仿生柔性按摩機器人的設計與實現※

彭金嬋,陸春辰,李彥博,張鴻天,范新巍,李繼安

(華北理工大學,河北 唐山 063210)

1 研究背景

1.1 中醫按摩的意義及存在的問題 中醫按摩是在人體體表運用各種手法及某些特定的肢體活動防治疾病的中醫外治法,具有運行氣血、舒筋活絡、提高免疫力的作用,是中醫學的重要組成部分。先秦時期即有關于中醫按摩的記載,《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,子術按摩。”秦漢時期,隨著中醫學的發展,中醫按摩已發展為具有一定特色的學科,出現了我國歷史上第1部按摩專著——《黃帝岐伯按摩經》。宋金元時期,中醫按摩臨床診療技術不斷豐富。清代太醫院教科書《醫宗金鑒》總結出摸、接、端、提、按、摩、推、拿傷科八法。迄今為止,中醫按摩已積累了大量的臨床實踐經驗。中醫按摩主要治療各種慢性疾病,如頸、肩、腰、腿痛及中風后遺癥等,并且有預防保健作用。該療法操作簡便,效果良好,是現代社會人們普遍接受的一種治療方式,但需要醫患進行一對一治療,不僅耗費人工,而且對按摩師的技術要求也較高,按摩師需經過系統的學習和實訓。目前,中醫按摩市場存在技術不過關及經營不規范等問題,不僅難以起到治療作用,還可能造成患者肢體軟組織損傷、關節脫位、骨折,甚至高位截癱等不良后果,嚴重危害患者的身體健康。

1.2 研制仿生柔性按摩機器人的必要性 隨著世界人口老齡化進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)的發生率逐年升高,給患者造成身心痛苦,并給家庭、社會帶來沉重的經濟負擔。如何應對嚴峻的CMP高發問題,提高國民體質,改善其生活質量已成為當今社會關注的焦點。結合智能技術,開發便于居家應用及基層醫療機構使用的新型智能康復治療器械是較為有效的途徑[1]。隨著科技的迅速發展,應用智能化按摩機器人模擬高級按摩師的技術已成為可能,開發智能機器人以解決患者多、專家少、診療復雜、治療效果不佳等現實問題,可滿足當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器人迫在眉睫。

現有按摩機器人主要存在以下問題。首先,機器人以模擬按摩手法運動軌跡為主,缺乏對患者體征的有效檢測和按摩方式的優化分析,以經絡、穴位為治療模型的手法調理效果仍難以滿足不同人群的個性化需求[2]。其次,由于按摩技藝具有連續性、節律性、動態調控等特點,傳動裝置和執行裝置的動態響應、靈活性和穩定性還有待提高。

2 按摩機器人國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀 中醫按摩及醫療服務機器人已獲得世界各國的關注,其中以日本、韓國和法國等國家為主要開發群體,其憑借先進的研發技術及資源優勢,開展了大量的中醫按摩及醫療機器人的臨床研究。1996年,日本三洋電機有限公司機電一體化研究中心KUME M等[3]發明智能機械按摩療法操作單元(MTU),驗證了智能人形按摩手臂機器人的可行性。2006年,日本豐橋技術科學大學和岐阜大學工業高等專門技術學校MINYONG P等[4]研制仿人多手指按摩機器人,其按摩功能更為多樣。2007年,日本早稻田大學和日本朝日大學牙科院KOGA H等[5]發明面部皮膚康復按摩機器人 WAO-1,幫助頜骨病患者緩解癥狀。2020年,KICKSTARTER發明了個人頭戴式太陽穴及眼角按摩儀LEROU Robot,不僅舒適便攜,同時具備長續航、高性價比等多種優勢。2020年,英國普利茅斯大學和法國CapSix Robotics公司的研究人員研制出可以提供個性化按摩的機器人。由此,筆者認為借鑒國際按摩機器人技術、人工智能技術,并結合中醫理論及按摩手法開發新一代中醫智能按摩機器人是一個具有前景的研究方向。

2.2 國內研究現狀 國內按摩機器人的研究側重于設計人體機械按摩結構和分析人體按摩操作手法原理。2004年,江蘇大學與廈門集美大學機械工程學院共同設計了1款新型醫用自動推拿按摩機器人[6]。2008年,在國家“863”計劃支持下,山東建筑大學開展對中醫按摩機器人的研究,實現從理論到樣機的研制[7]。2014年,北京理工大學智能機器人研究所研制了1款中醫按摩機械臂,其具有4個自由度,能夠完成點按、指揉、彈撥3個按摩手法動作,實現臥式和坐式兩種按摩方式[8]。2020年,奧佳華AI按摩機器人在業界率先采用NIDEC無刷電機,搭載四核處理器,協同毫米級精度傳感器,采用新一代無刷變頻溫感機芯,并配備皮電反應傳感器與脈搏血氧傳感器,可快速檢析人體多項疲勞指數,配合用戶基本身體指標,解讀人體生理參數。

3 仿生柔性按摩機器人的結構設計及功能

3.1 主體結構 支撐架是承載所有工作單元的框架,同時也負責按摩過程中人與按摩機器人在坐標軸的位移運動,是保證按摩機器人在按摩過程中精度的根本,其主要構成包括主體機架、防滑輪組、驅動電機及其可替換組件3個部分。見圖1。

圖1 仿生柔性按摩機器人支撐架主體結構示意圖

主體機架由型材與角鐵組成,在材料性質上具有高穩定性、高強度、高安裝精度的優點。此外,主體機架易拆裝,拆后可以大幅度縮小體積,方便運輸。主體機架高度調節范圍參考中國成年人身材數據范圍設計(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器人對于不同身材患者的兼容性。防滑輪組采用GM25BLDC直流無刷齒輪減速電機配合膠輪。采用膠輪而不是更加靈活、精準的麥克納姆輪,是因為膠輪與絕大部分家具材料都有較大的相對摩擦,不易發生位移,能保證在按摩過程中不會因為反作用力影響按摩精度。驅動電機采用42BYGH步進電機,該電機轉速均勻,輸出穩定,并且便于控制。電機輸出端連接同步輪、同步帶,同步帶上設有一個3D打印件,可根據患者的不同癥狀及需求替換末端執行器,進行按摩、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,人手實施手法,需要依靠多根手指及掌面的配合[11]。筆者將按摩機器人的按摩手掌簡化為兩根由電動推桿驅動的柔性按摩手爪及配合振動馬達的軟膠柔性手掌組成的復合機構。42 BYGH步進電機驅動同步帶,用光軸進行虛約束,以進行不同按摩部位高度的控制。具有3個自由度的球鉸可以保證角度貼合[12]。按摩手掌整體結構見圖2。

圖2 仿生柔性按摩機器人按摩手掌結構示意圖

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階段。抽氣階段使用42 BYGH步進電機對氣泵進行反復牽引[13]。拔罐時電機增大輸出,使彈簧壓縮,氣泵突破,實現拔罐的目的。研制過程中需要通過多次實驗確定氣泵的力度,再結合電機的輸出進行受力分析,進行彈簧的選型。氣罐拔罐整體結構見圖3。

圖3 仿生柔性按摩機器人氣罐拔罐裝置結構示意圖

3.4 艾灸模塊 艾灸模塊以光軸進行方向上的指引,以同步帶進行驅動,以球鉸校正人體表面凹凸產生的角度差,進而實現艾灸操作[14]。使用市面上常見的艾灸盒綁扎固定,方便替換。艾灸整體結構見圖4。

圖4 仿生柔性按摩機器人艾灸裝置結構示意圖

4 仿生柔性按摩機器人的控制系統設計

4.1 硬件控制系統設計 在設計過程中,為了使按摩機器人具有較小的體積及對地映射面積,單純使用步進電機和舵機并不能滿足相應需求。因此在硬件的整體移動部分,與地面接觸面采用直流減速驅動以達到X軸向移動,上層采用步進電機驅動以達到Y軸向移動,同時上層使用可以帶動向上、向下的步進電機以達到3個自由度的移動效果[15]。基于stm32的柔性按摩系統控制部分由電源管理、直流電機驅動、步進電機驅動、無線藍牙模塊組成[16]。直流電機部分采用60∶1的25GA-370直流減速電機,電機驅動器采用L298N,使用pwm控制L298N保證穩定輸出較高的電流。步進電機驅動部分采用A4988步進電機驅動模塊驅動42BYGH40S步進電機[17]。無線藍牙模塊采用HC-05通過uart與單片機進行通信,手機與HC-05無線連接以控制步進電機。硬件控制系統見圖5。

圖5 仿生柔性按摩機器人硬件控制系統示意圖

4.2 軟件系統控制設計 按摩機器人主控制器采用stm32的單片機系統,系統上電之后執行初始化程序,檢測電池電量,如果不足則提示電量過低,檢測減速直流電機和步進電機是否處于連接狀態,檢測藍牙是否處于連接狀態,初始化程序執行完畢表示系統正常,可以使用手機藍牙對按摩機器人進行操作[18]。軟件控制系統見圖6。

圖6 仿生柔性按摩機器人軟件控制系統示意圖

5 仿生柔性按摩機器人的樣機制作及實驗研究

5.1 仿生柔性按摩機器人原理樣機的制作 前期原理實驗順利,筆者直接將仿生柔性按摩機器人原理樣機進行簡易改裝、組合,形成現在的樣機。仿生柔性按摩機器人是將多種已有成熟框架的機體進行組合的再創造機器人。主體機架運作模式類似于3D打印機,但并不需要3D打印機的超高精度。因此,筆者在其基礎上進行了簡化以降低成本,舍棄了底部的絲桿,使用更廉價、更方便的膠輪與電機,從而以較低成本實現較高精度及較高強度的運動。

5.2 仿生柔性按摩機器人性能評估實驗 中醫按摩力度范圍為40～60 N,筆者選取最大輸出力為60 N的電動推桿,通過調節電流大小改變其力度的輸出。因為其結構簡單且是直接鏈接,所以功率的損失極小[19]。實驗利用薄膜壓力傳感器IMS-C10A和測力計NK-100N分別測量掌、指手法力度。首先,測量指法力度,調整手爪的位置,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內手掌內部傳感器的有效力值。然后,應用測力計按照相同的方法測量1次指振的輸出力大小,記錄20 s內測力計數值,取平均值,對平均值進行曲線擬合,并且與理論輸出值比較。掌法力度測試實驗中,對20 s內每次正壓下的掌力取平均值,以每秒1次的頻率工作,對20個值進行參數擬合,得到手掌力-氣壓曲線,并與理論輸出值比較。在確保機器輸出符合理論預期后,研究成員體驗了按摩機器人的按摩,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 總結與展望

日本、韓國等國家非常重視按摩醫療機器人的研發,但大部分研究還沒有形成真正的技術產品。國內按摩醫療機器人的技術研究主要停留在產品設計、原理技術仿真和自動樣機試制階段,在按摩醫療機器人自動控制方法、仿人按摩機器人手臂技術方面,還沒有相對成熟的成果。總體而言,我國按摩醫療機器人技術研究目前處于技術起步階段,落后于世界先進水平。將人工智能技術、現代機器人按摩技術與我國傳統中醫經絡、腧穴等按摩理論相結合,已成為我國按摩醫療機器人研究發展的主要方向。本研究設計的仿生柔性按摩機器人具有一定的開創性,兼具按摩、拔罐、艾灸多項功能及智能控制的優勢,期望通過醫工結合科學研究,為我國智能按摩機器人在醫療保健領域的廣泛應用助力,造福廣大CMP患者,促進中醫現代化發展。