一种新型串联中医推拿机械臂的机构综合和工作空间分析

　　0　引言

　　推拿作为一种医疗保健手段已经发展了两千多年,它通过手法和力量变化对经络穴位进行刺激来提高免疫系统的能力,达到预防、治疗老年腰腿疼痛的目的。然而,中医推拿实际推广过程中,各大医院的临床治疗仍由有经验的推拿师人工进行,一个疗程下来推拿师所付出的体力非常巨大。虽然近年来人们研制了许多推拿按摩器械,丰富、扩大了推拿保健和治疗的范围,但因其机械力度难以掌握,振动频率不易控制,许多器械推拿还不能达到高水平推拿师手法治疗的效果。所以开发智能推拿机器人,继承和发扬中医推拿的技巧,使古老推拿术得到较大力度的推广,是十分有现实意义的。

　　1　推拿机械臂的型综合

　　当前,机械臂的结构设计常采用的方法是机械臂的机构运动综合,它主要以运动学要求为依据,其内容包括确定机器人机构的型式(型综合)和与运动有关的几何尺寸参数(尺寸综合)。　　机械臂的运动综合以使末端执行器实现被操作物体的运动要求为基本准则,考虑到机械加工性、动力传输及运动控制等问题,推拿机械臂的型综合[1]是在确定机械臂结构参数之前,根据要实现的按、揉、滚、振4种推拿手法来确定机械臂机构的自由度、组成型式、关节数目和配置方式。型综合有位置和姿态两方面要求,因此,根据推拿要求,推拿机械臂的结构设计[2-3]将机械臂分成臂和手腕两部分,通常将位置结构部分称为机器人的臂部,而将姿态结构部分称为机器人的腕部(或手腕)。

　　1.1　选型原则

　　杨廷力[4]提出了基于单开链单元的串联机器人机构型综合方法,可以得到按、揉、滚、振4种推拿手法运动输出矩阵[5]为

　　(“·”表示非独立输出为常数;x、y、z为平移位移的输出;α、γ为绕x轴、z轴转动的角度的输出)。因此要完成以上4种推拿动作共需5个自由度,即3个方向的移动和绕x、z轴的转动。

　　实现上述手法的纯并联机构有三平移三转动和三平移两转动并联机构。但这两种机型属于多自由度并联机型,结构复杂,正反解计算困难,控制困难,其工作空间小。由于患者的身高、体型差异性,要求推拿头提供足够的灵活运动的空间,所以本文以基于2-P-R-R三自由度并联机构作为并联头(P表示移动副,R表示转动副),提出将少自由度并联机构与串联机械臂配合使用,共同完成推拿动作。

　　机械臂作为推拿机器人的主要执行部件,其功能是将末端执行器移至接近推拿的位置,所以有以下选型原则:①要使并联头能够自由地处在空间任意位置,推拿机器人的腕部必须具有3个转动自由度;②由于要实现4种推拿动作和大范围的位移调整,故除需满足推拿手法外,串联机械臂还用来提供推拿的位置,需要有x、y、z三个方向的平动;③为使患者不必躺在推拿床上进行推拿,可以方便地以站立、坐、躺等各种姿势接受治疗,串联机械臂必须保证具有足够大的工作空间;④由于推拿机器人动作频率高,所以机械臂的结构稳定性要求较高。