基于坐位調(diào)膝法的中醫(yī)推拿機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究

豆建生，王殊軼，陳 俊，龔 利

（1上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093；2上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 推拿科，上海200041）

0 引 言

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是指膝關(guān)節(jié)中的軟骨發(fā)生組織破壞，軟骨中的骨質(zhì)發(fā)生增生，軟骨出現(xiàn)剝落，關(guān)節(jié)出現(xiàn)損壞畸形等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)功能發(fā)生活動(dòng)障礙的一種退行性疾?。?］。坐位調(diào)膝法是治療KOA的一種中醫(yī)推拿手法，療效顯著、具有經(jīng)濟(jì)、無副作用、病人易于接受等特點(diǎn)［2］。然而中醫(yī)推拿科醫(yī)師群體相對較小，KOA患者較多，專業(yè)推拿醫(yī)師長期處于高強(qiáng)度的勞動(dòng)負(fù)荷，對醫(yī)師拇指關(guān)節(jié)造成損傷，縮短其職業(yè)壽命。中醫(yī)推拿機(jī)器人以傳統(tǒng)中醫(yī)推拿理論為基礎(chǔ)，擁有高定位精度、動(dòng)作精確可控且可重復(fù)、無疲勞等特點(diǎn)，可以代替醫(yī)師為患者治療，從而解決上述的問題。在國內(nèi)，張玎飛等設(shè)計(jì)了一款針對腰腿部疼痛的5自由度推拿機(jī)器人［3］；高煥兵等利用傳感器信息融合技術(shù)，人機(jī)交互技術(shù)，三維仿真技術(shù)等，對典型中醫(yī)推拿手法進(jìn)行了建模，在此基礎(chǔ)上提出了一種串并聯(lián)結(jié)構(gòu)融合的機(jī)器人構(gòu)型，并研制了一款集多種推拿手法于一體的機(jī)械臂［4］。在國外，Wang等設(shè)計(jì)了一種新型輪式背部推拿機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)輕拍、滾動(dòng)、揉捏等多種推拿操作，并提出了一種改進(jìn)的往復(fù)路徑規(guī)劃算法來提高推拿的覆蓋率［5］；Sajapin等設(shè)計(jì)了一種具有平面和空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型智能推拿機(jī)器人［6］。

盡管國內(nèi)外關(guān)于推拿機(jī)器人的研究很多，但是針對治療KOA的推拿機(jī)器人研究很少，市面上雖然有很多膝關(guān)節(jié)理療設(shè)備，不過這些設(shè)備多利用紅外加熱、體表震動(dòng)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其理療功能，主要用于正常人群的養(yǎng)生保健，不能代替醫(yī)師為患者治療。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合坐位調(diào)膝法自身的臨床特性，設(shè)計(jì)了一種推拿機(jī)器人，主要目的是能夠代替推拿醫(yī)師為患者施加坐位調(diào)膝法，起到治療膝關(guān)節(jié)炎的作用，從而解決醫(yī)少患多的問題，使推拿醫(yī)師可以從長時(shí)間高負(fù)荷的體力勞動(dòng)中解放出來，將精力投入到推拿手法的研究中，促進(jìn)中醫(yī)推拿的進(jìn)步。

1 推拿機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臨床上，推拿醫(yī)師使用坐位調(diào)膝法時(shí)，雙手拇指按一定頻率和力度擠壓患者的內(nèi)外膝眼，治療過程中患者配合治療醫(yī)師的動(dòng)作站坐切換，以達(dá)到治療的效果［7］。通過運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)對醫(yī)師施行坐位調(diào)膝法時(shí)的手法參數(shù)進(jìn)行采集分析，坐位調(diào)膝法主要自由度包括：

（1）手臂上下平移自由度；

（2）拇指上下旋轉(zhuǎn)自由度；

（3）手臂左右平移自由度；

（4）手臂前后平移自由度。

推拿機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1-底座、2-絲桿、3-機(jī)械手、4-伺服電機(jī)、5-角度推桿、6-升降推桿以及7-萬向輪組成。根據(jù)實(shí)際臨床調(diào)研，部分病情嚴(yán)重的患者存在移動(dòng)不便的問題，因此在底座下方設(shè)計(jì)了4個(gè)萬向輪，方便醫(yī)療人員將推拿機(jī)器人推到患者所在的病房為其治療；手臂上下平移自由度通過升降推桿帶動(dòng)其上方的機(jī)械臂上下平移運(yùn)動(dòng)，以滿足不同膝高的需要；角度推桿、升降推桿以及機(jī)械臂構(gòu)成一個(gè)簡單的杠桿機(jī)構(gòu)，將角度推桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂繞主軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而模擬醫(yī)生拇指上下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；由于坐位調(diào)膝法使用的手指僅為雙手拇指，因此在設(shè)計(jì)推拿機(jī)器人機(jī)械手時(shí)通過氣彈簧來模擬人手的拇指，簡化了整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手通過支撐板安裝于滑塊之上，同時(shí)伺服電機(jī)也安裝在手指支撐板上。伺服電機(jī)的輸出軸上的齒輪與基座上的齒條組成齒輪齒條機(jī)構(gòu)，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械手指沿滑軌方向的左右平移運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對患者不同膝寬尺寸的調(diào)節(jié)。機(jī)械手固定在絲桿機(jī)構(gòu)上，絲桿機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械手沿機(jī)械臂方向的水平前后平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對患者膝關(guān)節(jié)推拿作用。在機(jī)械手末端安裝了硅膠頭，使機(jī)械手指與患者之間的接觸變?yōu)檐浗佑|，提高推拿舒適性的同時(shí)也保護(hù)患者安全。

1.2 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由內(nèi)置計(jì)算機(jī)、伺服系統(tǒng)以及電推桿模塊組成。其中內(nèi)置計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收伺服系統(tǒng)以及電推桿模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件上實(shí)時(shí)顯示，方便治療醫(yī)師實(shí)時(shí)監(jiān)測仿生推拿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)伺服電機(jī)或電推桿運(yùn)行參數(shù)異常時(shí)，上位機(jī)軟件可以向治療醫(yī)師報(bào)警，治療醫(yī)師可以通過急停開關(guān)停止推拿機(jī)器人動(dòng)作，保證患者安全。伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服控制器組成。伺服控制器用于編寫控制程序，通過伺服控制器將程序指令輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器中，伺服驅(qū)動(dòng)器將程序指令以脈沖的形式向伺服電機(jī)輸入，同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器還能實(shí)時(shí)讀取伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息并將信息向內(nèi)置計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件輸出。電推桿模塊主要由升降柱、角度推桿以及推桿控制器組成。其中推桿控制器不僅可以控制升降柱以及角度推桿的運(yùn)動(dòng)，還能將升降柱以及角度推桿的運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)向內(nèi)置計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件傳輸。

圖1 推拿機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The whole structure of the massage robot

圖2 驅(qū)動(dòng)控制模塊系統(tǒng)框圖Fig.2 Drive control module system block diagram

推拿機(jī)器人伺服系統(tǒng)如圖3所示。推拿機(jī)器人使用伺服系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其中涉及4臺(tái)伺服電機(jī)，包括2臺(tái)機(jī)械手行程控制伺服電機(jī)和2臺(tái)機(jī)械手指膝寬調(diào)節(jié)伺服電機(jī)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件UG8.5中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對推拿機(jī)器人仿真分析，分析其是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 伺服系統(tǒng)Fig.3 Servo system

根據(jù)仿真結(jié)果可知：

（1）手臂高度平移自由度如圖4所示，0～15秒為升降柱的上升階段，15～30 s為升降柱的下降階段，機(jī)械臂活動(dòng)范圍為0～20 mm；

圖4 機(jī)械臂高度調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of height adjustment of manipulator

（2）拇指上下旋轉(zhuǎn)自由度如圖5所示，推拿階段，機(jī)械臂緩慢小范圍運(yùn)動(dòng)；推拿結(jié)束階段，機(jī)械臂回歸初始位置，機(jī)械臂快速大范圍運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)范圍為0～19°；

圖5 機(jī)械臂角度調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of manipulator angle adjustment motion

（3）手臂左右平移自由度如圖6所示，單側(cè)機(jī)械手活動(dòng)范圍為0～10 mm，機(jī)械手膝寬調(diào)節(jié)范圍為

0～20 mm；

（4）手臂前后平移自由度如圖7所示，機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)的范圍為0～140 mm。均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

臨床上根據(jù)患者KOA的病情嚴(yán)重程度將病情分為4級(jí)，級(jí)別越高病情越嚴(yán)重，根據(jù)推拿專家的臨床經(jīng)驗(yàn)，一般KOA的病情越嚴(yán)重，所需要的推拿力度就越大，采集實(shí)驗(yàn)的受試者為健康人，治療過程中產(chǎn)生的最大推拿力度為170 N。根據(jù)推拿專家臨床經(jīng)驗(yàn)對本次實(shí)驗(yàn)的推拿力度進(jìn)行放大，具體權(quán)重見表1。經(jīng)過權(quán)重放大后最大的輸出力范圍為0～340 N。

圖6 機(jī)械手指膝寬調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of knee width adjustment

圖7 機(jī)械手沿機(jī)械臂方向活動(dòng)范圍Fig.7 The range of motion of the manipulator

表1 輸出權(quán)重Tab.1 The output weights

仿真輸出力與采集的醫(yī)生施行坐位調(diào)膝法時(shí)的推拿力對比結(jié)果，如圖8所示。推拿機(jī)器人仿真輸出力范圍為0～425 N，滿足最大的輸出力范圍為0～340 N，輸出波形與醫(yī)師推拿時(shí)的波形保持一致。同時(shí)機(jī)械手使用氣彈簧結(jié)構(gòu)，其推拿力的變化近似滿足胡克定律，因此仿真波形在推按、保持、放松各階段的曲線均能做到平穩(wěn)過渡。

圖8 仿真輸出力與醫(yī)生推拿力對比結(jié)果Fig.8 Simulation output force and doctor massage force comparison results

3 結(jié)束語

本研究通過手法采集實(shí)驗(yàn)獲取推拿專家施加坐位調(diào)膝法時(shí)的手法生物力學(xué)參數(shù)，根據(jù)手法參數(shù)設(shè)計(jì)了一款4自由度推拿機(jī)器人。利用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件UG8.5中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對中醫(yī)按摩機(jī)器人工作機(jī)構(gòu)的有效性進(jìn)行了分析和研究，驗(yàn)證了基于坐位調(diào)膝法治療KOA的推拿機(jī)器人的可行性，具有極高的應(yīng)用前景，是解決目前中醫(yī)推拿醫(yī)生資源緊缺的確實(shí)可行的方法。在未來的工作中，將對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使按摩機(jī)器人更加輕巧和擬人化。此外，由于KOA患者病期不同，需要推拿治療的力度不同，推拿機(jī)器人目前輸出的治療方案比較單一，存在一定的局限性。為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的控制精度和交互能力，還將深入研究仿人按摩機(jī)器人的控制算法，進(jìn)一步完成按摩機(jī)器人的研制。