基于中醫(yī)推拿手法的柔性拍打裝置設(shè)計(jì)

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

0 引言

隨著時(shí)代節(jié)奏加快，生活和工作壓力日增，人們的健康問(wèn)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(duì)促進(jìn)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(jìn)行，且推拿手法因人而異，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化[4]。而推拿機(jī)器人作為將機(jī)械、檢測(cè)等技術(shù)綜合在一起的產(chǎn)物，可用以替代技師進(jìn)行推拿操作[5]。

諸多學(xué)者針對(duì)中醫(yī)推拿機(jī)器人開(kāi)展了系列研究。JONES等[6]研制出肩部按摩機(jī)器人，驗(yàn)證了機(jī)器人完成人工按摩手法的可行性。KANG等[7] 開(kāi)發(fā)了一款敲擊式推拿裝置，可以對(duì)背部進(jìn)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(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)柔性按摩機(jī)械手爪，該手爪使用氣囊實(shí)現(xiàn)柔性按摩。XING等[10]設(shè)計(jì)的柔性背部按摩機(jī)器人，可以適應(yīng)不同的按摩強(qiáng)度要求。LIU等[11]設(shè)計(jì)了一種小型按摩機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)不同的按摩手法。LIU等[12] 提出一種軟按摩機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)氣體壓強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)不同的推拿手法。SAJAPIN[13] 提出一種智能按摩并聯(lián)機(jī)器人，并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

與其他手法不同，拍打是一種較為獨(dú)特的推拿手法，速度和節(jié)奏是拍打動(dòng)作中的重要特征，需要很好地控制，而由于其運(yùn)動(dòng)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(wèn)題。

針對(duì)上述狀況，本文基于對(duì)中醫(yī)推拿手法的分析提出一款柔性拍打裝置，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)仿真分析，試制樣機(jī)后開(kāi)展了拍打力測(cè)試試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

1 拍打裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)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(fù)拍打動(dòng)作。一個(gè)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(yīng)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(dòng)作。

通過(guò)上述分析，仿中醫(yī)拍打裝置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求：能夠重復(fù)完成拍打動(dòng)作，在拍打的瞬間拍打桿與施術(shù)部位垂直，且不會(huì)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(wú)需受術(shù)者挪動(dòng)，能夠自動(dòng)變換拍打位置；可適應(yīng)人體體表凹凸不平的曲面變化。

進(jìn)而，拍打裝置主要可分為拍打與調(diào)姿兩部分，拍打機(jī)構(gòu)用以完成拍打動(dòng)作，并采用柔性設(shè)計(jì)，以保證拍打桿能夠適應(yīng)一定高度變化；調(diào)姿機(jī)構(gòu)用以固定拍打機(jī)構(gòu)，保證拍打位置與姿態(tài)的準(zhǔn)確，同時(shí)實(shí)現(xiàn)拍打部位的自動(dòng)變換。

1. 2 拍打機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

拍打動(dòng)作是一個(gè)擺動(dòng)式的往復(fù)動(dòng)作，考慮到電動(dòng)機(jī)的使用壽命與效率，采取整周轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)作方式為宜，故可利用曲柄搖桿實(shí)現(xiàn)。但在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（圖1）中，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，伸出端進(jìn)行拍打動(dòng)作的連桿擺到極限位置即會(huì)停止，且到達(dá)拍打位置時(shí)的速度為0，不能實(shí)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(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)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(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一個(gè)按壓力，就不會(huì)產(chǎn)生拍打的效果，同時(shí)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(gè)速度后，需要將二者“分離”，依靠竹片的慣性繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，使得在竹片到達(dá)人體的瞬間仍有相當(dāng)?shù)乃俣龋M(jìn)而完成一次拍打。

由以上分析，基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在其末端增加一個(gè)柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿往復(fù)擺動(dòng)，依靠拍打竹片自身的慣性完成拍打動(dòng)作。同時(shí)，由于竹片依靠慣性運(yùn)動(dòng)需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，則在此期間的任一時(shí)刻拍打到人體都會(huì)產(chǎn)生拍打效果。因此，本方案具有一定的高度適應(yīng)能力，并且更為實(shí)用。

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

在拍打連桿抬起時(shí)，柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處扭簧通過(guò)預(yù)緊力克服拍打竹片的重力，保證拍打竹片與連桿之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；在拍打連桿落下時(shí)，二者一起向下運(yùn)動(dòng)；在拍打連桿到達(dá)極限位置時(shí)，拍打竹片因?yàn)閼T性的作用相對(duì)于連桿發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至拍打到施術(shù)部位為止。假定搖桿向下擺動(dòng)為去程，向上擺動(dòng)為回程，則控制去程時(shí)電動(dòng)機(jī)的速度，即可控制拍打竹片接觸到人體時(shí)的速度，進(jìn)而控制拍打力度；控制回程時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，即可控制兩次拍打間隔的時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)頻率。

1. 3 調(diào)姿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用機(jī)械臂也可實(shí)現(xiàn)推拿手法操作，只是結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)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(jī)器人能夠拍打到不同高度的部位、在人不移動(dòng)的情況下拍打到沿身長(zhǎng)的不同位置，以及拍打部位從身體正面變換到側(cè)面時(shí)竹片與拍打位置相切，需要空間內(nèi)3個(gè)方向的移動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度配合實(shí)現(xiàn)。為此，提出一種調(diào)姿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。該機(jī)構(gòu)整體通過(guò)3個(gè)萬(wàn)向腳墊支撐，采用可收縮的套管實(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)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(cè)方便，伸縮桿可調(diào)節(jié)末端執(zhí)行裝置的高度范圍設(shè)為250～340 mm。

伸縮桿頂端安有舵機(jī)，可以進(jìn)行小范圍旋轉(zhuǎn)，方便同一高度不同位置的拍打。舵機(jī)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(jī)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，便于機(jī)構(gòu)調(diào)整姿態(tài)。但如此布置，裝置的重心將偏向于電動(dòng)機(jī)一側(cè)，故通過(guò)調(diào)整為裝置供電的鋰電池位置來(lái)調(diào)整重心，在不額外增加配重的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了裝置的平衡。

2 拍打裝置動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)速度和加速度，而竹片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定著拍打的質(zhì)量，故對(duì)扭簧進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，建立機(jī)構(gòu)去程和回程動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)理論與仿真分析。

2. 1 扭簧參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。為使圖4所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸盡可能小，同時(shí)保證必要的強(qiáng)度，取最短桿即曲柄的長(zhǎng)度r1 為10 mm。進(jìn)而，綜合考慮曲柄存在條件，以及當(dāng)曲柄和連桿重合時(shí)，搖桿若處于水平位置，則可保證拍打時(shí)竹片垂直向下提供拍打力，取搖桿r2、連桿l、機(jī)架d 長(zhǎng)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(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(zhǎng)度。根據(jù)拍打裝置的實(shí)際需求，取BC 長(zhǎng)度l3 為39 mm、CE長(zhǎng)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(jì)算扭簧初始預(yù)緊角度。在拍打連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，拍打竹片與拍打連桿發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，需滿足

式中，Mnc 為扭簧初始預(yù)緊扭簧，N?m；JC 為拍打連桿對(duì)C 點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2。

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

由圖4 可知：α1 + φ2 = α2 + φ1，則拍打連桿與機(jī)架夾角φ2 = f （φ1 ）。進(jìn)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(fù)方向）為30. 58 rad/s2，此時(shí)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(shí)拍打竹片與拍打連桿不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，圓整取φc=60°。由式（1）可求得，此時(shí)φ2 的角度φ21=1. 28 rad，進(jìn)而由

可得，拍打連桿角速度ω21=11. 22 rad/s。

2. 2 拍打機(jī)構(gòu)去程動(dòng)力學(xué)計(jì)算

圖7所示為拍打機(jī)構(gòu)去程動(dòng)力學(xué)分析。由圖7可知，當(dāng)拍打連桿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，由力矩平衡可得mg cos（φ21 - 0.622 - φ3 ）l4 - kn （φ2 + φ3 - φ21 + φc ）

通過(guò)龍格-庫(kù)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(diǎn)進(jìn)行二次函數(shù)的擬合，可得

人體被拍打瞬間，設(shè)拍打桿上的拍打點(diǎn)為F，如圖8所示。

計(jì)算結(jié)果表明，拍打到人體時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)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(jī)構(gòu)回程動(dòng)力學(xué)計(jì)算

當(dāng)拍打連桿回程時(shí)，滿足式（3），由龍格-庫(kù)塔法求解微分方程，初值φ3=0、φ3'=0，自變量時(shí)間t的求解范圍為0. 162～0. 445 s。計(jì)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(guò)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(guò)程中將發(fā)生碰撞，產(chǎn)生沖擊力，影響裝置穩(wěn)定性，應(yīng)予以避免。

2. 4 拍打裝置穩(wěn)定性仿真

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

對(duì)電動(dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)副施加step函數(shù)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算所得轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(gè)腳接觸情況均視為橡膠與鋁接觸，結(jié)合前述計(jì)算結(jié)果設(shè)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。可見(jiàn)受力呈周期性變化，表明裝置已進(jìn)入到穩(wěn)定工作狀態(tài)。拍打連桿的回程時(shí)間為0. 623～1. 033 s，此處受力出現(xiàn)無(wú)接觸力的情況，但持續(xù)時(shí)間很短，雖然此時(shí)拍打連桿與竹片反復(fù)相撞，但是此時(shí)兩者并未發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。拍打連桿的去程時(shí)間為1. 033～1. 254 s，在1. 1 s后出現(xiàn)一段無(wú)接觸力的情況，說(shuō)明此時(shí)拍打竹片相對(duì)拍打連桿發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以完成拍打動(dòng)作，符合設(shè)計(jì)要求。受力最大值也出現(xiàn)在去程中，此時(shí)情況應(yīng)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(dòng)，以免此力對(duì)裝置產(chǎn)生影響。

圖13為支撐腳的受力圖。可見(jiàn)3個(gè)支撐腳的受力始終大于0，表明支撐腳未離開(kāi)地面。

圖14所示為其中一個(gè)支撐腳的位移變化曲線。其最大值不超過(guò)0. 04 mm，為仿真分析中多會(huì)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(dòng)，表明了裝置拍打工作時(shí)的穩(wěn)定性。

圖15所示為拍打竹片與人體接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度變化曲線。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到0. 547 s時(shí)，拍打到人體，此時(shí)速度為3. 5 m/s，與動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果相符。

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

3 拍打裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

拍打裝置實(shí)體樣機(jī)如圖16所示。試驗(yàn)方式為取拍打擋位3、6、9、12，利用拍打力測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)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(dāng)拍打擋位逐漸增大時(shí)，拍打力度也呈上升趨勢(shì)，驗(yàn)證了拍打力度調(diào)節(jié)功能。

施術(shù)者按實(shí)際拍打按摩人體能長(zhǎng)時(shí)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(cè)得人工拍打力數(shù)據(jù)，如圖17所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，人工拍打所能達(dá)到的最大力度在拍打裝置9擋、12擋所能實(shí)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?shí)現(xiàn)與人工拍打相近的拍打效果。

4 結(jié)論

通過(guò)分析中醫(yī)推拿拍打手法，確立設(shè)計(jì)要求，提出柔性旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合的柔性拍打機(jī)構(gòu)；完成關(guān)鍵件（扭簧）參數(shù)設(shè)計(jì)，建立動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行參數(shù)計(jì)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(kāi)展了實(shí)體樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。得出以下結(jié)論：

1） 所設(shè)計(jì)柔性關(guān)節(jié)使得拍打裝置可適應(yīng)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(dòng)力學(xué)計(jì)算所得相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的動(dòng)作功能，仿真分析結(jié)果驗(yàn)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。