仿生柔性按摩機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)※

彭金嬋,陸春辰,李彥博,張鴻天,范新巍,李繼安

(華北理工大學(xué),河北 唐山 063210)

1 研究背景

1.1 中醫(yī)按摩的意義及存在的問(wèn)題 中醫(yī)按摩是在人體體表運(yùn)用各種手法及某些特定的肢體活動(dòng)防治疾病的中醫(yī)外治法,具有運(yùn)行氣血、舒筋活絡(luò)、提高免疫力的作用,是中醫(yī)學(xué)的重要組成部分。先秦時(shí)期即有關(guān)于中醫(yī)按摩的記載,《周禮注疏》云:“扁鵲治虢太子暴疾尸厥之病,使子明炊湯,子儀脈神,子術(shù)按摩?！鼻貪h時(shí)期,隨著中醫(yī)學(xué)的發(fā)展,中醫(yī)按摩已發(fā)展為具有一定特色的學(xué)科,出現(xiàn)了我國(guó)歷史上第1部按摩專(zhuān)著——《黃帝岐伯按摩經(jīng)》。宋金元時(shí)期,中醫(yī)按摩臨床診療技術(shù)不斷豐富。清代太醫(yī)院教科書(shū)《醫(yī)宗金鑒》總結(jié)出摸、接、端、提、按、摩、推、拿傷科八法。迄今為止,中醫(yī)按摩已積累了大量的臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。中醫(yī)按摩主要治療各種慢性疾病,如頸、肩、腰、腿痛及中風(fēng)后遺癥等,并且有預(yù)防保健作用。該療法操作簡(jiǎn)便,效果良好,是現(xiàn)代社會(huì)人們普遍接受的一種治療方式,但需要醫(yī)患進(jìn)行一對(duì)一治療,不僅耗費(fèi)人工,而且對(duì)按摩師的技術(shù)要求也較高,按摩師需經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)。目前,中醫(yī)按摩市場(chǎng)存在技術(shù)不過(guò)關(guān)及經(jīng)營(yíng)不規(guī)范等問(wèn)題,不僅難以起到治療作用,還可能造成患者肢體軟組織損傷、關(guān)節(jié)脫位、骨折,甚至高位截癱等不良后果,嚴(yán)重危害患者的身體健康。

1.2 研制仿生柔性按摩機(jī)器人的必要性 隨著世界人口老齡化進(jìn)程加快及人們生活工作方式的變化,慢性肌肉骨骼疼痛(chronic musculoskeletal pain,CMP)的發(fā)生率逐年升高,給患者造成身心痛苦,并給家庭、社會(huì)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。如何應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的CMP高發(fā)問(wèn)題,提高國(guó)民體質(zhì),改善其生活質(zhì)量已成為當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。結(jié)合智能技術(shù),開(kāi)發(fā)便于居家應(yīng)用及基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用的新型智能康復(fù)治療器械是較為有效的途徑[1]。隨著科技的迅速發(fā)展,應(yīng)用智能化按摩機(jī)器人模擬高級(jí)按摩師的技術(shù)已成為可能,開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人以解決患者多、專(zhuān)家少、診療復(fù)雜、治療效果不佳等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,可滿足當(dāng)前廣大中老年人健康保健及治療慢性疼痛疾病的診療需求。因此,研制新型便捷式按摩機(jī)器人迫在眉睫。

現(xiàn)有按摩機(jī)器人主要存在以下問(wèn)題。首先,機(jī)器人以模擬按摩手法運(yùn)動(dòng)軌跡為主,缺乏對(duì)患者體征的有效檢測(cè)和按摩方式的優(yōu)化分析,以經(jīng)絡(luò)、穴位為治療模型的手法調(diào)理效果仍難以滿足不同人群的個(gè)性化需求[2]。其次,由于按摩技藝具有連續(xù)性、節(jié)律性、動(dòng)態(tài)調(diào)控等特點(diǎn),傳動(dòng)裝置和執(zhí)行裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、靈活性和穩(wěn)定性還有待提高。

2 按摩機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 中醫(yī)按摩及醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人已獲得世界各國(guó)的關(guān)注,其中以日本、韓國(guó)和法國(guó)等國(guó)家為主要開(kāi)發(fā)群體,其憑借先進(jìn)的研發(fā)技術(shù)及資源優(yōu)勢(shì),開(kāi)展了大量的中醫(yī)按摩及醫(yī)療機(jī)器人的臨床研究。1996年,日本三洋電機(jī)有限公司機(jī)電一體化研究中心KUME M等[3]發(fā)明智能機(jī)械按摩療法操作單元(MTU),驗(yàn)證了智能人形按摩手臂機(jī)器人的可行性。2006年,日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)和岐阜大學(xué)工業(yè)高等專(zhuān)門(mén)技術(shù)學(xué)校MINYONG P等[4]研制仿人多手指按摩機(jī)器人,其按摩功能更為多樣。2007年,日本早稻田大學(xué)和日本朝日大學(xué)牙科院KOGA H等[5]發(fā)明面部皮膚康復(fù)按摩機(jī)器人 WAO-1,幫助頜骨病患者緩解癥狀。2020年,KICKSTARTER發(fā)明了個(gè)人頭戴式太陽(yáng)穴及眼角按摩儀LEROU Robot,不僅舒適便攜,同時(shí)具備長(zhǎng)續(xù)航、高性價(jià)比等多種優(yōu)勢(shì)。2020年,英國(guó)普利茅斯大學(xué)和法國(guó)CapSix Robotics公司的研究人員研制出可以提供個(gè)性化按摩的機(jī)器人。由此,筆者認(rèn)為借鑒國(guó)際按摩機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù),并結(jié)合中醫(yī)理論及按摩手法開(kāi)發(fā)新一代中醫(yī)智能按摩機(jī)器人是一個(gè)具有前景的研究方向。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)按摩機(jī)器人的研究側(cè)重于設(shè)計(jì)人體機(jī)械按摩結(jié)構(gòu)和分析人體按摩操作手法原理。2004年,江蘇大學(xué)與廈門(mén)集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院共同設(shè)計(jì)了1款新型醫(yī)用自動(dòng)推拿按摩機(jī)器人[6]。2008年,在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下,山東建筑大學(xué)開(kāi)展對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人的研究,實(shí)現(xiàn)從理論到樣機(jī)的研制[7]。2014年,北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所研制了1款中醫(yī)按摩機(jī)械臂,其具有4個(gè)自由度,能夠完成點(diǎn)按、指揉、彈撥3個(gè)按摩手法動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)臥式和坐式兩種按摩方式[8]。2020年,奧佳華AI按摩機(jī)器人在業(yè)界率先采用NIDEC無(wú)刷電機(jī),搭載四核處理器,協(xié)同毫米級(jí)精度傳感器,采用新一代無(wú)刷變頻溫感機(jī)芯,并配備皮電反應(yīng)傳感器與脈搏血氧傳感器,可快速檢析人體多項(xiàng)疲勞指數(shù),配合用戶基本身體指標(biāo),解讀人體生理參數(shù)。

3 仿生柔性按摩機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能

3.1 主體結(jié)構(gòu) 支撐架是承載所有工作單元的框架,同時(shí)也負(fù)責(zé)按摩過(guò)程中人與按摩機(jī)器人在坐標(biāo)軸的位移運(yùn)動(dòng),是保證按摩機(jī)器人在按摩過(guò)程中精度的根本,其主要構(gòu)成包括主體機(jī)架、防滑輪組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其可替換組件3個(gè)部分。見(jiàn)圖1。

圖1 仿生柔性按摩機(jī)器人支撐架主體結(jié)構(gòu)示意圖

主體機(jī)架由型材與角鐵組成,在材料性質(zhì)上具有高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高安裝精度的優(yōu)點(diǎn)。此外,主體機(jī)架易拆裝,拆后可以大幅度縮小體積,方便運(yùn)輸。主體機(jī)架高度調(diào)節(jié)范圍參考中國(guó)成年人身材數(shù)據(jù)范圍設(shè)計(jì)(18～60歲男性的胸厚范圍為176～261 mm,18～55歲女性的胸厚范圍為159～260 mm)[9],有效地提升了按摩機(jī)器人對(duì)于不同身材患者的兼容性。防滑輪組采用GM25BLDC直流無(wú)刷齒輪減速電機(jī)配合膠輪。采用膠輪而不是更加靈活、精準(zhǔn)的麥克納姆輪,是因?yàn)槟z輪與絕大部分家具材料都有較大的相對(duì)摩擦,不易發(fā)生位移,能保證在按摩過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榉醋饔昧τ绊懓茨取ｒ?qū)動(dòng)電機(jī)采用42BYGH步進(jìn)電機(jī),該電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻,輸出穩(wěn)定,并且便于控制。電機(jī)輸出端連接同步輪、同步帶,同步帶上設(shè)有一個(gè)3D打印件,可根據(jù)患者的不同癥狀及需求替換末端執(zhí)行器,進(jìn)行按摩、拔罐、艾灸3種功能模塊的更換[10]。

3.2 按摩模塊 按摩的主要手法包括按、摩、推、拿等,人手實(shí)施手法,需要依靠多根手指及掌面的配合[11]。筆者將按摩機(jī)器人的按摩手掌簡(jiǎn)化為兩根由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)的柔性按摩手爪及配合振動(dòng)馬達(dá)的軟膠柔性手掌組成的復(fù)合機(jī)構(gòu)。42 BYGH步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶,用光軸進(jìn)行虛約束,以進(jìn)行不同按摩部位高度的控制。具有3個(gè)自由度的球鉸可以保證角度貼合[12]。按摩手掌整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 仿生柔性按摩機(jī)器人按摩手掌結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 拔罐模塊 拔罐模塊的整體操作流程分為抽氣與拔罐兩個(gè)階段。抽氣階段使用42 BYGH步進(jìn)電機(jī)對(duì)氣泵進(jìn)行反復(fù)牽引[13]。拔罐時(shí)電機(jī)增大輸出,使彈簧壓縮,氣泵突破,實(shí)現(xiàn)拔罐的目的。研制過(guò)程中需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定氣泵的力度,再結(jié)合電機(jī)的輸出進(jìn)行受力分析,進(jìn)行彈簧的選型。氣罐拔罐整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 仿生柔性按摩機(jī)器人氣罐拔罐裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 艾灸模塊 艾灸模塊以光軸進(jìn)行方向上的指引,以同步帶進(jìn)行驅(qū)動(dòng),以球鉸校正人體表面凹凸產(chǎn)生的角度差,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)艾灸操作[14]。使用市面上常見(jiàn)的艾灸盒綁扎固定,方便替換。艾灸整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 仿生柔性按摩機(jī)器人艾灸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 仿生柔性按摩機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了使按摩機(jī)器人具有較小的體積及對(duì)地映射面積,單純使用步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)并不能滿足相應(yīng)需求。因此在硬件的整體移動(dòng)部分,與地面接觸面采用直流減速驅(qū)動(dòng)以達(dá)到X軸向移動(dòng),上層采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以達(dá)到Y(jié)軸向移動(dòng),同時(shí)上層使用可以帶動(dòng)向上、向下的步進(jìn)電機(jī)以達(dá)到3個(gè)自由度的移動(dòng)效果[15]。基于stm32的柔性按摩系統(tǒng)控制部分由電源管理、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)線藍(lán)牙模塊組成[16]。直流電機(jī)部分采用60∶1的25GA-370直流減速電機(jī),電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用L298N,使用pwm控制L298N保證穩(wěn)定輸出較高的電流。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)42BYGH40S步進(jìn)電機(jī)[17]。無(wú)線藍(lán)牙模塊采用HC-05通過(guò)uart與單片機(jī)進(jìn)行通信,手機(jī)與HC-05無(wú)線連接以控制步進(jìn)電機(jī)。硬件控制系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 仿生柔性按摩機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)示意圖

4.2 軟件系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 按摩機(jī)器人主控制器采用stm32的單片機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)上電之后執(zhí)行初始化程序,檢測(cè)電池電量,如果不足則提示電量過(guò)低,檢測(cè)減速直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)是否處于連接狀態(tài),檢測(cè)藍(lán)牙是否處于連接狀態(tài),初始化程序執(zhí)行完畢表示系統(tǒng)正常,可以使用手機(jī)藍(lán)牙對(duì)按摩機(jī)器人進(jìn)行操作[18]。軟件控制系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

圖6 仿生柔性按摩機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)示意圖

5 仿生柔性按摩機(jī)器人的樣機(jī)制作及實(shí)驗(yàn)研究

5.1 仿生柔性按摩機(jī)器人原理樣機(jī)的制作 前期原理實(shí)驗(yàn)順利,筆者直接將仿生柔性按摩機(jī)器人原理樣機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)易改裝、組合,形成現(xiàn)在的樣機(jī)。仿生柔性按摩機(jī)器人是將多種已有成熟框架的機(jī)體進(jìn)行組合的再創(chuàng)造機(jī)器人。主體機(jī)架運(yùn)作模式類(lèi)似于3D打印機(jī),但并不需要3D打印機(jī)的超高精度。因此,筆者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化以降低成本,舍棄了底部的絲桿,使用更廉價(jià)、更方便的膠輪與電機(jī),從而以較低成本實(shí)現(xiàn)較高精度及較高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)。

5.2 仿生柔性按摩機(jī)器人性能評(píng)估實(shí)驗(yàn) 中醫(yī)按摩力度范圍為40～60 N,筆者選取最大輸出力為60 N的電動(dòng)推桿,通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小改變其力度的輸出。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且是直接鏈接,所以功率的損失極小[19]。實(shí)驗(yàn)利用薄膜壓力傳感器IMS-C10A和測(cè)力計(jì)NK-100N分別測(cè)量掌、指手法力度。首先,測(cè)量指法力度,調(diào)整手爪的位置,使手掌底面緊貼于施力物體表面,以每秒1次的頻率工作,采集20 s內(nèi)手掌內(nèi)部傳感器的有效力值。然后,應(yīng)用測(cè)力計(jì)按照相同的方法測(cè)量1次指振的輸出力大小,記錄20 s內(nèi)測(cè)力計(jì)數(shù)值,取平均值,對(duì)平均值進(jìn)行曲線擬合,并且與理論輸出值比較。掌法力度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,對(duì)20 s內(nèi)每次正壓下的掌力取平均值,以每秒1次的頻率工作,對(duì)20個(gè)值進(jìn)行參數(shù)擬合,得到手掌力-氣壓曲線,并與理論輸出值比較。在確保機(jī)器輸出符合理論預(yù)期后,研究成員體驗(yàn)了按摩機(jī)器人的按摩,其力度與手法接近真人按摩師,但在按摩部位的觸感上與真人按摩師有一定差異。

6 總結(jié)與展望

日本、韓國(guó)等國(guó)家非常重視按摩醫(yī)療機(jī)器人的研發(fā),但大部分研究還沒(méi)有形成真正的技術(shù)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)按摩醫(yī)療機(jī)器人的技術(shù)研究主要停留在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原理技術(shù)仿真和自動(dòng)樣機(jī)試制階段,在按摩醫(yī)療機(jī)器人自動(dòng)控制方法、仿人按摩機(jī)器人手臂技術(shù)方面,還沒(méi)有相對(duì)成熟的成果?？傮w而言,我國(guó)按摩醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)研究目前處于技術(shù)起步階段,落后于世界先進(jìn)水平。將人工智能技術(shù)、現(xiàn)代機(jī)器人按摩技術(shù)與我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)、腧穴等按摩理論相結(jié)合,已成為我國(guó)按摩醫(yī)療機(jī)器人研究發(fā)展的主要方向。本研究設(shè)計(jì)的仿生柔性按摩機(jī)器人具有一定的開(kāi)創(chuàng)性,兼具按摩、拔罐、艾灸多項(xiàng)功能及智能控制的優(yōu)勢(shì),期望通過(guò)醫(yī)工結(jié)合科學(xué)研究,為我國(guó)智能按摩機(jī)器人在醫(yī)療保健領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用助力,造福廣大CMP患者,促進(jìn)中醫(yī)現(xiàn)代化發(fā)展。