人體頸肩按摩機械手設計研究

趙維超,劉慶運

(安徽工業大學 機械工程學院， 安徽 馬鞍山 243032)

人體頸肩按摩機械手設計研究

趙維超,劉慶運

(安徽工業大學 機械工程學院， 安徽 馬鞍山 243032)

為促進人體頸肩按摩智能化，基于人體頸肩的按摩穴位與按摩手法，對人體頸肩按摩機械手進行了機構設計。應用Solidworks設計出三維模型，并通過Solidworks中插件motion對其進行運動仿真分析，以用來驗證按摩機械手強度設計和軌跡設計的合理性，為人體頸肩按摩機械手的研制提供必要的理論基礎。

人體頸肩；按摩機械手；三維模型；運動仿真

隨著科學技術的發展，計算機已經成為人們日常生活中必不可少的一部分。坐在電腦前，不知不覺就變成了久坐一族，導致頭痛、目眩或者頸椎的不適，其中頸背酸痛更令很多白領們不堪其擾。針對這一現象，筆者設計研究的按摩機械手將應用于人體頸肩穴位的按摩，將現代化的機械工藝與傳統的中醫學相結合，以實現中醫按摩手法。

人體按摩的常用穴位有40多個[1-3],但每個穴位具有不同的功效，所以按摩穴位的選擇也很多，可以根據自己的需要選擇不同的穴位。如腦力勞動者，用腦過多，此時可以采取按摩頭面部的穴位，而體力勞動者，四肢酸痛，則可以采取按摩四肢背部的穴位等。但是僅僅了解穴位還遠遠不夠，人體遍布穴位，怎樣才能按摩得舒適，這又將考驗按摩的手法及操作姿勢是否標準。

操作時需要注意，力量應直接作用于穴位的外表皮膚。平時若出現身體不適癥狀，如因看書或低頭過久，感到腰背酸痛等癥狀均可選擇相關穴位進行適當的按摩，調節人體生理機能，從而緩解身體不適。

1 人體頸肩按摩穴位的研究

按摩是以中醫基礎理論為指導[4]，通過專業的手法所產生的作用力應用于人體體表的特殊穴位，從而達到調節人體生理機能的目的。

按摩的作用十分廣泛，具有調節血液循環、增強心臟功能、調節神經功能；增加機體抗病能力；同時，還能提高自身免疫功能，矯正骨與關節的位置異常，改善關節的功能、修復創傷組織、增加皮膚彈性、消除肌肉疲勞，增進肌肉的動力等功能。

通過進一步的研究發現：按摩時需運用不同的手法給穴位施加壓力，如頸部和上肢常用按摩手法一般有推、揉、揉捏、叩打等。人體頸肩按摩機械手主要是針對頸肩上的7個常用按摩穴位：風池穴、天柱穴、大椎穴、肩井穴、秉風穴、肩髎穴、天宗穴進行按摩研究。下面筆者將分別敘述每個穴位的手法及功效，并參照身高175 cm成年男性標準尺寸建立人體穴位模型。

1.1 人體頸肩按摩穴位位置與功效

風池穴的位置：通過將雙手掌心貼住耳朵，十指自然張開抱頭，拇指慢慢往上推，在脖子與發際的交接線會發現有一凹處，便是風池穴。其按摩功效：消除黑眼圈，改善頸部僵硬，消除肩膀酸痛，還能治療頭痛，緩解眩暈，以及緩解日常生活中出現的落枕現象。

天柱穴的位置：可以在后頸部正下方凹處找到，也就是頸脖子處有一塊突起的肌肉，這塊肌肉外側凹處，后發際正中旁開約2 cm左右便是天柱穴。其按摩功效：經常按摩能夠治療頸椎酸痛、頭痛、鼻塞，對高血壓的治療有顯著效果。

大椎穴的位置：位于人體的頸部下端，找到第七頸椎棘突下凹陷處即是大椎穴。若發現突起骨并不明顯，可以讓患者適當活動頸部，不動的骨節為第一胸椎，其位置約與肩平齊。其按摩功效：可以舒緩夏季的常見病如中暑等癥狀，此外還對治療肩背疼痛起到很好的輔助作用。

肩井穴的位置：位于肩上位置，前直乳中。其按摩功效：如有頭重腳輕、眼睛疲勞時可以適量按摩肩井穴，而且有助于治療肩背痛、頸項、肩周炎、肩軟組織損傷、上肢痛等，效果顯著。

秉風穴的位置：位于人體的肩胛部，岡上窩中央，天宗穴直上，舉臂時如有凹陷即是秉風穴。其按摩功效：經常按摩能夠緩解治療肩臂疼痛、肩周炎，如有患者上肢酸麻或患支氣管炎可以適當在此處按摩。

肩髎穴的位置：位于人體肩部，肩髃后方，每當臂外展時，于肩峰后下方即會呈現一處凹陷，便是此穴位。其按摩功效：可以緩解上肢麻痹或癱瘓的癥狀。

天宗穴的位置：位于肩胛部，在岡下窩中心凹陷的位置，與第四根胸椎相齊平。其按摩功效：如有患者有肩膀酸痛、氣喘、肩部疾病等癥狀，可以通過按摩緩解。 除此之外，還可緩解肩關節周圍肌肉勞累、促進氣血運行，甚至能夠豐胸美乳、對于預防乳腺增生也有很好的效果。

表1 人體肩部標準尺寸

1.2 人體頸肩按摩穴位建模

通過對上述頸肩按摩穴位位置的研究，為了進一步合理化完成機械按摩手設計，將參考人體正常標準尺寸(如表1所示)，并結合風池穴、天柱穴、大椎穴、肩井穴、秉風穴、肩髎穴、天宗穴這7個常用穴位的位置，最后參照身高為175 cm成年男性標準尺寸，建立人體頸肩穴位三維模型，如圖1所示，人體頸肩尺寸如圖2所示，從而對按摩機械手擬人化設計提供尺寸參數。

圖1 頸肩三維模型穴位圖

圖2 人體頸肩尺寸圖

2 人體頸肩按摩機械手的建模

人體頸肩按摩機械手是由手指部件、手掌部件、驅動與回轉裝置這3個部件組成。其主要實現的功能是將機械手指部件根據人體的需要移動到相對應的穴位位置上。 人體頸肩按摩機械手的機構設計可以分為機械手所有零部件的三維建模與所有零部件的裝配。首先，通過模擬人手的大小尺寸，在按摩手法要求的基礎上，先對模擬出人體頸肩按摩機械手的相關零件的結構和尺寸設計出合適的三維模型，運用Solidworks軟件的相關功能進行對零部件的裝配，進而裝配出所需要的模擬樣機。因此，可以得出其每一個按摩機械手零部件的三維建模都會是按摩機械手模擬樣機的基礎。

2.1 人體頸肩按摩機械手機構特征

機械手自由度的選擇與機構設計的復雜程度有關，為了滿足頸肩穴位的按摩要求，實現機械手手指執行適當的按摩穴位位置，研究的人體頸肩按摩機械手腕需具備3個自由度，按照模擬人手的尺寸設計，模擬建模的機械手具有4個手指部件，每個手指部件都具有2個活動關節即具有2個自由度，機械手腕需要旋轉以用來調節位置，因此在手腕處具有1個回轉裝置即具有1個自由度。人體頸肩按摩機械手的運動應該是手臂和按摩機械手的運動結合而成。其中，機械手臂的自由度是為了滿足機械手在按摩空間的位置以及運動的范圍，最終實現調整空間姿態，本文對手臂的結構設計暫不考慮。

2.1.1 按摩機械手手指部件

人體頸肩按摩機械手手指部件是由指連接關節和指尖關節2個關節組成，通過2個驅動氣缸的伸縮完成這2個關節的擺動，最終實現手指的按捏。其中，氣缸的選用需要滿足一定的壓力范圍，根據人手尺寸以及氣缸的選用尺寸，最終設計出人體頸肩按摩機械手手指部件。圖3所示為按摩機械手手指部件的三維建模。 圖4所示為按摩機械手手指的運動范圍。

圖3 按摩機械手手指部件

圖4 按摩機械手手指的運動范圍

2.1.2 按摩機械手手掌部件

由于按摩機械手是按照人體手比例設計的，故需要滿足4個手指的安裝空間以及支撐強度，還需要能滿足氣囊空間的安放，因此空間需要緊湊，材料的選用需要有一定的強度，選擇采用16Mn。

2.2 驅動與回轉裝置

通過對按摩力度的研究，按摩力度范圍為0～8 kg，因此按摩機械手手指部件的2個關節的驅動選用氣缸驅動[5]。氣缸驅動的特點是工作介質為氣體，需要通過氣體的氣壓傳遞動力，便于控制，維護相對方便，成本低。

通過對氣缸壓力的計算，選用的氣缸的缸徑設定為10 mm；所用氣缸行程的設定應滿足手指關節開張范圍以及指尖的擺動范圍，綜合上述要求選定氣缸1行程為35 mm，氣缸2行程為10 mm。有了這樣微型氣缸主要參數的確定，整個人體頸肩按摩機械手模擬樣機的設計也就有相應的參數。

由于按摩機械手手腕需要滿足360°旋轉的條件才能更好地調整按摩的位置，因此按摩機械手手腕回轉裝置準備采用微型回轉支撐[6]。 回轉支撐由馬達、回轉支承、蝸桿等幾個部件組建而成，其核心部件是回轉支承，可以承受多個方向的軸向力、徑向力和力矩。

根據人體穴位模型尺寸、人體標準尺寸、氣缸的選用尺寸、回轉裝置的選用尺寸等，設計出人體頸肩按摩機械手，其實現的張合角度及尺寸如圖5所示；結合建立的人體頸肩三維模型進行模擬按摩，如圖6所示。

圖5 按摩機械手張合對比

圖6 按摩機械手三維按摩模擬

氣缸輸出力：

式中：F為 理論氣缸出力(N)；P為空氣壓力(bar)；d為活塞桿直徑(mm)。

F′=85%F

F′表示效率為85%時的輸出力。

1 MPa=10 kg/cm2

1 N=0.1 kgf

d=10 mm；P=0.8 MPa

故而符合設計要求。

3 按摩機械手手指部件運動學的建模

機械手手指部件運動學的主要研究方向是各連桿變換之間位移的關系、速度的關系以及加速度的關系，其中同樣包括正運動學和逆運動學，在完成機械手設計、制造和控制的實踐之前，還需要具備機械手運動學的理論基礎。當已知機械手所有關節變量參數時，就可以通過其正運動學來計算出所需末端執行器的位姿;再根據算出的最終數據，通過反推導求得機械手每個連桿的轉角，最終實現對機械手運動學模型的分析。

圖7所示是機械手的手指部件[7],可把它當作是一個開式運動鏈，其是由2根連桿之間通過關節串連而建立起來的。為了研究機械手各連桿之間的運動關系，此處可采用D-H坐標法[8]建立機械手手指部件連桿坐標系，如圖8所示。

圖7 機械手手指簡圖

圖8 機械手手指部件連桿坐標系

通過依據所建立的連桿坐標系如表2所示，有助于快速確定機械手手指部件各桿件結構參數和關節變量。

表2 機械手手指部件連桿參數

Rot(z，θi)Trans(z，di)=

(1)

根據連桿變換通式以及連桿參數，可以得到按摩機械手手指部件各連桿的變換矩陣:

(2)

式中si=sinθi，ci=cosθi，i=1、2、3。

根據多級連桿變換傳遞規律得：

(3)

由以上的相對變換得：

(4)

式中：

c23=cos(θ2+θ3)，s23=sin(θ2+θ3)

根據以上分析，得到機械手手指部件運動學方程的齊次坐標表達式：

(5)

末端機械手手指部件關于坐標系{3}的坐標設為

(6)

其為坐標系{3}的原點，末端機械手手指部件關于基座坐標系{0}的坐標設為

(7)

可以表示末端機械手手指部件在空間任意位姿,將式 (4)、 (6) 、(7) 代入式(5)得：

(8)

(9)

機械手手指部件的雅可比矩陣[9]可對式 (9)中關節變量參數θ1、θ2、θ3求偏導數，算出空間按摩機械手手指部件雅克比矩陣:

(10)

4 按摩機械手手指部件的運動學仿真

作為工程學中常用的Solidworks軟件，功能眾多，其中的Motion插件[10]可以幫人們建立一個虛擬樣機仿真工具，能實現全面的動力學和運動學仿真，并可得到所需的參數，比如在建模中需要求得零件各部的作用力、反作用力、速度、加速度以及位移等，而且能更加直觀地以動畫、圖形以及表格等多種形式輸出結果。人體頸肩按摩機械手手指部件主要運動是由指連接關節和指尖關節的運動組成，因此我們將建立好的三維裝配體模型轉入Motion插件中，再通過添加仿真約束，加入所需的馬達、阻力、引力，最終建立仿真模型條件，并對虛擬樣機的動力和運動進行分析。

指尖關節的運動是通過連接關節裝置里的驅動氣缸的伸縮來實現的，通過設計的氣缸行程為10 mm，在添加了驅動約束條件下對指尖的關節進行仿真，最終實現指尖關節仿真的運動范圍角為28°，最后通過運用的仿真結果來生成指尖關節的圖解，其中圖9～11分別為指尖關節的位移-時間、角速度-時間、線性速度-時間。這些數據可用來驗證按摩機械手的合理性。

圖9 指尖關節的位移-時間

圖10 指尖關節的角速度-時間

圖11 指尖關節的線性速度-時間

5 結束語

基于人體頸肩的穴位特征與中醫按摩手法，對人體頸肩按摩機械手進行機構設計，通過對按摩機械手手指部件運動學的分析和仿真，得到虛擬樣機的運動過程分析和預期設計相符合，驗證了按摩機械手的設計合理性，為人體頸肩按摩機械手的進一步研制奠定了理論基礎。

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(責任編輯林 芳)

StructureDesignofHumanBodyNeckandShoulderMassageManipulator

ZHAO Weichao， LIU Qingyun

(School of Mechanical Engineering， Anhui University of Technology， Ma’anshan 243032， China)

In order to promote the massage intelligent of human body neck and shoulder, the massage manipulator mechanism of human body neck and shoulder is designed based on the human body neck and shoulder massage acupuncture points and massage technique. It will use Solidworks to establish the three-dimensional model massage manipulator of human body neck and shoulder, and it will focus on the analysis of the manipulator motion simulation to verify the rationality of the design of mechanical strength design and trajectory in order to promote the development of the human body neck and shoulder massage manipulator, which provides necessary theoretical basis for the research of human body neck and shoulder massage manipulator.

human body neck and shoulder; massage manipulator; three-dimensional model; motion simulation

2017-07-03

安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2014A028)

趙維超(1990—)，男，碩士，主要從事機械工程研究，E-mail:469651410@qq.com。

趙維超,劉慶運.人體頸肩按摩機械手設計研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(11):102-108.

formatZHAO Weichao，LIU Qingyun.Structure Design of Human Body Neck and Shoulder Massage Manipulator[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):102-108.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.015

TH122

A

1674-8425(2017)11-0102-07