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摘要：本文對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，思考中醫(yī)按摩機(jī)器人臂的設(shè)計(jì)方法，包括結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，其中又包括軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)等，也要關(guān)注安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免機(jī)器人在按摩時(shí)發(fā)生失控的情況，以免對(duì)人體產(chǎn)生損傷，通過多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證機(jī)械人臂系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：中醫(yī)；按摩機(jī)器人；臂系統(tǒng)

中醫(yī)按摩作為中醫(yī)中具有特色的項(xiàng)目，是一種對(duì)人體沒有毒副作用的療法。秦漢時(shí)期的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中已經(jīng)有關(guān)于按摩的記載。新中國成立后，我國衛(wèi)生部門關(guān)注中醫(yī)發(fā)展，中醫(yī)按摩的手法不斷整理，按摩更加規(guī)范，通過按摩調(diào)整人體功能，改善機(jī)體病理狀態(tài)，達(dá)到舒經(jīng)活絡(luò)及行氣止血的效果。中醫(yī)按摩可治療疼痛及心血管疾病等，具有強(qiáng)身健體及延年益壽的效果?，F(xiàn)階段，市場(chǎng)上按摩器械不足，通過機(jī)器人模擬專家按摩手法，最終達(dá)到治療的目的?，F(xiàn)階段，柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念引入按摩機(jī)器人領(lǐng)域，通過輕量化設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人能完成按摩手法。對(duì)此，本文對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1中醫(yī)按摩機(jī)器人臂設(shè)計(jì)

1.1按摩手臂運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

在中醫(yī)推拿過程中，針對(duì)人體不同疾病，按摩不同的穴位，按摩手法也存在差異，包括指捏法、掌推法、滾壓法等，在設(shè)計(jì)過程中，X軸代表拇指伸的位置，Y軸則是小指中段位置，Z軸代表手掌中心垂直的上側(cè)位置。設(shè)計(jì)過程中取Z軸與按摩手表面垂直，以此完成指錐法按摩，不同按摩方法的X、Y、Z軸存在差異，掌面與按摩平面涉及的因素不同，通過中醫(yī)按摩對(duì)推拿方法進(jìn)行模仿，達(dá)到不同的按摩目標(biāo)，滿足人體對(duì)按摩的要求，對(duì)此，在中醫(yī)按摩機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)按摩方法設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)。比如，在推法設(shè)計(jì)過程中，使用手指及手掌、肘部等完成按摩，自患者的背部完成平移運(yùn)動(dòng)。推法在實(shí)施過程中，自Z軸垂直人體，在Y軸及X軸上不斷平移，具有3項(xiàng)自由度，包括施力方向、垂直作用力方向、平移運(yùn)動(dòng)方向。

1.2按摩手臂結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法

自中醫(yī)推拿理論角度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種中醫(yī)手臂按摩方法，主要是對(duì)背部進(jìn)行按摩，在設(shè)計(jì)過程中，采取模塊式設(shè)計(jì)方法，四個(gè)手指保持左右對(duì)稱，手指包括遠(yuǎn)近兩個(gè)端面，手指近端包括長(zhǎng)連桿及連接艙，通過齒輪帶動(dòng)指節(jié)活動(dòng)，按摩滾輪自左右兩端與連接艙相連，自基座下完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠正反運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接塊上下活動(dòng)，對(duì)指關(guān)節(jié)及手臂形態(tài)進(jìn)行調(diào)整。拍打模式則是手腕及手肘活動(dòng)，按摩手掌則是保持一個(gè)姿勢(shì)，在手臂前端可以設(shè)置拍打頭，在按摩底座下與機(jī)械臂固定，不同按摩方式需要機(jī)械手臂之間做好配合。在捏拿按摩時(shí)，保留兩指及多指按摩，機(jī)械臂需要移動(dòng)到穴位上，舵機(jī)對(duì)手臂轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)手臂指尖姿態(tài)，絲杠帶動(dòng)滑動(dòng)模塊完成相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，完成上下及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)指節(jié)過近的情況下，舵機(jī)控制手指活動(dòng)，調(diào)節(jié)按摩姿態(tài)，配和連接塊上下運(yùn)動(dòng)，或者調(diào)整捏拿力度，手指轉(zhuǎn)動(dòng)后會(huì)被連接艙擋板限制，為保證手指調(diào)整到一定的角度，還需關(guān)注手指轉(zhuǎn)動(dòng)壓力，見圖1。滾輪按摩過程中，將滾輪作為元件。設(shè)計(jì)滾壓輪及拿按輪，滾壓輪上有刺激穴位的凸起點(diǎn)，在滾壓過程中，能對(duì)穴位產(chǎn)生刺激。在機(jī)械臂移動(dòng)到按摩位置上后，通過舵機(jī)進(jìn)行指揮，調(diào)整按摩手指位置，避免遠(yuǎn)端指節(jié)與滾輪相互影響。捏拿按摩過程中，可以利用絲杠對(duì)關(guān)節(jié)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，配合機(jī)械臂帶動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)，完成肩部捏拿按摩。滾壓按摩過程中，對(duì)關(guān)節(jié)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，配合機(jī)械臂帶動(dòng)滾輪完成人體背部按壓。

2機(jī)械臂控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)硬件

中醫(yī)按摩機(jī)械臂控制系統(tǒng)包括Can總線、Fpga控制器及人際交互觸摸屏等，操作人員在人機(jī)交互的模式下，利用觸摸屏控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，完成相關(guān)的按摩手法，操作力度及次數(shù)通過智能屏傳遞到工控機(jī)，工控機(jī)將期望手法轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)語言，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算方式對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整。使用Can總線傳遞角度信息，將信息有效傳遞到Fpga控制器，使機(jī)械人完成期望的按摩方法，控制系統(tǒng)見圖2。在機(jī)械臂控制系統(tǒng)搭建過程中，基于Faga硬件平臺(tái)完成SOPC設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)機(jī)械臂過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)關(guān)節(jié)力矩及電流等進(jìn)行采樣，根據(jù)算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。在研究過程中，通過IP核方法完成直流無刷電機(jī)控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。中醫(yī)按摩機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人存在差異，在設(shè)計(jì)過程中需要搭建按摩機(jī)器人平臺(tái)，其中，手臂內(nèi)部存在兩個(gè)增量式光電編碼器，結(jié)合關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)節(jié)力度進(jìn)行調(diào)整，彈性單元角轉(zhuǎn)過角度可通過系統(tǒng)計(jì)算，從而獲得數(shù)據(jù)力矩。增量式光電編碼器會(huì)輸出A、B、Z/3根信號(hào)，在設(shè)計(jì)過程中，可能涉及電磁干擾，容易對(duì)光電碼盤信號(hào)產(chǎn)生影響，對(duì)此，設(shè)計(jì)光電碼盤差分輸出方法，保證電路的抗干擾能力。為保證碼盤的精度，可以對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)整。傳遞的信號(hào)記錄到寄存器，檢測(cè)后的信息通過AVALON總線協(xié)議處理，最終傳輸?shù)娇偩€上。

2.2系統(tǒng)軟件

在系統(tǒng)軟件上，利用嵌入式C程序完成開發(fā)，開發(fā)算法包括速度控制及位置控制、力矩控制等，包括主程序及驅(qū)動(dòng)程序、算法程序。其中，主程序的任務(wù)在于接收上位機(jī)的信息，根據(jù)不同的命令對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)整，一旦發(fā)生運(yùn)行異常，及時(shí)對(duì)問題進(jìn)行處理，將異常情況上報(bào)到上位機(jī)中。異常子程序中含有力矩限制保護(hù)子程序及過速保護(hù)子程序等。命令處理子程序中包括PID調(diào)節(jié)子程序及傳感器標(biāo)定子程序、信息反饋?zhàn)映绦?。B驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)應(yīng)將寄存器中的參考地址進(jìn)行分析，建立硬件操作文件，其中定義寄存器，根據(jù)硬件特點(diǎn)，構(gòu)建操作函數(shù)模型。C算法子程序設(shè)計(jì)過程中，利用PD算法對(duì)系統(tǒng)力矩及阻抗等進(jìn)行設(shè)計(jì)，速度與位置連接后，速度是內(nèi)環(huán)，位置是外環(huán)，完成位置及速度的同步調(diào)控，力矩獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，在位置及力矩等控制過程中，為有效控制軟件，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)限制保護(hù)量值。

3安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人會(huì)受到一些因素影響，導(dǎo)致操作故障，或者發(fā)生失控等問題，導(dǎo)致被按摩的人群發(fā)生損傷，對(duì)此，在設(shè)計(jì)機(jī)械臂過程中，也要關(guān)注安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)按摩者的按摩需求設(shè)計(jì)安全保證體系，并對(duì)保障體系進(jìn)行分級(jí)處理。一旦發(fā)生故障或者失控情況，可最大程度的保護(hù)被按摩者的安全。安全保證系統(tǒng)中包括醫(yī)護(hù)人員保護(hù)從事及機(jī)械系統(tǒng)保護(hù)措施、軟件系統(tǒng)保護(hù)措施等，系統(tǒng)將人員的安全作為最高等級(jí)，根據(jù)不同優(yōu)先級(jí)對(duì)響應(yīng)措施展開設(shè)計(jì)。（1）在用戶保障設(shè)計(jì)過程中，機(jī)器人與用戶發(fā)生接觸，通過感覺反饋系統(tǒng)，判斷機(jī)器人是否處于安全狀態(tài)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可設(shè)置緊急開關(guān)，保障被按摩者的安全。急停開關(guān)放在靠近按摩者的方位，一旦機(jī)器人發(fā)生異常，可通過急停開關(guān)切斷電源，避免機(jī)器人繼續(xù)對(duì)按摩者進(jìn)行傷害。重新通電后，機(jī)械人回到原位等待作業(yè)命令。（2）醫(yī)護(hù)人員保障措施上，該措施是保障機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的第二個(gè)層面，在作業(yè)過程中，醫(yī)務(wù)人員會(huì)操作機(jī)器人，判斷是否存在風(fēng)險(xiǎn)，避免機(jī)器人發(fā)生失控問題。用戶發(fā)生緊張無法有效切斷電源，該系統(tǒng)與用戶保障系統(tǒng)具有相似性，醫(yī)務(wù)人員設(shè)置緊急停頓開關(guān)，作用與用戶保障措施相同。（3）機(jī)械系統(tǒng)保護(hù)措施：中醫(yī)按摩機(jī)器人采取輕量化設(shè)計(jì)，為保證人體接觸時(shí)動(dòng)量小，可對(duì)減重孔進(jìn)行加工，從而設(shè)置安全力矩閾值，一旦關(guān)節(jié)力矩超過閾值，則改變運(yùn)動(dòng)按摩方法，保證被按摩者的安全。

4結(jié)語

現(xiàn)階段，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求增高，智能化機(jī)器人在服務(wù)領(lǐng)域大放異彩，研究人員逐漸將目光放在中醫(yī)按摩機(jī)器人上。中醫(yī)按摩機(jī)器人作為服務(wù)型機(jī)器人，具有復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，同時(shí)又具有廣闊的市場(chǎng)。對(duì)此，在研究過程中，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置機(jī)器人手臂系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并使用先進(jìn)的控制硬件及軟件，對(duì)安保系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，保證各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提升人們的按摩體驗(yàn)，達(dá)到理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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作者:楊志威 馮國斌 單位:廣東省輕工業(yè)技師學(xué)院