（机械设计及理论专业论文）新型中医医用并联推拿机器人.pdf

在荔夫学璜蠹泛文 攘要 摘要 串联机构由于凝悬臂梁的挠性结构和累积误差引超的精度恶化， 难以应用予空阕操侮精凄要求极蹇兹精密意王、微型缀装激及精密定 位等操作，这促使着机器人运动学进入了协同动作的研究领域。与传 统串联结构相比，并联枫器人具有其独特之处。 本文首先研究了两种推拿手法：滚法和按揉法。根据运动输出矩 阵并基予欠秩并联结构的型综念系统理论，提出了一种耨型五自e l l 度 并联机构用于推拿机器入的设计，并且申请了发明专利。 其次，本文对此空间机器人进行了详细的概念设计。运用零使形 法进行了位姿分析，这一方法辩具有虎克铰和球铰的并联枫构的缀姿 分析很有帮助。运用影响系数法进行了速艘、加速度分析。并在p r o e 建模导入a d a m s 软 孛孛进行了仿真。结聚表甓诧耨黧著联橇构设计 对于推拿应用是较好的。 盛予手动改变模型参数遴移分辑是穰费时熬，本文运雳参数纯分 析方法来自动运行一系列的仿真过程并可以看到虚拟样机的变化效 果。本文还运用m a t l a b 软件进褥了详缨豹数值瓿迹觌翅。 关键词：推拿，并联机器入，运动学，仿真，概念设计， 参数化分析 a b s t t a c t a b s t r a c t r o b o tk i n e m a t i c si sm o v i n g a w a yf r o ms e r i a la l m s ，af i e l dt h a th a s l a r g e l ye x h a u s t e di t s e l f , i n t ot h er e a l mo f c o o p e r a t i v er o b o t i c s t h i st r e n d i sd r i v e nb ye v e rm o r es t r i n g e n tt a s ks p a c ea c c u r a c i e sr e q u i r e df o r p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，m i c r o - a s s e m b l y ，a n da c c u r a t ep o i n t i n ga p p l i c a t i o n s t h a tc o m m o ns e r i a lc h a i nm e c h a n i s m sa r ei l l e q u i p p e df o rd u et ot h e i r i n t r i n s i cf l e x i b i l i t ya n da c c u r a c yr e d u c t i o n sd u et oc u m u l a t i v ej o i n te r r o r i n d e e d ，p a r a l l e lm a n i p u l a t o r sh a v et h e i rs p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c si nc o n t r a s t t ot h et r a d i t i o n a ls e r i a lt y p eo f r o b o t s f i r s t ，t h i sw o r k ，t w ok i n do f t u i n as t r o k e s ，g u n f aa n d a n r o 擎，a r e s t u d i e d a c c o r d i n gt o t h ek i n e m a t i c so u t p u tm a t r i xa n db a s e d0 nt h e s y s t e m a t i ct h e o r yf o rs t r u c t u r a ls y n t h e s i so fr a n k - d e g e n e r a t ep a r a l l e l m e c h a n i s m ，an o v e l 新ed e g r e eo ff r e e d o mp a r a l l e lm a n i p u l a t o ri s i n v e s t i g a t e dt od e s i g nt u i n ar o b o t ，w h i c hh a sb e e na p p l i e df o r 鑫i n v e n t p a t e n t s e c o n d ，ac o n c e p t u a ld e s i g no ft h es p a t i a li n - p a r a l l e lm a n i p u l a t o ri s p r e s e n t e d z e r o p o s et h e o r y ，w h i c hi sv e r yu s e f u li na n a l y s i so fp a r a l l e l m e c h a n i s m sw i t hh o o k j o i n ta n ds p h e r i c a lj o i n t ，i si n t r o d u c e dt od e v e l o p p o s i t i o na n dp o s ea n a l y s i s t h ee x p r e s s i o no fv e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n o fp a r a l l e lr o b o ti se s t a b l i s h e db yi n f l u e n c ec o e f f i c i e n tm a t r i c e s a p r o ep r o t o t y p ew a sf a b r i c a t e da n de x c h a n g e di n t oa d a m ss o f t w a r et o a b s l 豫c l d e m o n s t r a t et h i sm a n i p u l a t o r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e n o v e li n - p a r a i mp l a t f o r mi sa b e t t e r d e s i g n f o r g e n e r a lp u r p o s e a p p l i c a t i o n ss u c ha st u i n ar o b o t a tl a s t ，m a n u a l l yu p d a t i n gt h em o d e lc a nb et i m e c o n s u m i n g ，t h i s d i s s e r t a t i o nu s e sp a r a m e t r i ca n a l y s e ss oa st oa u t o m a t i c a l l yr u nas e r i e so f s i m u l a t i o n st os e et h ee f f e c t so fv a r y i n gv i r t u a lp r o t o t y p e 。u s i n gm a t l a b s o f t w a r e ，ad e t a i l e dn u m e r i c a lt r a j e c t o r yp l a ni sc o m p l e t e d k e y w o r d s ：t u i n a ，p a r a l l e lr o b o t ，k i n e m a t i c s ，s i m u l a t i o n ， c o n c e p t u a ld e s i g n ，p a r a i n e t r i ca n a l y s i s v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校宵关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 整并向国家旃关罄门或援捡遴交论文黪复鲤彳孛和电予版，兔诲论文被查阕鞠氆 阅。本人授税江苏大举可以将本学位论文的全部内容戚部分内容编入有关数据库 进行绞索，可以采鬃影露、缩窜或秘箍等受露l 手段缣存霸 e 编本学袋论文。 本学位谂文羼予 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：互毳疹参天 2 ，5 盼占燕勰 指导教疖签名 譬华年舌舅2 - o e f y 1 8 王6 0 娃 本人郑重声明：所凝交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立避 器磅究王捧掰取褥戆戒暴。除文中已注端弓l 震缝蠹容戮磬，零论文不 包含经舞其蚀个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。慰零文鲍辨 究做出重要嚣献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识裂零声甓豁法律结果毒本人承担。 学位论文作者签名：二凇 日期：舡够年多月功目 茳苏丈学磺童论文 筹一章缭轮 1 1 研究背景 第一颦绪论 孛鏊传统莲学主簧运焉综合分辑豹方法，飘宏鼹豹角度荣臻究入体动态豹各 种内在联系和内外环境之间的相互关系，进而阐明人体生命活动的基本规律，并 将其运用于疾病的治疗、预防和保健之中。中潮推拿( c h i n e s et u i n a ) 是传统中医 疗法的熏臻组成部分，在中国民间这种疗法已经流传很久，历史源远流长，怒我 国伤辩浚疗豹一条毒蕤，撵强嚣学认为，经终奁久俸两骞运镎气蠡，海逶蠹终， 联络魅腑，贯穿上下的作用。人俸通过经络系统把各个组织器留连成一个有机的 整体，以进行正常的生命活动。按摩治疗疾病，就是根据脏腑缀络、营卫气肌等 学说，并根据疾病发生的不同原因和症状，运用不同的补泻手法，以柔和、辍按 之麓，按穴遴，走经终，以改善经终瓣动能活动_ 葶【l 溺节卫气营巍，莠逶过缝终麴 抟导榫麓，调整艟薅缀织器官静功熊，反丽获琵气、祛邪气，这虱治疗疾瘸的哥 的。据史粥记载，皇帝时代的名医俞附已将“案拓”这一古代推拿术应用于临 床。东汉暇圣张仲景襁伤寒杂病论中首侣“衡摩”疗法，其有手法与药物的 双重作用。1 6 0 1 年，中国第一部小j b 推拿专著小j l 按摩经阅世，我雷】今天 采蘧蠡每“捺拿”这一擎稀名髂，菱燕这一露颓蓠建箍盘来鼢。孛医摇拿学历变悠 久积累了丰富的、比较完整的理论和经验，并逐渐形成了- - l - j 独立的科学。1 9 7 4 年，上海中医学院( 现在的上海中医药大学，w w w , s h t c m c o r n ) 酋先成立针( 灸) 推( 拿) 衡伤系，后又专设推拿系。1 9 8 7 年，成立中华中医秘学会推拿专她委 员会。嚣麓，孛莺据鑫歪杰治疗、康复、象毽等多方瑟发挥骜鬟要撂震。黉绫孛 医伤辩怒由有经验的藩生用入工手法进行推拿，医生劳动强度大，瘸强体力劳 动。据调焱目前用于医疗的推拿机器人尚未发现市场上用于僳健的设备所采用 的机械结构能模拟的手法单一，缺乏含适的执行机构能完成对点流的推拿手法的 模拟。如专裂公开号c n 2 0 5 7 5 8 7 u “傍生远红夕 低频振动攫拿嚣”仅施模拟枫壤 叛动方式动作，叉蟊专利公舞号c n l 0 3 2 7 3 7 a “一拳孛治脊寐”浆霜每联瓤输避行 简单的平颇动作的模拟。利用现代机械、计算机、控制、机 乜一体化技术研究一 种能满足多种空间推窘运动手法需鼹的机器人是一种既可行义县有巨大市场潜 力的很好的研究方风将中医推拿治疗这一古老两又具有意义的工作变为出机器 久寒我警，这矮工季挈瑟审医嚣疗技术瑷钱纯其蠢鬟簧熬掌零绘穰，并显垂壤嚣久 完成中医伤科治疗工作县有重大的缀济效益及社会效益并具有广阔的应用前泶。 推拿是医生用双手在病人身体上施加不同力爨、技巧刺激浆烂特定的部俄来 达到恢复藏改善人体的机能，促使病情康复的一种方法，它简单有效，而且极少 截痿，怒耱曩藏跑较豢巍戆塞然疗法。推拿攘貉躲基本技零骚求是持久、粼力 均匀，并麓攉拿操作滔动空闽并不大，缀适合予并驽芙机构( 或并联与串联的混合 机构) 的模拟实现。从我们拜访镇江康复医院和镇江中医院名师的学习和查阅有 关资料【1 】1 2 1 1 3 的研究来褥，推拿手法的运动分舻f 怒宵舰律的，采用多自由度并联 机构实现典型手法的按黪操作是完全可行的。例皴，图1 。l 袭零雄拿医炳鲍滚法 箍拿手法，取箕孛典登潮辐照蔑来毳箨究其运蘑清凌，获雅拿手法审滚法熬图瓣运 动分析可知，中医推搴中靠手背侧面为支点绕y 轴线作滚动运动，在一个滚幼的 江苏大学硕士论文 第一章绪论 结束返回后，沿工向作微量移动，然后周而复始作重复运动。其中推拿的力量是 垂直作用于推拿对象表面，其他手法也可类似分析。需要指出的是由于按摩有利 于循环系统和新陈代谢，对于一般慢性病或身体过度虚弱的患者，是比较安全可 靠的。对于不便吃药的孩子，按摩可增强小儿体质，起到预防保健作用对于某 些复杂疾病，还可配合针灸、药物治疗。但是，对于一些急性的或高烧的传染病 按摩只能起配合作用。推拿机器人遵循中医推拿治疗理论，同样有禁忌症。 匕从 l 地。 刁。 图1 1 滚法推拿手法的运动分析 f i g1 1m o v e m e n ta n a l y s i so f t u i n ag u n f a 1 2 国内外研究现状 对机器人而言，并联机构刚度大、运动惯性小、精度高的优点十分明显【4 】， 尽管它的工作空间和灵活性受到一定限钒但与串联机器人能够在结构上和性能 上形成互补关系，可完成串联机器人难以完成的任务，从而扩大了机器人的应用 范围，对并联机构的理论和设计方法的研究的成熟必将促进其应用更加广泛。在 特定的应用场合，并联结构的优势是十分突出的。它与传统串联机构的特性比较 参见图1 2 霆雪 并联结构串联结构 ， 6 个支柱共同支撑一个轻质的动平台底层平台支撑包括r 身的所有结构 不存在累积误差 设筹仃累牡! 做麻 通过软件即可实现虚轴转动结构川度稳定性趋 具有更好的重复精度和可靠性l ：t r 空间较人特别是转角范围大 圈1 2 串，并联结构特性比较 f i g1 2d i f f e r e n c e sb e t w e e ns e r i e sa n dp a r a l e lm e c h a n i s m j r 扛葬大学硕士论文 第一章绪论 对劳载稳穆静理论磷究琴菠逡灌垂曩令整纪之稳当辩熬蔻簿学家粕辩六是 机构的多筒体结构感到很赞解。1 9 4 2 年，荚国工程师w i l l a r dl o p o l l a r dj r 申 请成功的美国专利( u sp a t e n tn o 2 , 2 8 6 ，5 7 1 ) 中拦述了一釉基于并联结构鲍喷漆 装嚣其实经和德父亲对并联祝构豹实雳塑研究罩在1 9 3 4 年之前就进行l1 9 4 7 年，英国的一名汽车工程师e d eg o u g h 发明了具商伸缩腿结构的六足并联机构 震于汽车鲶齄的溺秘在1 9 6 5 年英国援壤王程学撤上，德黧戆s t e w a r t 提爨一耱 新型的6 自由度的空间并联机构，用于飞行模拟器1 5 】，称为s t e w a r t 平台，其结 构简图如圉1 3 所示( w w w p a r a l l e m i e 。o r g r e v i e w s r e v i e w 0 0 7 。h t m l ) ，工作原理如 餮1 4 掰拳，餐有趣懿是s t e w a r t 本久对势联辊梅没有箨蹬逐一步豹研究。爱在 1 9 7 8 年，澳大利豫机构学家h u n tk h 提出可以将s t e w a r t 平台机构应用到机器 人巾 6 1 ，豫黄先提的是用于枧嚣人手臂，辨在s t e w a r t 乎台的基础上提出多静 形式的并联机构，黼其可聋子性也进行了研究，由于当时控带8 技术水平的落露，对 并联机构的优势的了解并不充分，所以并没有得到业界的足够重视。在f i c h t e l 予1 9 8 6 年发表了蠢关劳联撬器入壤谂寒实际结梅瓣磅究缝莱螽f j ，考弓l 惹撬梅 学和机器入学研究者的普遍兴趣。6 自由度并联结构不仅在各种运动模拟器上得 到皮用丙息逐步发展到并联运动机床、医用机器人筹各方馘的应用 图1 3s t e w a r t 飞行训练模拟器 f i g1 3s i m u l a t i v ee q u i p m e n to f f l i g h tt r a i n i n g 图1 4s t e w a r t 并联机构原理简圈 f i g1 4p r i n c i p l eo f s t e w a r tp l a t f o r m 并联机构的出现扩大了机器人的应用范围。目前研究的重点应用领域有； ( 1 运动模拟器，如驾驶模数器，娱乐运动平台簿； ( 2 ) 并联运动机床，如应用于各类铣床、磨床、躐机床的运动平禽； ( 3 ) 可用于传感器或其它机构的误差补偿器； 秘) 援予褰耱度靛搬动掇器久。 近年来，并联机构在手术辅助治疗等医学方面的应用也受到很大重视，遮方 面褥新意的研究有很多，丽恩目前暖用机器人的研究都和远程控制以及远程治疗 紧密联系褒一筵，傻褥蟊蔚麓治疗疆念存胃能发生缀大变化。铡如，由裘莓耨泽 西州的r u t g e r su n i v e r s i t y 研制开发的“r u t g e r s a n k l e ”远程脚踝康复可视化触觉 爨西系统( w w w e a i p ，r u t g e r s e d u v r l a b p r o j e c t s a n k l e a n k t e 鱼瓣1 ) ，如图1 5 瑟承( 照 片经过编辑x 这是一个应朋虚撅现实技术瀚触觉反馈系统，可以让瘸入在家做康 复治疗而由医生远程监控。触觉装溉采用了6 自由度的s t e w a r t 并联机构，宪全 栽够适应黪躁三令努彝转动鑫由度豹康复浚病势羹有力爱馈装萋瘴复活疗辩， 病人运用自己的脚踝驾驶一个虚拟飞机，随着速度的加快可以感受判力的交化。 在苏太学硕士论文 第一章绪论 f i g1 5f i g u r e1 t h er u t g e r sa n k l er e h a b i l i t a t i o ns y s t e m 粼1 5r u t g e r s 辩躁壤复系绕 德国p l 公司与德国弗琅霍夫制造工程及自动化研究所( 珏猹) 在徽动、舞精 度梳器久静搿发土也缀有成绩，如萄1 6 掰暴静是稳们开发豹f 2 0 6 整h e x a l i g n 机器入，它是种6 自由度调整定位系统，其软件操作界面和硬件系统参见图1 6 ( w w w p h y s i k i n s t r u m e n t e 。c o m m i e r o p o s i t i o n i n g s y s t e m s 86 h t m l ，照篾经避缡 辑) ，图示软件操作界面是一光学扫描仪的翻描结果，j l ：光学仪器运动平台即采 用f 2 0 6 型h e x a l i g n 系统。它沿石、nz 轴的移动为士6 m m ，绕x 、y 、z 轴的转 动怒5 6 ，移动速度范墨为0 。0 ti o m m s e e ) 整髂缡稳逐是缀巧势鹣。 圈l 。6h e x a l i g nf 2 0 6 熬照片 f i g1 6p h o t o g r a p ho f h e x m i g n1 ：2 0 6 扛苏走学硕士论文第一章绪论 另势6 鑫壹度劳联撬梭特爨是在矮子犬嚣l 度、态精度、离速锈戮翅工鼗多辘 通用性的新裂并联运动机床方面得到广泛而深入的研究1 9 9 4 年程芝加哥国际 机床博览会上，美躅i n g e r s o l l 铣床公司、g i d d i n g s l e w i s 公司和h e x a l 公司首 次展出了称为“六怒虫”( h e x a p o d ) 和“受弄垄”( v a r i a x ) 鹣数控梳床与热工中 心。引起轰幼，被誉为机床结构的爨大革命和2 1 世纪的新一代数控加工设备。 炫溪，德嚣瓣m i k r o m a t 公翅、i n d e x 公司，h e r k e r t 公司、d st e c h n o l o g i c 公霹、 法灏的r e n a u l ta u t o m a t i o n 公司等焚国g e o d e t i c 公司，俄罗斯l a p i k 公司，挪威 m u l t i c r a f t 公司，日本丰田、日立、三菱等公司，瑞士e t z h 和i f w 研究所，瑞 典n e o sr o b o t i c s 公司，丹澎b r a t m s c h w e i g 公司，德国蓝琛工盈大学、汉诺藏大 学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、坐标测量机和加工 中心。有关的篱要会绍和照片可以参考著作f 8 】。 1 9 舛年成立的羹国h e x e l 公司( w w w h e x e l c o r n ) 致力于并联逡动机床和并 联机构应用的普及化，由于是专业的并联机器人的嫩产厂家，因此品种也较多。 缓魏缝髓接瞧了采翅6 妻耄度并联极擒豹王终孚套翻传统立式铣庆缀残憝p 2 0 0 0 型5 坐标数控铣床( w w w h e x e l c o m h e x a b o t h t m ) 、高精度并联机构定位平台和 微型机器人簿一系歹产品。如图1 7 ( a ) 所示的是一基于s t e w a r t 平螽的高精度6 麓徽操作器s a m m ( s i xa x i sm i c r om a n i p 落a w r ，w w w h e x e l c o r r g s a m m 。h t m ) ，可 用予机床或其它需要高精度位置补偿的地方，其定使精度可达1 0 2 肛m 。工作空 闻在滚动坐标欧拉角p i t c h 秘r o l l 郄为5 。，y a w 隽1 0 瓣，沿善、弘z 喜蠹懿 移动直径可达2 5 4 m m ，同样的欧拉角转动范围，工作空间谯沿矗y 轴的移动直 径为5 0 8 m m 时，沿z 轴的移动直径为1 2 7 m m 。作为微动机器人或位置补偿器 每 ；盂谖囊避舞了莠联疑鞫王终空舞夺懿缺燕，又发撵了并联税籀剐发i 酞鬻度高 的优点，是并联机构比较典型的应用之一。 、 。 e d i tf r o m ： w w w h e x e l e o m h e x a b o t h t m 糊 t f r o m ： h o m e w i m e o m p a t h f i n d ( a )( b ) 强1 7 两释基于s t e w a r t 平台鹣藏用 f i g1 7t w o k i n do f a p p l i c a t i o n sb a s eo ns t e w a r tp l a t f o r m 位于美丽威斯康星州的p t g ( p a t h f i n d e r st e c h n o l o g yg r o u p ) 集鞠公司生产的 h e x v a n t a g e 并联运动铣床也是基于6 自由度s t e w a r t 平台。如图1 7 ( b ) 所示 ( h o m e w i 。r r c o m p a t h f i n d ) ，箕热工蓬围是一今蹇径强6 5 荚尊，裹为7 。5 荚寸静 圆柱体，加工精度可达0 0 0 0 5 英寸。 汪莓大学联士论文 第一章缝论 我鏊瞧缀重援邃耪凝型提器入掇梅熬磷究_ 程努发。孛鏊褥举陡淀鼯自动缘瓣 究所、清牮火学、必津火学、哈尔滨正业大学、燕山大学、南京理麓大学、薹扫中 科技丈学等瞧在积极扶豢并联穰。床镁蠛鲍磷究工份，不仅鸯缀多学术或果1 9 1 f 嘲1 讶1 1 3 】1 书1 霹，瑟萎还与肖美金韭台捧磷裁了多台撵枫。大连撬凑熊烫裔涛孳大学 共同研制开发的d c b 5 1 0 驻轴联动并联机床采用传统龙门绪构和并联结构相结 合的设计恩怨，克服7s t e w a r t 钒槐佟犍空阀较，l 、王俘装裙誉蠢便等缺点，增 大了作业空阕，方筏7 工 孛豹装卸，鼯低了静联枫擒鲍复杂程度，爨予演化满足 不阕燕王簧袋懿维瘸形式。该嚣蔽熬褰线移凑定缎精痘隽0 0 1 2 m m , 爱大速囊麓 8 0 r e r a i n ，簸大燕蘧度终菇2 9 。峦予聚惩了枣著联绦穆，嚣令方癞懿转囊分裂霹 达士1 4 0 0 和出4 5 0 0 ，这是莆通并联机床所不能达到的。哈尔滨正业大学和哈尔演爨 具刃具厂研制并联枫庶浆熙了典型的s t e w a r t 平台。通过由饲服电动机驱动滚珠 丝释熬6 个锌缩李 ，繁臻露定在动乎台主的圭辍帮髂，实现奎辍袭王律空阔6 个自由度秘逮动。在2 0 0 t 霉j 京第七矮国舔机床麓琵会上俸了汽轮辊辞片静勰 工滨示。 6 自由发结构徽复杂，给设计计算、控制研究都带来很大的不倭，使得纤发 浆赞恩很糍。因此人们瓣劳暇极构熬廒爝研究飙晕嬲开始静6 鱼啦魔结梅，篮叉 发袋爨多鑫患度缮搀，黪露楚黠s 褒囊度势鼗结翰锻了太羹憝辑究昝琊驻7 1 i 嗽，文 【1 6 】的型练合结果，得剃了3 3 种三平移并联机器入机构，其中2 9 种是首次掇出 的。3 自由庶结构简单、计辣方便、控制算法便予炭糯，实践表明，3 自由艘的 并联辊嚣入衡着更灏广泛的王监焉途，其中d e l t a 穰t r i c e p t 并联橇器久最吴代袭 经。d e l t a 势联蕊嚣入麓蠡璃圭洛蔡王学浣( e p f l ) 麓教授r e y m o n dc l a v e l 在 2 舀鬟纪s 0 零钱拯黄毙提毒，蒡枣谤了专鬟，d e l t a 劳联爨褥楚斑攀嚣蕤缓娥鹣 三平移并联机构衍化丽米的新机型，总共由1 2 个球黼副和3 个转动副所组成， 其工作原邋如图1 8 所承。 网1 8d e l t a 并联机器大盼羔根躲理 f i g1 8 p r i n c i p a lo f d e i mp a r a l l e lm a n i p u l a t o r 1 9 8 7 举，臻圭d e m a u r e x 公霹( w w w d 凇u r e x e h ) 翳买t 该专渡莠熬以赛 品仡，先麟搿发了p a c k - p l a c e r 、l i n e - p l a c e r 、t o p - p l a c e r 和p r e s t o 等系列产晶- 扛苏大学磺士论文第一耄缝论 该公司加入瑞士工业熬团后又推出新一代的c 3 3 和c e 3 3 型d e l t a 并联机器人， 参见图1 9 ( a ) 。 近每寒，臻典a b b 集霞公司逛获 | 孽了d e l t a 势联极器入浆生产诲可渡。攉 窭了f l e x p i e k e ri r b 3 4 0 型、梳器入，参觅图1 9 渤。d e l t a 并联机器入静动力特 性好，速度快，已经广泛应用于小件的食品、药品和电子产懿的包装。 ( a ) c 3 3a n dc e 3 3o f f e r e db ys i gp a c ks y s t e m s f t e x p i c k e ri r b3 4 0 图1 9d e l t a 并联机器人的应用 f 埝1 9 a p p l i c a t i o n s o f d e l t a p a r a l l e l m a n i p u l a t o r 强前，除了以上掇到的研究机构外，其它对并联机构的研究比较有创意和成 果的机构的研究项目分述如下： ( 1 ) 加拿大的拉瓦尔大学机器人研究所( w w w r o b o t g m c u l a v a l 。c a ) ，其主骚研 究方自包锤莠联襁稳及枧器人豹运凌学移动力学疆字& 极器入铙迹烧麓、复杂辊 器入系统模型帮控制镶德 j 磺究露i 作的敏捷浆如图1 1 0 辑承( 照片经遥编辑) 。 采用的怒3 自由度的球面机梅球厮3 自由度并联机构也是一种有重要应用的并 联机构，在1 9 8 1 年t e s a r 提出用球面并联机构用作机器人肩艏，对它的研究也 越来越多。拉瓦尔大学机器人研究所躲敏捷眼采用了3 自由发的3 - r r r 空阁球 蚕魏毒蠡，瘘l3 条3 - r r r 运蘑链穗连接，昊寿院入羧更大懿王臻空弱，寒璇撬行 器上安装的小型摄像头的运动锥角可达1 4 0 。，并且有+ 3 0 。的扭转角，由于结 构的低惯性及高刚性，其角速度超过1 0 0 0o s ，角加速度超过2 0 0 0 0o s 2 ，这魑参 数都比人眼所能达到的要高得多。 盈i 搪敏捷鞭豹蒌辩 f i g1 1 0p h o t o g r a p ho f a g i l ee y e 垃券夫孥骥薹= 论文 第一章缝论 ( 2 ) 煲圆华盛顿大学的c r s l 实验窒( c o n t r o la n dr o b o t i cs y s t e m sl a b ) 和 h t c 公司( h o o dt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 应用s t e w a r t 平台合作成功开发了具祷 s 鑫蠢菠懿多维减震系统( r e d t a i l a a w a s h i n g t o n 。e d u p a e x a p o d ：n e x a p o d 。h t m ) 。秘餮 1 1 l 舞示爨背羟遗缡瓣) ，每一减震支柱垂一羧铡盒燕裁，强中炅装7 英枣豹 一个，采用6 自由度平翻具有很多优势，如：可以谶行6 个方向扰动的直接两独 立的控制；在6 自由度的多维减震系统的结构设计上采用s t e w a r t 并联平台，可 具寿最麓绥梅；6 条支髓结毒每襁露，暴富很多潜京傀势。 f i g1 1 1p h o t o g r a p h o f u w h t 6 - a x i s a c t i v e v i b r a t i o n i s o l a t i o n 图1 。1 1u w h t 豹6 鑫由度主动戮减攫系统照片 国秘本东京大学掰究豹3 坐标测量祝( w w w , n a n o p e u - t o k y o a c j p ) ，如躅 1 1 2 所示( 照片经过编辑) ，采用了3 自由度的并联机构，机构原理与图1 8 所 示的d e l t a 机构很类似，同样属于少愈由度的3 平移并联机构，熬个机构不存在 转囊鑫凑发，只是恕蕈窦囊度熬转裁骤秘蘑交成了畿线移动驱动馘。臻铰采嗣了 磁链球毅，髂积较枣，转惫蕊嚣毽较犬。 f i g1 1 2p h o t o g r a p ho f 3d o f c m m 圈1 1 2 三自由艘坐标测量机的照片 冀藏，狡嚣太爵鬟蹩并联爨器入懿按拳进入了一令飞速发鼹豹霹蘩，嚣蝗卷 机遇与挑战燃，控希l 技术特掰是基予p c 韵开放绻榆的控割系统的研究已成为一 在荔大学联士谚文第一拳缝 龟 股潮流9 9 1 0 s 1 1 2 0 1 2 1 1 1 2 2 1 ，驱动技术方黼，新一代的伺服电机与基于微处理器的留能 伺服控制器相结合，并在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术，并且使用 了智能他的传感器如襁觉传感器，掰以预料，溅足多样化、个镶让救焉隶，势逶 应多交静繇凌箨监，翔薛工堑应嗣领域发震静实用垄祝器入会越来越多。 1 3 主要研究内容和方法 本文簸主要磅究童律蘩t - ( 1 ) 走访镇江康复医院和镇江中医院等送疗机构的骨伤捺摩科，掌握第一手 资料，对常用的推拿手法结合并联机构的特点作了自由度分析，得到了实现滚法 推拿和按揉法推拿的机构的运动输出矩阵； ( 2 ) 梭据单嚣链缀裁并联极梅熬凝鞫学原瑾，撵窭了一耪凝鍪5 皂垂发磐联 机构应穗子维拿手法豹执行杌拇，运用螺旋理论簸证了其辊擒学原理，并验箨了 其自由发； ( 3 ) 用定轴欧拽角来表示活动平台位姿齐次坐标变换矩阵，应用机构的零 位形两步法褥到其齐次坐标变换矩蹲，并对其正解翻逆解 筝了分析，并应用影响 系数法瓣其速度、热速度氇终7 分掰，霹乡蠡交发并联辊梅学鹣运动学分耩穷法 作了补充； ( 4 ) 结合推拿手法的特点，定义了此5 自由度并联机构按推拿手法的需鼹使 莱一运动输出为常量，其余4 个为变量时的工作空间，莠运用m a t l a b 编程的数 蓬方法搜豢了荚工捧空溺痒隽设诗参考； ( 5 ) 利用p r o e 设计软件建立了推拿机器人酌简化模型，并运用数据转歉模 块m e c h p r o 导入大型运动学、动力学分析软件a d a m s 进彳亍了运动学、动力学 仿真，作为设计的依掇。虚拟样机的仿真中。运动规律以参数解析式表达，从其 反鼹熬霜度建立其仿囊模型，苁薅为避一步的机器入控剑提供了方便； 国辩寝叛样瓠避 行了参数纯分掰，黠8 r 分支送行了绥梅优纯，著辩传缩 腿的速度对活动平台移动速度、摆动频率的影响作了参数化的设计研究； ( 7 ) 利用p r 0 e 设计软件进行了样机的结构设计： ( 8 ) 对接拿机器人进行了轨迹规划，并运用m a t l a b 软件雩譬到主动输入孵点次 撵条接繁添数，胃餐遂一步戆羧割软馋设计调麓。 堑差太堂砸j 幺奎整三童撞室壬蓬自由廑岔! 匠盈扭捡选型 第二章推拿手法自由度分析及机构选型 2 1 推拿手法的自由度分析 本文分析的坐标系表示未经特殊说明都是采用笛卡尔坐标系，六个独立运 动分别为沿x 轴、y 轴、z 轴的平动工、y 、z 和绕膏轴、y 轴、z 轴的旋转运动口，、 口，、口：，角度的表示符合右手螺旋法则。单位未经特殊说明都是采用m m k s 制，长度：1 1 1 1 1 1 ，质量：蚝，力：n ，时间：s e c ，角度：d e g r e e 。 推拿手法流派众多，手法各异。以推拿手法的动作形态为基本原则归类，可 以把推拿手法概括归纳为六大类：1 摆动类；2 摩擦类；3 振动类；4 挤压类；5 叩击类；6 运动关节判“。每类手法中包括多种手法，并且在l 临床实践中大多复 合使用各种手法。我们走访了镇江第一人民医院和镇江中医院，优选了两种有代 表性的手法：滚法和按揉法，进行研究。 滚法是“滚法推拿流派”的主要手法，属摆动类单式手法，具有刺激面积大， 刺激力量强而柔和的特点。滚法推拿的运动分析参见图2 1 ( a ) ， 澎 图2 1 滚法推拿运动分解图 f i g2 1m o v e m e n ta n a l y s i so f t u i n ag u n f a 其要点包括： ( 1 ) 医生用手背第5 掌指关节背侧吸定治疗部位，肩关节放松，以肘关节 为支点，前臂做摆动，带动腕关节的屈伸以及前臂的转动，使手掌背部在治疗部 位上来回滚动，频率约每分钟1 2 0 1 6 0 次【l j 。 ( 2 ) 手掌运动绕y 轴在- - 4 0 0 + 8 0o 左右转动，并循环动作。机器人模拟 时可适当增大接触部位的面积而减小转动角度，在- - 3 0o + 3 0o 之间动作。 ( 3 ) 手掌同时以1 0 0 1 5 0 m m s 的速度沿膏轴匀速平移一段距离( 2 0 0 3 0 0 ) ( 4 ) 推拿手法按照中医理论有“补泻作用”，例如手法旋转方向“顺经为补， 逆经为泻”，手法刺激强度“轻为补，重为泻”，手法运动方向“推上为补，推下 为泻”。推拿机器人的动作采用来回双行程作用，遵循中医治疗的“平补平泻” 作用原理。 ( 5 ) 典型运动路径见图2 1 ( b ) ，推拿动作可以沿路径1 、路径2 、路径3 分 别进行操作。 ( 6 ) 作用力f 作用于o - y z 平面内，与z 轴约成4 5 0 角。作用力要均匀，手 掌在动作时能吸定于体表。 墓 从以上分析可以得运动输出矩阵为 w = k y ： ， 按揉法属复式手法之一，由按( 垂直用力) ，揉( 转动) 所组成，属挤压类 和摆动类手法的复合，机器人模拟掌按揉法，按揉推拿的运动分析参见图2 2 ( a ) ， z ( a )c o ) 图2 2 按揉法推拿运动分解图 f i g2 2m o v e m e n ta n a l y s i so f t u i n a a n r o u 其要点包括： ( 1 ) 医生腕关节背屈，用掌根或全掌着力于治疗部位，沿z 轴做垂直向下的 按压，按压后绕z 轴做轻柔缓和的环旋运动，并带动该处的皮下组织，做揉动， 频率约每分钟1 2 0 1 6 0 次【”。沿z 轴的移动速度应缓慢，约控制在3 0 m m s 左右。 ( 2 ) 环旋运动时手掌绕z 轴转动- - 4 0 0 + 2 0 0 ，正反转操作，仍然遵循中医 治疗的“平补平泻”作用原理。 ( 3 ) 手掌沿x 轴、y 轴应可以移动约1 0 0 m m ，以提高推拿操作的灵活性。 ( 4 ) 作用力f 作用于o - y z 平面内，方向沿z 轴负向，力4 , n 为揉法，力重 则为按揉法。 ( 5 ) 典型运动路径见图2 2 ( b ) ，推拿动作可以沿路径1 、路径2 分别进行操 作。沿路径2 操作时，手法不绕z 轴转动，或仅作l o 。微小范围的转动，按揉 操作结合。 从以上分析知其运动输出矩阵可表达为 嵋= x _ 嗣 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可知要实现两种手法，机构的运动输出矩阵为 扩婶磁一k 主 2 2 机构选型 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 2 2 1 五自由度并联机构分析 并联机构是一组有两个或两个以上的分支机构并联而成，它的拓扑结构中包 含了一个或多个回路，更严格地可以定义为：由一个或多个回路组成的关节点相 互关联的机构田j 。 r ，1 由式( 2 3 ) 知机构的运动输出矩阵旷= l “：l ，并联机构输出构件上总的 l q 吒j 独立坐标数5 ，应用欠秩五自由度并联机构可以满足要求。 根据文【2 3 型综合的分析结果，组成三平移两转动并联机构的s o c 结构类型 共有四种，考虑到结构的简单和实现的可行性，选择s o c 结构类型为 - c r f f r z r - 进行分析。参见图2 3 ，建立如图2 3 所示坐标系，其中r l 、r 2 、 c l 的转动轴线方向平行且平行于y 轴，c l 的移动也沿此方向，r 3 的转动轴线方 向平行于z 轴。杆l 、杆2 、杆3 、杆4 的基点分别为岛、赶、肠、缸。 x 图2 3 - c h r f f r z r - 单开链的速度分析坐标图 f i g2 3c a r t e s i a nc o o r d i n a t e sf o rv e l o c i t ya n a l y s i so f - c r r l r - s o c 末杆4 以岛点作为基点的移动速度v 和转动角速度口可以写为 2 4 1 ： = q ( 2 4 ) h i ， v = ( 蚱卜i + q 。) + ， 1 - 1 ，j = b ，+ ( 峨 。x ) ( 2 5 ) 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知：末杆的自由度 分析，可归为分析末杆固有的基本 转动个数 ，、固有的基本移动个数 。和由转动衍生附加的基本移动个数 ， 即 = ，+ 。+ ，。末杆的基本转动个数 ，由运动副的转轴方向直接分析 得：有两个，分别是口，和口：。固有的基本移动个数 。有一个，即由c l 带来 的沿y 轴的平动。由式( 2 5 ) 知由于牵连速度引起的速度分量为o - x z 平面内的某 一向量，所以末杆4 附加有两个基本移动。因此 c # r # r 上r 一 单开链运动输 堑菱太堂亟监毫箍三重挂垒壬壁自由崖壁蚯盈扭掏选型 出矩阵为矿2 【：z j ，支路本身的运动输出就是三平移两转动，与式( 2 3 ) 所 要求的并联机构的运动输出矩阵是完全一致的。考虑到并联机构至少有两个支路 组成，并且五个主动输入配置的方便性，可采用五支路混合型结构，其余四个支 路采用运动输出矩阵矿= ii 。y i 的s o c 支路，如 - s p - s 。) 支路i 可以在固 定、动平台之间任意配置，组成 4 - s p s ) o r c r r 并联机构。主动输入可以选择 4 个s p s 分支的直线驱动和r c r r 的一个转动副，其工作原理图见图2 4 ( a ) ，坐 标示意图见2 4 c o ) 。 z ， ( a )( b ) 图2 4 4 - s p s o r c r r 型并联机构 f i g2 4 4 s p s o r c r r p a r a l l em e c h a n i s m 2 2 2 机构学原理及自由度验算 本文应用螺旋理论【2 5 】说明 4 - s p s ) o r c r r 型并联机构的机构学原理。两 矢量的对偶结合0 ；so ) ，s jo o ，称为螺旋5 ，用以表示物体的螺旋运动或物 体受到的力螺旋。螺旋5 的反螺旋用表示，是这样定义的：满足互易积y 0 墨= o ， 称y 是墨的反螺旋，它们是互逆的。对应螺旋系有 矿。函= of = 1 , 2 ，刀 ( 2 6 ) 若存在能同时满足上列方程组的y ，则是此螺旋系的反螺旋。 者螺旋以p i t i c k e r 坐标表示 s i = t l l ，m l ，n 。；p | ，q | ，r a $ = 0 。拼，n ；p g ，鼢 式( 2 6 ) 就表示为 l i p + m | q + n l + p il | + q | 拼+ r | = 0i = -