國內推拿機器人研究進展

李銀倩 呂杰 曹金鳳 張延海 鄭木松 徐軍 周楠 呂強

(1.上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093；2.上海健康醫學院醫療器械學院，上海 201318；3.上海大學期刊社，上海 200444；4.上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院，上海 200437)

推拿是以經絡學說為理論基礎，在中醫理論指導下，以推、拿、按、捏、提等手法結合器械輔助，作用于機體局部經絡、穴位，以改善機體狀況的一種按摩方法[1,2]。推拿針對頸、肩、腰、腿部病癥，涉及各種人群，患者治療需求巨大。隨著人口老齡化問題日趨嚴峻，老年患者急劇增加[3,4]；大量長時間保持坐姿工作的年輕人，容易產生疲勞過度，青年患者也日趨增多[5]。而從事推拿這樣重體力勞動、高負荷、要求知識與技能高度配合的專業中醫推拿師數量嚴重不足，專業醫師資源缺乏成為亟待解決的難題。

在科學技術迅猛發展的今天，將中醫推拿按摩技術與現代科學技術相結合，催生出代替專業技師為患者按摩治療的推拿按摩機器人將有效解決上述問題。推拿機器人是以軟組織為作用對象，為滿足現代社會對中醫按摩的臨床需求所研制的一種融合機器人技術、計算機技術、現代康復醫學及人工智能技術等領域的服務型機器人[6,7]，其按摩手法更加規范，力度、位置精準，治療效果更穩定，輔助或代替傳統推拿按摩技師的繁重工作，使醫生得以專注于推拿手法的創新及優化，極大提高就診效率。推拿按摩機器人無疑成為行業的研究熱點。目前，市場上存在許多按摩設備，但多為功能單一、智能水平低下，達不到預期治療效果，尚不能投入臨床治療。國內對于機器人在中醫按摩推拿領域還處在初級研究階段，尚有很多問題需要解決，對中醫按摩機器人開展進一步研究具有深遠意義。現對國內推拿機器人研究取得的成果進行綜述，總結前人經驗與不足，對推拿機器人現有問題及發展趨勢進行分析，旨在為推拿機器人的研究提供幫助。

1 研究進展

早在唐代，推拿按摩在治療疾病方面就得到了廣泛應用。當今，推拿按摩技術理論體系在經絡理論基礎上，結合現代科學技術及現代醫學理論使其本身不斷完善，面向全球，并與當代社會發展趨勢相統一[8]。推拿按摩機器人已然成為醫療保健機器人領域的研究熱點，國內外計算機技術、動力學、材料學、機器人等領域的蓬勃發展極大推動了推拿按摩機器人發展。

1.1 早年研究狀況

我國按摩機器人研究起步較晚。北京理工大學、江蘇大學[9,10]等對此類機器人進行研究，但在該領域的研究大多集中在理論研究和計算機仿真階段。

我國科研工作者在手法建模及機構實現方面開展了大量的研究。2004年，集美大學、江蘇大學、山東理工大學[11]合作研制出一種可沿X、Y、Z軸平移和按X、Z軸轉動的5個自由度并聯機器人模型。同年，余順年[12]等人在推拿手法動力學和動力學特征的基礎上提出一種基于3個自由度的并聯機構串并聯中醫推拿機器人機型，江蘇大學機械工程學院智能機械及機器人研究所的馬履中[13]等人提出一種串并混聯推拿機器人，該機器人添加了滾法推拿頭機構，以并聯機構實現三維移動、推拿頭實現一維轉動來完成滾法手法。通過ADAMS仿真分析，運用推拿頭后推桿速度及加速度大大減小，可降低對推桿性能要求，改使用一般桿，實際生產中即可大大降低成本。2006年江蘇大學機械工程學院聯合集美大學[14]，基于中醫推拿按摩手法的運動學和動力學特征對其進行建模分析，得到可完成這些手法的運動學輸出特性及運動方向，提出混合型并聯機器人，使其具有強解耦性等優勢。

仿人按摩推拿機器人相關研究的關鍵是按摩手臂的研究設計。山東建筑大學[15]就中醫推拿按摩機器人展開研究，研制出按摩機器人樣機，高煥兵等人利用傳感器信息融合、人機交互、三維仿真等技術實現按摩手法建模，提出串并聯融合的機器人構型，研制出集多動作一體化、可實現始終基本按摩手法的按摩手，通過視覺系統判定穴位位置，實時反饋患者生理信號以及時調整按摩方案，保障病患安全。該機器人配有兩個末端裝有多動作一體化機械按摩手的機械手臂，實現捏拿、拍打、指揉、振動、掌推、滾壓、指按、叩擊、掌揉、掌按10種典型中醫按摩手法。該機器人已經臨床試驗證明能有效治療腰間盤突出病癥，其局限性主要在于成本高昂、較難實現產業化、工作效率低、機械臂不夠靈活。今后應利用視覺系統示教提高工作效率，提高機械臂自由度使按摩手更加靈活。為提高其實用性，2010年山東建筑大學對該中醫按摩機器人進行了外觀及結構方面的改進，得到了配有單機機械臂的樣機。

2011年，長春工業大學王占禮[16]等人基于機器手臂的工作原理，設計了一種以航空鋁6061材料為殼體材料、裝有5臺直流伺服電動機的按摩機器手臂，提供足夠的剛度和強度，實現大臂俯仰、小臂俯仰及旋轉和腕部俯仰及旋轉的5個自由度動作。該機器手臂肩帶動大臂，肘帶動小臂，小臂與手腕形成統一整體連接到手部，完成預定按摩動作。同年，江蘇大學智能機械與機器人研究所謝俊[17]等人基于對機械臂的研究后發現，并聯機構能很好地完成中醫推拿按摩手法，但由于其工作空間有限，在實際應用中不能適應不同體型的病患。因此，謝俊等人提出一種串聯機械臂與并聯末端機構執行機構相互配合實現推拿按摩手法的設計。其中，串聯機械臂實現姿態、位置的提供，并聯末端機構執行，以實現推拿按摩手法。該設計結合串、并聯的優勢，保證機構的剛度、精確度及工作空間。

臺灣國立大學Ren C.Luo[18]等人設計了一種按摩機械手，該機械手300mm長、285mm寬，共有四個手指，每個手指兩個關節，共8個自由度。工作時抓住人體肩部進行按摩，通過人體肌電信號經傳感器傳導后分析患者受力情況，系統反饋受力情況以控制輸出，確保安全。

山東建筑大學曹端江[19]等人于2013年利用平面幾何法對按摩機器人雙臂協調推拿過程進行了避碰規劃，設計了一套雙臂協調運動控制策略，可有效實現雙臂運動時反向推掌避碰。次年，江蘇大學尹小琴等人以單開鏈支路為單元，改進一維移動和一維轉動的2個自由度并聯機構，通過引入運動副消極自由度而降低裝配誤差敏感性，研究表明，可通過提高零件的加工精度，選取合適的驅動源，采用反饋式的閉環伺服控制系統提高輸出精度[20]。

1.2 近五年研究進展

1.2.1 系統功能

（1）專家控制系統。該系統是推拿按摩機器人系統功能的組成部分。山東建筑大學劉玲云[21]等人提出了一種基于產生式規則的中醫按摩機器人實時專家控制系統。該系統根據患者信息，推理決策出患者治療方案，同時依據傳感器反饋的患者信息及上位機指令實時控制。控制系統將治療方案以控制命令的方式通過TCP/IP協議發送到多軸運動控制器；解析得到穴位坐標以及相應的按摩手法等信息后驅動機械臂各軸運動到坐標位置，調整機械手到相應的按摩姿態后，開始執行按摩手法。同時生理指標模塊實時獲取患者的血壓、脈搏等生理參數，上傳至控制系統，若參數異常則終止按摩過程。未來可通過提高專家系統的知識庫容量及優化推理機制設計提高系統性能。

（2）人體穴位定位。精確穴位定位是推拿按摩機器人對病患治療的重要基礎，早在2004年黃國銳等人就提出通過神經系統感知環境信息實現基于內分泌調節機制的機器人的決策。2017年，山東建筑大學機器人技術與智能系統研究院的張秋云等人利用遺傳算法對BP神經網絡進行了優化和改進，經過確定BP神經網絡結構、遺傳算法優化出最佳權值和閾值、BP神經網絡訓練與預測流程，使得穴位坐標找尋更加精確。合理彌補常規BP神經網絡的梯度下降法存在精度低、學習時間長、網絡結構不易確定、不具備全局搜索能力、不能保證收斂到最小值的缺陷[22]。

（3）路徑規劃問題。西北工業大學機電學院王文東等人提出一種可在背部爬行的新型輪式按摩機器人及其采用的有效提高覆蓋率的改進往返式路徑規劃算法。基本往返式路徑規劃下機器人沿X軸方向覆蓋，遇到障礙物和斷崖則判斷Y軸方向是否可以移動。若可以，則在此方向上移動一個車距后按反方向進行新的覆蓋；若不可以，則采取退回操作。王文東等人提出的改進往返式路徑規劃算法下，紅外測距傳感器和碰撞傳感器在機器人工作過程中判斷前方路徑是否有障礙或背部邊緣。若有，則右轉退回，同時將最近未覆蓋區域作為下一工作區域。覆蓋率為規劃路徑算法是否有效的可靠指標，王文東等人通過仿真實驗得出基本往返式路徑規劃方法和改進的往返式路徑規劃方法的覆蓋率分別為35.27%和60.27%。由此可知，改進后算法覆蓋率大大增加，改進后的路徑規劃方法有效性更好[23]。

（4）控制系統優化。初光勇[24]等人結合PLC控制技術、傳感器技術、人機界面交互技術等提出一種基于PLC的中醫按摩機器人步進電機控制系統，PLC控制器控制步進電機工作，通過步進電機控制器實現精確控制。其中，系統通過PLC產生的高低電平信號進行方向的控制，實現電機的正反轉。設定脈沖量實現速度的控制，通過X、Y、Z三軸的限位傳感器進行限位。

1.2.2 機構設計及優化

山東建筑大學李云龍等人用拿捏機構拇指和四指運動軌跡的5個點的坐標對拿捏機構進行優化，運用復合形法編寫程序，最終得復合形頂點數k＝24、終止迭代精度ε＝0.000001時得最佳優化結果。該研究成果有助于正確選擇按摩機器人捏拿機構的最佳結構尺寸，其優化設計完全滿足中醫按摩拿捏手法[25]。為提高按摩機器人按摩效果，西北工業大學王文東[26]等人基于電磁感應原理及中醫按摩手法于2016年設計了一款便攜移動電磁式叩擊按摩頭，通過研究確定線圈電流、動鐵芯至軛鐵距離及線圈匝數三個對動鐵芯電磁力最重要的影響因素優化按摩頭結構，調節線圈電流以控制按摩力度。

安徽工業大學機械工程學院于2017年基于人體頸肩部位按摩手法和穴位進行了頸肩部按摩機械手的機構設計，設計了4個手指部件具有2個活動關節（即2個自由度），腕部件裝有1個回旋裝置（即1個自由度）以旋轉調節位置的機械手，共3個自由度。為方便控制，降低成本使生產成為可能，該機械手采用以氣體為介質傳遞動力的氣缸驅動，通過驅動氣缸的收縮實現指間關節的運動。通過常用的Solidworks軟件及插件Motion建立三維模型并進行運動學仿真，實現指尖運動范圍角為28°的運動仿真，證明此機械手合理性[27]。

周潤生[28]等人設計出一款4個手指分別有指掌及指指兩個關節的4個自由度靈巧手，為保證運動過程中的連續性和周期性，避免頻繁換向使得電機壽命下降，該靈巧手采用曲柄搖桿機構驅動指指關節。該靈巧手相對于前人設計的無自由度剛性推拿頭而言可實現點法、推法、掌法、捏法、指柔等主流手法，拓展推拿機器人按摩手法，同時提高推拿機器人自動化程度。安徽工業大學趙維超[29]等人于2018年設計出一款6個自由度機械手的人體頸肩按摩機器人，該機器人配有單手式機械手，電機驅動方式實現手臂轉動及移動，氣壓驅動方式實現手臂及手指運動，萬向輪調節機械手整體運動，實現震動、指柔、指按、指捏按摩動作。為方便移動該機器人裝有萬向輪，但由于是單手臂機器人，按摩效率勢必受到影響。2020年鄭小石[30]等人設計出一款能完成按壓法、掌磨法、指捏法及敲擊法按摩手法，同時還能實現3個自由度單自由度或多自由度復合運動的頸肩按摩機械手，以實現不同按摩手法的組合，達到更好按摩目的。

黃秀琴[31]等人對具有空間三平移自由度的3-RPC并聯機器人進行了三維實體建模與虛擬裝配，通過參考點運動軌跡測得驅動桿加速度曲線平滑，加速度無突變意味著無振動及沖擊，有利于實時控制。實現按摩機器人仿真過程動畫顯示，驗證按摩機器人機構設計的可行性，為今后研究中醫按摩機器人的研究者提供參考。

2019年陳俊[32]等人設計了一款基于坐位調膝法生物力學特性的針對膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis,KOA)推拿治療的仿生按摩機器人。該研究使用相對極差法評估推拿機器人穩定性，結果顯示推拿力度和按摩行程的相對誤差分別為11.10%和9.80%；采用線性度評價推拿機器人對醫生手法的重現度，結果顯示在推按、保持、放松三個階段機器人與醫生推拿力度的相對誤差分別為10.90%、8.30%、12.90%；按摩行程的相對誤差為5.25%、5.01%、19.22%。機器人雖然在放松階段偏差較大，但在推按階段和保持階段較好地還原了專業按摩師力度，隨著推拿機器人進一步發展，仿生機器人代替醫療技師具備可行性和發展前景。

2020年，張明亮[33]等人在分析兩平移一轉動3個自由度并聯機構執行器的基礎上設計了一種串并混聯中醫推拿機構，為滿足不同年齡、體型患者需求，機構采用串并混聯以保證機器人有足夠的運動空間、精度及剛度。通過Adams、CAD軟件進行建模仿真得并聯機構動平臺中心線速度曲線及并聯機構動平臺中心角速度曲線，驗證該并聯機構動平臺具有兩平移一轉動3個自由度，且具有優越運動性能及較強的可控性和穩定性。

2 分析與展望

盡管國內按摩機器人研究取得大量成果，但目前按摩機器人體積大、按摩手法不健全、成本高昂，安全性、實用性、可靠性、技術性等問題尚未完全解決。

（1）機器人按摩手法主要模擬按摩手法運動軌跡，缺乏對體征的有效監測和按摩手法優化分析，而且機器人對于經脈、穴位的推拿按摩還不足以滿足個性化需求。

（2）推拿按摩手法的分析和建模需進一步研究，如按摩著力點運動軌跡運動學建模、按摩力的動力學建模、按摩動作重復頻率、按摩裝置柔順力及位置控制。按摩醫生在進行推拿治療時按摩手法自由度多，機器人必須有足夠的自由度才能保證其靈活性。

（3）滿足設計要求的前提下，使機器人輕量化，機器人外觀應盡量簡潔、美觀、具有親和力，北京航空航天大學的劉永瞻[34]等人設計的按摩機器人平臺較為人性化。另外，機械臂剛度和按摩裝置柔性并存，進一步開發了新型材料，兼顧安全、韌度和舒適度。目前，大多按摩機器人采用剛性傳動模式，與按摩技師按摩體驗和效果存在差距，急需改善病患按摩體驗，且應增強用戶反饋。

（4）系統優化問題。機器人需實現柔性驅動、動態響應及自動識別等，系統控制難度進一步加大。另外，人體穴位復雜，一旦按錯可能導致嚴重后果。因此，按摩過程中精度控制問題應做到萬無一失。伺服運動控制系統、穴位識別與經絡軌跡跟蹤系統等系統進一步優化，使機器人能應用于各個年齡段、各種體型的人。反饋系統對于按摩過程中的安全把控極為重要，基于多源信息反饋的專家在線管理系統可實時監控患者狀況，擴大知識庫容量，更新推理算法，提高專家控制系統的性能。

（5）技術融合。當今信息技術迅速發展的時代，各種軟件技術層出不窮，應充分利用創新技術優勢，為推拿機器人的開發提供方便。融合人工智能技術，深入人工智能推拿機器人研究、三維視覺感知和分析技術、機械臂規劃技術、反饋技術、柔性控制技術等重要技術研究，以增強機器人對人體軟組織的理解，包括對柔性可變化組織的適應性，對柔軟可變的力的準確控制，以及合理的路徑規劃。

（6）成本問題是當前中醫按摩機器人較為棘手的問題。成本過高，無法量產，不能普遍投入市場。

推拿按摩機器人的發展必須在傳統中醫推拿按摩理論的指導下，與現代科學技術更好的融合。國外并不精通中醫按摩技術，而國內技術方面欠缺，推拿按摩機器人的研發任重而道遠，打破文化、技術壁壘，加強國內外交流，以加快中醫按摩機器人研究進程。當今社會人口老齡化進一步加劇，推拿機器人投入市場會很好地將中醫推拿按摩技師從繁重勞動中解脫出來，解決專業按摩技師人手短缺的問題。