基于EON的中醫(yī)按摩機(jī)械手虛擬裝配研究

李 靜，白姍姍，龐在祥，劉 亮，朱 丹

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

0 引言

目前，老年人普遍存在腰腿疼痛的疾病，中醫(yī)按摩機(jī)器人的出現(xiàn)很好的解決了這一問(wèn)題。中醫(yī)按摩機(jī)械手是中醫(yī)按摩機(jī)器人完成按摩動(dòng)作的重要組成部分，它的建模與裝配直接影響按摩動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)的裝配過(guò)程中存在著碰撞干涉、裝配過(guò)約束、裝配精度低等一系列問(wèn)題，虛擬裝配技術(shù)為其提供了一個(gè)新的有效途徑[1]。目前，虛擬裝配技術(shù)大多建立在如CATIA、Pro/ENGINEER、SolidWorks等大型三維軟件基礎(chǔ)上，這不僅對(duì)技術(shù)人員有很高的要求，而且生成文件較大，交互操作困難。EON[2]是一套模塊化三維交互仿真軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬實(shí)體的交互和行為動(dòng)作，并在三維世界中變得直觀和簡(jiǎn)便。與現(xiàn)有的三維建模軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件相比，EON對(duì)大型實(shí)體模型的演算速度、與虛擬環(huán)境相關(guān)硬件的兼容性等方面有突出優(yōu)勢(shì)。本文基于“可拆即可裝”的原則[3~7]，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)械手手部進(jìn)行拆卸和裝配，通過(guò)對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的拆卸,獲得可裝配路徑，再求逆規(guī)劃出中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的裝配工藝，最終運(yùn)用EON實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)按摩機(jī)械手的按摩動(dòng)作。

1 中醫(yī)按摩機(jī)械手的創(chuàng)建

EON Studio可以輕松導(dǎo)入各種3D模型如3ds Max、SolidWorks、AutoCAD。模型導(dǎo)入后，可以通過(guò)EON直觀的圖形設(shè)計(jì)界面方便地為模型添加各種行為。EON以3D動(dòng)態(tài)方式與CAD軟件結(jié)合后，可進(jìn)行生產(chǎn)模擬、組裝分解功能的操作模擬，彌補(bǔ)了CAD模型因文件過(guò)大而無(wú)法即時(shí)操控這一缺陷[8]。但EON不具備構(gòu)建復(fù)雜三維模型的能力，因此，中醫(yī)按摩機(jī)械手采用三維建模軟件CATIA建模。

1.1 中醫(yī)按摩機(jī)械手的構(gòu)成

中醫(yī)按摩機(jī)械手的手部由五指組成，大拇指通過(guò)軸與其他四指連接，四指是聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，中醫(yī)按摩機(jī)械手的手部包含一個(gè)自由度，只需要一個(gè)電機(jī)即可完成手部的拿捏運(yùn)動(dòng)，通過(guò)與中醫(yī)按摩機(jī)械手的手臂相互配合可實(shí)現(xiàn)拿捏、指按等按摩動(dòng)作。中醫(yī)按摩機(jī)械手的手部是通過(guò)二級(jí)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)，在二級(jí)齒輪傳動(dòng)中，由于手指的運(yùn)動(dòng)不需要進(jìn)行180o旋轉(zhuǎn)，故最后一級(jí)傳動(dòng)根據(jù)手指運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)成一定角度的扇形齒輪。中醫(yī)按摩機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中醫(yī)按摩機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)圖

1.2 中醫(yī)按摩機(jī)械手三維模型的建立

三維建模是虛擬裝配的基礎(chǔ)，建模的好壞直接影響整個(gè)虛擬裝配的質(zhì)量。中醫(yī)按摩機(jī)械手采用三維建模軟件CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊建模并利用機(jī)械設(shè)計(jì)模塊中的裝配設(shè)計(jì)對(duì)其完成整體裝配，如圖2為中醫(yī)按摩機(jī)械手實(shí)物圖及CATIA模型。

圖2 中醫(yī)按摩機(jī)械手模型

1.3 中醫(yī)按摩機(jī)械手實(shí)體模型的載入

中醫(yī)按摩機(jī)械手模型載入EON有兩種方法，一種將模型直接導(dǎo)入EON Studio，該方法存在的缺點(diǎn)是模型導(dǎo)入后會(huì)失真，重新調(diào)整模型的工作量太大；另一種方法是將模型導(dǎo)入3ds Max中，EON Studio為3ds Max提供一個(gè)EONRaptor輸出插件,將模型直接導(dǎo)出為EON Studio的文件格式*.eoz，這種方法使模型在虛擬場(chǎng)景中更加逼真。鑒于以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，中醫(yī)按摩機(jī)械手的導(dǎo)入采用第二種方法。將裝配好的中醫(yī)按摩機(jī)械手導(dǎo)入到3ds Max中，如圖3所示，進(jìn)行軸心調(diào)整及渲染、著色，最后運(yùn)用3ds Max綁定的EON插件把文件保存為EON格式文件。

圖3 3ds Max處理后的三維模型

2 中醫(yī)按摩機(jī)械手拆裝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

考慮到中醫(yī)按摩機(jī)械手手部與手臂的零件太多，而拿捏動(dòng)作在手部實(shí)現(xiàn)，因此本文只分析中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的拆卸和裝配過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)其按摩動(dòng)作。

為了便于中醫(yī)按摩機(jī)械手的拆卸、裝配和按摩動(dòng)作的設(shè)計(jì)，重新構(gòu)建中醫(yī)按摩機(jī)械手模型的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)零件重新命名并設(shè)定父子節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)符合邏輯的中醫(yī)按摩機(jī)械手裝配模擬樹如圖4所示。

圖4 中醫(yī)按摩機(jī)械手的裝配模型樹

2.1 中醫(yī)按摩機(jī)械手的虛擬拆卸

由于裝配和拆卸是一對(duì)互為可逆的過(guò)程，每一個(gè)拆卸操作對(duì)應(yīng)一個(gè)相反的裝配動(dòng)作，通過(guò)獲得中醫(yī)按摩機(jī)械手手部拆卸過(guò)程中零部件的優(yōu)先約束，先規(guī)劃出零部件的拆卸序列，再通過(guò)求逆得到中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的裝配過(guò)程。

中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的拆卸主要運(yùn)用放置節(jié)點(diǎn)（Place）、框架節(jié)點(diǎn)（Frame）、鍵盤移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（KeyMove）、鍵盤節(jié)點(diǎn)1-10（Key1to10）和碰撞節(jié)點(diǎn)（Collision）實(shí)現(xiàn)。KeyMove節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)零件的X、Y、Z移動(dòng)自由度和H、P、R 旋轉(zhuǎn)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)零件的拆卸路徑并把拆卸位置保存在Place節(jié)點(diǎn)中。在拆卸中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)零件以部件的形式拆卸，把這些零件放在Frame節(jié)點(diǎn)下作為整體拆卸。在拆卸時(shí)應(yīng)加入Collision節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)拆卸零件是否與其他零件發(fā)生碰撞。中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的拆卸規(guī)劃如圖5所示。

拆卸分步進(jìn)行，以小腕支架作為拆卸基準(zhǔn)，保持不動(dòng)。命名Key1 to10節(jié)點(diǎn)名字為拆卸。應(yīng)用Key1 to10節(jié)點(diǎn)的1—7的鍵盤傳感器把拆卸過(guò)程分為七個(gè)步驟，將每一步拆卸路徑的數(shù)值記錄在Place節(jié)點(diǎn)中，拖動(dòng)節(jié)點(diǎn)至邏輯視窗，依次連接相關(guān)節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)各零件的拆卸路徑，中醫(yī)按摩機(jī)械手手部拆卸過(guò)程如圖6所示。

圖5 中醫(yī)按摩機(jī)械手手部拆卸規(guī)劃

圖6 中醫(yī)按摩機(jī)械手手部拆卸邏輯圖

2.2 中醫(yī)按摩機(jī)械手的虛擬裝配

根據(jù)拆卸的相關(guān)信息進(jìn)行求逆即可實(shí)現(xiàn)中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的虛擬裝配，圖7為中醫(yī)按摩機(jī)械手手部裝配系統(tǒng)圖。在EON中設(shè)置Place節(jié)點(diǎn)的位移和旋轉(zhuǎn)值，結(jié)合其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的虛擬裝配，裝配過(guò)程動(dòng)畫演示如圖8所示。

圖7 中醫(yī)按摩機(jī)械手手部裝配系統(tǒng)圖

圖8 中醫(yī)按摩機(jī)械手手部裝配動(dòng)畫演示

3 中醫(yī)按摩機(jī)械手按摩動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

中醫(yī)按摩機(jī)械手的按摩動(dòng)作主要通過(guò)手部的拿、捏動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。在EON中運(yùn)用鼠標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)（MouseSensor）、切換開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Latch）、放置節(jié)點(diǎn)（Place）完成按摩動(dòng)作。當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，MouseSensor節(jié)點(diǎn)把信息傳遞給Latch節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)拇指拿捏動(dòng)作；當(dāng)點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵時(shí)，MouseSensor節(jié)點(diǎn)把信息傳遞給另一個(gè)Latch節(jié)點(diǎn)，機(jī)械手四指松開(kāi)，回到初始位置，醫(yī)按摩機(jī)械手的拿捏運(yùn)動(dòng)軌跡記錄在Place節(jié)點(diǎn)中，拿捏動(dòng)作完成，如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)中醫(yī)按摩機(jī)械手的按摩動(dòng)作。中醫(yī)按摩機(jī)械手的按摩動(dòng)作演示的邏輯關(guān)系圖如圖9所示。

圖9 中醫(yī)按摩機(jī)械手按摩動(dòng)作的邏輯圖

4 結(jié)論

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件EON規(guī)劃了中醫(yī)按摩機(jī)械手手部的拆卸路徑并實(shí)現(xiàn)手部的拆卸，參考拆卸路徑在計(jì)算機(jī)上真實(shí)地模擬了中醫(yī)按摩機(jī)械手虛擬裝配過(guò)程，裝配動(dòng)畫直觀地展示了各個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和空間位置。在滿足虛擬裝配的前提下，完成中醫(yī)按摩機(jī)械手的手部運(yùn)動(dòng)軌跡，最終實(shí)現(xiàn)其按摩動(dòng)作。運(yùn)用該技術(shù)中醫(yī)按摩機(jī)械手可以得到合理的裝配工藝，減少設(shè)計(jì)所需時(shí)間，縮短裝配周期，提高裝配質(zhì)量和效率，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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