安全中醫按摩機器人臂系統探究
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摘要：本文對中醫按摩機器人臂系統進行設計研究，思考中醫按摩機器人臂的設計方法，包括結構及控制系統，其中又包括軟件系統及硬件系統等，也要關注安全保障系統設計，避免機器人在按摩時發生失控的情況，以免對人體產生損傷，通過多項系統設計，保證機械人臂系統運行的穩定性。
中醫按摩作為中醫中具有特色的項目，是一種對人體沒有毒副作用的療法。秦漢時期的《黃帝內經》中已經有關于按摩的記載。新中國成立后，我國衛生部門關注中醫發展，中醫按摩的手法不斷整理，按摩更加規范，通過按摩調整人體功能，改善機體病理狀態，達到舒經活絡及行氣止血的效果。中醫按摩可治療疼痛及心血管疾病等，具有強身健體及延年益壽的效果。現階段，市場上按摩器械不足，通過機器人模擬專家按摩手法，最終達到治療的目的。現階段，柔性關節機器人設計理念引入按摩機器人領域，通過輕量化設計，保證機器人能完成按摩手法。對此，本文對中醫按摩機器人臂系統進行分析。
1中醫按摩機器人臂設計
1.1按摩手臂運動特點
在中醫推拿過程中，針對人體不同疾病，按摩不同的穴位，按摩手法也存在差異，包括指捏法、掌推法、滾壓法等，在設計過程中，X軸代表拇指伸的位置，Y軸則是小指中段位置，Z軸代表手掌中心垂直的上側位置。設計過程中取Z軸與按摩手表面垂直，以此完成指錐法按摩，不同按摩方法的X、Y、Z軸存在差異，掌面與按摩平面涉及的因素不同，通過中醫按摩對推拿方法進行模仿，達到不同的按摩目標，滿足人體對按摩的要求，對此，在中醫按摩機器人設計過程中，應當根據按摩方法設計手臂結構。比如，在推法設計過程中，使用手指及手掌、肘部等完成按摩，自患者的背部完成平移運動。推法在實施過程中，自Z軸垂直人體，在Y軸及X軸上不斷平移，具有3項自由度，包括施力方向、垂直作用力方向、平移運動方向。
1.2按摩手臂結構的實現方法
自中醫推拿理論角度進行分析，設計一種中醫手臂按摩方法，主要是對背部進行按摩，在設計過程中，采取模塊式設計方法，四個手指保持左右對稱，手指包括遠近兩個端面，手指近端包括長連桿及連接艙，通過齒輪帶動指節活動，按摩滾輪自左右兩端與連接艙相連，自基座下完成電機驅動絲杠正反運動，帶動連接塊上下活動，對指關節及手臂形態進行調整。拍打模式則是手腕及手肘活動，按摩手掌則是保持一個姿勢，在手臂前端可以設置拍打頭，在按摩底座下與機械臂固定，不同按摩方式需要機械手臂之間做好配合。在捏拿按摩時，保留兩指及多指按摩，機械臂需要移動到穴位上，舵機對手臂轉動進行控制，調節手臂指尖姿態，絲杠帶動滑動模塊完成相關的運動，完成上下及相對運動，相對指節過近的情況下，舵機控制手指活動，調節按摩姿態，配和連接塊上下運動，或者調整捏拿力度，手指轉動后會被連接艙擋板限制，為保證手指調整到一定的角度，還需關注手指轉動壓力，見圖1。滾輪按摩過程中，將滾輪作為元件。設計滾壓輪及拿按輪，滾壓輪上有刺激穴位的凸起點，在滾壓過程中，能對穴位產生刺激。在機械臂移動到按摩位置上后，通過舵機進行指揮，調整按摩手指位置，避免遠端指節與滾輪相互影響。捏拿按摩過程中，可以利用絲杠對關節姿態進行調整，配合機械臂帶動滾輪運動，完成肩部捏拿按摩。滾壓按摩過程中，對關節姿態進行調整，配合機械臂帶動滾輪完成人體背部按壓。
2機械臂控制系統
2.1系統硬件
中醫按摩機械臂控制系統包括Can總線、Fpga控制器及人際交互觸摸屏等，操作人員在人機交互的模式下，利用觸摸屏控制機械臂運動，完成相關的按摩手法，操作力度及次數通過智能屏傳遞到工控機，工控機將期望手法轉變為計算機語言，通過動力學計算方式對機器人關節旋轉角度進行調整。使用Can總線傳遞角度信息，將信息有效傳遞到Fpga控制器，使機械人完成期望的按摩方法，控制系統見圖2。在機械臂控制系統搭建過程中，基于Faga硬件平臺完成SOPC設計，在設計機械臂過程中，應當對關節力矩及電流等進行采樣，根據算法對電機進行控制。在研究過程中，通過IP核方法完成直流無刷電機控制，系統響應速度快。中醫按摩機器人與傳統機器人存在差異，在設計過程中需要搭建按摩機器人平臺，其中，手臂內部存在兩個增量式光電編碼器，結合關節設計，對關節力度進行調整，彈性單元角轉過角度可通過系統計算，從而獲得數據力矩。增量式光電編碼器會輸出A、B、Z/3根信號，在設計過程中，可能涉及電磁干擾，容易對光電碼盤信號產生影響，對此，設計光電碼盤差分輸出方法，保證電路的抗干擾能力。為保證碼盤的精度，可以對信號頻率進行調整。傳遞的信號記錄到寄存器，檢測后的信息通過AVALON總線協議處理，最終傳輸到總線上。
2.2系統軟件
在系統軟件上，利用嵌入式C程序完成開發，開發算法包括速度控制及位置控制、力矩控制等，包括主程序及驅動程序、算法程序。其中，主程序的任務在于接收上位機的信息，根據不同的命令對子程序進行調整，一旦發生運行異常，及時對問題進行處理，將異常情況上報到上位機中。異常子程序中含有力矩限制保護子程序及過速保護子程序等。命令處理子程序中包括PID調節子程序及傳感器標定子程序、信息反饋子程序。B驅動子程序設計過程中，需要對驅動系統進行設計，硬件驅動設計過程中，針對應將寄存器中的參考地址進行分析，建立硬件操作文件，其中定義寄存器，根據硬件特點，構建操作函數模型。C算法子程序設計過程中，利用PD算法對系統力矩及阻抗等進行設計，速度與位置連接后，速度是內環，位置是外環，完成位置及速度的同步調控，力矩獨立實現，在位置及力矩等控制過程中，為有效控制軟件，應當根據實際情況設計限制保護量值。
3安全保障系統設計
機器人會受到一些因素影響，導致操作故障，或者發生失控等問題，導致被按摩的人群發生損傷，對此，在設計機械臂過程中，也要關注安全保障系統設計，根據按摩者的按摩需求設計安全保證體系，并對保障體系進行分級處理。一旦發生故障或者失控情況，可最大程度的保護被按摩者的安全。安全保證系統中包括醫護人員保護從事及機械系統保護措施、軟件系統保護措施等，系統將人員的安全作為最高等級，根據不同優先級對響應措施展開設計。（1）在用戶保障設計過程中，機器人與用戶發生接觸，通過感覺反饋系統，判斷機器人是否處于安全狀態，在系統設計過程中，可設置緊急開關，保障被按摩者的安全。急停開關放在靠近按摩者的方位，一旦機器人發生異常，可通過急停開關切斷電源，避免機器人繼續對按摩者進行傷害。重新通電后，機械人回到原位等待作業命令。（2）醫護人員保障措施上，該措施是保障機器人穩定運行的第二個層面，在作業過程中，醫務人員會操作機器人，判斷是否存在風險，避免機器人發生失控問題。用戶發生緊張無法有效切斷電源，該系統與用戶保障系統具有相似性，醫務人員設置緊急停頓開關，作用與用戶保障措施相同。（3）機械系統保護措施：中醫按摩機器人采取輕量化設計，為保證人體接觸時動量小，可對減重孔進行加工，從而設置安全力矩閾值，一旦關節力矩超過閾值，則改變運動按摩方法，保證被按摩者的安全。
4結語
現階段，人們對生活質量的要求增高，智能化機器人在服務領域大放異彩，研究人員逐漸將目光放在中醫按摩機器人上。中醫按摩機器人作為服務型機器人，具有復雜的非線性系統，同時又具有廣闊的市場。對此，在研究過程中，應當合理設置機器人手臂系統，掌握系統結構設計方法，并使用先進的控制硬件及軟件，對安保系統進行規劃，保證各個系統的運行效率，提升人們的按摩體驗，達到理想的設計目標。
參考文獻：
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作者:楊志威 馮國斌 單位:廣東省輕工業技師學院
