安全中医按摩机器人臂系统探究
前言：本站为你精心整理了安全中医按摩机器人臂系统探究范文，希望能为你的创作提供参考价值，我们的客服老师可以帮助你提供个性化的参考范文，欢迎咨询。
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。
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
