基于虛擬樣機(jī)的并聯(lián)康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人仿真研究

黃秀琴，廖輝，馬延豐，韓玲玲

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213032)

基于虛擬樣機(jī)的并聯(lián)康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人仿真研究

黃秀琴，廖輝，馬延豐，韓玲玲

(常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213032)

以具有空間三平移自由度的3-RPC并聯(lián)機(jī)器人作為研究對(duì)象，在SolidWorks軟件平臺(tái)上進(jìn)行了三維實(shí)體建模與虛擬裝配，并將裝配體導(dǎo)入ADAMS軟件。根據(jù)輸入與輸出的映射關(guān)系，在動(dòng)平臺(tái)的參考點(diǎn)上給定一個(gè)輸出軌跡，測(cè)得三個(gè)輸入的位移、速度、加速度曲線，獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。通過仿真驗(yàn)證機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性及在康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

并聯(lián)機(jī)器人；康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人；仿真

0 引言

并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人是醫(yī)學(xué)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人相結(jié)合的產(chǎn)物。并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，它貫穿了生命科學(xué)、電子學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人等領(lǐng)域，已成為國際并聯(lián)機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。目前，并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練、體育鍛煉和康復(fù)治療等領(lǐng)域，不僅促進(jìn)了并聯(lián)機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，也加快了康復(fù)醫(yī)療學(xué)的新理論和新技術(shù)的發(fā)展[1]。

本文研究的并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人具有空間三平移自由度，動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)之間通過三個(gè)具有伸縮桿的支鏈相聯(lián)接，改變和控制支鏈伸縮桿的長度即可使動(dòng)平臺(tái)的空間位置和姿態(tài)發(fā)生變化，從而可以根據(jù)病人的實(shí)際情況來實(shí)施對(duì)背部或腰部的按摩。

1 機(jī)構(gòu)的描述

圖1為3-RPC并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。該機(jī)器人由定平臺(tái)(下平臺(tái))、動(dòng)平臺(tái)(上平臺(tái))和三個(gè)支鏈組成。每個(gè)支鏈包含一個(gè)移動(dòng)副(P副)、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(R副)和一個(gè)圓柱副(C副)。P副作為驅(qū)動(dòng)原動(dòng)件，由液壓缸和活塞組成，液壓缸與固定平臺(tái)通過R副相連，活塞與動(dòng)平臺(tái)通過C副相連，驅(qū)動(dòng)桿可在一定的約束范圍內(nèi)沿軸線方向做伸縮運(yùn)動(dòng)。按摩器則安裝在動(dòng)平臺(tái)上，一般以動(dòng)平臺(tái)的幾何中心點(diǎn)作為安裝位置，并使按摩器的軸線方向與動(dòng)平臺(tái)的法線方向保持一致。為了使按摩器到達(dá)需要按摩的準(zhǔn)確位置，可通過調(diào)節(jié)三個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的長度，改變按摩器的位置和姿態(tài)。

圖1 3-RPC并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

2 并聯(lián)康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)要求，利用SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),在給定并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)情況下,參數(shù)化設(shè)計(jì)可以高效地進(jìn)行三維建模、裝配和干涉校驗(yàn)[2]。在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)的具有確定實(shí)際尺寸的機(jī)器人文件將被另存為Parasolid(*.x_t)文件，再將該P(yáng)arasolid文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,獲得機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，從而解決并聯(lián)式康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的位置正解和逆解問題，考察和驗(yàn)證并聯(lián)康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。需要注意的是：從SolidWorks軟件中導(dǎo)入到ADAMS的并聯(lián)機(jī)器人虛擬樣機(jī)，必須對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)施加約束。具體方法是：大地與固定平臺(tái)之間添加固定副，定平臺(tái)與液壓缸之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，液壓缸與活塞之間添加移動(dòng)副,活塞與動(dòng)平臺(tái)之間添加圓柱副。考慮到伸縮桿的行程限制，每個(gè)液壓缸和活塞之間都添加了兩個(gè)距離傳感器，當(dāng)伸縮桿的行程不在規(guī)定范圍之內(nèi)時(shí)，停止仿真，本文中假定驅(qū)動(dòng)桿伸縮范圍為150≤Li≤300 。施加上述約束后,整個(gè)虛擬樣機(jī)簡化模型也就建立起來了。圖2為導(dǎo)入到ADAMS軟件并添加了約束后的并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)模型。

圖2 并聯(lián)機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

3 運(yùn)用ADAMS進(jìn)行仿真分析的主要步驟

并聯(lián)機(jī)器人的仿真分析主要是為了驗(yàn)證輸入和輸出部件的位移、速度和加速度之間的映射關(guān)系。通過仿真，研究各運(yùn)動(dòng)副和各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此判斷幾何約束條件是否合理可靠，并考察系統(tǒng)的速度和加速度特性[3]。通過運(yùn)動(dòng)控制，借助于運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解數(shù)學(xué)模型，動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變化曲線即可轉(zhuǎn)換為各個(gè)驅(qū)動(dòng)桿的長度變化曲線，反過來驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在空間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng),逆解和正解的轉(zhuǎn)換使得按摩器能按照期望的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。ADAMS /View環(huán)境下求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的基本流程如圖3所示。虛擬樣機(jī)性能參數(shù)的測(cè)量則利用ADAMS /View中自帶的測(cè)量功能(Measure),并在后處理模塊(PostProcessor)中進(jìn)行仿真分析。

圖3 求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的基本流程圖

4 算例

設(shè)并聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)：定平臺(tái)形心到轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的垂直距離為74.10 mm,動(dòng)平臺(tái)形心到圓柱副軸線的垂直距離為35.80 mm，驅(qū)動(dòng)桿伸縮范圍為150≤Li≤300。

圖5 三根伸縮桿的位移變化曲線

4.1 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)

求運(yùn)動(dòng)逆解，首先給按摩器上的參考Marker點(diǎn)施加一個(gè)一般點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，使按摩器實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)軌跡要求。然后，運(yùn)用ADAMS/View提供的函數(shù)生成器定義關(guān)于時(shí)間的函數(shù)來構(gòu)造運(yùn)動(dòng)激勵(lì)三個(gè)移動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)平臺(tái)按摩器上的參考Marker點(diǎn)實(shí)現(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

設(shè)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為20 s，仿真步長為200，通過設(shè)置六個(gè)傳感器保證伸縮桿在有效的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。仿真完成后，對(duì)動(dòng)平臺(tái)按摩器參考點(diǎn)進(jìn)行軌跡追蹤，獲得動(dòng)平臺(tái)上參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線上升的倒錐型曲線，該曲線符合實(shí)施背部或腰部按摩過程，即由點(diǎn)到面，面不斷加大，有利于控制按摩的力度和強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的軌跡

4.2 并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性分析

利用ADAMS /View的對(duì)象測(cè)量功能(Mea-sure)可以很方便地得到按摩器的位置和姿態(tài)隨時(shí)間的變化曲線。按摩器運(yùn)動(dòng)經(jīng)各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)逆向傳遞給驅(qū)動(dòng)桿,得到各驅(qū)動(dòng)桿伸縮的位移、速度、加速度隨時(shí)間變化的曲線(如圖5～7所示)。用后處理模塊(Post-Processor)創(chuàng)建樣條曲線功能，對(duì)三根伸縮桿的位移變化曲線進(jìn)行處理,即可得到伸縮驅(qū)動(dòng)桿的位移樣條函數(shù) (i=1,2，3),由此完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求解。

圖6 三根伸縮桿的速度變化曲線

圖7 三根伸縮桿的加速度變化曲線

求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，則將逆解中施加在按摩器參考點(diǎn)上的驅(qū)動(dòng)刪除,再把逆解仿真中測(cè)量得到的驅(qū)動(dòng)桿位移樣條函數(shù)Spline_i(i=1,2,3)作為驅(qū)動(dòng)變量，分別施加給對(duì)應(yīng)的三根伸縮驅(qū)動(dòng)桿(注意必須一一對(duì)應(yīng))，驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)函數(shù)可表達(dá)為AKISPL(time,0,lpline_i,0)，在伸縮桿的驅(qū)動(dòng)下按摩器實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡與逆解一致，再利用對(duì)象測(cè)量功能可測(cè)得按摩器的運(yùn)動(dòng)特性曲線，由此完成運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的分析[4-5]。通過虛擬樣機(jī)求出的驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)函數(shù)如果在真實(shí)的物理樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)可以采用單片機(jī)控制，根據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)曲線，編寫程序。該部分內(nèi)容屬于機(jī)器人控制部分，不在本文討論的范圍。結(jié)果表明,將逆解仿真測(cè)量中得到的驅(qū)動(dòng)桿位移樣條函數(shù)作為運(yùn)動(dòng)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)按摩器運(yùn)動(dòng)后得到的按摩器位姿變化曲線(正解結(jié)果)，與開始施加給按摩器的點(diǎn)驅(qū)動(dòng)位姿曲線相同，這就證明了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果的正確性，也說明了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

5 結(jié)論

1)圖7為三根伸縮桿即驅(qū)動(dòng)桿的加速度曲線，從圖中可以看出，整個(gè)曲線比較光滑，不存在加速度的突變，也就不存振動(dòng)和沖擊，這有利于機(jī)器人在工作過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可作為按摩機(jī)器人主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，適合背部和腰部的按摩。

2)通過并聯(lián)按摩機(jī)器人的建模和仿真，可大大提高研究效率，降低設(shè)計(jì)和開發(fā)成本，為并聯(lián)按摩機(jī)器人的研制提供了可靠的技術(shù)支持。進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真，能使研究人員很直觀地看到機(jī)器人傳動(dòng)桿和動(dòng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)過程，為控制按摩器的位移和姿態(tài)提供了有力的數(shù)據(jù)參考。參考點(diǎn)的軌跡規(guī)劃簡單實(shí)用，為并聯(lián)機(jī)器人的研究提供了較為理想的設(shè)計(jì)方法。

3)本文的康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)仿真，較好地實(shí)現(xiàn)了康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人仿真過程中的真實(shí)感圖形顯示和動(dòng)畫顯示。干涉檢驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)該康復(fù)按摩醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)研究和控制研究等提供了強(qiáng)有力的支撐,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]康復(fù)機(jī)器人.百度百科[EB/OL].[2016-08-21].http://baike.baidu.com/link?url=j76tdc4CRrV4f75UyoUATcrJoPkyxNrHwEsX3Ec8koVsrobC0、|2sgAhSUPvCaXfB.

[2]張忠將.SolidWorks 2014機(jī)械設(shè)計(jì)完全實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2015:80-120.

[3]馬履中,王勁松,楊啟志,等.基于一種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的中醫(yī)推拿機(jī)器人[J].中國機(jī)械工程,2004(16):69-72.

[4]黃劍文,李瑞琴,蔣紅軍,等.3-RCR并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)床與液壓,2015(9):13-16.

[5]王洪偉,魏英姿,常勇,等.3自由度并聯(lián)按摩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013(1): 71-74,94.

責(zé)任編輯：楊子立

Simulation of Rehabilitation Massage Medical Parallel Robot Based on Virtual Prototype

HUANG Xiuqin,LIAO Hui,MA Yanfeng,HAN Lingling

(School of Mechanical and Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213032)

A three translational degrees of freedom 3-RPC parallel robot was the research object.The 3D modeling and virtual assembly were built on SolidWorks platform,with the assembly model imported into ADAMS software.According to the mapping relationship between the input and output,the output trajectory was given throught the reference points on the moving platform.The displacement,speed and acceleration curve of the three inputs were measured to obtain the inverse solution of the robot′s kinematics.Simulation results verify the correctness of the robot mechanism design and the feasibility of its application in rehabilitation massage medical robot.

parallel robot;rehabilitation massage medical robot;simulation

10．3969/j．issn．1671?0436．2016．06．010

2016-11-28

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201611055036X)

黃秀琴(1969— )，女，碩士，副教授。

TH112；TP24

A

1671- 0436(2016)06- 0042- 04