.陳俊，王殊軼，汪鵬，龔利

1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院(上海,200093) 2.上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院 推拿科 (上海,200041)

0 引言

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(Knee Osteoarthritis，KOA)是指膝關(guān)節(jié)中的軟骨發(fā)生組織破壞，軟骨中的骨質(zhì)發(fā)生增生，軟骨出現(xiàn)剝落，關(guān)節(jié)出現(xiàn)損壞畸形等現(xiàn)象，最終導致膝關(guān)節(jié)功能發(fā)生活動障礙的一種退行性疾病[1]。隨著中國步入老齡化社會，由KOA引起的慢性關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、關(guān)節(jié)活動范圍受限等癥狀嚴重影響老年人的晚年生活質(zhì)量，因此關(guān)于KOA的治療手段也越來越受到國人的關(guān)注。中醫(yī)推拿作為一種安全、無創(chuàng)、無痛的治療方法已被證明對于輔助治療KOA具有良好的臨床效果[2-3]，因此深受廣大KOA患者的喜愛。然而目前國內(nèi)中醫(yī)推拿的現(xiàn)狀是專業(yè)治療師資源緊缺，患者基數(shù)大，一號難求的情況屢見不鮮。并且中醫(yī)推拿屬于重體力勞動，目前各大醫(yī)院的專業(yè)治療師長期處于高負荷勞動狀態(tài)，容易造成職業(yè)損傷，縮短其職業(yè)壽命，如此惡性循環(huán)最終加劇治療資源緊缺的情況。利用仿生按摩機器人代替專業(yè)推拿醫(yī)師為患者施加按摩將能很好地解決上述問題，因此近年來中醫(yī)推拿仿生機器人已經(jīng)成為國內(nèi)外機器人領(lǐng)域研究的一個熱點，相關(guān)成果也層出不窮。Minyong等[4]提出一種多手指機器人按摩運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多指機器人的位置控制和力控制單元組成，控制手指機器人的運動軌跡變化、角度變化和施加壓力。Alavandar等[5]設(shè)計了一種用于腿部按摩的新型機器人，其實現(xiàn)原理是通過攝像機標定和遺傳算法。高煥兵等[6]依據(jù)中老年人慢性疾病和退行性疾病對醫(yī)療保健康復設(shè)備的臨床需求，提出了一種中醫(yī)按摩機器人系統(tǒng)。

盡管仿生按摩機器人的成果眾多，但是針對膝關(guān)節(jié)的按摩設(shè)備并不多見，且現(xiàn)有的膝關(guān)節(jié)理療設(shè)備的生物力學特性也并不能滿足治療KOA的臨床需求，無法代替專業(yè)推拿醫(yī)師為患者施加治療。本文基于一種專門用于治療KOA的推拿手法——坐位調(diào)膝法的生物力學特性設(shè)計了一款針對治療KOA的仿生按摩機器人，驗證傳統(tǒng)中醫(yī)推拿治療KOA機器人療法的可行性。意在將專業(yè)推拿醫(yī)師從長時間高負荷的體力勞動中解放出來，使其將更多的精力投入到推拿手法的創(chuàng)新和優(yōu)化上，促進傳統(tǒng)中醫(yī)推拿技術(shù)的傳承和進步。

1 仿生按摩機器人設(shè)計

1.1 手法生物力學特性

坐位調(diào)膝法是一種用于治療KOA的中醫(yī)推拿手法，由岳陽醫(yī)院龔利醫(yī)生發(fā)明，施展坐位調(diào)膝法時，治療醫(yī)師使用雙手拇指按一定頻率和力度擠壓患者的內(nèi)外膝眼，治療過程中患者配合治療醫(yī)師的動作在坐姿和站姿之間來回切換，最終達到治療KOA的目的[7-8]。根據(jù)王鵬等[9]對該手法生物力學特性的研究，該手法要求的指尖推拿力度達到220 N。主要自由度有手臂前后平移自由度和手臂上下平移自由度。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿生按摩機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由底座、支撐架、凸輪機構(gòu)以及伺服電機組成。其中支撐架可以上下調(diào)節(jié)并且起到支撐固定桿子以及伺服電機的功能。伺服電機選用安川的SGM7A-04A系列中的SGM7A-04A-ABH伺服電機，該電機自帶減速機且可以通過編程直接控制，因此不必外接減速機，直接將凸輪安裝在伺服電機的輸出軸上，從而簡化整體結(jié)構(gòu)，凸輪的運動規(guī)律直接由伺服電機控制。L型足部固定件及所有支撐架均安裝在底座上。為使仿生按摩機器人的性能達到最優(yōu)，在設(shè)計過程中還遵循了以下原則：(1)仿生按摩機器人的按摩機構(gòu)盡可能地模仿治療醫(yī)師的拇指形狀，使該按摩機器人滿足仿生學和人體工程學的要求。(2)為了提高系統(tǒng)的魯棒性和降低系統(tǒng)成本，盡可能地減少了按摩機器人的驅(qū)動元件，僅使用了安川的SGM7A-04A系列伺服電機作為主驅(qū)動。(3)按摩機器人具有身材兼容性，各主要機構(gòu)可以根據(jù)患者的身材在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。(4)按摩裝置具備堅固、耐用、輕巧等特性。其結(jié)構(gòu)的剛度不但能夠承受其自重，還能承受推拿過程中來自患者的沖擊力。

圖1 仿生按摩裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 身材兼容性設(shè)計

為了進行身材兼容性設(shè)計，首先需要了解中國人群的坐姿膝高范圍(指髕骨上方的大腿表面至地面的垂直距離)通過查閱相關(guān)資料[10]，中國南部人群的坐姿膝高范圍為(46～50.5)cm，從而確定支撐架的調(diào)節(jié)范圍。

由于每個患者內(nèi)外膝眼的間距也各不相同，所以仿生按摩機器人的末端執(zhí)行器也應(yīng)具有尺寸調(diào)節(jié)功能。如圖2，按摩機構(gòu)的頭部采取弧形設(shè)計，以期盡可能地模仿治療醫(yī)師的拇指，同時采用四連桿機構(gòu)實現(xiàn)兩個按摩頭部間距的調(diào)節(jié)，前后移動滑槽內(nèi)的滑塊，兩個按摩頭部在連桿的帶動下將實現(xiàn)一張一合的運動。

1.4 足部固定及起身輔助機構(gòu)設(shè)計

坐位調(diào)膝法與其它中醫(yī)推拿手法最不同的地方在于在整個推拿按摩的過程中患者必須配合治療醫(yī)師的按壓在坐姿與站姿之間來回切換。實際治療過程中，患者坐在普通的椅子上接受治療，由于每個患者腿部力量不同以及治療醫(yī)師手法力量不同，在治療過程中病人腿部常會出現(xiàn)由于按壓力度大導致的移動現(xiàn)象，這會影響治療效果。同時根據(jù)朱正飛等[11]的前期研究，KOA患者在從坐姿切換到站姿的過程中會出現(xiàn)不同程度的障礙。所以該仿生按摩機器人應(yīng)該具有足部固定及起身輔助的功能。

圖2 仿生按摩裝置末端執(zhí)行器

該仿生按摩機器人的足部固定件呈現(xiàn)L形。當患者足部固定妥當后，先讓患者坐下。治療醫(yī)師將大腿綁帶兩側(cè)的彈力繩分別系在輔助起身桿上，并將彈力繩固定在輔助起身桿上的凹槽中。這樣在治療過程中，患者起身時，彈力繩對患者腿部有個向前的拉力，從而起到輔助患者起身的作用。

1.5 傳動機構(gòu)設(shè)計

該仿生按摩機器人利用凸輪機構(gòu)來模擬醫(yī)生手臂前后平移自由度。凸輪機構(gòu)主要由凸輪、從動件和機架三種基本零件組成。本研究結(jié)合實際設(shè)計需求從動件滾子半徑選擇r=10 mm。本研究設(shè)計的凸輪機構(gòu)運動規(guī)律有推程、停止、回程三個階段，推程為20 mm，推程運動角Φ為120°，遠休止角Φs為120°，回程運動角Φ’為120°，且每個階段的時間為5 s。由于本研究符合低速輕載場合，所以從動件運動規(guī)律采用等加速等減速。綜上，該仿生按摩機器人的凸輪和從動件應(yīng)滿足圖3的運動規(guī)律。

1.6 凸輪仿真分析

采用SolidWorks中的Motion插件對設(shè)計的凸輪進行仿真分析，分析其位移、速度、加速度是否符合設(shè)計要求。本研究主要對凸輪進行了位移、速度、加速度的仿真，其仿真結(jié)果分別如圖4所示。

圖3 凸輪預(yù)期運動規(guī)律

根據(jù)仿真結(jié)果可知：(1)線性位移：在0～5 s時間段，線性位移從0 mm變化到20 mm；在5～10 s時間段，線性位移保持20 mm不變；在10 s～15 s時間段，線性位移從20 mm變化到0 mm。整個運動位移與預(yù)期設(shè)計的要求相符。(2)速度：在0～2.5 s時間段，速度從0 mm/s均勻變化到7 mm/s；在2.5～5 s時間段，速度從7 mm/s均勻變化到0 mm/s；在5～10 s時間段，速度一直保持0 mm/s；在10～15 s時間段，速度跟推程的速度大小以及變化是一樣的，整個速度變化符合等減速等加速運動。(3)加速度：在0～2.5 s時間段，加速等基本保持在4 mm/s2，在后續(xù)的各時間段，加速度也是基本保持不變，即加速度也符合等減速等加速運動中的加速度變化規(guī)律。通過上述仿真結(jié)果分析，該凸輪是符合預(yù)期設(shè)計要求的。

圖4 凸輪仿真結(jié)果圖

1.7 驅(qū)動控制設(shè)計

1.7.1 伺服電機的選型

進行伺服電機選型之前需要確定的機械信息主要包括負載質(zhì)量、推力負載慣量、慣量比等。由該仿生按摩機器人的機械結(jié)構(gòu)特性可知，其負載主要有凸輪、推桿以及滾子，出于節(jié)省前期開發(fā)成本的目的，采用3D打印技術(shù)來加工零件，負載的相關(guān)信息如表1所示，其中由于凸輪的不規(guī)則，選擇它的最大半徑50 mm來進行計算，所以總的負載慣量為JL=1.485 3×104kg·m2。

表1 負載信息

根據(jù)上述機械信息預(yù)選一個自帶減速機的電機SGM7A-04A系列，該系列電機除了減速比不同，電機的額定轉(zhuǎn)矩等參數(shù)都是相同的。進而確定力，減速比與力矩之間的關(guān)系，如公式1所示，

F=(T/r)*R

(1)

其中R為減速比，r為電機軸半徑，T為力矩。由手法生物力學特性可知，最大推力F為228 N，電機軸半徑r為19.1 mm。SGM7A-04A系列有幾種減速比，若選擇1/11減速比，則所需轉(zhuǎn)矩T=0.871 N·m小于電機額定轉(zhuǎn)矩1.27 N·m，滿足需求。根據(jù)慣量比公式，計算結(jié)果為3.51<20，同樣滿足需求。

確定運轉(zhuǎn)模式：主要確定電機的加減速時間、勻速時間、移動距離等參數(shù)。根據(jù)凸輪仿真結(jié)果可知電機加速時間ta=0.1s，減速時間td=0.1s，勻速時間tb=15s，移動距離S=0.02m，根據(jù)式(2)和式(3)可算出電機的轉(zhuǎn)速N=4 r/min?273 r/min，也滿足需求。

(2)

N=Vmax·60/S

(3)

由于摩擦力很小，所以忽略摩擦系數(shù)。移動轉(zhuǎn)矩如式(4)所示，查閱機械手冊，選擇機械效率η為0.9，F(xiàn)為推力，計算出Td=0.726 N·m；加速時轉(zhuǎn)矩如式(5)所示，計算出Ta=0.768 7 N·m<4.46 N·m，即瞬時最大轉(zhuǎn)矩小于電機最大轉(zhuǎn)矩，滿足設(shè)計要求；減速時轉(zhuǎn)矩如式(6)所示，計算出Td=0.683 2 N·m；有效轉(zhuǎn)矩如式(7)所示，計算出Trms=0.527 N·m<1.27 N·m，即有效轉(zhuǎn)矩小于電機額定轉(zhuǎn)矩，滿足要求。

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)上述計算結(jié)果，該仿生按摩機器人的伺服電機最終選為SGM7A-04A系列中的SGM7A-04A-ABH伺服電機，電機額定轉(zhuǎn)矩為1.27 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為4.46 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為0.21×10-4kg·m2，額定功率為400 W，經(jīng)減速機后的額定轉(zhuǎn)矩為11.5 N·m，最大轉(zhuǎn)矩為45.1 N·m

1.7.2 伺服電機的控制

要使伺服電機控制凸輪按照預(yù)期的受力趨勢運動，就需要時刻改變其力矩，從而改變力度。因此根據(jù)式(8)計算出本研究中的阻力矩，從而知道電機的力矩變化，其中k為彈簧系數(shù)，s為位移，微分可以理解為位移對角度的求導，因此需先求出位移和角度的關(guān)系圖，如圖5所示。

(8)

圖5 位移和角度關(guān)系

對其進行曲線擬合后，將圖5每個位移與角度的函數(shù)進行求導，然后帶入式(8)中進行計算，得到阻力矩的變化如圖6所示，且計算出的最大阻力矩為43.333 N·m<45.1 N·m，符合設(shè)計要求。

由于安川系列電機自帶上位機操作軟件SigmaWin+，所以直接使用配套軟件來對伺服電機進行控制，根據(jù)圖6中力矩和角度的關(guān)系，設(shè)計加速時間、減速時間、位移距離等參數(shù)，讓電機在力矩模式下運行，通過控制電機內(nèi)部線圈的電壓電流，改變電機的轉(zhuǎn)矩，從而改變電機的輸出力。

圖6 力矩和角度關(guān)系

2 實驗

2.1 實驗方案

本次實驗主要考察仿生按摩機器人的按摩力度和按摩行程是否滿足要求，由于這兩者主要由凸輪機構(gòu)決定，因此本次實驗選擇加工凸輪機構(gòu)部分的零件，搭建臨時實驗平臺固定凸輪機構(gòu)和伺服電機。采用Micron Tracker公司生產(chǎn)的雙目視覺系統(tǒng)采集仿生按摩機器人的按摩行程數(shù)據(jù)，采用數(shù)顯推拉力計采集仿生按摩機器人的按摩力度。

2.2 按摩力度實驗數(shù)據(jù)分析

本次按摩力度實驗主要為了考察仿生按摩機器人對治療醫(yī)師的按摩力度重現(xiàn)的效果，并對其進行擬合曲線比較。因此使用數(shù)顯推拉力計重復10次采集按摩裝置前端的最大垂直壓力，對按摩機器人性能進行重復性誤差分析，使用標準法和極差法評估按摩裝置的穩(wěn)定性。由于治療醫(yī)師的按摩力度千變?nèi)f化，不利于比較分析。因此將其標準化，即仿生按摩機器人統(tǒng)一按線性進行施加壓力。對仿生按摩機器人的各個階段的按摩力度進行曲線擬合。并將擬合結(jié)果與治療醫(yī)師的按摩力度擬合曲線比較。結(jié)果如圖7所示。

本研究采用線性度評價觀測值與真實值之間的誤差度和擬合曲線的吻合程度。常用的統(tǒng)計學評價方法是相對誤差，即絕對誤差與真實值之比乘100%所得數(shù)值，反映了測量值偏離真實值的程度，其結(jié)果越小越好。由圖7中可以看出，在推按階段按摩機器人的按摩力度與治療醫(yī)師的按摩力度的平均相對誤差為10.9%；在保持階段按摩機器人的按摩力度與治療醫(yī)師的按摩力度的平均相對誤差為8.3%；放松階段按摩機器人的按摩力度與治療醫(yī)師的按摩力度的平均相對誤差為12.9%。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)在推按階段和放松階段的末端，擬合曲線均出現(xiàn)了一定程度的偏差，這是由于本次實驗采用的是臨時固定平臺，并未加工完整的機架零件，因此推測推按階段和放松階段出現(xiàn)的波動是由于臨時固定平臺所引起的。待后期進一步完善機械結(jié)構(gòu)后，加工完整零件后可對該仿生按摩機器人推按階段和放松階段末端的穩(wěn)定性進行進一步驗證。

圖7 仿生按摩裝置按摩力度擬合(彩圖)

2.3 按摩行程實驗數(shù)據(jù)分析

本次按摩行程實驗主要為了考察凸輪機構(gòu)中的從動件的實際運動行程對理想運動行程的重現(xiàn)效果。因此使用Micron Tracker雙目視覺系統(tǒng)重復采集從動件的最大位移，并進行重復性誤差分析，使用標準差法和極差法評估按摩行程的穩(wěn)定性。同樣對仿生按摩機器人各個階段的按摩行程進行曲線擬合。將擬合結(jié)果與理想運動行程的擬合曲線進行比較，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿生按摩裝置按摩行程擬合(彩圖)

同樣采用相對誤差對按摩行程實驗結(jié)果進行分析，由圖8中可以看出，在推按階段從動件的按摩行程與理想按摩行程的平均相對誤差為5.25%；在保持階段從動件的按摩行程與理想按摩行程的平均相對誤差為5.01%；在放松階段從動件的按摩行程與理想按摩行程的平均相對誤差為19.22%。由圖10中不難發(fā)現(xiàn)，在推按階段和保持階段按摩機器人對理想按摩行程的重現(xiàn)是比較理想的，但是在整個放松階段，實際按摩行程與理想按摩行程之間出現(xiàn)了較大的偏差。同樣猜測是由于臨時固定平臺對凸輪機構(gòu)中的彈簧固定出現(xiàn)了問題，在后期完善機械結(jié)構(gòu)，加工完整零件后對該仿生按摩機器人放松階段的按摩行程的穩(wěn)定性進行進一步驗證。

3 總結(jié)與展望

本文根據(jù)坐位調(diào)膝法的生物力學特性設(shè)計了一款針對KOA推拿治療的仿生按摩機器人。該仿生按摩機器人在推按階段，保持階段較好地還原了治療醫(yī)師的按摩力度變化曲線和預(yù)期的按摩行程曲線，但是在放松階段力度曲線和行程曲線的擬合均出現(xiàn)了較大的偏差。由于本次實驗只加工了末端執(zhí)行器部分的零件，未對機架等零件進行加工，實驗中采用臨時固定平臺對末端執(zhí)行器進行固定，因此推測放松階段的曲線擬合失真是由于臨時固定平臺所引起的。待后期完善機械機構(gòu)后對整機零件進行加工后將對該仿生按摩機器人放松階段的曲線擬合效果進行進一步的驗證。目前該仿生按摩裝置僅實現(xiàn)了單方向垂直力的重現(xiàn)，后期將對按摩力方向多元化展開進一步研究。

通過本研究可以發(fā)現(xiàn)，雖然該仿生按摩機器人在放松階段的曲線擬合還存在不足，但其在推按階段和保持階段的表現(xiàn)還是令人滿意的。隨著進一步優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)和控制手段，利用該仿生按摩機器人代替治療醫(yī)師為患者施加坐位調(diào)膝法是完全可行，并極具應(yīng)用前景。通過仿生按摩機器人大大減輕專業(yè)治療醫(yī)師的工作強度，使其可以將更多精力投入到按摩手法的優(yōu)化上而不是日日夜夜地重復重體力勞動，從而不斷推進中醫(yī)推拿治療技術(shù)的進步，最后由衷感謝為本研究提供研究數(shù)據(jù)的眾多學者和岳陽醫(yī)院推拿科。