o l u t i o no fm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n st h ev e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，t h er e s u l t sw e r ev e r i f i e da n da n a l y s e db yu s i n gm a t l a ba n da d a m s t o g e t h e r t h ew o r k s p a c ew a so b t a i n e db a s e do nt h es o l u t i o nm o d e l ，m o n t ec a r l o p r i n c i p l e sa n dt h r e e - d i m e n s i o n a l 班ds e a r c hm e t h o d t h eo r g a n i z a t i o n ss i n g u l a r c o n f i g u r a t i o nw a sa n a l y z e da n di n s t i t u t i o n so ft h es i n g u l a r i t yc o n f i g u r a t i o nt y p e sa n d c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e dw i t hj a c o b i a na l g e b r am e t h o d t h i r d l y , t h er o b o te n dm a s s a g ep o s ee r r o rw h i c hw a sc a u s e db yt h es t a t i ce r r o r w a ss t u d i e dw i t ht h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d t h ee r r o rm o d e lo fs o l v i n gc a l c u l a t i o n w a se s t a b l i s h e d ，b a s e do i lt h es o l u t i o nm o d e lp o s i t i o na n dt h r o u g ht h ew h o l e d i f f e r e n t i a le r r o ra n a l y s i st h e o r y t h er e l a t i o n s h i pw a sc o n s t r u c t e db e t w e e nt h e m a s s a g er o b o te n da c t u a t o r ss u b j e c tp a r a l l e lm e c h a n i s mo u t p u tp o s ee r r o ra n dt h e e r r o rs o u r c e s t h ei n f l u e n c eo fa c c u r a c yo fi n s t i t u t i o n sw a ss t u d i e de s p e c i a l l yo nt h e l e n g t h ，d r i v e ra n dc l e a r a n c ee r r o r i ti sf o u n dt h a tl e n g t he r r o rt ot h ei n f l u e n c eo f a c c u r a c yi st h el a r g e s ti nt h er e s e a r c h f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et c mm a s s a g et e c h n i q u ea n dl o a dr e q u i r e m e n t s ，t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e mo f t h et c mm a s s a g er o b o te n dw e r es e l e c t e d l e g i t i m a t e l y t h ea c t u a t o r sw e r ed e s i g n e da n do p t i m m e dw i t ht h ed e s i g nc o n c e p to f m i n i a t u r i z a t i o n ，l i g h t w e i g h ta n dp r a c t i c e t h r o u g ht ot h et c mm a s s a g er o b o ts a m p l e p r e p a r a t i o n ，c o m m i s s i o n i n ga n de x p e r i m e n t s ，i ts h o w e dt h a tm a s s a g er o b o tc a n r e a l i z ep i n c h i n gm e t h o d ，r o l l i n gm e t h o d ，k n e a d i n gm e t h o da n df l u t t e r i n gm e t h o d i t s o v e r a l lp e r f o r m a n c em e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fm a s s a g er o b o t k e yw o r d s ：e n d - e f f e c t o r s ；k i n e m a t i c s ；p a r a l l e lm e c h a n i s m ；a c c u r a c y ；s t r u c t u r e d e s i g n ；s i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目：中医按摩机 器人( 项目编号：2 0 1 0 a a 0 4 0 2 0 1 ) 。 1 1 2 课题研究背景及意义 随着我国老年人数量的增加，高龄老人对医疗保健和康复的需求更为迫切。 文献1 1 对上海某社区的老人进行了患病调查，结果发现8 0 岁以上的老人患病率 明显增高，且患有慢性病的老人均伴有不同程度的功能障碍，老年人患病率远高 于年轻人。而上海市开设的社区护理病床只有4 万多张，却有3 0 万病人需要医 疗康复，其中需要接受康复治疗的老人占8 6 。另外，随着现代科技不断发展， 脑力工作者及办公人员不断增加，伏案工作者越来越多，致使颈椎病的发生逐年 增加，渐渐成为一种职业病倾向。过去发病以中老年人居多，现在逐渐年轻化， 并成为一种常见病1 2 】。由此可见，不仅仅老年人需要接受康复治疗，许多年轻人 过早得上某些职业病也需要及时地进行保健和治疗。 康复保健治疗中，中医推拿( 也称中医按摩) 是一种行之有效的医疗保健手 段，至今已有2 千多年的发展历史，它强调的是“自然疗愈理论”，提倡通过按摩 推拿等自然手段，增强人体免疫能力，促使患者自然康复【3 】【4 】。中医推拿一直是 缓解和治疗各种慢性疼痛最为有效的手段，而且采用推拿手段治疗颈部及腰部疼 痛的效果不亚于物理疗法和手术，美国9 4 的按摩师采用推拿按摩治疗颈部、腰 部疼痛适应症【5 1 。然而，时至今日在推拿手法的推广过程中，各大医院的临床治 疗仍由有经验的推拿师人工进行。推拿工作劳动强度大，推拿师易疲劳，推拿疗 效主要取决于推拿医师的技术熟练程度、推拿经验和推拿手法，人为因素影响大。 因此，研制中医按摩机器人以代替推拿师的人工劳动对于提高人们的生活质量和 幸福指数具有重要的现实意义和实用价值。 推拿机器人能代替或部分代替人工推拿工作，对于减轻推拿工作劳动强度， 提高推拿疗效，实现推拿工作的机械化、自动化，进而推动整个中医推拿医学的 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 发展具有重要作用。本课题研究，旨在利用机器人技术，推动传统中医推拿手法 向标准化、自动化、智能化方向发展。课题研究对促进中医理论的研究及推动中 医按摩技术的发展，使传统中医为提升人们的生活质量和提高人们的健康水平发 挥积极作用。 1 2 国内外按摩机器人研究现状及成果 1 2 1 国外研究现状及成果 近些年来，传统机械学、计算机技术、生物医学、传感技术、智能控制技术 以及其他新兴技术的迅速发展，给生物医学工程领域的医用机器人技术带来了全 新、高速的发展契机，促进了医用领域设备的自动化和智能化。人们开始尝试利 用智能化的推拿机器人来取代推拿师进行推拿按摩，对按摩机器人进行了若干关 键技术的研究【q 。 国外开展康复机器人的研究己有相当长的时间，早在上个世纪6 0 年代初期就 出现了第一台康复机器人c a s e ，接着医用康复按摩机器人不断推陈出新，近期 又出现了几款新的研究成果。2 0 0 6 年日本丰桥科技大学提出了带有力传感器的四 指按摩设备( 图1 1 ) ，该按摩设备通过事先采集好的按摩专家数据，然后控制按 摩机器人通过模仿专家手法完成多种按摩动作f 7 期。2 0 0 8 年日本早稻田大学与朝 日大学合作研制出一款会做面部按摩的机器人( 图1 2 ) ，该机器人可以通过按摩 的方式为患有下颌错位、口腔干燥、吞咽困难等病症的患者进行治疗。 图1 1 四指按摩设备 f i g1 1m a s s a g ee q u i p m e n to ff o u rr e f e r s 2 0 0 9 年美国加利福尼亚信号山的“医疗整合系统研制了可以给病人做外科 手术的机器人医疗刚9 1 。该机器人医疗队运作时由机器人模仿医生，真正的后台 操作是由外科医生通过远程控制来实现的。在外科医生的控制下，领头的机器人 2 罄翁一 江苏大学硕士学位论文 对患病者进行初步诊断。一只手持内窥镜进行检测，以便外科医生诊断病人身体 的内部症状，另外一只手持外科手术器具( 图1 3 ) 。 图1 2 面部按摩机器人 f i g 1 2f a c em a s s a g er o b o t 图1 3 机器人医疗队 f i g1 3r o b o tm e d i c a lt e a m 2 0 1 1 年1 0 月，日本东京召开了一年一度的日本高新技术博览会( c e a t e c ) ， 其中展出的由松下公司研制的机器人美发师引起了人们的兴趣，如图1 4 所示。 “洗发机器人”使用2 4 根直径约为2 厘米的树脂制“手指”对顾客头皮以适度的力 对人的头部进行来回的捏、搓、揉、压、洗等，同时清洗手臂喷射水流和洗发液， 整个洗发过程大约需要5 。7 分钟。 此外，2 0 0 7 年日本鸟取大学提出了基于皮肤反弹力按摩椅的控制策略【1 0 1 ，其 中反弹力大小的确定是通过测定阻抗实现的。图1 5 是美国一所大学研发的一种 小型乳房按摩机器人1 1 1 】。2 0 0 7 年韩国建国大学研究制作了背部按摩的机器人，该 机器人以及下面的按摩椅组合为一个整体，利用两个串联的机械臂完成对人体背 部的按摩【1 2 1 ( 图1 6 ) 。 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 图1 4 洗发机器人 f i g1 4s h a m l x ) or o b o t 图1 5 乳房按摩机器人 f i g1 5b r e a s tm a s s a g er o b o t 1 2 2 国内研究现状及成果 图1 6 双串联臂按摩机器人 f i g1 6d o u b l et a n d e ma r mo fm a s s a g er o b o t 相比国外，国内关于推拿按摩方面的成熟产品不多，诸多构想还处于研发阶 段。如王伟等人发明的乳房仿真按摩器1 1 3 1 ，专利号：2 0 0 5 1 0 0 6 9 4 4 3 ；严红缨等 人申请的智能主动型器械按摩方法及其按摩机器人【1 4 1 ，专利号：c n l 7 5 9 8 2 2 1 ； 侯鹏和韩良教授研制的家用搓背与按摩机器人【1 5 】等等。 2 0 1 1 年3 月，北京三和松石机电有限公司推出了s h 4 0 v 型揉捏振动按摩椅 ( 图1 7 ) ，它除了具有休闲座椅的一般功能外，还具有独特的按摩功能。它由人 体工程学试验椅和经过改进的揉捏振动按摩机构两部分组成，座高、座深、座 面倾角以及靠背倾角等均可调节，可以最大程度上实现座椅的舒适性。 此款按摩椅以揉捏式和振动式为主，采用脑电测试的方法，对颈肩、背部以 及腰部这等位置进行按摩。根据生理学理论，旺波为优势波时，人的意识清醒， 身体处于放松状态，身心能量消耗最少。此按摩椅进行按摩动作时，不断检测人 的脑电频率，通过改变按摩位置和频率等，促使人的脑电波进入c 【波的波段，从 4 江苏大学硕士学位论文 而达到按摩放松的目的。 图1 7s h 4 0 v 型按摩椅 f i g1 7m a s s a g ec h a i ro fs h 4 0 v 自2 0 0 3 年以来，江苏大学马履中教授、余顺年博士、王劲松老师等致力于推 拿机器人的研究和开发，已掌握了推拿机器人的相关技术，推动了按摩机器人的 发展，也为串并联机构的实际应用开拓了发展方向。 余顺年博士在江苏大学马履中老师的指导下完成了题为基于并联机构中医 推拿机器人设计理论的博士论文【1 6 1 。对中医推拿按摩进行了较为全面深入的研 究，为中医按摩机器人的实际应用提供了理论依据。并申请了“一类新型串并联 中医推拿机器人，的发明专利【1 7 1 ，专利号：2 0 0 5 1 0 0 9 4 4 6 3 x ，以下为推拿机器人 结构简图( 图1 8 ) 和实验样机( 图1 9 ) 。 图1 8 并联推拿机器人图1 9 并联推拿机器人样机 f i g1 8p a r a l l e lt c m m r o b o t n g 1 9p r o t o t y p eo fp a r d l l e lt c m mr o b o t 2 0 0 3 年，马履中教授和王劲松老师申请了“一类新型中医伤科医用推拿机器 人发明专利f 1 8 】，申请号：0 3 1 3 2 0 7 1 6 。以下是推拿机器人结构简图( 图1 1 0 ) 和实验样机( 图1 1 1 ) 。 5 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 d 图1 1 0 五自由度中医推拿机器人图1 1 1 五自由度中医推拿机器人样机 f i g1 1 05 一d o ft c m m r o b o t f i g1 1 1p r o t o t y p eo f5 一d o ft c m m r o b o t 此外，2 0 1 0 年山东建筑大学的鲁守银教授也研究了机器人护理床及智能轮 椅等服务机器人【1 9 1 ，如图1 1 2 所示，促进了按摩机器人的发展。 1 3 本文主要研究内容 图1 1 2 中医按摩机器人 f i g1 1 2t c mm a s s a g er o b o t 第一章阐述本课题来源及研究意义，介绍了推拿机器人国内外的研究现状 及成果。 第二章首先根据推拿手法的运动学特征，提出了中医推拿机器人的整体设 计方案。其次介绍了并联机构型综合的理论基础知识，并基于此理论及相应的设 计要求优选出推拿机器人末端执行器的主体并联机构。最后用a d a m s 验证该主 体机构的正确性。 第三章针对该并联机构进行了位置的正反解分析，得到相应的位置关系数 学表达式，再通过对位置方程求导，得出机构的速度、加速度正反解的数学表达 6 y ) 矿强 卜总 江苏大学硕士学位论文 式，最后对得出的理论结果进行验证分析。 第四章基于己得到的位置反解模型，运用蒙特卡罗思想及三维网格搜索法 得到末端执行器机构的工作空间。运用j a c o b i n 代数法，对机构的奇异位形进行 了分析，得出机构可能出现奇异位形的类型和条件。 第五章采用传递矩阵法研究由静态误差引起的推拿机器人末端位姿误差， 通过全微分误差理论建立误差模型，并进行求解计算，得出机构输出位姿误差与 各误差源之间的对应关系，经过对比分析，得出杆长对末端执行器机构的精度影 响最大。 第六章经过不断尝试与改进，加工设计出末端执行器样机。选择相应的硬 件软件系统和测试系统，对样机的运动性能进行了试验测试。 7 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 第二章中医推拿机器人整体方案设计与末端执行器的机型 选择延绰 2 1 概述 中医推拿机器人设计制作时，必须按照相应的技术指标作为指导标准。在满 足技术指标的前提下，依据已有的广泛调研结果，综合出推拿动作的常规手法及 手法相应的时间特征和空间特征。将其中主流手法的运动学特征进行列表归纳。 根据实现主流手法的运动输出矩阵，对中医推拿机器人进行整体方案设计，并针 对此串并联机构中的主体并联机构进行型综合分析，最后进行验证。其设计思路 如下面的框图所示。 图2 1 设计思路 f i g2 1t h ei d e ao fd e s i g n 2 1 1 推拿机器人的主要技术指标 1 ) 按摩力量0 1 0 k g ； 2 ) 推拿床能够承受2 0 0 k g 的载荷； 3 ) 机器人推拿部位定位误差不大于0 0 5 m ； 4 ) 机器人推拿头与人体组织之间作用力可控，控制误差不超过+ 5 ： 5 ) 机器人按摩空间( 长宽高) 不小于1 5 m x 0 4 m x 0 3 m ；末端执行器转动 工作空间：能绕】，轴摆动3 0 0 ； 6 ) 机械臂的工作负载为5 k g 。 2 1 2 中医推拿手法运动学特征 中医推拿手法种类很多，从运动特点来分有： 1 ) 以水平运动为主的手法，如推法、一指禅推法、擦法。 2 ) 以垂直运动为主的手法，如按法、拍法、振法、击法、点法。 8 江苏大学硕士学位论文 劲以水平加旋转运动为主的手法，如滚法。 钔以垂直加旋转运动为主的手法，如揉法、按揉法、摩法。 推拿手法的运动特征包括时间特征和空间特征。其中的时间特征是指手法延 续时间、先后次序、频率、速度、加速度等；而空间特征是指手法的着力位置、 路程、运动轨迹、各运动环节的转角、姿态等。根据中医推拿手法特征分析可知， 不同手法对患者作用的部位、作用效果、力度、频率等各不相同，所要求的作用 方向和自由度也不尽相同，按照笛卡尔坐标系的六个独立运动( 即沿z 轴、y 轴、 z 轴的平动；绕x 轴、y 轴、z 轴的旋转运动) 列出了如表2 - 1 所示的中医推拿 几种主要手法的运动学特础2 0 1 。 由表2 1 知，若要完成中医推拿中的振、按、拍法必须具备三个平动自由度， 而要完成滚法、揉法必须具备三平移一转动四个自由度【2 1 1 。若要完成以上所有的 推拿手法必须具备五个自由度，即三个平移两个转动。比较输出矩阵，可以看出， 推拿手法的模拟不仅仅是几个运动的简单模拟，而且还涉及到手型和运动轨迹等 方面的相关问题。 表2 1 中医推拿主要手法的运动学特征 t a b2 1k i n e m a t i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t c m m m a s s a g et e c h n i q u e 注：表中输出矩阵内的“”表示非独立输出为常数；工、y 、z 为平移；仅、) ，为转动 2 2 中医推拿机器人的整体方案设计 依据前面推拿手法动作的分析，采用串并联机器人组合构型，在机械臂的末 端位置，安装推拿的并联执行机构。并在机构中安装两个摄像头，建立视觉定位 模块，针对每一个穴位以及按摩点设计相应的识别标志，引导推拿机械臂携带推 拿手法模块到标记的按摩位置，并和推拿手法模块一同完成按摩动作。 推拿机器人的主要组成部分包括：末端执行器机构、六自由度串联机械臂、 推拿机器人基座、移动导轨、推拿床。 辅助设备：视频定位系统、心理放松设备。 9 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学 生能研究 各组成部分的结构和功能如下： 1 ) 末端执行器机构：并联机构末端执行器配合串联机械臂可实现复杂的推 拿手法，是推拿机器人的核心组成部分之一。机构能实现z 轴方向的移动以及绕 y 轴的转动，绕z 轴的转动由此并联机构动平台上安装的伺服电机实现，因此末 端执行器机构的位移输出矩阵为f ：zi 。中医推拿末端执行器机构简图如图 i ，l 2 2 所示。该机构由一平移一转动的两自由度空间并联机构和下方的平面曲柄摇 杆机构共同构成一平移两转动的三自由度空间机构。其中主体并联机构由固定平 台、动平台以及连接两平台的四条支链组成。其中两条主动支链结构相同，均采 用p r r 结构的单开链；两条辅助支链的结构相同，均采用p s 结构的单开链。 通过直线电机驱动移动副p 1 、p 3 可实现主体机构动平台的移动和转动。平面 曲柄摇杆机构垂直安装在并联机构的动平台上，且它的运动平面与动平台平行， “推拿手”安装在曲柄摇杆机构的连杆上，曲柄连杆机构中的主动连杆由伺服电机 驱动。 图2 2 末端执行器机构k 同, t - 图 f i g2 2m e c h a n i s md i a g r a mo ft h ee n da c t u a t o r 2 ) 串联机械臂：采用两平移加四转动的六自由度串联机械臂，其结构简 图如图2 3 所示。龙门架安装在摩床上，可在床身x y 平面上作y 方向的移 动。臂腕部分可在龙门架上作x 方向的移动，使得推拿末端在床身平面上快 速定位，大、小臂通过转动副3 联接，腕部采用r b r 结构形式【2 2 】，用于调 整末端执行器的姿态，可适应不同的人体曲面，并使其尽可能与推拿平面保 1 0 江苏大学硕士学位论文 持垂直姿态，从而获得更好的推拿效果。 l 图2 3 推拿机械臂机构简图 f i g2 3m e c h a n i s md i a g r a mo fm a s s a g ea r m 3 ) 推拿机器人基座：用于安放床身，并在基座两侧安装移动导轨，以便机 械臂的精确定位。 4 ) 移动导轨：采用直线运动单元，构建了移动平台，辅助推拿机械臂实现 大范围移动。 5 ) 推拿床：为推拿对象提供舒适的躺卧之处。 6 ) 视频定位系统：借助两个摄像头，建立视觉定位系统，并针对每一个穴 位以及推拿按摩点设计相应的识别标志。 7 ) 心理放松设备：通过虚拟的三维场景以及背景放松音乐使按摩对象心情 放松。 推拿按摩过程中，中医推拿机器人要适应不同身高和体型的患者，因此需要 提供足够的运动空间以及灵活性，同时还需要有足够的刚度及精度。所以总体方 案采用：串联式的机械臂和并联式的末端执行器进行组合共同来实现按、揉、滚、 振、拍这5 种主流推拿手法，其结构方案如图2 4 所示。串并混联机器人具有结 构简单、刚度大、承载能力强、位置精度高、工作空间大等优点，因此把这两种 机构结合起来组成串并混联式机器人，可以使推拿取得更好的效果f 6 】1 2 1 1 。 1 1 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 8 1 、导轨2 、推拿机器人基座3 、y 方向滚珠丝杠4 、视频定位系统安装处5 、支架6 、驱 动电机7 、机械臂大臂8 、z 方向滚珠丝杠9 、g , g 臂小臂1 0 ，机械臂手腕1 1 、心里放松 装置安装处1 2 、末端执行器1 3 、床身隔板1 4 、导轨1 5 、驱动电机 图2 4 机器人整体结构方案图 f i g2 4d i a g r a mo fr o b o ts t r u c t u r e 2 3 末端执行器设计的理论基础 从上一节内容中给出的末端执行器机构简图可知：中医推拿机器人末端执行 器是由能实现z 轴方向移动以及绕y 轴转动的并联机构和下方的平面曲柄摇杆 机构共同组成的。其中并联机构的运动输出为一平移一转动，根据杨廷力老师提 出的基于单开链单元的并联机构拓扑结构组成原理嗍，对一平移一转动两自由度 并联机构进行型综合研究。 并联机构拓扑结构综合的一般过程如下： s t e _ m i 确定并联机构输出构件的运动输出特征矩阵m p a ； s t e _ m 2 由机构活动度、运动输出特征矩阵l t r p a 以及最少支路数，构造支路结构 类型并确定机构支路类型的组合方案； s t e _ _ 越3 由机构活动度确定基本回路秩的分配方案； 江苏大学硕士学位论文 s t e _ m 生4由运动输出特征方程确定支路在两平台间的配置方位： s t e _ 蝼s 判定并删除机构的同构结构类型； s t e _ _ 鲤a 6 判定消极运动副； 泌 确定主动副位置； s t e 印a 8 评价机构性能，推荐优选机型。 2 3 1 并联机构运动输出矩阵 并联机构中输出构件( 动平台) 的运动输出矩阵咋定义为： = 荔j 茹；鬻) z = 1 廿 似， 式中颤包) 、y ( 包) 、z ( 包) 为动坐标系( 附着于动平台) 的原点在静坐标系( 附着 于静平台) 中的坐标；口( 2 ) 、以谚) 、厂( 包) 为动坐标系相对于静坐标系轴的三 个欧拉角；谚为第i 个主动输入的广义变量；f 为机构的活动度。 支链数( 单开链s o c 或混合单开链h s o c ) 为n 的并联机构，其动平台的运 动输出矩阵是各支链输出矩阵的交集： m 阻59 帆 ( 2 2 ) 式中觚沩第i 个支链的运动输出矩阵。 2 3 2 支链运动输出矩阵的确定 并联机构支链运动输出特征矩阵表示为： 帆= 阻，聪一m 或3 ( 2 3 ) 式中： f 钿末端构件的独立平移输出，岛为独立平移输出数； f 毓_ 末端构件的独立转动输出，为独立转动输出数。 并联机构的支路就是一条单开链，其结构取决于相应的运动输出矩阵眠的 要求，且必须满足坻；2 。因此满足同一个蚝要求的并联机构的支路设计 有很多种型式，是一个较为复杂的过程例。支链运动输出矩阵帆是由运动副类 型、数目以及运动副的轴线方位配置共同决定的。例如，同为四个转动副组成的 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学 生能研究 两条单开链，由于轴线配置的不同，它们的输出矩阵也不相同，如图2 5 所示。 ( 口) s o c 一置r & & 一) ( 叻s o c 一r 一8 忍r j 图2 5 两种单开链结构 f i g 2 5t w ok i n d so fs i n g l eo p e nc h a i ns t r u c t u r e 图2 5 单开链结构对应的输出矩阵为m s 。= i ：二 ，而图2 文功单开 链结构对应的输出矩阵为虬。= 三斗 不同基本回路的独立位移方程组之间存在相关性的活动度公式为： f ：艺元一幽丁壹岛、 + q i d lj - 1j f - 杌。构自由度 五第i 个运动副的自由度 m 运动副数 y 基本回路数 r a i n ( ) 取轰，最小的l ，个基本回路 磊第f 个基本回路的独立位移方程数 q 多回路机构的虚约束 对多回路机构，其祸合度为： 七= 三幽弘j ) 1 4 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 江苏大学硕士学位论文 式中血i l ) 为 砉l m 最小者，因为机构可以分解为y 个s 。c ，可能有多种组合 方案。 当七= 0 时，机构完全解耦，各回路的运动学以及动力学分析可以依次单独 进行求解，当七 0 时，机构的运动学以及动力学分析需要联立多个回路的方程 进行求解，七恰是联立方程组的最低维数。 2 3 4 并联机构支链数目确定 机构支路( s o c 和h s o c ) 数目的确定，分两种情况讨论： 1 ) 当并联机构中所有支路的运动输出特征矩阵蚝c m h ，机构的最少支路数 i 曲为： 胁加= m i i l 矗卜缸十l( 2 6 ) 式中： m i n 岛) 各支路运动输出矩阵m 。的独立输出元素数毛f 的最小值 缸并联机构独立运动输出元素数 当m i i l 氙) 知时，需再配置( r a i n 氕 一- 品。) 条支路，以排除多出的独立 运动数目。 2 ) 当所有主动副都位于静平台上时，支路数目还应满足： 砥- - f = 慨 ( 2 7 ) 式中： ，机构活动度 静平台运动副数目 第f 条支路位于静平台的运动副数 2 3 5 主动副判定准则 主动副判定准则为：对活动度为f 的机构，选定f 个运动副并刚化。若刚化 后机构的活动度f = 0 ( 包括不出现新的局部自由度) ，则选定的f 个运动副可同 时为主动副。若f 0 ( 包括新出现的局部自由度) ，则选定的f 个运动副不能同 时为主动副。 中医推拿机器人末端执行器的机型选择与运动学性能研究 2 4 末端执行器并联机构的构型设计 s t e _ 塑a 确定并联机构输出构件的运动输出特征矩阵地 根据前面的方案设计要求，末端执行器拟采用一平移一转动的并联机构。其 运动输出矩阵眠为： m p 。 s t e _ m 2 2 构造s o c ( h s o c ) 支路结构类型 包含1 t - 1 r 输出的