張宏強,郭家偉,王 佐,邵國慶,劉永平
(馬鞍山學(xué)院,安徽 馬鞍山 243100)
隨著醫(yī)療領(lǐng)域的迅速發(fā)展與學(xué)科融合,尤其是與人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合,人們對按摩機器人的研發(fā)以及對其應(yīng)用的探索在不斷地深入和拓展。魯守銀等[1]闡述了中醫(yī)按摩機器人按摩手法機理及建模、可靠性設(shè)計、安全保護(hù)機制以及未來需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)。
在按摩機器人執(zhí)行器的設(shè)計中,胡磊[2]提出了串并聯(lián)球型腕結(jié)構(gòu),實現(xiàn)按摩頭的功能,這種結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)叩擊和滾壓按摩的聯(lián)合使用。焦成彬等[3]人通過復(fù)合形法對叩擊按摩手結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化處理,獲得設(shè)計變量的最優(yōu)解,這種按摩結(jié)構(gòu)是基于叩擊的設(shè)計方案,按摩方式單一。張禹等[4]人設(shè)計了由硅膠材料制成的氣囊“觸手”,能實現(xiàn)變剛度,這種結(jié)構(gòu)對氣密性要求較高,存在漏氣隱患。鄭小石[5]設(shè)計的按摩機械手結(jié)構(gòu)通過推桿和直線導(dǎo)軌實現(xiàn),但缺少按摩的柔性機構(gòu)。
Phuc等[6]設(shè)計了由獨立的并聯(lián)機械手構(gòu)成的串聯(lián)鏈條與線性連接的執(zhí)行機構(gòu)一起組成按摩機器人,此機構(gòu)只能實現(xiàn)平動的擠壓按摩。Kang[7]設(shè)計了適用于沖擊力控制的手臂機構(gòu),建立了機器人手臂的運動學(xué)和動力學(xué)模型,對沖擊按摩時沖擊力分布進(jìn)行了實驗,這種模型只是分析了沖擊按摩,沒有對滾壓按摩進(jìn)行研究。Koga等[8]人開發(fā)了一個為頜面區(qū)域提供按摩治療的機器人,其中包含由兩個6個自由度組成的臂與柱塞連接的末端執(zhí)行器,這種柱塞末端執(zhí)行器通過改變形狀、材料等適應(yīng)不同的按摩種類,需要經(jīng)常更換,易用性較差。Sayapin[9]提出了三自由度三角形并聯(lián)結(jié)構(gòu)平面按摩機器人,其運動和操縱實驗是由氣動樣機進(jìn)行的,實現(xiàn)的是一個平動的按摩,另外氣動樣機也存在漏氣的隱患。
按摩機器人在按摩過程中需要具備方式的多樣性,按摩力度需適合人體組織的要求,另外柔性機構(gòu)要安全可靠。研究者對按摩機器人的研發(fā)和使用中,存在按摩執(zhí)行器的動作單一,或缺乏柔性結(jié)構(gòu),或柔性機構(gòu)的可靠性需要提高,或易用性較差等問題,因此設(shè)計了一種按摩和叩擊為一體的執(zhí)行器,增加肌肉按摩的方式。另外設(shè)計了適合人體按摩力度的彈簧式柔性機構(gòu),能夠緩沖按摩的沖擊和力度,提高了按摩的可靠性和安全性,當(dāng)超過適合人體的按摩力度后,通過力傳感器輸出信號到機器人輸入端,機器人接收到此信號后會安全停止。在使用過程中執(zhí)行器自動實現(xiàn)按叩的轉(zhuǎn)換,易用性較好。
肩部、背部的滾壓按摩目前在人們的生活中比較常見,大多數(shù)以手動為主,手動滾壓按摩存在必須要有人協(xié)助才能完成的不便捷的問題,另外力度較硬,沒有柔順的緩沖裝置,體驗感不好;按摩路徑較為凌亂,不具備連續(xù)性;按摩的力度沒有可控性;手動滾壓按摩的類型較為單一,只有滾壓按摩一種。
為了解決以上問題,本文利用機器人與按叩一體的柔性按摩執(zhí)行器組合共同完成自動的背部滾壓按摩和叩擊按摩。此按摩執(zhí)行器存在兩種工作狀態(tài),如圖1所示,(a)為滾壓按摩狀態(tài),通過按摩滾輪的滾動來實現(xiàn)按摩;(b)為叩擊按摩狀態(tài),通過按摩滾輪以及其他輔助裝置的叩擊,即圍繞旋轉(zhuǎn)軸,以一定旋轉(zhuǎn)角度往復(fù)運動,使按摩滾輪和人體需要按摩的位置接觸,實現(xiàn)叩擊按摩。
1.按摩機器人;2.按摩執(zhí)行器;3.按摩對象;4.按摩執(zhí)行器(叩擊狀態(tài))
按叩一體按摩執(zhí)行器的應(yīng)用場景具體如圖2所示。按摩對象坐在按摩定位座椅上,按叩一體按摩執(zhí)行器被安裝在六自由度小負(fù)載機器人末端法蘭上,結(jié)合此機器人的運動完成所需按摩路徑的移動,具體的功能由此執(zhí)行器的各模塊實現(xiàn)。
圖2 按摩執(zhí)行器與機器人的聯(lián)合使用場景
為了能使按摩執(zhí)行器實現(xiàn)按叩一體的功能,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特別的設(shè)計,并對設(shè)計的結(jié)構(gòu)結(jié)合應(yīng)用的條件進(jìn)行仿真和校核,使其滿足使用要求。
柔性執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為以下幾個模塊:柔性模塊、滾壓模塊、叩擊輔助模塊、叩擊動力模塊、叩擊鎖定模塊、力傳感器模塊、安全限位模塊。
運用Solidworks對按叩一體按摩執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行設(shè)計與分析,如圖3所示,其各模塊之間的工作原理為:滾壓模塊在借助按摩機器人的動作下完成滾壓按摩功能,通過滾輪的往復(fù)滾動以及柔性模塊、力傳感器模塊和安全限位模塊的作用共同實現(xiàn),其中柔性模塊的作用是提供緩沖和柔性的按摩力,另外當(dāng)按摩對象的肩背的初始位置不一致時,起到局部的前后調(diào)整作用;力傳感器模塊是在柔性模塊的底部安置了力傳感器,能夠?qū)崟r監(jiān)控按摩力的大小,當(dāng)超過按摩力的閾值時就會停止運動,為按摩對象提供安全保護(hù);安全限位模塊是當(dāng)力傳感器模塊失效時,按壓式限位開關(guān)實現(xiàn)最終安全保護(hù),具備雙重保護(hù)功能。
圖3 按叩一體按摩執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計三維圖
通過叩擊鎖定模塊的鎖定實現(xiàn)由滾壓功能轉(zhuǎn)換為叩擊功能,叩擊鎖定模塊是由帶導(dǎo)桿的氣缸完成銷和孔的配合鎖定,帶導(dǎo)桿的氣缸能夠承載較大的橫向載荷,另外叩擊輔助模塊的兩種執(zhí)行狀態(tài)也是通過帶導(dǎo)桿的氣缸實現(xiàn)的,氣缸伸出為叩擊功能狀態(tài),氣缸退回為滾壓功能狀態(tài)。
如圖4所示為柔性、滾壓和叩擊動力模塊的二維結(jié)構(gòu)圖。
1.滾輪;2.無油襯套;3.支板;4.支撐板;5.導(dǎo)桿;6.壓縮彈簧;7.支撐套筒;8.支撐盤;9.壓力傳感器;10.支撐底盤;11.無油襯套;12.支撐主板;13.擋板;14.限位傳感器;15.連接板;16.諧波減速器;17.拉板;18.過渡軸;19.伺服電機
滾壓按摩模塊采用滾輪作為執(zhí)行載體,通過機器人的運動完成所需的按摩,滾輪由無油襯套起到中間支撐和潤滑作用,滾壓按摩模塊整體通過導(dǎo)桿在無油襯套中往復(fù)移動和導(dǎo)向壓縮彈簧壓縮或復(fù)原,壓力傳感器通過設(shè)置的力閾值保護(hù)按摩對象;擋板在壓縮彈簧復(fù)原時限位,限位傳感器提供最后限位保護(hù)。
叩擊按摩的動力模塊如圖4右端所示,伺服電機帶動輸入軸把運動傳遞給諧波減速機,諧波減速機輸出端帶動叩擊模塊反復(fù)旋轉(zhuǎn)完成叩擊動作,這種傳遞方式剛性強、結(jié)構(gòu)簡單且造價低。
圖5中為叩擊輔助模塊和叩擊鎖定模塊。在叩擊輔助模塊中,叩擊輔助氣缸帶動叩擊按摩球伸出時,即為叩擊輔助模塊,叩擊按摩球能夠起到在叩擊按摩時的緩沖作用(按摩球的材質(zhì)軟于滾輪),讓按摩對象的體驗感較好,力傳感器檢測到叩擊按摩力超過最大閾值,信號會傳遞到機器人系統(tǒng),整個按摩系統(tǒng)會停止。在叩擊鎖定模塊中,當(dāng)壓縮彈簧在復(fù)原狀態(tài)時,叩擊鎖定氣缸帶動鎖定柱通過銷孔配合與鎖定孔鎖定,此時柔性模塊失效,滾壓按摩狀態(tài)轉(zhuǎn)換為叩擊按摩狀態(tài)。
20.力傳感器;21.叩擊按摩球;22.連接器;23.叩擊輔助氣缸;24.鎖定孔;25.拉伸限位塊;26.鎖定柱;27.叩擊鎖定氣缸;28.壓縮限位塊
在柔性模塊中,關(guān)鍵件主要是壓縮彈簧與導(dǎo)桿。對壓縮彈簧進(jìn)行計算和設(shè)計;另外導(dǎo)桿是細(xì)長軸結(jié)構(gòu),在叩擊按摩中按摩力對導(dǎo)桿的沖擊較大,因此對導(dǎo)桿做有限元分析。
參照相關(guān)文獻(xiàn)[4],此執(zhí)行器主要是應(yīng)用在肩部或背部,所以選取最小按摩力為20 N,選取最大按摩力為40 N,滾壓按摩中,最小按摩力和最大按摩力分別為彈簧的最小工作載荷和最大工作載荷,壓縮彈簧的設(shè)計計算參照文獻(xiàn)[10],其中部分計算公式如下:
初定旋繞比C與曲度系數(shù)K:
式中K——曲度系數(shù);C——旋繞比;τp——彈簧材料的許用應(yīng)力;D——彈簧中徑;pn——最大工作載荷;確定曲度系數(shù)K:
計算有效圈數(shù)n:
式中G——切變模量;d——材料直徑;Fn——最大工作載荷下的變形量;
計算自由高度H0:
H0=Hb+Fb
(2-4)
式中H0——自由高度;Hb——材料直徑;Fb——壓并時變形量;
計算節(jié)距t:
根據(jù)前面參考資料可得,最小工作載荷p1即為最小按摩力,大小為20 N;最大工作載荷pn,即為最大按摩力,大小為40 N。根據(jù)使用工況,彈簧中徑D定為16 mm,工作行程定為30 mm,彈簧材料為50 CrVA,經(jīng)以上公式、其他公式計算和查閱相關(guān)表格最終計算得:初定旋繞比C0為10.9,初定曲度系數(shù)K0為1.132,進(jìn)一步計算得:確定旋繞比C為10,確定曲度系數(shù)K為1.146,材料直徑d=1.6 mm,彈簧剛度為0.6667 N/mm,最小工作載荷下的變形量為30 mm,最大工作載荷下的變形量為60 mm,有效圈數(shù)n為24圈,壓并高度Hb為40.8 mm,自由高度H0為133.1077 mm,節(jié)距t為5.45 mm,其它參數(shù)不再一一列出,依據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行彈簧的設(shè)計和結(jié)構(gòu)建模。
由于導(dǎo)桿在柔性模塊中起著非常關(guān)鍵的作用,所以有必要對其進(jìn)行分析。對導(dǎo)桿進(jìn)行有限元分析包括滾壓按摩和叩擊按摩的工況,前面所述,這兩種按摩的按摩力最大都為40N,考慮到按摩對象的腰背輪廓對受力分析的影響,所以對滾壓和叩擊的受力分別簡化為沿軸線方向的最大力F1(40N)和垂直于軸線方向90°的徑向方向的最大力F2(40N),受力如圖6所示。
圖6 兩種工況下按摩力分布
根據(jù)以上兩種工況下按摩力的分布,把軸向力F1和徑向力F2同時加載到按摩執(zhí)行器上進(jìn)行有限元分析,導(dǎo)桿的材料為45號鋼,對導(dǎo)桿添加約束以及受力如圖7所示,進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖8所示,在分析結(jié)果中應(yīng)力圖如圖9所示,位移圖如圖10所示。
圖7 導(dǎo)桿的約束以及受力施加
圖8 導(dǎo)桿的網(wǎng)格劃分
圖9 應(yīng)力分析圖
圖10 位移分析圖
根據(jù)圖9的應(yīng)力分析可得,最大應(yīng)力σmax為69.8 Mpa,導(dǎo)桿的材料為45號鋼,屈服極限σs為355 Mpa,由于導(dǎo)桿是塑性材料,取安全系數(shù)為ns為2.5,得許用應(yīng)力[σ]為142 Mpa(許用應(yīng)力等于屈服極限除以安全系數(shù)),最終分析可得此導(dǎo)桿的屈服強度滿足使用要求(最大應(yīng)力σmax≤許用應(yīng)力[σ])。由圖10位移分析可得,最大位移為0.478 mm,根據(jù)設(shè)計要求最大位移需在1 mm以內(nèi),所以變形位移也滿足設(shè)計要求。
前面對滾壓按摩模塊中柔性機構(gòu)進(jìn)行了計算與設(shè)計,在一定行程下(30 mm),需要對設(shè)計的柔性模塊是否滿足最小按摩力20 N以及是否滿足最大按摩力40 N進(jìn)行仿真分析。根據(jù)柔性模塊的計算與分析結(jié)論可得,彈簧剛度為0.6667 N/mm,預(yù)緊力為20 N,預(yù)緊力后彈簧長度為103.1077 mm,阻尼暫不考慮,利用Adams軟件進(jìn)行建模與仿真,輸出最大、最小彈簧力如圖11所示。
圖11 彈簧力仿真輸出圖
根據(jù)彈簧力仿真輸出圖可得,最小彈簧力為20.0051 N,最大彈簧力為40.0061 N,即為最小按摩力和最大按摩力,這與設(shè)計的最小按摩力20 N和最大按摩力40 N是一致的,分析誤差因素為剛度、預(yù)緊力和彈簧長度只保留了小數(shù)點后四位所致,所以柔性模塊的計算與設(shè)計滿足按摩的使用要求。
叩擊按摩是叩擊按摩球通過一定時間間隔反復(fù)地對按摩對象的按摩處進(jìn)行一定沖擊力的施加,達(dá)到按摩的目的。整個過程為三個階段,即叩擊前的運動、叩擊時的運動和叩擊后的運動,這三種運動下的叩擊動力模塊中所選的關(guān)鍵件(減速機、伺服電機)的性能是否滿足叩擊按摩的需求,需要進(jìn)行分析和仿真,在整個分析過程中不考慮機器人運動對按摩執(zhí)行器的影響。
叩擊前后的運動是一個變加速過程,直到達(dá)到規(guī)定的速度,勻速進(jìn)行叩擊運動,這個規(guī)定的勻速運動的速度要結(jié)合叩擊時的最大叩擊力度確定。
按摩環(huán)境下,人體軟組織的形變與按摩力呈現(xiàn)非線性關(guān)系,可以近似擬合為指數(shù)函數(shù)曲線,如下式(2-6)所示[11]:
F=0.016×e0.2364x×x
(2-6)
式中F——按摩力;x——形變;
根據(jù)上式,若形變量從0到30遞增,則形變(橫軸,單位mm)與按摩力(豎軸,單位N)的非線性關(guān)系如圖12所示:
圖12 形變與按摩力的非線性關(guān)系
對形變與按摩力的非線性關(guān)系進(jìn)行局部優(yōu)化,即加入相反方向形變和按摩力的數(shù)值,利用ADAMS的spline導(dǎo)入形變與按摩力的非線性關(guān)系,建立力學(xué)模型,經(jīng)過數(shù)次仿真驗證,在設(shè)置仿真時間0.01 s(此時間為實際勻速叩擊按摩編程時間的設(shè)置提供依據(jù))和勻速度為40°/s時,如圖13所示,仿真出最大按摩力(40.44 N),非線性的形變是壓縮工況下,方向為負(fù),對應(yīng)的按摩力也為負(fù)。為了達(dá)到40 N的最大力,對偏大的仿真值取整即可滿足要求,即仿真出最大按摩力約為40.44 N在合理范圍內(nèi)。在勻速叩擊按摩中產(chǎn)生的輸出端驅(qū)動力矩如圖14所示,最大輸出端力矩約為8.5 N·m,最大輸出端功率如圖15所示,約為5.94 W。
圖13 最大按摩力仿真值
圖14 按摩過程中輸出端驅(qū)動力矩
圖15 輸出端功率仿真曲線
在實際的按摩過程中是通過力傳感器檢測到按摩力達(dá)到最大設(shè)置閾值(40N),執(zhí)行器會停止施加形變到人體組織,即為按摩到位,又返回原位開始下一個周期的叩擊按摩,除勻速叩擊運動外,剩余反復(fù)運動為叩擊前后的運動。
以叩擊前的運動為例,此運動是一個變加速過程。執(zhí)行器在初始位置開始加速運動,整個加速時間為200 ms(根據(jù)驅(qū)動的性能確定),在一定加加速時間(設(shè)置為50 ms)、勻加速時間(設(shè)置為100 ms)和加減速時間(設(shè)置為50 ms),運動要達(dá)到的最大速度根據(jù)勻速叩擊運動可得為(40°)/s,以此速度為輸入,建立加速度驅(qū)動函數(shù),進(jìn)行仿真,角速度曲線如圖16所示。
圖16 角速度仿真曲線
從角速度的仿真曲線可得,在時間0.2 s時即可達(dá)到最大速度(40°)/s,因為勻速角速度持續(xù)時間0.2 s,所以取在0.3 s時為勻速按摩的開始時間,此時的回轉(zhuǎn)角度由仿真可得8.1°,勻速按摩時的回轉(zhuǎn)角度為0.01°(忽略不計)。
叩擊前的運動的輸出端力矩仿真曲線如圖17所示,最大輸出端力矩約為1.3 N·m,最大輸出端功率如圖18所示,約為0.9 W。
圖17 輸出端力矩仿真曲線
圖18 輸出端功率仿真曲線
由上可知,叩擊前的運動從開始位置到0.3s時的回轉(zhuǎn)角度(8.1°),要使返回叩擊前運動的角度和叩擊后運動的角度相等,即叩擊前運動的開始位置和叩擊運動后的結(jié)束位置在同一點。
為了達(dá)到上述要求,需重新優(yōu)化叩擊后運動的驅(qū)動函數(shù),經(jīng)過調(diào)整加速時間和加速度,得到運動角度為8.1°,與叩擊前的角度相等,運行時間為0.3 s。得到如圖19所示的叩擊后運動的輸出端的力矩,最大輸出端力矩約為1.55 N·m。同理經(jīng)仿真,得到叩擊后其他參數(shù)的仿真值分別為:最大角速度約為(51.44°)/s,最大輸出端功率約為1.23 W。
由仿真可得叩擊前后運動的運動角度范圍為8.1°,執(zhí)行器的設(shè)計運動范圍為±67°,所以設(shè)計的運動范圍滿足叩擊按摩時的運動范圍。又根據(jù)叩擊前后運動的時間可得叩擊的總運動時間為0.6 s,即叩擊(拍擊)頻率為100次/min,叩擊(拍擊)按摩的頻率一般在60-270次/min[11],故所設(shè)計的按摩執(zhí)行器叩擊頻率符合要求。
叩擊動力模塊是通過伺服電機傳動諧波減速機,通過初步設(shè)計選型可得:伺服電機選用松下低慣量電機MSME200V50W,功率為50 W,額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min,最高轉(zhuǎn)速為6000 r/min,根據(jù)轉(zhuǎn)速力矩曲線,選取最大轉(zhuǎn)速為4000 r/min; 額定轉(zhuǎn)矩0.16 N·m,最大轉(zhuǎn)矩為0.48 N·m;減速機選用的是綠的諧波LCD14-50型號,減速比為50,啟動停止時,最大轉(zhuǎn)矩為11.4 N·m,結(jié)合減速機的性能要求,減速機的啟動停止最大轉(zhuǎn)矩是輸出端最大力矩的主要參照依據(jù),上述為減速機和電機相關(guān)性能參數(shù)的允許值(電機、減速機樣本參數(shù)的理論值:電機最大力矩、電機額定功率、電機最大轉(zhuǎn)速、減速機啟動停止最大轉(zhuǎn)矩)。
通過對叩擊按摩的三個階段進(jìn)行仿真,最大輸出端力矩(減速機端最大力矩)為8.5 N·m,最大輸出端角速度為(51.44°)/s,最大輸出端功率為5.94 W,結(jié)合減速比和效率等綜合計算(諧波減速機效率取0.6,電機和減速機慣量不考慮),最大電機端力矩為0.28 N·m,最大電機端功率為9.88 W,最大電機端轉(zhuǎn)速為428.67 r/min,以上即為減速機和電機相關(guān)性能參數(shù)的仿真值。
叩擊按摩中關(guān)鍵件電機和減速機的參數(shù)選型是否滿足設(shè)計要求,判斷依據(jù)為:仿真值≤允許值(理論值),即符合使用要求。由以上關(guān)鍵件(電機和減速機)的允許值(理論值)和仿真結(jié)果可得表1,經(jīng)比較相關(guān)參數(shù)的允許值(理論值)和仿真值均滿足設(shè)計使用要求。
表1 叩擊按摩動力學(xué)仿真值和理論值的比較以及結(jié)果
(1) 設(shè)計的按叩一體的柔性按摩執(zhí)行器,其結(jié)構(gòu)滿足滾壓按摩和叩擊按摩兩種按摩方式的使用,能夠自動實現(xiàn)按、叩動作的轉(zhuǎn)換,提高了易用性。
(2)經(jīng)過計算,此按摩執(zhí)行器在滾壓和叩擊兩種功能的使用工況下彈簧最小工作載荷為20 N和最大工作載荷為40 N,滿足叩擊按摩的最小按摩力為20 N和最大按摩力為40 N的要求,彈簧式柔性機構(gòu)能夠緩沖按摩的沖擊和調(diào)整按摩行程,經(jīng)過計算和選用了適合人體按摩力度的壓縮彈簧,提高舒適度、安全性和可靠性。對導(dǎo)桿進(jìn)行有限元分析,最大應(yīng)力為69.8 Mpa和最大位移為0.478 mm分別滿足導(dǎo)桿的許用應(yīng)力142 Mpa和設(shè)計要求位移1 mm。叩擊按摩頻率為100次/min滿足人體叩擊按摩頻率60-270次/min的要求。對關(guān)鍵件的設(shè)計選型進(jìn)行動力學(xué)仿真校核,其中減速機端最大力矩為8.5 N·m,電機端最大力矩為0.28 N·m,電機的額定功率為9.88 W,電機最大轉(zhuǎn)速為428.67 r/min,以上均小于選型的理論值,滿足設(shè)計要求。
該執(zhí)行器的設(shè)計和仿真為機器人按摩執(zhí)行器向健康醫(yī)療領(lǐng)域的推廣使用提供了思路和理論參照。后期會在樣機測試和優(yōu)化等方面做更加深入的研究,減小按摩執(zhí)行器仿真值與實測值的誤差,持續(xù)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)和仿真方法,在實際的使用過程中積累相關(guān)經(jīng)驗,提升使用的舒適性。