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氣動柔性按摩機械手爪的研究與實現

添加時間:2021/06/22 來源:未知 作者:樂楓
本文以五種中醫按摩手法參數為基礎,研制一款由柔性驅動器驅動,剛性關節構成,柔性材料包裹,剛柔結合的氣動按摩機械手爪,研究內容如下:
以下為本篇論文正文:

摘要

  中醫按摩機器人是一款以中醫推拿理論與先進機器人控制技術相結合的服務型機器人,能夠智能模仿技師的手法動作對人體特定部位進行按摩,具有重要的研究意義。傳統的按摩機器人動作單一、形體較大、剛性較高,過高的剛性雖然位置控制精確,但是會讓消費者無法信任機器的安全性。隨著軟體機器人的發展,柔性材料在醫療領域得到應用,此材料柔順性好,但是自由度高,難以實現精確的位置控制。本文以五種中醫按摩手法參數為基礎,研制一款由柔性驅動器驅動,剛性關節構成,柔性材料包裹,剛柔結合的氣動按摩機械手爪,研究內容如下:

  首先,本文綜述了國內外按摩機器人的研究現狀,分析了課題的研究意義和現有研究存在的不足。以按、振、揉、推、捏拿五種按摩手法參數和人手標準尺寸為基礎,利用氣動肌肉柔性驅動器,結合高分子硅膠材料,設計一款具有變剛度功能的氣動按摩手爪,并制定出機械和控制系統的總體設計方案。

  其次,根據機械系統的設計方案,對按摩手爪的三個關節進行結構設計、建模與裝配,完成虛擬樣機建立,并對零部件進行了靜應力分析。選擇硬度適中的硅膠作為手掌氣囊和硅膠手指的制作材料,通過單軸拉伸試驗得到了材料的 Yeoh 二階模型參數。利用有限元軟件對掌、指模型的變形進行仿真分析,確定了氣囊的壁厚參數,且驗證了手指的結構強度。根據真空阻塞原理實現手掌氣囊的變剛度,在柔軟特性基礎上提高了手掌承載力,同時利用模具澆筑的方式對掌、指部件進行制作,完成了樣機的裝配。

  再次,利用 D-H 坐標法完成了捏拿手指結構的運動學分析,得到連桿參數與末端執行裝置空間位姿之間關系,并利用 MATLAB 對其進行仿真,驗證了結構的可行性。通過拉格朗日動力學方程完成捏拿手指結構的動力學建模,得到了關節力矩與位置、速度、加速度之間關系,為機械系統的運動控制編程提供理論依據。

  最后,完成按摩手爪控制系統中硬件和軟件的設計,對整體進行樣機組裝和功能調試,通過壓縮剛度和手法力度測量實驗,測試了手掌氣囊的變剛度性能,得到了手法力度與氣壓的關系,并確定合理的氣壓范圍,為實際運用提供參照。

  關鍵詞;按摩機械手爪,結構設計,柔性驅動器,仿真分析,運動學

Abstract

  Chinese medicine massage robot is a service robot that uses Chinese massage theorycombined with advanced robot control technology. It can intelligently imitate the technician'smanual actions to massage specific parts of the human body, which has important researchsignificance. The traditional massage robot has a single action, a large body, and a highrigidity. Although the position of the excessive rigidity is accurate, it will make consumersunable to trust the safety of the machine. With the development of soft robots, flexiblematerials are used in the medical field. This material has good flexibility, but it has a highdegree of freedom and it is difficult to achieve accurate position control. Based on theparameters of five Chinese massage techniques, this article develops a pneumatic massagemanipulator claw driven by a flexible drive, composed of rigid joints, wrapped with flexiblematerials, and combined with rigid and flexible. The research contents are as follows:

  Firstly, this article summarizes the research status of massage robots at home and abroad,analyzes the research significance of the subject and the existing research deficiencies. Basedon the five massage technique parameters of pressing, vibrating, kneading, pushing andpinching and the standard size of the human hand, using a pneumatic muscle flexible drivercombined with polymer silicone material to design a pneumatic massage claw with variablestiffness, and formulate the overall design scheme of machinery and control system.

  Secondly, according to the design scheme of the mechanical system, the three joints ofthe massage claw are designed, modeled and assembled, the virtual prototype is established,and the static stress analysis of the components is carried out. Choose the silicone withmoderate hardness as the material for making the palm airbag and silicone fingers, and obtainthe Yeoh second-order model parameters of the material through the uniaxial tensile test. Thedeformation of the palm and finger models was simulated and analyzed using finite elementsoftware to determine the wall thickness parameters of the airbag and verify the structuralstrength of the fingers. The variable stiffness of the palm airbag is realized according to theprinciple of vacuum blocking, and the palm bearing capacity is improved on the basis ofsoftness. At the same time, the palm and finger parts are manufactured by the mold castingmethod, and the assembly of the overall prototype is completed.

  Thirdly, using the method of D-H coordinate to complete the kinematics analysis of thepinch finger structure to obtain the relationship between the link parameters and the spaceposture of the end effector, and the feasibility of the structure is verified by MATLABsimulation. The dynamics modeling of pinching finger structure is completed by Lagrangedynamics equation, and the relationship between joint torque and position velocityacceleration is obtained, which provides a theoretical basis for the motion controlprogramming of the mechanical system.

  Finally, completed the design of hardware and software in the massage claw controlsystem, assembled the prototype and functional debugging of the whole, and tested thevariable stiffness performance of the palm airbag through the compression stiffness andmaneuver strength measurement experiment, and obtained the relationship between themaneuver force and air pressure, and determine a reasonable pressure range, for the actual useof reference.

  Key Words: Massage manipulator, Structural design, Flexible actuator, Simulation analysis,Kinematics

機械手

目錄

  第 1 章 緒論

  1.1 引言

  當今隨著科技的飛躍進步,智能機器人技術也得到了質的提高。機器人已經不再局限于工業領域的應用,在醫療、服務、教育、交通、通訊等領域也得到了廣泛的應用。機器人的種類有很多,比較常見的有工業機器人、服務型機器人、水下機器人、軍用機器人、康復機器人、仿生機器人、軟體機器人、微型機器人等,伴隨著人工智能技術不斷的發展,機器人也越來越趨向于智能化、標準化、網絡化、模塊化[1].由于生活節奏的加快和服務行業市場需求量的增加,服務型機器人作為機器人領域的一位年輕成員已經得到廣大消費者和學者們的關注。服務型機器人是一種不包括從事生產設備,半自主或全自主工作的機器人,著眼于改善人們生活的質量和緩解人們工作的壓力。目前應用的領域主要涉及醫療、運輸、救援、監護、清潔等工作領域,服務機器人與人們的工作和生活有著密切關系,它的發展將成為未來現代化服務領域重要的組成部分[2-3].

  按摩機器人是服務型機器人的一種,與其他按摩設備不同的是中醫按摩機器人是以傳統的中醫推拿理論為基礎,結合先進的設計理念和控制技術,涉及多學科多領域的高科技產品。如今出現的按摩機器人,大多為剛性結構,雖然能夠實現精確的位置控制,對按摩區域完成相應的手法動作,但是整體剛性較高,消費者依然無法完全信任按摩的安全,因此大多依然處于試驗研究狀態。隨著柔性材料在醫療領域的研究與利用,剛性結構柔性不足的問題得以改善,但是單純的柔性結構難以得到較好的控制,因此有必要研究一款剛柔結合的機器按摩裝置,將柔性材料與按摩機器人結合,加快中醫按摩機器人的市場化,緩解按摩技師的壓力,滿足中老年人的健康需求。

  1.2 課題研究的背景和意義

  1.2.1 研究的背景

  隨著科學技術的進步和人們生活水平的提高,中國作為人口大國老齡化問題日益嚴峻,從圖 1.1 我國未來 65 歲以上人數變化趨勢可得,截止 2018 年我國 60 周歲及以上人口數占據總人口數 17.9%相比于 2017 年增漲 0.6%,預計未來 20 年內中國老年人口數將增加一倍將超過 20%,老齡化問題將成為我國未來發展的巨大挑戰,養老產業逐漸成為了人們關注的焦點[4].

  老齡化問題日益嚴峻不僅給人們生活帶來壓力而且對養老產業帶來巨大挑戰,其中在醫療保健、醫療護理、家政服務等需求量快速增加。當人們年齡不斷增加,老年人會出現常見的疾病,這些都會影響他們的日常生活,另外我國老年人服務與健康保障體系發展尚未完善,加劇了老年人養老問題難度,也給年輕人帶來了負擔[5].因此,積極的開展中老年人的醫療、護理保障工作并大力推動老齡化產業發展,有利于緩解老齡化帶來的養老問題。隨著科技發展方向在各個行業內轉型,機器人行業內科學家們已將重心轉向服務領域,服務型機器人技術得到了快速發展,其中醫療康復機器人也獲得了人們極大地關注。

  按摩機器人是一款具有代表性的服務型機器人,它是傳統的中醫按摩手法與現代醫療康復、智能技術、智能感知技術及機器人控制技術領域相互滲透、結合的高科技產物。它可以模仿按摩師相應的手法動作,對人體特定部位進行按摩,以減輕按摩師數量和精力方面的負擔,在當前社會人口老齡化趨勢下,機器代替技師按摩是對當前醫療康復市場中消費者需求的回應。如圖 1.2 所示,未來隨著傳感器技術的發展,5G技術的應用,人工智能技術的融入,以及新型材料技術的發展,智能化服務型機器人將會應用到人們生活的各個領域。

  1.2.2 研究的意義

  中醫按摩又稱為"推拿",是我國傳統醫學領域的重要結晶之一,也是人們重要的醫療保健方式之一,被公認為一種平穩可靠,安全有效并且對人體無毒、副作用純凈的物理醫療手法[6].中醫按摩治療是以傳統的中醫經絡學為理論基礎,結合西方的解剖學、生理學等理論。通過手或者身體的其他部位對按摩者體面特定穴位施加一定的循環力量,來刺激人體的穴位,調節人體的運動、循環及生理系統,最終達到疏通脈絡,活動關節,正氣活血,消除癥狀,治療疾病,提高免疫,加速恢復,強生健體的功效[7-8].

  甚至對心血管疾病、消化系統疾病、關節肌肉損傷、腰椎間盤突出、頸椎病等老年人常見問題具有較好的治療效果,所以為廣大國內外患者所接受和歡迎[9].

  但是隨著老齡化不斷加劇,消費者對中醫按摩需求量也不斷增加,這對按摩師的體力和數量提出了強烈的挑戰,并且按摩的效果與按摩師的經驗以及手法的力度、位置、時間、頻率都有很大的關系,目前市場上有經驗的按摩師數量已經不能滿足持續增漲的消費者需。隨著機器人技術的不斷提高,機器按摩得到了學者們的關注和重視,按摩機器人逐漸成為了這一領域的代表作品。

  目前市場上大多數剛性的按摩器材,是一種被動式、擠壓式按摩,并且手法單一、體積較大、控制復雜。剛性結構的優點在于精確的位置控制,但是按摩是一種人機交互的形式,過高的剛性使消費者還是無法完全信任按摩的安全以及按摩的效果。隨著軟體機器人的發展,柔性材料在醫療領域得到了應用,此材料在外界環境變化時會產生形變,利用形變力驅動負載運動,具有較好的柔順性和靈活性,但是由于自身的非線性強、自由度高,很難實現精確的位置控制[10-11].

  綜合上述原因,本文將基于中醫按摩手法要領,設計一款由柔性驅動器驅動,剛性關節構成,柔性材料包裹,剛柔結合的機械按摩手爪。按摩手爪安裝在六自由度 UR柔性機械臂上,實現對人體主動式、中醫式按摩。利用剛性機械臂精確位置控制,結合柔性材料本身的柔韌性好、自由度高以及能夠更好地適應復雜結構的特點,在保障機器人能夠與人體安全接觸的同時實現按摩師的手法動作。從而推進柔性材料在按摩機器人方面的應用,減輕用戶對機器人的畏懼心理,加快按摩機器人的市場化,以滿足消費者需求,緩解技師在人數和精力上的壓力,具有重要的市場價值和研究意義。

  1.3 按摩機器人國內外研究現狀

  1.3.1 國外研究現狀

  國外從 20 世紀 90 年代開始,以日本、美國、韓國、新加坡和中國等國家為代表的相關機構或團隊陸續的對按摩機器人的機構和控制方面開展研究工作,到目前為止也陸續取得了許多階段性的科研成果。

  1996 年,日本三洋電機有限公司機電一體化研究中心的 Masao Kume 等人研發了一款機械療法單元 MTU(Mechanotherapy Unit),按摩機器的手部有 4 個自由度,可以對人的肩、頸部的肌肉進行拿捏按摩動作[12],如圖 1.3 所示。此款按摩機器人是學者們早期的研究成果,機器的按摩手法較為單一,并且柔性不高,但是研究的結果驗證了機器按摩的可行性,表明了機器按摩已經得到了學者們的關注,這也為今后的深入研究奠定了一定的理論基礎。

  2006 年,日本豐橋科技大學和日本科學家 Panya Minyong,等人設計了一款仿人多手指按摩機械手[13].如圖 1.4 所示,該機械手有 4 個手指,13 個自由度,利用分布式壓力傳感器制成數據"手套",采集技師按摩過程的手指壓力數據,再通過 6 維力傳感器閉環的位置和力的控制,最終實現技師手指間的力度復現。

  2007 年,日本早稻田大學和科學家 Atsuo Takanishi 等人研發了一款對人體面部可以實現揉、按動作的康復機器人 WAO.1,如圖 1.5 所示。機器結構具有 6 個自由度,機械手與人體接觸的地方為可替換的按摩頭,兩邊機械臂上安裝可以檢測摩擦力的力矩限制器,當摩擦力小于設定值時,上位機將會控制扭矩限制器提高摩擦力,反之將會限制摩擦力,具有一定的安全保護措施[14].但是該款機器按摩的部位較為局限,按摩手法單一,實用性不高,因此未能得到有效的推廣。

  2010 年,臺灣逢甲大學 Chih-ChengPeng 等人研發了一款具有 5 個自由度的機械手臂和具有 4 根仿人手指的機械手,可以實現中醫按摩手法中的按、揉和拿 3 種手法[15],如圖 1.6 所示。這款按摩機器人裝有 CCD 攝像頭,通過視覺系統識別按摩技師手部的標記,從而獲得精確的按摩位置。此外,機器人安裝生理信號檢測系統,用于檢測用戶的心率、體溫、呼吸頻率等相應參數,進而獲得用戶在按摩過程中的生理反應,具有一定的智能性,但是機器整體剛性較高,形體較大,工作范圍較小。

  2010 年,國立臺灣大學的 Ren C.Luo 和 Chih C.Chang 等人設計了一款按摩機械臂,如圖 1.7 所示,末端機械手具有 4 根手指,8 個自由度,可以實現中醫按摩中的"拿捏"手法[16],如圖 1.7 所示。按摩過程中通過傳感器采集用戶身體的肌肉電信號,通過分析這些電信號獲得用戶的按摩感受,并反饋給控制器來調節機械手的輸出力,保證有效的按摩力輸出,同時也確保按摩過程的安全。

  2016 年,南洋理工大學協助 Albert Zhang 等人研發了一款主打中醫按摩推拿的機器人 Emma[17].第一代 Emma 如圖 1.8 所示,金屬手臂的一端裝有仿人手掌和手指的硅膠按摩頭,并且具有加熱功能,主要采用指壓和物理療法,對人體的背部和膝蓋進行按摩。Emma 搭載立體顯示相機能夠對人體穴位精確定位,并通過對中醫筋脈等大數據的學習不斷地智能化。Emma 還配備多種傳感器,通過把病人的診斷的結果傳達到云端進行在線專家處理,從而使得醫生實時準確的了解病人的康復情況。Emma2.0和 3.0 比第一代按摩機器人的體型更加小巧,如圖 1.9 所示,Emma2.0 機械臂有 6 個自由度,相比于傳統的按摩器械靈活度更高,內部裝載了多種按摩程序,利用先進的傳感器技術來測量人體肌肉的軟硬程度以及血液的流動程度,利用反饋技術能夠精準控制按摩的力度和動作,通過人工智能系統為消費者確定最佳的按摩策略,但是機器的研發成本較高,控制比較復雜。

  1.3.1 國內研究現狀

  國內對按摩機器人的研究起步相對較晚,在 2008 年以前還停留在理論分析和實驗研究階段。在國家 863 計劃的支持下將中醫按摩機器人列為第二批重點的項目。2010年到 2011 年期間國家自然基金又對按摩機器人相關的多個項目進行了資助,特別是江蘇大學,山東建筑大學,北京理工大學等科研單位對中醫按摩機器人的開展研究,完成了中醫按摩機器人樣機的研發。

  2004 年,江蘇大學馬履中教授和他的團隊研制了一款混合型機構的醫用按摩機器人[18-20],如圖 1.10 所示。這款機器人主體是以一個具有 5 自由度的并聯機構,能夠實現中醫按摩中揉、按、推的手法,整體剛性高、動態性能好、末端慣性小、位置精度高。但是并聯機器人自由度多,控制復雜,工作空間較小,針對這些缺點,馬教授團隊又展開了對串并聯混合型機構的按摩機器人研制,如圖 1.11 所示。該款機器人利用串聯結構進行快速穴位定位,通過并聯執行裝置完成按摩手法動作,充分發揮了串并聯機器人兩者各自的優勢,但是按摩機器人的執行端形體粗重,結構復雜,所以依然停留于實驗室研究狀態。

  2008 年,山東建筑大學魯守銀教授團隊與智能系統研究院,在國家"863"計劃的支持下開展了對中醫按摩機器人的研究,先后完成了 JZMR I 和 II 型中醫按摩機器人從理論到樣機的研制[21],如圖 1.12(a)和(b)所示。JZMR I 采用雙臂設計,每個機械臂的末端安裝 5 指按摩仿人機械手,可以實現指柔、指按、掌揉、掌按、捏拿、滾壓、振顫、叩擊等按摩手法動作[22],該按摩機器人通過機器視覺技術識別人體背部的穴位標識進行精確定位,通過傳感器獲取用戶按摩過程中的血壓、心率、體溫等生理指標,根據這些指標判定用戶的按摩效果,并決定是否繼續按摩[23],但按摩手剛性較高,實用性小。2010 年,為了提高實用性,以及市場化,魯守銀教授的團隊在前一代的基礎上研制出了一款單臂中醫按摩機器人[24],2015 年進行了第 3 代樣機的研制,此款機器的結構和功能在前者的基礎上又進行了改進,樣機如圖(c)所示。

  2008 年,我國多所大學聯合研發了一款中醫按摩機器人,如圖 1.13 所示,該款按摩機器人具有一個 4 自由度的機械臂,末端的按摩裝置是一個 3 自由度的仿人按摩手,可以完成點按、指揉、捏拿、滾壓和叩擊 5 種按摩手法[25-26].機器各關節通過閉環控制器來實現力矩和位移的控制,基于遺傳算法計算出最優 PID 控制參數值,通過最小二乘法完成參數調整,實現穩定的力量輸出。

  2014 年,北京理工大學智能機器人研究所的黃遠燦教授團隊研制一款具有 4 自由度的中醫按摩機械臂,能夠完成點按、指揉、彈拔三個按摩手法動作,可以完成臥式和坐式兩種按摩方式,如圖 1.14(a)、(b)所示,該款按摩機械臂由手臂、按摩頭和基座組成,為了提高系統的安全性,采用輕量化連桿和機電一體化柔性關節設計方法[27],機械臂的長度與人的手臂相仿。通過具有彈性單元的一體化關節,建立關節處的力矩閉環,從而降低電機的慣量,提高關節的柔性。機械臂的力矩、阻抗控制是通過采集專家按摩手法生物力學參數,實現最優的控制,并對關節進行力矩標定,提高系統整體的安全性。

  綜上所述,機器按摩已經得到了國內外學者們的密切關注,也相繼取得一定的科研成果,但是依然存在著不足:

 。1)機器人技術未能與按摩理論充分結合。國外的按摩機器人研究起步比較早,特別是在按摩機器人的運動控制、力控制、機器視覺等方面要領先于國內,但是在機械結構部分較為單一。中醫推拿作為我國傳統中醫學重要組成部分,國內學者對按摩的手法動作和作用機理研究深入,特別是在機器人的執行機構設計和手法實現方面研究較多,但是在機器人控制方面依然有所不足。

 。2)形體較大,剛性較高。為實現按摩的手法動作,并且要達到按摩的強度,傳統的按摩器材大多比較粗重,且剛性較高,是一種被動式、擠壓式按摩,消費者依然無法完全接受按摩的效果和信任按摩過程的安全。

 。3)成本較高,未能廣泛使用。目前國內外研發的按摩機器人雖然都取得了豐富的成果,但是研發成本都較高,大多數按摩機器人依然停留在實驗室研究階段,市場上應用較多的依然是傳統的按摩椅和按摩床等器械。因此,有必要設計一款符合市場和消費者需求實用型的按摩機器人。

  1.4 本文主要研究內容
  本文以按摩手爪的機械結構設計、模型的仿真分析、運動學和動力學建模、控制系統的搭建、整體樣機的測試等為主要研究內容,針對目前傳統剛性按摩器材柔性不足的問題,將以中醫按摩手法參數為出發點,基于氣動肌肉柔性驅動器,結合高分子硅膠材料,設計一款結合 UR 機械臂可以實現按、揉、推、振、捏拿按摩手法功能的氣動按摩機械手爪,具體內容如下:

  第一章、課題研究綜述。介紹了課題的研究背景和研究意義,概述了國內外按摩機器人的研究現狀,并通過比較和分析,得出當前存在的不足,以此作為課題研究的方向,最后介紹本文的主要研究內容。

  第二章、按摩手法分析及總體設計方案。對常見中醫按摩手法的作用機理、動作要領、施術部位、以及手法力度、頻率、時間進行總結歸納,依據手法參數以及功能要求擬定按摩手爪的機械結構和控制系統總體設計方案。

  第三章、按摩手爪結構設計及部件制備。根據機械結構總體設計方案,對按摩手爪的腕、指、掌三個關節的進行建模。針對捏拿手法,對原先結構進行改進,建立虛擬樣機。為了選擇手掌氣囊壁厚參數以及驗證手指結構強度,利用有限元軟件對掌、指模型進行仿真分析,最后完成零件的加工和樣機的組裝。

  第四章、按摩手爪運動學和動力學分析。運用 D-H 坐標法完成按摩手爪的捏拿手指結構正、逆運動學分析,得出關節參數與末端關節位置之間的關系,并運用 Matlab進行了仿真,驗證結構的合理性和可行性,為捏拿手指結構的運動控制編程提供理論基礎。最后利用拉格朗日方程式推導出此結構的動力學方程,為以后手指按摩力度的控制提供理論依據。

  第五章、按摩手爪控制系統的設計。根據控制系統總體設計方案,對按摩手爪控制系統的硬件部分進行選型和接線,對軟件分部進行設計和編輯,主要包括電氣回路的設計、硬件的選型及接線、傳感器信號的采集、通訊模塊的連接、主程序的編輯、上位機手機軟件的設計等。

  第六章、按摩手爪調試及實驗研究。對按摩手爪樣機進行組裝和調試,并搭建實驗平臺對其進行功能測試,主要包括手掌變剛度功能的驗證以及按、振手法輸出力測量實驗,通過實驗對按摩手爪的功能進行驗證,并且研究手法力度與氣壓之間的關系,為實際的運用提供參照。

  第 2 章 按摩手法分析及總體方案設計

  2.1 中醫推拿常用手法分析

  2.1.1 推拿療法作用機理

  2.1.2 常用推拿手法動作要領分析

  2.2 按摩手爪機械結構方案設計

  2.2.1 按摩手爪結構設計要求

  2.2.2 按摩手爪的工作原理

  2.2.3 驅動方式的選擇

  2.2.4 執行器件的選擇

  2.2.5 手掌變剛度方案

  2.3 按摩手爪控制系統方案設計

  2.3.1 控制系統設計要求

  2.3.2 控制系統方案分析

  2.4 本章小結

  第 3 章 機械按摩手爪結構設計及樣機制備

  3.1 按摩手爪結構設計與建模

  3.1.1 振動腕關節設計與建模

  3.1.2 伸縮手指關節設計與建模

  3.1.3 柔性手掌關節設計與建模

  3.1.4 捏拿手指關節設計與建模

  3.2 零件應力分析及虛擬樣機建立

  3.2.1 關鍵零部件應力分析

  3.2.1 按摩手爪裝配體模型

  3.3 手掌氣囊及硅膠手指的制作

  3.3.1 制作材料的選擇

  3.3.2 掌、指模型的仿真分析

  3.3.3 掌、指模具的設計

  3.3.4 掌、指實物的制作

  3.4 按摩手爪樣機裝配

  3.5 本章小結

  第4章按摩手爪運動學和動力力學分析

  4.1 捏拿手指結構運動學分析

  4.1.1 關節坐標系建立

  4.1.2 正運動學分析

  4.1.3 逆運動學分析

  4.2 捏拿手指結構運動學仿真

  4.3 捏拿手指結構動力學分析

  4.3.1 拉格朗日動力學模型

  4.3.2 捏拿手指結構動力學模型

  4.4 本章小結

  第5章按摩手爪控制系統的設計

  5.1 控制平臺總體設計框架

  5.2 氣動執行系統設計

  5.2.1 氣動回路及工作原理

  5.2.2 氣路元件選型

  5.3 電路控制系統實現

  5.3.1 硬件控制原理

  5.3.2 電路硬件選型

  5.3.3 系統硬件的接線

  5.4 控制系統程序設計

  5.4.1 控制器主程序設計

  5.4.2 傳感器數據檢測

  5.4.3 上位機軟件設計

  5.5 本章小結

  第 6 章 按摩手爪調試及實驗研究

  6.1 按摩手爪樣機的組裝及調試

  6.2 按摩手爪的實驗研究

  6.2.1 手掌變剛度功能的驗證

  6.2.2 按、振手法輸出力測量

  6.3 本章小結

  第 7 章 結論與展望

  本文結論

  本文通過比較和分析國內外按摩機器人的研究現狀,針對當前傳統的按摩器械功能單一、柔性不足、形體較大的問題,以五種常用的中醫按摩手法參數為基礎,利用氣動肌肉柔性驅動器,設計一款能夠實現按、振手法功能的柔性按摩手爪。首先介紹了按摩手爪的本體結構設計,對關鍵零件進行應力分析,利用有限元軟件對掌、指模型的變形進行了仿真分析。然后針對捏拿動作,建立了捏拿按摩手爪虛擬樣機,對手指結構進行了運動學分析和動力學建模。最后完成了零部件的加工制備和控制系統的設計,研制出整體樣機,并通過壓縮剛度和輸出力測試實驗對系統的性能進行了驗證。

  論文完成的工作和得出的結論如下:

 。1)本文通過對按、振、揉、推、捏拿五種常見中醫按摩手法的動作要領和作用機理的分析,歸納出手法動作的力度、頻率、作用部位、作用時間等參數要求,根據這些參數研制出一款利用氣動肌肉柔性驅動器驅動,結合超彈性硅膠材料,具有變剛度功能的氣動按摩機械手爪,經過樣機的裝配和調試,能夠實現按、振手法動作,并且手法力度可測、頻率可調。

 。2)根據按摩手爪機械系統整體設計方案對三個關節的結構進行了設計、建模與裝配,建立了虛擬樣機,并對零部件進行了強度驗證。通過有限元軟件對掌、指模型的變形進行仿真分析,首先選擇 shore A30 硬度硅膠作為本體制作材料,然后通過單軸拉伸試驗確定了 Yeoh 二階模型的參數值,最后根據仿真結果得到了手掌氣囊 3mm 的最優壁厚參數,并驗證了模型在 0~4Kg 載荷下形變能力及結構強度滿足實際需求。按照硅膠產品的制作要求,對掌、指的模具進行設計和加工,采用模具澆筑的方式完成手掌氣囊和硅膠手指的制備,并通過負壓阻塞原理實現掌部剛度可調。

 。3)針對捏拿手法動作,在原有的結構基礎上進行改進,建立了捏拿按摩手爪虛擬樣機,運用 D-H 坐標法對捏拿手指結構進行運動學分析,得到了連桿參數與末端執行裝置空間位姿之間的關系,利用 MATLAB 軟件驗證了結構運動學的可行性和有效性,并通過拉格拉日動力學模型完成此結構的動力學建模。為整體系統的運動控制編程提供理論依據。

 。4)通過對按摩手爪的控制系統進行電氣回路設計、硬件選型及接線、控制器編程以及上位機軟件設計,完成了對按摩手爪的執行部件運動控制。并搭建了壓縮剛度和手法力度測試平臺,對手掌氣囊變剛度的性能進行了驗證,根據實驗數據可得,當氣囊內氣壓達到-80Kpa 時,可將掌部的軸向剛度提高約 4.7 倍。根據按、振手法輸出力測量數據,獲得了手法力度與氣壓關系,達到了中醫按摩手法力度要求,并對手法力度進行等級劃分,便于機器的實際使用。

  課題展望

  本文設計的第一代中醫按摩機械手爪已經能夠實現常見的推拿手法動作以及滿足手法的力學要求,第二代中醫按摩機械手爪完成了機械部分的設計,但是控制系統還未完善,考慮到如何實現更加擬人化的手法,以及加快推進機器按摩的市場化,未來的還需對以下兩個方面展開深入研究:

 。1)在按摩手爪的控制系統方面:由于本課題時間的限制,未能對控制算法進行研究,為了實現更加智能、穩定、可靠的控制策略,需要研究控制算法。

 。2)在按摩手爪的功能實現方面:此外,結合機器視覺實現對人體背部穴位的進行定位,提高尋位的準確性。利用傳感器技術采集消費者按摩過程中的生理反饋信息,將其與專家系統的生理參數進行比較,對按摩效果進行評價。

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致謝

  光陰荏苒,碩士研究生學習即將結束,三年的學習生活使我受益匪淺。經歷三年的學習和實驗,最終的成果都凝聚在碩士畢業論文中;厥兹陙硎占墨I、整理、思索、改進直至實驗和畢業論文全部完成的過程,我得到了許多的關懷和幫助,在這里我要向他們表達我最誠摯的謝意。

  作為軟體機器人課題研究成員之一,我要深深感謝我的兩位導師,沈陽工業大學機械工程學院的張禹老師和李延斌老師。首先在課題研究方面,在張禹老師的指導和幫助下,讓我順利從接觸軟體機器人課題,到完成樣機搭建,直到最后完成畢業論文,兩位老師在學術研究上認真務實、嚴謹細致、精益求精的態度一直影響著我。其次在動手實踐方面,張禹老師給了我很多實踐動手的機會,參與了許多實際項目,從中積累了實踐經驗同時學到很多理論之外的知識,不僅積累了實踐經驗也拓展了學術眼界。

  最后在課余生活方面,兩位老師常常給我帶來無微不至的關懷,在此我先向兩位老師致以由衷的感謝和崇高的敬意。

  我還要感謝我已經畢業的趙瑞穎學姐、陳嚴學長、李碩鑫學長以及在校攻讀博士學位的趙文川學長對我課題和學習上的指導和幫助,同時感謝 17 級 213 實驗室的王富民、李佳、李家錚、張博、孫正宇、白廣東、張恒、姚廣瑞、單涵琪等師兄妹們三年來的陪伴以及平時對我實驗工作和學術研究的指點和幫助,特別是王寧師兄和趙東升學弟,在實驗平臺搭建和樣機制作方面帶來了許多幫助。同時也非常感謝我的室友在生活上的關心以及學習上創造的良好氛圍。

  最后衷心感謝我的家人和朋友在我求學路上的給我的關心和照顧,一如既往地支持我。也謝謝論文評閱老師們的辛苦工作,給了我審視幾年來學習成果的機會。我將在以后的工作和學習中加倍努力,以期去的更多的成果回報他們、回報社會。再次感謝他們,祝你們身體安康、幸福長久!

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