基于中醫(yī)推拿手法的柔性拍打裝置設計

關(guān)鍵詞：中醫(yī)推拿；柔性旋轉(zhuǎn)；動力學；拍打力

0 引言

隨著時代節(jié)奏加快，生活和工作壓力日增，人們的健康問題愈發(fā)顯現(xiàn)[1]。中醫(yī)推拿作為養(yǎng)生保健的一部分，成為改善人們健康狀況的選擇之一。中醫(yī)推拿為輔助治療方法，遵循自然療愈，對促進身體健康有重要的作用[2]。中醫(yī)推拿雖然可以緩解癥狀[3]，但傳統(tǒng)操作需人工進行，且推拿手法因人而異，難以實現(xiàn)標準化[4]。而推拿機器人作為將機械、檢測等技術(shù)綜合在一起的產(chǎn)物，可用以替代技師進行推拿操作[5]。

諸多學者針對中醫(yī)推拿機器人開展了系列研究。JONES等[6]研制出肩部按摩機器人，驗證了機器人完成人工按摩手法的可行性。KANG等[7] 開發(fā)了一款敲擊式推拿裝置，可以對背部進行敲擊按摩。余可等[8]提出一種可以調(diào)節(jié)拍法按摩頻率的多指模塊化中醫(yī)按摩手結(jié)構(gòu)。張禹等[9] 設計了一款氣動柔性按摩機械手爪，該手爪使用氣囊實現(xiàn)柔性按摩。XING等[10]設計的柔性背部按摩機器人，可以適應不同的按摩強度要求。LIU等[11]設計了一種小型按摩機器人，可以實現(xiàn)不同的按摩手法。LIU等[12] 提出一種軟按摩機器人驅(qū)動系統(tǒng)，通過氣體壓強可實現(xiàn)不同的推拿手法。SAJAPIN[13] 提出一種智能按摩并聯(lián)機器人，并進行了軟件設計。

與其他手法不同，拍打是一種較為獨特的推拿手法，速度和節(jié)奏是拍打動作中的重要特征，需要很好地控制，而由于其運動速度快、力度大，研究還不太充分[14]。目前，具有拍打功能的產(chǎn)品以床類居多，存在制造成本高、裝置體積大、便攜性差的問題。

針對上述狀況，本文基于對中醫(yī)推拿手法的分析提出一款柔性拍打裝置，并進行了機構(gòu)設計及力學仿真分析，試制樣機后開展了拍打力測試試驗，以驗證設計的有效性。

1 拍打裝置機構(gòu)設計

1. 1 中醫(yī)推拿拍打手法分析

中醫(yī)推拿手法種類繁多。拍打手法作為中醫(yī)推拿中不可或缺的部分，施術(shù)者一般站立，手持器物從施術(shù)部位的上方，通過小臂的旋轉(zhuǎn)使得拍打桿獲得一定的速度拍打在施術(shù)部位，在接觸的瞬間卸力；而后再次抬起，重復拍打動作。一個部位拍打完成后再換其他部位繼續(xù)拍打，部位不同，拍打力和頻率也有相應調(diào)整，以免損傷人體。拍打速度均勻而有節(jié)奏，用力快速而短暫，器物垂直作用于體表，不能有拖抽動作。

通過上述分析，仿中醫(yī)拍打裝置設計應滿足如下要求：能夠重復完成拍打動作，在拍打的瞬間拍打桿與施術(shù)部位垂直，且不會出現(xiàn)“按壓力”；拍打力與拍打頻率符合人工拍打狀態(tài)，且可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；具有末端姿態(tài)調(diào)整能力，無需受術(shù)者挪動，能夠自動變換拍打位置；可適應人體體表凹凸不平的曲面變化。

進而，拍打裝置主要可分為拍打與調(diào)姿兩部分，拍打機構(gòu)用以完成拍打動作，并采用柔性設計，以保證拍打桿能夠適應一定高度變化；調(diào)姿機構(gòu)用以固定拍打機構(gòu)，保證拍打位置與姿態(tài)的準確，同時實現(xiàn)拍打部位的自動變換。

1. 2 拍打機構(gòu)設計

拍打動作是一個擺動式的往復動作，考慮到電動機的使用壽命與效率，采取整周轉(zhuǎn)動的運作方式為宜，故可利用曲柄搖桿實現(xiàn)。但在曲柄搖桿機構(gòu)（圖1）中，當曲柄轉(zhuǎn)動時，伸出端進行拍打動作的連桿擺到極限位置即會停止，且到達拍打位置時的速度為0，不能實現(xiàn)拍打效果。

選用按摩師常用的竹片作為拍打器物，如若直接將拍打竹片固定在連桿末端，因其運動到最低點時的速度是0，則此刻竹片接觸到身體，人感受不到拍打力；若將拍打竹片靠近擺放，那么竹片會對人體產(chǎn)生一個按壓力，就不會產(chǎn)生拍打的效果，同時也使裝置翹起，顯然不符合拍打按摩的要求。因此，在連桿給拍打竹片一個速度后，需要將二者“分離”，依靠竹片的慣性繼續(xù)運動，使得在竹片到達人體的瞬間仍有相當?shù)乃俣?，進而完成一次拍打。

由以上分析，基于曲柄搖桿機構(gòu)，在其末端增加一個柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電動機驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，搖桿往復擺動，依靠拍打竹片自身的慣性完成拍打動作。同時，由于竹片依靠慣性運動需要經(jīng)過一定的時間，則在此期間的任一時刻拍打到人體都會產(chǎn)生拍打效果。因此，本方案具有一定的高度適應能力，并且更為實用。

圖2所示為拍打機構(gòu)運動原理。在柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處安裝有扭簧，可實現(xiàn)類似人手的“慣性拍打”效果，并保持運動的持續(xù)與協(xié)調(diào)；扭簧變形也可以減弱末端所傳導的人體表面反向沖擊力作用，保護執(zhí)行組件，提高裝置的整體耐用性[15]。

在拍打連桿抬起時，柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處扭簧通過預緊力克服拍打竹片的重力，保證拍打竹片與連桿之間不會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動；在拍打連桿落下時，二者一起向下運動；在拍打連桿到達極限位置時，拍打竹片因為慣性的作用相對于連桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，直至拍打到施術(shù)部位為止。假定搖桿向下擺動為去程，向上擺動為回程，則控制去程時電動機的速度，即可控制拍打竹片接觸到人體時的速度，進而控制拍打力度；控制回程時電動機旋轉(zhuǎn)的速度，即可控制兩次拍打間隔的時間，進而調(diào)節(jié)頻率。

1. 3 調(diào)姿機構(gòu)設計

利用機械臂也可實現(xiàn)推拿手法操作，只是結(jié)構(gòu)會比較復雜，占用空間大，并且易致受術(shù)者產(chǎn)生心理壓力。由于不同人的相同部位、同一人的不同部位之間存在高度差，因此，為了保證機器人能夠拍打到不同高度的部位、在人不移動的情況下拍打到沿身長的不同位置，以及拍打部位從身體正面變換到側(cè)面時竹片與拍打位置相切，需要空間內(nèi)3個方向的移動自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度配合實現(xiàn)。為此，提出一種調(diào)姿機構(gòu)，如圖3所示。該機構(gòu)整體通過3個萬向腳墊支撐，采用可收縮的套管實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)并由側(cè)螺母固定。

人體拍打最厚處為胸部，根據(jù)國家標準《中國成年人人體尺寸》[16]可知，18～70歲中，80%的男性胸厚范圍為254～339 mm，此處胸厚可以反映趴姿狀態(tài)下的背部高度。考慮批量生產(chǎn)及檢測方便，伸縮桿可調(diào)節(jié)末端執(zhí)行裝置的高度范圍設為250～340 mm。

伸縮桿頂端安有舵機，可以進行小范圍旋轉(zhuǎn)，方便同一高度不同位置的拍打。舵機的旋轉(zhuǎn)軸需與拍打竹片位于同一豎直面內(nèi)，竹片才能繞舵機軸線轉(zhuǎn)動，便于機構(gòu)調(diào)整姿態(tài)。但如此布置，裝置的重心將偏向于電動機一側(cè)，故通過調(diào)整為裝置供電的鋰電池位置來調(diào)整重心，在不額外增加配重的同時也實現(xiàn)了裝置的平衡。

2 拍打裝置動力學分析

拍打連桿與竹片間的柔性關(guān)節(jié)關(guān)乎竹片最終的運動速度和加速度，而竹片的運動狀態(tài)決定著拍打的質(zhì)量，故對扭簧進行參數(shù)設計，建立機構(gòu)去程和回程動力學模型，并進行動力學理論與仿真分析。

2. 1 扭簧參數(shù)設計

圖4所示為曲柄搖桿機構(gòu)運動分析。為使圖4所示曲柄搖桿機構(gòu)的尺寸盡可能小，同時保證必要的強度，取最短桿即曲柄的長度r1 為10 mm。進而，綜合考慮曲柄存在條件，以及當曲柄和連桿重合時，搖桿若處于水平位置，則可保證拍打時竹片垂直向下提供拍打力，取搖桿r2、連桿l、機架d 長度分別為20、22. 5、22. 145 mm，曲柄的角速度ω1=4π rad/s。

圖5所示為拍打機構(gòu)動力學分析。圖5中，BC 表示拍打連桿；CE 所在線段表示拍打竹片的長度。根據(jù)拍打裝置的實際需求，取BC 長度l3 為39 mm、CE長度l4 為200 mm，拍打竹片質(zhì)量為0. 07 kg。

彈簧選用碳素鋼DH型制造，估取彈簧鋼絲直徑為1. 4 mm，圈數(shù)取n=6，則扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度為

式中，E'為扭簧的彈性模量，MPa；I 為扭簧絲截面的軸慣性矩，mm4；D 為彈簧中徑，mm。

根據(jù)扭簧剛度計算扭簧初始預緊角度。在拍打連桿逆時針轉(zhuǎn)動過程中，拍打竹片與拍打連桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，需滿足

式中，Mnc 為扭簧初始預緊扭簧，N?m；JC 為拍打連桿對C 點的轉(zhuǎn)動慣量，kg?m2。

為保證返程過程中拍打竹片與拍打連桿不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，避免產(chǎn)生沖擊而使裝置振動，彈簧初始預緊角φc 需滿足

由圖4 可知：α1 + φ2 = α2 + φ1，則拍打連桿與機架夾角φ2 = f （φ1 ）。進而可繪制拍打連桿的角加速度變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知，a2 最大值（負方向）為30. 58 rad/s2，此時φ1=0. 36 rad，φ2=0. 97 rad。則根據(jù)式（1）可得，扭簧初始角度φc=56. 7°。為保證回程時拍打竹片與拍打連桿不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，圓整取φc=60°。由式（1）可求得，此時φ2 的角度φ21=1. 28 rad，進而由

可得，拍打連桿角速度ω21=11. 22 rad/s。

2. 2 拍打機構(gòu)去程動力學計算

圖7所示為拍打機構(gòu)去程動力學分析。由圖7可知，當拍打連桿逆時針運動時，由力矩平衡可得mg cos（φ21 - 0.622 - φ3 ）l4 - kn （φ2 + φ3 - φ21 + φc ）

通過龍格-庫塔法求解該一元二次微分方程，繪制φ3 變化曲線并將取到的點進行二次函數(shù)的擬合，可得

人體被拍打瞬間，設拍打桿上的拍打點為F，如圖8所示。

計算結(jié)果表明，拍打到人體時，F(xiàn) 點的速度VF與VF1 相差不大，表明此裝置的原理可行，滿足所期望拍打要求。

2. 3 拍打機構(gòu)回程動力學計算

當拍打連桿回程時，滿足式（3），由龍格-庫塔法求解微分方程，初值φ3=0、φ3'=0，自變量時間t的求解范圍為0. 162～0. 445 s。計算并分別繪制φ3 和φ4 的曲線，如圖10所示。

由圖10可知，φ4 角度始終大于φ3，即拍打竹片回程過程中全程未出現(xiàn)與拍打連桿合并情況。因此，在拍打竹片去程過程中將發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊力，影響裝置穩(wěn)定性，應予以避免。

2. 4 拍打裝置穩(wěn)定性仿真

裝置運行過程中若發(fā)生移動，會影響拍打質(zhì)量，故進行穩(wěn)定性仿真分析。由于伸縮桿長度與底座晃動程度成正比，故考慮最嚴重情況，將伸縮桿延伸到最大距離進行仿真分析。建立拍打裝置模型，如圖11所示。

對電動機軸的旋轉(zhuǎn)副施加step函數(shù)驅(qū)動，根據(jù)動力學計算所得轉(zhuǎn)速進行參數(shù)設置。將拍打連桿與被拍打物、加持塊與彈簧擋片和三腳架的3個腳接觸情況均視為橡膠與鋁接觸，結(jié)合前述計算結(jié)果設置扭簧參數(shù)并求解。

圖12為拍打連桿與拍打竹片碰撞處的受力圖?？梢娛芰Τ手芷谛宰兓?，表明裝置已進入到穩(wěn)定工作狀態(tài)。拍打連桿的回程時間為0. 623～1. 033 s，此處受力出現(xiàn)無接觸力的情況，但持續(xù)時間很短，雖然此時拍打連桿與竹片反復相撞，但是此時兩者并未發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。拍打連桿的去程時間為1. 033～1. 254 s，在1. 1 s后出現(xiàn)一段無接觸力的情況，說明此時拍打竹片相對拍打連桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，以完成拍打動作，符合設計要求。受力最大值也出現(xiàn)在去程中，此時情況應為拍打竹片拍打到人體后與拍打連桿合并，需關(guān)注裝置是否相較于地面出現(xiàn)移動，以免此力對裝置產(chǎn)生影響。

圖13為支撐腳的受力圖。可見3個支撐腳的受力始終大于0，表明支撐腳未離開地面。

圖14所示為其中一個支撐腳的位移變化曲線。其最大值不超過0. 04 mm，為仿真分析中多會出現(xiàn)的微小誤差，可視為位移量為0，支撐腳未發(fā)生晃動，表明了裝置拍打工作時的穩(wěn)定性。

圖15所示為拍打竹片與人體接觸點的運動速度變化曲線。當運動到0. 547 s時，拍打到人體，此時速度為3. 5 m/s，與動力學計算結(jié)果相符。

由上述仿真數(shù)據(jù)圖可知，曲柄搖桿機構(gòu)去程中，拍打竹片與拍打連桿可發(fā)生轉(zhuǎn)動，能夠拍打到模擬物體；回程時，拍打竹片與拍打連桿未發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，避免了碰撞沖擊的發(fā)生，符合預期設計。

3 拍打裝置試驗驗證

拍打裝置實體樣機如圖16所示。試驗方式為取拍打擋位3、6、9、12，利用拍打力測量系統(tǒng)來測定不同拍打速度下的拍打力數(shù)據(jù)。

表1 所示為不同擋位下拍打力數(shù)據(jù)。由表1 可知，當拍打擋位逐漸增大時，拍打力度也呈上升趨勢，驗證了拍打力度調(diào)節(jié)功能。

施術(shù)者按實際拍打按摩人體能長時間承受的最大力度，手持拍打竹片敲擊壓電加速度傳感器，測得人工拍打力數(shù)據(jù)，如圖17所示。

通過數(shù)據(jù)對比可知，人工拍打所能達到的最大力度在拍打裝置9擋、12擋所能實現(xiàn)的拍打力范圍內(nèi)，且拍打力變化曲線相似。這表明拍打裝置能夠滿足中醫(yī)拍打?qū)ε拇蛄Φ囊螅梢詫崿F(xiàn)與人工拍打相近的拍打效果。

4 結(jié)論

通過分析中醫(yī)推拿拍打手法，確立設計要求，提出柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與曲柄搖桿機構(gòu)相結(jié)合的柔性拍打機構(gòu)；完成關(guān)鍵件（扭簧）參數(shù)設計，建立動力學模型并進行參數(shù)計算及穩(wěn)定性仿真，研制出一種仿中醫(yī)推拿手法的柔性拍打裝置，并開展了實體樣機試驗驗證。得出以下結(jié)論：

1） 所設計柔性關(guān)節(jié)使得拍打裝置可適應一定范圍的高度誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)仿人工的拍打手法。

2） 動力學計算所得相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)了預期設計的動作功能，仿真分析結(jié)果驗證了拍打裝置的穩(wěn)定性。

3） 拍打裝置所輸出拍打力隨拍打速度可調(diào)，且力度范圍大，能夠覆蓋人工拍打最大力，并與人工拍打力曲線相吻合。