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便携式颈肩康复按摩机械手的研发与性能测试

添加时间:2020/08/29 来源:吉林大学 作者:郑小石
目前在按摩器械技术方面的研究已经取得较大的进展和突破,并且市场上已经出现不同类别的针对颈椎问题的按摩器械,但现有的系统和研究仍然存在着问题。
以下为本篇论文正文:

摘 要

  颈椎是人体十分重要的运动部分,但由于其活动的频率高和范围广,颈椎也是最容易疲劳甚至患病的部位。目前,颈椎病成为了临床常见病,其发病性质为退行性病变,它的主要表现为头和颈肩部位疼痛以及手和手臂部位麻木,严重者甚至会导致瘫痪,因此,设计按摩机械手通过放松颈肩部肌肉对颈椎病进行预防十分重要。

  目前在按摩器械技术方面的研究已经取得较大的进展和突破,并且市场上已经出现不同类别的针对颈椎问题的按摩器械,但现有的系统和研究仍然存在着问题:小型的按摩仪器方便携带但按摩手法单一,导致其最终的按摩效果较差;较大型的按摩机器人不方便携带,导致使用局限性较大;并且在研究时对于按摩效果的评估更多的是来自使用者自己的主观感受,缺少科学的生理指标来对按摩效果进行评估和表征。基于以上考虑,本文设计开发了能完成四种按摩手法的便携式颈肩康复按摩机械手,并进行了相关的试验研究来评估按摩效果。

  本文首先对国内外按摩机器人的研究现状进行调研,并对按摩机器人目前在研究方面存在的主要问题进行总结和分析,结合目前中医按摩手法的研究进展,针对人体颈肩部位设计了一种颈肩康复按摩机械手,通过一系列的设计、仿真、加工、装配、校准等工作,最终完成整个机械手的开发过程。

  本文根据颈肩康复按摩机械手的按摩功能需求进行理论分析,确定了机械手机械结构仿生设计方案,根据中国成年人标准人体尺寸 GB 10000-88 进行参数的确定和相应参数计算,在 MATLAB 的 Robotics Toolbox 工具箱中完成运动学仿真模型的创建,并对手指末端运动轨迹进行仿真,之后在 CATIA 中完成三维模型的创建,并最终完成了颈肩康复按摩机械手的整机仿生设计。

  为了在物理样机加工之前验证其合理性,在 ANSYS Workbench 中对整机和关键结构进行了动静态力学仿真分析,并且通过静力学仿真分析的方法探究了按摩头软硬变化对施力效果的影响;在 ADAMS 中使用 STEP 函数对整机的运动学进行仿真分析,重点研究和分析手指和手掌的末端按摩头的运动轨迹,为整机加工装配提供基础。

  基于 LabVIEW 编程语言为物理样机编写了电机控制程序,使用智能网关USBC9100 完成上、下位机的硬件连接,通过 CAN 与 USB 之间的转换实现上位机(电脑)和下位机(电机驱动器)之间的通信,根据应用需求编写了四种按摩模式自动切换的电机控制程序代码,并进行了大量的调试和验证,保证在后期试验和应用过程中能够满足要求。

  最后对颈肩康复按摩机械手进行了性能测试,使用仿人体皮肤硅胶块代替人体进行压力试验,测试压力的传感器选择基于 Arduino 平台的 Flexiforce 薄膜压力传感器进行实时压力测量,通过大量的重复性试验验证按摩机械手输出性能的稳定性。最后对按摩效果进行试验验证,确定按摩部位为斜方肌上束及其上方皮肤区域,并进行多组按摩试验,采用红外热像仪对受试者斜方肌上束及其上方皮肤区域进行了多组按摩试验,获取了受试者按摩前后皮肤表面温度的变化特征,综合评估了按摩机械手的按摩效果。

  关键词:康复按摩,仿生设计,仿真,电机控制,性能测试

便携式颈肩康复按摩机械手

Abstract

  Cervical spine is a very important part of human movement, but because of its high frequency and wide range of activities, cervical spine is also the most vulnerable part of fatigue and even disease. At present, cervical spondylosis has become a common clinical disease, and its pathogenesis is degenerative disease. Its main manifestations are pain in head, neck and shoulder, numbness in hand and arm, and even paralysis in severe cases. Therefore, it is very important to design massage manipulator to prevent cervical spondylosis by relaxing neck and shoulder muscles.

  At present, the research on massage equipment technology has made great progress and breakthrough, and different types of massage instruments for cervical problems have appeared in the market, but there are still problems in the existing system and research: small massage instruments are easy to carry, but the massage hand method is single, resulting in poor massage effect; larger massage robot is not convenient to carry And in the study, the evaluation of massage effect is more from the user's own subjective feelings, lack of scientific physiological indicators to evaluate and characterize the massage effect. Based on the above considerations, this paper designs and develops a portable neck shoulder rehabilitation massage manipulator which can complete four kinds of massage techniques, and carries out relevant experimental research to evaluate the massage effect.

  In this paper, firstly, the research status of massage robot at home and abroad is investigated, and the main problems existing in the research of massage robot are summarized and analyzed. Combined with the research progress of massage techniques in traditional Chinese medicine, a neck shoulder rehabilitation massage manipulator is designed for the neck and shoulder of human body Finally, the whole development process of manipulator is completed.

  According to the massage function demand of neck shoulder rehabilitation massage manipulator, the bionic design scheme of mechanical mobile phone is determined. According to the Chinese adult standard body size GB 10000-88, the parameters are determined and the corresponding parameters are calculated The kinematics simulation model is created in the toolbox, and the motion trajectory of the end of the finger is simulated. Then the three-dimensional model is created in CATIA. Finally, the bionic design of the neck shoulder rehabilitation massage manipulator is completed.

  In order to verify the rationality of the physical prototype before processing, the dynamic and static mechanical simulation analysis of the whole machine and key structure is carried out in ANSYS Workbench, and the influence of the soft and hard changes of the massage head on the force application effect is explored through the method of static simulation analysis; step is used in ADAMS Function to simulate the kinematics of the whole machine, focusing on the research and analysis of the movement track of the end massage head of fingers and palms, which provides the basis for the processing and assembly of the whole machine.

  Based on LabVIEW programming language, the motor control program is written for the physical prototype, and the hardware connection between the upper and lower computers is completed by using the intelligent gateway usbc9100, and can is connected with USB According to the application requirements, the motor control program code for automatic switching of four massage modes is compiled, and a large number of debugging and verification are carried out to ensure that the requirements can be met in the later test and application process.

  Finally, the performance of the neck shoulder rehabilitation massage manipulator is tested, and the pressure test is carried out by using silicone block simulating human skin instead of human body. The flexforce membrane pressure sensor based on Arduino platform is selected for real-time pressure measurement. The stability of the output performance of the massage manipulator is verified through a large number of repetitive tests. Finally, the massage effect was verified by experiments. The massage position was determined as the superior trapezius muscle bundle and its upper skin area. Multiple groups of massage experiments were carried out on the upper trapezius muscle bundle and its upper skin area by infrared thermal imager. The change characteristics of skin surface temperature before and after massage were obtained, and the massage effect of massage manipulator was comprehensively evaluated .

  Key words: rehabilitation massage, bionic design, simulation, motor control, performance test

目录

  第 1 章 绪论

  1.1 研究背景及意义

  人体颈椎作为连接颅骨和胸椎骨的桥梁,是人体的整个脊柱中活动频率最高的部分[1],也是人体十分重要的运动部分,但由于其活动的频率高和范围广,颈椎成为最容易疲劳甚至患病的部位。

  颈椎病是临床常见病[2],通过调研相关资料得知,诱发颈椎病的病因往往与长期保持不良姿势具有密不可分的关联,在众多的患病人群当中,那些长期从事低头工作的人占比最大[3-5].

  近些年,颈椎病的患病人群正在年轻化,主要有两方面原因:一是随着互联网科技的发展,各类电子产品使得较多的青少年甚至是中老年人逐步发展成为"低头一族",这种长时间低头的方式造成颈椎局部活动过少;另一方面生活节奏的加快导致青少年和中年人生活压力的增大,进而带来身体上尤其是颈椎上的极大疲劳。

  目前在颈椎病的发病群体中,患病率最高的是大学生和白领,调查统计表明,国内部分高校约有 79%的在校大学生时常出现相关的颈椎病症,部分地域的白领被诊断出颈椎病症的比率虽然只有 34%,但其中出现头颈部位疼痛或上肢麻木的症状则占 54%[6-8].因此我们不仅要警惕这些触目惊心的数字,还要对颈椎病的发病隐患有一个理性的认知,颈椎病的发病性质为退行性病变,它主要表现为头和颈肩部位疼痛以及手和手臂部位麻木,严重者甚至会导致瘫痪[9].

  由此可见,预防颈椎病的发生迫在眉睫,针对患病率较高的人群如高校大学生和白领每日的主要生活状态进行详细的调研得知,他们时常在一天中有长达几个小时甚至超过十个小时的连续低头工作,这种较长时间的屈颈导致颈部和肩部的肌肉及周围软组织愈发疲劳,长此以往则加剧了颈肩部肌肉及韧带的严重劳损和颈椎间盘的退行性病变[10].

  缓解颈肩部位的肌肉紧张和疲劳是预防颈椎病发生的主要手段之一[11],而缓解肌肉紧张的有效方式则是中医推拿按摩[12],即通过对人体指定部位进行按摩和放松,这样不仅能够促进血液循环及新陈代谢,同时还能够有效减轻疲劳,缓解因不良的生活方式带来的肌肉紧张。由此可见,按摩对颈椎部位相关疾病的预防十分关键[13-16].

  目前人们接触到的按摩服务来源分为两大类,第一类是由现在医院的经验丰富的按摩师来完成,第二类则是通过各种按摩器械代替人手来完成按摩过程。据统计我国的职业按摩师不到十万人,远远达不到社会需求的数量;另一方面,人工按摩方式加大了时间成本,影响了人们的工作和学习效率,因此研发能够进行专业手法按摩的机器人是一个可行方案[17].

  同时,中共"十九大"和"十三五"的召开更是为我国服务类机器人(包括按摩机器人)相关产业的发展指明了方向,在国家政策驱动的背景下,服务类机器人(包括按摩机器人)的相关技术如雨后春笋般发展迅速,中医按摩机器人领域的研究技术也逐渐趋于成熟[18],并且将十分有可能取代中医按摩师,为人们提供便捷的按摩服务。

  众所周知,机械手臂是整个按摩机器人的重要执行部件,其运行很大程度上影响着机器人的按摩效果[19,20].因此在进行相关研究时重点考虑按摩机械手臂的设计,在实际应用的过程中,为了降低机器人使用的局限性和研发成本,完全可以单独设计机械手臂对人体指定部位进行按摩,因此本文针对放松颈肩部肌肉、预防颈椎病开发颈肩康复按摩机械手,其研究意义重大并且具有较高的应用价值。

  1.2 国内外研究现状

  1.2.1 国外按摩机器人研究现状

  日本、韩国和美国等国家在机器人制造的关键技术方面具有显著优势[21],同时对于按摩机器人的设计和制造也开展了大量的工作。其中较早对按摩机器人领域相关技术展开研究工作的国家是日本,随后来自美国以及其它国家的学者也将研究工作涉足到按摩机器人领域[22].1962 年日本学者设计制造出第一台按摩椅,此基础上,1974 年又提出了一种通过离合器控制按摩球对人进行按摩的方法(如图 1.1 所示),在 1996 年,日本的 Masao Kume 等学者对按摩机器人的智能性进行探究和验证,最终设计了一种能够完成"捏拿"按摩动作的机械疗法单元[23],如图 1.2 所示。

  [24-29],它是通过基于力和位置的阻抗控制的方法分别对按摩机械手的按摩位置和按压力进行控制,并设计了相关的机械手控制试验对控制策略进行验证,如图1.3 所示。

  2007 年,日本的学者针对按摩椅提出了基于皮肤弹力的控制方法[30],如图1.4 所示。与此同时,2007 年韩国的专家 Chul-goo Kang[31]仿照人的形态搭建了两种捶背机器人的理论模型,且与人体的形态高度相似。

  2009 年,日本学者开发了六自由度机器人 WAO-1[32-41],如图 1.5 所示,它主要通过对人体面部的肌肉进行按摩和放松,加快面部相关疾病的康复。该按摩机器人首先对面部信息进行采集和分析,根据分析结果生成治疗方案并开始按摩,最后对按摩效果进行评估,通过咬肌的超声特征判断按摩治疗的功效。研究表明:按摩治疗后咬肌厚度和单侧组症状侧的厚度明显减少,该按摩治疗具有较为明显的效果。

  2010 年,WheeMe 系列由 DreamBots 公司开发并推广,如图 1.6 所示,该系列按摩机器人的主要按摩部位为腹部和背部肌肉群[42].2014 年,Golovin[43]为了证明按摩机械人力量训练具有实际意义,设计了大量的临床试验,最终成功验证了自己的设想,如图 1.7 所示。

  2012 年,日本的学者 Kajikawa S[44]基于柔性理念设计了一款机械手,如图1.8 所示。它由四个手指组成,每个手指有三个关节,关节刚度可以调节,并对按摩力和力矩进行测量和比较,如图 1.9 所示,并最终证明可以有效应用于人体按摩。

  1.2.2 国内按摩机器人研究现状

  自 2004 年以来,国内的马履中等学者开展了按摩机器人理论构型的研究,首先提出的是基于中医理论的串并联按摩机器人理论模型,它共有三个自由度,如图 1.10 所示[45-48];在此基础上,又提出了五自由度的按摩机器人的构型,示意图如图 1.11 所示,该机构能够更好地模拟中医按摩的多种手法,这些机构的设计理念对后续的相关研究工作具有十分深远的影响。

  2010 年,中国台湾的 Luo,R.C 等人开发了一种多指机器人按摩手,分析了按摩治疗前后斜方肌的表面肌电信号[49],根据 EMG 信号的判别值来区分痛苦和舒适的感觉,基于人的感觉和按摩力之间的关系,获得了机器人指令的适当范围,对机器人手的控制具有指导意义,如图 1.12 所示。

  同样在 2010 年,哈尔滨工程大学胡磊等人提出了一个基于疼痛阈值和混合力位置控制策略的手指揉捏操作模型,他们使用视觉伺服跟踪按摩位置[50,51],最后为了对按摩疗效进行评估,采用软组织张力测试仪对肌肉软组织弹性模量进行检测,如图 1.13 所示为测试过程,使用按摩前后肌肉的弹性模量的变化量对按 摩效果的好坏进行表征。江苏大学的尹晓琴和徐永根提出了一种实现 1 次平移-1旋转的 2-DOF 并联机制以单开链为单位[52].王晶晶提出了 7-DOF(自由度)冗余机械手的新应用,用于为人脚做按摩工作,并在末端执行器上配备触觉传感器[53].

  2014 年,中国学者曾达幸首先展开关于中医按摩的理论分析,并开发了一种串并联按摩机器人[54],它共有五个自由度,如图 1.14 所示。东南大学研究人员设计了一种机械手,可以完成对人体的按摩功能。如图 1.15 所示,山东建筑大学的鲁守银[55-57]教授介绍了理疗服务机器人原型的设计过程,该按摩机器人最 多可以完成十种典型的中医按摩手法。

  同样在 2014 年,中国学者黄元灿[58]开发了具有集成弹性关节的四自由度拟人化 BIT 软臂,然后通过专用的测量设备在体内获取专家在按摩疗法过程中指尖力的曲线,采用按压和揉捏等按摩方法,按摩手分别作用在假体模型和人体皮肤上,按摩过程如图 1.16(a)所示,最终得到相应的压力曲线,如图 1.16(b)所示,试验结果表明,设计开发的机械臂可以有效地完成按摩操作。


  2014 年至 2018 年期间,国立台湾大学的研究人员设计了一款仿人手敲击动作的按摩机器人,利用在线轨迹发生器(OTG)在每次敲击期间控制频率,并对按摩前后人心率等指标进行观测。结果表明,这种按摩敲击动作,与按摩师敲击动作相关系数可以被视为高度正相关(超过 0.90),并且按摩效果较为明显,如图 1.17[59-64].

  中的核心思想值得借鉴,不足之处也值得总结[65].可以看出,虽然部分按摩机器人的智能化程度更高,但是普遍存在整体结构尺寸较大,不具有便捷性,大多数的使用形态为按摩床一类,其占据空间大,不方便携带的劣势影响使用体验[66].为此,在对本课题的相关研究领域进行总结分析后,本文对目前市场主要常见的较便携的按摩器械进行了进一步调研。

  1.2.3 市场主要的便携式按摩器的调研

  市场上的主要按摩仪器主要可分为四类,分别是按摩椅类、按摩枕类、披肩类和敲打锤类。按照按摩部位进行划分,可分为全身按摩椅和局部按摩椅,如图1.18 所示,全身按摩椅在颈部安装四个加热按摩头,可根据需要上下,前后进行调节,在颈部上、中、下三档调节,在背部加装加热按摩头,可进行正反转揉捏推拿,在腰部突出地方和坐垫处均布置振动按摩头,进而可对全身各个部位进行按摩;海斯特公司研发了足浴和足底按摩一体化的新型按摩椅,如图 1.19 所示。

  由于本文主要针对颈椎部位按摩器械进行研究,所以重点对市场上主要的便携式颈椎按摩仪器进行调研,如图 1.20 所示的按摩器属于按摩枕类中的颈椎矫正按摩器,通过内部双气囊的布置实现颈椎的牵引,附加低频脉冲和热敷温灸实现多种模式相互切换;圣卡琳颈椎按摩枕(如图 1.21)内置六个按摩头,按摩较多穴位,更设计正转推拿反转叩击,有两种按摩方式,还有两个红外理疗灯,增强按摩疗效。

  如图 1.22 和图 1.23 所示,颈椎按摩披肩内置电机、齿轮、凸轮等结构,主要通过锤击和揉捏等方式缓解颈部肌肉疲劳,附加温感热敷的功能,增强按摩效果。

  凯仕乐按摩锤可按摩身体各个部位,轻质且便携,具有加热功能,使用者可自身根据需要调节参数,按摩效果较好;五段式力度调节能有效地刺激神经和肌肉,达到舒适和松弛的按摩效果,如图 1.24 所示。电动敲打锤模仿人的双手按摩,主要方式为震动和敲打,四个按摩头使得受力更加均匀,舒适性更强,如图1.25 所示。

  1.2.4 存在的主要问题

  据上述对按摩机器人的国内外研究现状的总结和市场上主要便携式按摩仪器的调研可以看出,按摩机器人在研究层面目前已经取得较大的进展和突破,按摩仪器的市场也在逐步扩展,可是现有的系统和研究仍然存在着问题:

  (1)按摩功能的多样性和便携性之间的协调。

  现有的小型按摩仪器按摩功能单一,并且与中医按摩推拿之间的融合性较差,因此对于颈部和肩部肌肉的放松效果一般;而较大型的按摩机器人虽然能够按摩较多部位,按摩手法较多,效果较好,但是因其外形较大,主要形态为按摩床,需要使用者必须躺卧才能进行按摩,不便于安装在家中或者办公室,使用局限性较大。 (2)针对按摩效果的评估。

  目前对于按摩机器人的研究主要包括:智能化方面、机械结构优化方面和个性化方面,忽略了对使用者本身的研究,尤其是对使用者在按摩前后的效果评估比较笼统,主要还是通过使用者自己主观的感受来评价按摩器的好坏、按摩效果的优良,此外机械手臂按摩头的软硬是影响按摩施力效果的一个重要因素[67],目前相关研究尚未引起足够重视。

  1.3 本文主要研究内容

  本文在对按摩机器人领域的相关文献查阅的基础上,对市场上的按摩仪器进行详细的调研,最终开展了关于颈肩肌肉康复按摩机械手的设计制造与性能试验研究,主要内容如下:

  第一章:介绍本课题的研究背景与意义,概述了国内外学者关于按摩机器人领域的研究进展,并针对市场上主要的按摩仪器进行了调研和分析,总结了按摩机器人或机械手在研究技术层面存在的问题。

  第二章:建立按摩手法特征坐标系,并对按摩功能需求进行分析,确定按摩机器人机械结构方案,依据中国成年人标准人体尺寸 GB 10000-88 的标准来进行尺寸参数的确定与计算,最后在 MATLAB 中针对按摩机械手手指部分的运动进行运动学仿真分析,并对仿真结果进行验证,为下一步的建模工作提供数据。

  第三章:应用 CATIA 创建颈肩康复按摩机械手的各零部件的三维模型,并完成颈肩康复按摩机械手的虚拟样机装配,使用 ANSYS Workbench 对关键部件进行了静力学有限元仿真分析及模态分析,并且通过在仿真软件中更改按摩头材料刚度参数来探究按摩头不同材料对其施力效果的影响;在 ADAMS 中对机械手虚拟样机模型进行了运动学仿真并导出相关参数曲线,以此对按摩手能够完成的四种按摩手法进行了仿真模拟分析。

  第四章:采用 3D 打印和机械加工对机械手部件进行了加工和装配,基于LabVIEW 编程语言为物理样机设计了控制程序代码,使用智能网关 USBC9100完成上、下位机的硬件连接,通过 CAN 与 USB 之间的转换实现上位机(电脑)和下位机(电机驱动器)之间的通信,根据应用需求编写了四种按摩模式自动切换的电机控制程序代码,并进行了大量的调试和验证;之后针对按摩部位为斜方肌上束及其上方皮肤区域,并进行了多组按摩试验,并应用红外热像仪对受试者被按摩部位在按摩前后皮肤表面温度值进行测量和对比,结果表明:使用本文设计的机械手在对人体颈肩部位肌肉斜方肌进行按摩后,按摩部位皮肤表面温度稳步升高,并能够维持较长时间,说明机械手对按摩部位的作用使得其生热效果较明显而且较为持久,有助于促进血液循环和疏通经络,进而对于颈椎病的预防具有实际意义。

  第五章:介绍论文的主要研究结论以及未来展望。

  第 2 章 颈肩康复按摩机械手的仿生结构设计
  2.1 引言
  2.2 颈肩康复按摩机械手的按摩功能需求分析
  2.3 颈肩康复按摩机械手的机械结构仿生设计
  2.3.1 机械手设计基本要求
  2.3.2 机械手传动方式的确定
  2.3.3 机械手仿生结构方案的确定
  2.3.4 机械手主要结构参数的确定
  2.4 机械手的驱动系统设计
  2.4.1 机械手驱动方式选择
  2.4.2 驱动电机的选型

  2.5 机械手的正向运动学分析
  2.5.1 正向运动学分析的意义
  2.5.2 机械手空间参考坐标系的建立
  2.5.3 机械手正向运动学方程建立
  2.5.4 基于 Robotics Toolbox 工具箱的模型校验
  2.5.5 对象模型创建
  2.5.6 运动模型验证
  2.5.7 运动轨迹仿真分析
  2.6 本章小结

  第 3 章 颈肩康复机械手的结构力学与运动仿真分析
  3.1 引言
  3.2 颈肩康复按摩机械手的三维建模
  3.2.1 CATIA 建模工具简介
  3.2.2 机械手整体模型介绍
  3.2.3 机械手指捏功能运动组件
  3.2.4 机械手掌摩功能运动组件
  3.2.5 机械手按、敲功能传动组件
  3.2.6 机械手装夹功能组件
  3.2.7 机械手三维模型的装配

  3.3 基于 ANSYS 的机械手结构力学有限元仿真
  3.3.1 ANSYS Workbench 有限元分析
  3.3.2 机械手关节轴及其基座的静力学分析
  3.3.3 机械手手指部件的静力学仿真
  3.3.4 机械手手掌按摩头的静力学仿真及模态分析
  3.3.5 材料刚度对接触效果的仿真分析
  3.4 基于 ADAMS 的颈肩康复按摩机械手运动仿真分析
  3.4.1 ADAMS 软件介绍
  3.4.2 仿真模型导入
  3.4.3 构件材料特性定义
  3.4.4 约束和驱动施加
  3.4.5 运动轨迹仿真分析
  3.5 本章小结

  第 4 章 颈肩康复按摩机械手的物理样机制造与性能测试
  4.1 引言
  4.2 3D 打印机性能参数简介
  4.3 机械手物理样机机械本体的制造
  4.4 控制系统总体设计
  4.4.1 控制系统基本设计要求
  4.4.2 步进电机驱动系统方案确定
  4.4.3 步进电机驱动系统硬件设计
  4.4.4 系统硬件介绍

  4.4.5 上位机控制方案设计
  4.4.6 LabVIEW 软件介绍
  4.4.7 控制软件整体设计
  4.4.8 单个电机控制软件设计
  4.4.9 三个电机运动控制软件的设计
  4.5 机械手的按摩性能评估
  4.5.1 性能测试装置的设计
  4.5.2 压力传感器的介绍
  4.5.3 压力传感器的使用和标定
  4.5.4 按压法输出压力曲线
  4.6 按摩效果试验测试与分析
  4.6.1 按摩部位确定
  4.6.2 基于红外仪的皮肤表面温度测试与分析
  4.7 本章小结

第 5 章 总结与展望

  5.1 总结

  本文综合分析了国内外按摩机器人、按摩机械手的研究进展,对按摩机器人相关领域在研究方面存在的问题进行总结,结合目前中医按摩手法的研究进展,针对人体颈肩部位设计了一种便携式的颈肩康复按摩机械手。通过一系列的机械仿生结构设计、力学仿真、零件加工、整机装配、电机调试及传感器校准等工作,采用仿人皮肤硅胶块进行性能评估测试,结果表明该机械手物理样机具有较好的输出稳定性。最后设计完成了按摩效果测试,通过红外热像仪测量皮肤表面温度,验证按摩机械手按摩的有效性。本文主要工作及结论具体如下:

  (1)首先结合颈椎病的发病趋势和人体按摩对于疾病防范的重要性,阐释了颈肩康复按摩机械手研究的背景和意义,然后介绍国内外按摩机器人的发展现状,并对市场上主要的颈椎按摩器械进行调研,针对现有按摩器械存在的主要问题进行总结和分析,阐述研制颈肩康复按摩机械手对于预防颈椎病的发生具有重要意义。

  (2)建立按摩手法运动特征坐标系,选定指捏法、掌摩法、按压法和敲击法四种中医按摩手法,确定了运动机构的设计方案,根据中国成年人标准人体尺寸 GB 10000-88 进行参数的确定和相应参数计算,在 MATLAB 中进行运动模型的仿真,并最终完成了颈肩康复按摩机械手的三维建模。

  (3)为了在物理样机加工之前验证其合理性,对整机和关键结构进行了动静态力学仿真分析,并且研究了按摩头材料对于按压效果的影响并进行了静力学仿真分析,在 Adams 中应用 STEP 函数对整机的运动学进行仿真分析,并研究手指和手掌按摩头的运动轨迹,为整机加工装配提供基础。

  (4)整机设计方案确定后,对零部件进行加工和采购,加工方式选择机械加工和 3D 打印相结合的方式,在完成物理样机的组装后,对控制系统的硬件连接以及上位机 LabVIEW 软件进行详细介绍,对 LabVIEW 软件电机控制的程序代码进行介绍,并设计了四种按摩模式自动切换的电机控制程序,并通过实际测试进行验证,在确保控制程序满足应用需求后,对机械手进行按摩性能测试。

  (5)在进行机械手按摩性能测试时,考虑先试用仿人体硅胶块代替人体进行压力试验,测试压力的传感器选择基于 Arduino 平台的 Flexiforce 薄膜压力传感器进行实时压力测量,通过大量的重复性试验验证按摩机械手输出性能的稳定性,结果表明机械手输出性能良好,结构设计合理。最后针对按摩部位为斜方肌上束,进行了多组按摩试验,并结合红外热像仪对受试者按摩前后皮肤表面温度进行按摩试验研究,结果表明:使用本文设计的机械手在对人体颈肩部位肌肉斜方肌进行按摩后,按摩部位皮肤表面温度稳步升高,并能够维持较长时间,说明机械手对按摩部位的作用使得其生热效果较明显而且较为持久,有助于促进血液循环和疏通经络,进而对于颈椎病的预防具有实际意义。

  5.2 展望

  本课题完成了便携式颈肩康复按摩机械手的仿生设计和物理样机的加工制造,搭建了控制系统,并通过按摩效果试验验证样机的有效性,但是距离实际应用和产品生产的阶段还有很长的一段路要走,后续的研究工作主要有:

  (1)本文在 PC 端设计的 LabVIEW 程序界面作为上位机,在样机测试过程中满足需求但是在实际应用时较为复杂,后续可以选用更加智能便捷的控制方式。

  (2)本文在物理样机加工时选用机械加工和 3D 打印两种加工方式,材料成本较大,整体重量较重,后续可以考虑降低成本和进行轻量化设计。

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致 谢

  时光如白驹过隙,研究生的三年学习时光也即将落下帷幕。三年的学习生涯中,每一刻对于我而言都弥足珍贵,让我不得不加倍珍惜,三年以来,我收获了成功的喜悦,也经历过失败的烦恼,但无论成功或失败都将是我宝贵的人生财富,此刻的我是骄傲的,因为我所有的财富都得益于我的良师益友们!

  首先要感谢我的导师任露泉教授,老师是我研究生期间的灯塔,不仅为我照亮了科研的道路,更是给我指明了人生的方向,让我在今后的生活不论遇到什么困难都将砥砺前行!在此向我的老师致以最衷心的感谢。

  感谢我的老师任雷教授和钱志辉教授,感谢两位老师对我的指导与帮助,两位老师是我科研生涯的指南针,是你们的耐心指导,让我少走了许多的弯路,每一周的个人进展汇报都让我的科研实力得到释放与升华,在课题进展过程中遇到困难时,钱老师都会耐心地倾听并及时给予帮助,使得课题得以顺利地进行的同时,也让我收获的科研的信心,在此致以特别的感谢。

  感谢我的老师赵宏伟教授,让我感到钦佩的不仅仅是您的学识,更是您的人格魅力,感谢老师在生活上和学习上对我的关心和帮助,我将视您为榜样,努力成为国之栋梁。

  在此我也要感谢课题组的各位同窗对我的陪伴,感谢各位师兄师姐对我指导与帮助。十分幸运能够遇到你们,感谢同窗好友王岩和李文博在学习交流之余陪我加强体育锻炼;感谢祖新宇、孙一帆、李磊和秦峰在学习上和生活上对我的启发和帮助;另外还要感谢刘思含、王军炎、梁东奇、严家琪、孙书博、郑艳芳、徐博文、王吉如、王赵鑫、王强的支持与帮助。

  感谢于淼、白元元师兄对我的人生规划和职业指导;感谢王坤阳、梁威、刘翔宇师兄在学术上耐心的指导,感谢刘静、吉巧丽、吴佳南师姐对我热心的帮助,谢谢你们。

  我还要感谢那些在生活中帮助过我的人,十分感谢你们的帮助让我对生活充满希望,我希望通过自己的努力将来能够回报社会,回报祖国。

  最后我要感谢我的家人,感谢我的女朋友孙昊,你们是人生中幸福的港湾,是你们的支持和奉献让我能够心无旁骛地投入到学习中,谢谢你们。

  在此感谢所有支持、帮助、关心过我的人!

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