基于坐位調膝法的中醫推拿機器人設計與研究

豆建生，王殊軼，陳 俊，龔 利

（1上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海200093；2上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院 推拿科，上海200041）

0 引 言

膝關節骨性關節炎（Knee Osteoarthritis，KOA）是指膝關節中的軟骨發生組織破壞，軟骨中的骨質發生增生，軟骨出現剝落，關節出現損壞畸形等現象，最終導致膝關節功能發生活動障礙的一種退行性疾病［1］。坐位調膝法是治療KOA的一種中醫推拿手法，療效顯著、具有經濟、無副作用、病人易于接受等特點［2］。然而中醫推拿科醫師群體相對較小，KOA患者較多，專業推拿醫師長期處于高強度的勞動負荷，對醫師拇指關節造成損傷，縮短其職業壽命。中醫推拿機器人以傳統中醫推拿理論為基礎，擁有高定位精度、動作精確可控且可重復、無疲勞等特點，可以代替醫師為患者治療，從而解決上述的問題。在國內，張玎飛等設計了一款針對腰腿部疼痛的5自由度推拿機器人［3］；高煥兵等利用傳感器信息融合技術，人機交互技術，三維仿真技術等，對典型中醫推拿手法進行了建模，在此基礎上提出了一種串并聯結構融合的機器人構型，并研制了一款集多種推拿手法于一體的機械臂［4］。在國外，Wang等設計了一種新型輪式背部推拿機器人，可以實現輕拍、滾動、揉捏等多種推拿操作，并提出了一種改進的往復路徑規劃算法來提高推拿的覆蓋率［5］；Sajapin等設計了一種具有平面和空間并聯機構的新型智能推拿機器人［6］。

盡管國內外關于推拿機器人的研究很多，但是針對治療KOA的推拿機器人研究很少，市面上雖然有很多膝關節理療設備，不過這些設備多利用紅外加熱、體表震動等技術來實現其理療功能，主要用于正常人群的養生保健，不能代替醫師為患者治療。因此，在上述研究的基礎上，本研究結合坐位調膝法自身的臨床特性，設計了一種推拿機器人，主要目的是能夠代替推拿醫師為患者施加坐位調膝法，起到治療膝關節炎的作用，從而解決醫少患多的問題，使推拿醫師可以從長時間高負荷的體力勞動中解放出來，將精力投入到推拿手法的研究中，促進中醫推拿的進步。

1 推拿機器人設計

1.1 整體機械結構設計

臨床上，推拿醫師使用坐位調膝法時，雙手拇指按一定頻率和力度擠壓患者的內外膝眼，治療過程中患者配合治療醫師的動作站坐切換，以達到治療的效果［7］。通過運動捕捉系統和壓力采集系統對醫師施行坐位調膝法時的手法參數進行采集分析，坐位調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。

推拿機器人整體結構如圖1所示，由1-底座、2-絲桿、3-機械手、4-伺服電機、5-角度推桿、6-升降推桿以及7-萬向輪組成。根據實際臨床調研，部分病情嚴重的患者存在移動不便的問題，因此在底座下方設計了4個萬向輪，方便醫療人員將推拿機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其上方的機械臂上下平移運動，以滿足不同膝高的需要；角度推桿、升降推桿以及機械臂構成一個簡單的杠桿機構，將角度推桿的直線運動轉換成機械臂繞主軸方向的旋轉運動，從而模擬醫生拇指上下旋轉運動；由于坐位調膝法使用的手指僅為雙手拇指，因此在設計推拿機器人機械手時通過氣彈簧來模擬人手的拇指，簡化了整個機械手的結構設計。機械手通過支撐板安裝于滑塊之上，同時伺服電機也安裝在手指支撐板上。伺服電機的輸出軸上的齒輪與基座上的齒條組成齒輪齒條機構，將伺服電機的旋轉運動轉換成機械手指沿滑軌方向的左右平移運動，從而實現機械手對患者不同膝寬尺寸的調節。機械手固定在絲桿機構上，絲桿機構將伺服電機的旋轉運動轉換成機械手沿機械臂方向的水平前后平移運動，實現機械手對患者膝關節推拿作用。在機械手末端安裝了硅膠頭，使機械手指與患者之間的接觸變為軟接觸，提高推拿舒適性的同時也保護患者安全。

1.2 驅動控制設計

驅動控制模塊系統框圖如圖2所示，主要由內置計算機、伺服系統以及電推桿模塊組成。其中內置計算機實時接收伺服系統以及電推桿模塊傳輸的數據，將數據在上位機軟件上實時顯示，方便治療醫師實時監測仿生推拿機器人的運動狀態，當伺服電機或電推桿運行參數異常時，上位機軟件可以向治療醫師報警，治療醫師可以通過急停開關停止推拿機器人動作，保證患者安全。伺服系統由伺服電機、伺服驅動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動器中，伺服驅動器將程序指令以脈沖的形式向伺服電機輸入，同時伺服驅動器還能實時讀取伺服電機的轉速等信息并將信息向內置計算機中的上位機軟件輸出。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動，還能將升降柱以及角度推桿的運動參數實時向內置計算機中的上位機軟件傳輸。

圖1 推拿機器人整體結構Fig.1 The whole structure of the massage robot

圖2 驅動控制模塊系統框圖Fig.2 Drive control module system block diagram

推拿機器人伺服系統如圖3所示。推拿機器人使用伺服系統作為整個機器人的控制系統，其中涉及4臺伺服電機，包括2臺機械手行程控制伺服電機和2臺機械手指膝寬調節伺服電機。

2 仿真實驗結果分析

采用工業設計軟件UG8.5中的運動仿真模塊對推拿機器人仿真分析，分析其是否符合設計要求。

圖3 伺服系統Fig.3 Servo system

根據仿真結果可知：

（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，機械臂活動范圍為0～20 mm；

圖4 機械臂高度調節仿真結果Fig.4 Simulation results of height adjustment of manipulator

（2）拇指上下旋轉自由度如圖5所示，推拿階段，機械臂緩慢小范圍運動；推拿結束階段，機械臂回歸初始位置，機械臂快速大范圍運動，活動范圍為0～19°；

圖5 機械臂角度調節運動仿真結果Fig.5 Simulation results of manipulator angle adjustment motion

（3）手臂左右平移自由度如圖6所示，單側機械手活動范圍為0～10 mm，機械手膝寬調節范圍為

0～20 mm；

（4）手臂前后平移自由度如圖7所示，機械手水平運動的范圍為0～140 mm。均符合預期設計要求。

臨床上根據患者KOA的病情嚴重程度將病情分為4級，級別越高病情越嚴重，根據推拿專家的臨床經驗，一般KOA的病情越嚴重，所需要的推拿力度就越大，采集實驗的受試者為健康人，治療過程中產生的最大推拿力度為170 N。根據推拿專家臨床經驗對本次實驗的推拿力度進行放大，具體權重見表1。經過權重放大后最大的輸出力范圍為0～340 N。

圖6 機械手指膝寬調節運動仿真結果Fig.6 Simulation results of knee width adjustment

圖7 機械手沿機械臂方向活動范圍Fig.7 The range of motion of the manipulator

表1 輸出權重Tab.1 The output weights

仿真輸出力與采集的醫生施行坐位調膝法時的推拿力對比結果，如圖8所示。推拿機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，輸出波形與醫師推拿時的波形保持一致。同時機械手使用氣彈簧結構，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過渡。

圖8 仿真輸出力與醫生推拿力對比結果Fig.8 Simulation output force and doctor massage force comparison results

3 結束語

本研究通過手法采集實驗獲取推拿專家施加坐位調膝法時的手法生物力學參數，根據手法參數設計了一款4自由度推拿機器人。利用工業設計軟件UG8.5中的運動仿真模塊對中醫按摩機器人工作機構的有效性進行了分析和研究，驗證了基于坐位調膝法治療KOA的推拿機器人的可行性，具有極高的應用前景，是解決目前中醫推拿醫生資源緊缺的確實可行的方法。在未來的工作中，將對結構進行優化，使按摩機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。為了提高機器人系統的控制精度和交互能力，還將深入研究仿人按摩機器人的控制算法，進一步完成按摩機器人的研制。