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安全中医按摩机器人臂系统探究

安全中医按摩机器人臂系统探究

摘要:本文对中医按摩机器人臂系统进行设计研究,思考中医按摩机器人臂的设计方法,包括结构及控制系统,其中又包括软件系统及硬件系统等,也要关注安全保障系统设计,避免机器人在按摩时发生失控的情况,以免对人体产生损伤,通过多项系统设计,保证机械人臂系统运行的稳定性。

关键词:中医;按摩机器人;臂系统

中医按摩作为中医中具有特色的项目,是一种对人体没有毒副作用的疗法。秦汉时期的《黄帝内经》中已经有关于按摩的记载。新中国成立后,我国卫生部门关注中医发展,中医按摩的手法不断整理,按摩更加规范,通过按摩调整人体功能,改善机体病理状态,达到舒经活络及行气止血的效果。中医按摩可治疗疼痛及心血管疾病等,具有强身健体及延年益寿的效果。现阶段,市场上按摩器械不足,通过机器人模拟专家按摩手法,最终达到治疗的目的。现阶段,柔性关节机器人设计理念引入按摩机器人领域,通过轻量化设计,保证机器人能完成按摩手法。对此,本文对中医按摩机器人臂系统进行分析。

1中医按摩机器人臂设计

1.1按摩手臂运动特点

在中医推拿过程中,针对人体不同疾病,按摩不同的穴位,按摩手法也存在差异,包括指捏法、掌推法、滚压法等,在设计过程中,X轴代表拇指伸的位置,Y轴则是小指中段位置,Z轴代表手掌中心垂直的上侧位置。设计过程中取Z轴与按摩手表面垂直,以此完成指锥法按摩,不同按摩方法的X、Y、Z轴存在差异,掌面与按摩平面涉及的因素不同,通过中医按摩对推拿方法进行模仿,达到不同的按摩目标,满足人体对按摩的要求,对此,在中医按摩机器人设计过程中,应当根据按摩方法设计手臂结构。比如,在推法设计过程中,使用手指及手掌、肘部等完成按摩,自患者的背部完成平移运动。推法在实施过程中,自Z轴垂直人体,在Y轴及X轴上不断平移,具有3项自由度,包括施力方向、垂直作用力方向、平移运动方向。

1.2按摩手臂结构的实现方法

自中医推拿理论角度进行分析,设计一种中医手臂按摩方法,主要是对背部进行按摩,在设计过程中,采取模块式设计方法,四个手指保持左右对称,手指包括远近两个端面,手指近端包括长连杆及连接舱,通过齿轮带动指节活动,按摩滚轮自左右两端与连接舱相连,自基座下完成电机驱动丝杠正反运动,带动连接块上下活动,对指关节及手臂形态进行调整。拍打模式则是手腕及手肘活动,按摩手掌则是保持一个姿势,在手臂前端可以设置拍打头,在按摩底座下与机械臂固定,不同按摩方式需要机械手臂之间做好配合。在捏拿按摩时,保留两指及多指按摩,机械臂需要移动到穴位上,舵机对手臂转动进行控制,调节手臂指尖姿态,丝杠带动滑动模块完成相关的运动,完成上下及相对运动,相对指节过近的情况下,舵机控制手指活动,调节按摩姿态,配和连接块上下运动,或者调整捏拿力度,手指转动后会被连接舱挡板限制,为保证手指调整到一定的角度,还需关注手指转动压力,见图1。滚轮按摩过程中,将滚轮作为元件。设计滚压轮及拿按轮,滚压轮上有刺激穴位的凸起点,在滚压过程中,能对穴位产生刺激。在机械臂移动到按摩位置上后,通过舵机进行指挥,调整按摩手指位置,避免远端指节与滚轮相互影响。捏拿按摩过程中,可以利用丝杠对关节姿态进行调整,配合机械臂带动滚轮运动,完成肩部捏拿按摩。滚压按摩过程中,对关节姿态进行调整,配合机械臂带动滚轮完成人体背部按压。

2机械臂控制系统

2.1系统硬件

中医按摩机械臂控制系统包括Can总线、Fpga控制器及人际交互触摸屏等,操作人员在人机交互的模式下,利用触摸屏控制机械臂运动,完成相关的按摩手法,操作力度及次数通过智能屏传递到工控机,工控机将期望手法转变为计算机语言,通过动力学计算方式对机器人关节旋转角度进行调整。使用Can总线传递角度信息,将信息有效传递到Fpga控制器,使机械人完成期望的按摩方法,控制系统见图2。在机械臂控制系统搭建过程中,基于Faga硬件平台完成SOPC设计,在设计机械臂过程中,应当对关节力矩及电流等进行采样,根据算法对电机进行控制。在研究过程中,通过IP核方法完成直流无刷电机控制,系统响应速度快。中医按摩机器人与传统机器人存在差异,在设计过程中需要搭建按摩机器人平台,其中,手臂内部存在两个增量式光电编码器,结合关节设计,对关节力度进行调整,弹性单元角转过角度可通过系统计算,从而获得数据力矩。增量式光电编码器会输出A、B、Z/3根信号,在设计过程中,可能涉及电磁干扰,容易对光电码盘信号产生影响,对此,设计光电码盘差分输出方法,保证电路的抗干扰能力。为保证码盘的精度,可以对信号频率进行调整。传递的信号记录到寄存器,检测后的信息通过AVALON总线协议处理,最终传输到总线上。

2.2系统软件

在系统软件上,利用嵌入式C程序完成开发,开发算法包括速度控制及位置控制、力矩控制等,包括主程序及驱动程序、算法程序。其中,主程序的任务在于接收上位机的信息,根据不同的命令对子程序进行调整,一旦发生运行异常,及时对问题进行处理,将异常情况上报到上位机中。异常子程序中含有力矩限制保护子程序及过速保护子程序等。命令处理子程序中包括PID调节子程序及传感器标定子程序、信息反馈子程序。B驱动子程序设计过程中,需要对驱动系统进行设计,硬件驱动设计过程中,针对应将寄存器中的参考地址进行分析,建立硬件操作文件,其中定义寄存器,根据硬件特点,构建操作函数模型。C算法子程序设计过程中,利用PD算法对系统力矩及阻抗等进行设计,速度与位置连接后,速度是内环,位置是外环,完成位置及速度的同步调控,力矩独立实现,在位置及力矩等控制过程中,为有效控制软件,应当根据实际情况设计限制保护量值。

3安全保障系统设计

机器人会受到一些因素影响,导致操作故障,或者发生失控等问题,导致被按摩的人群发生损伤,对此,在设计机械臂过程中,也要关注安全保障系统设计,根据按摩者的按摩需求设计安全保证体系,并对保障体系进行分级处理。一旦发生故障或者失控情况,可最大程度的保护被按摩者的安全。安全保证系统中包括医护人员保护从事及机械系统保护措施、软件系统保护措施等,系统将人员的安全作为最高等级,根据不同优先级对响应措施展开设计。(1)在用户保障设计过程中,机器人与用户发生接触,通过感觉反馈系统,判断机器人是否处于安全状态,在系统设计过程中,可设置紧急开关,保障被按摩者的安全。急停开关放在靠近按摩者的方位,一旦机器人发生异常,可通过急停开关切断电源,避免机器人继续对按摩者进行伤害。重新通电后,机械人回到原位等待作业命令。(2)医护人员保障措施上,该措施是保障机器人稳定运行的第二个层面,在作业过程中,医务人员会操作机器人,判断是否存在风险,避免机器人发生失控问题。用户发生紧张无法有效切断电源,该系统与用户保障系统具有相似性,医务人员设置紧急停顿开关,作用与用户保障措施相同。(3)机械系统保护措施:中医按摩机器人采取轻量化设计,为保证人体接触时动量小,可对减重孔进行加工,从而设置安全力矩阈值,一旦关节力矩超过阈值,则改变运动按摩方法,保证被按摩者的安全。

4结语

现阶段,人们对生活质量的要求增高,智能化机器人在服务领域大放异彩,研究人员逐渐将目光放在中医按摩机器人上。中医按摩机器人作为服务型机器人,具有复杂的非线性系统,同时又具有广阔的市场。对此,在研究过程中,应当合理设置机器人手臂系统,掌握系统结构设计方法,并使用先进的控制硬件及软件,对安保系统进行规划,保证各个系统的运行效率,提升人们的按摩体验,达到理想的设计目标。

参考文献:

[1]芦红利,闫娟.基于RecurDyn的4旋翼摆臂式清洗机器人设计[J].轻工机械,2021,39(04):39-43.

[2]郭建东,曾水生.陪护机器人双臂运动轨迹误差优化研究[J].科技经济导刊,2021,29(21):3-5.

作者:杨志威 冯国斌 单位:广东省轻工业技师学院