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目前中国已进入老龄化社会,且正处于快速老龄化阶段。老年人口的医疗和保健成为我国面临的重大社会服务问题。而老年退行性疾病和慢性疾病带来的各种疼痛正成为困扰老年人的主要病痛之一,尤其是老年人的腰腿疼痛最为普遍和严重。中医推拿一直是缓解和治疗各种慢性疼痛最为有效的手段。但时至今日,各大医院的临床治疗仍由少部分有经验的按摩师人工进行,按摩效果的影响因素(如按摩的位置、力量及其变化、手法运用、患者心理调节等)无法用语言准确、定量地进行描述,从而影响了按摩手法的积极推广。因此研究和发明按摩机器人以代替按摩师的人工劳动对于提高老年人的生活质量和幸福指数具有现实意义和实用价值。
本文在国家863项目支持下,以实现中医推拿手法中的按法、揉法、滚法、拍法、振法为目的,提出了以一平移一转动并联机构串联曲柄摇杆机构作为中医推拿机器人的末端执行器,对其进行了结构型式的优化与确定、主体并联机构的运动特性分析、具体的零部件选择与结构设计和样机试制等。具体研究包括:
1)介绍本课题研究的目的和意义,分析市场上中医推拿按摩器的应用现状以及国内外中医推拿机器人的研究进展,总结现阶段该领域研究存在的不足和缺陷。
2)详细介绍中医推拿手法中按法、揉法、振法、拍法、滚法的动作要领、作用机理及临床应用。对这五种中医推拿手法进行施力大小、施力方向及手法动作频率的定性和定量分析,由此确定中医推拿机器人的总体设计方案及末端执行器的结构型式。
3)以杨廷力教授提出的基于单开链单元的并联机构拓扑结构原理为基础,对一平移一转动并联机构进行型综合,得出多种并联机构新机型,通过Adams软件建模与仿真,验证机构的自由度数目和运动输出特性。
4)根据中医推拿机器人末端执行器的设计准则,对初选的几种并联机构进行Adams比较分析,从按摩手法中的滚法所需的摆动幅度以及同等按摩力度所需的驱动力参数等方面进行机型优选,并对优选机型进行三维建模和模型制作。运用机构数学方法建立优选机型的数学模型,全面分析机构的位置、速度、加速度、奇异位形等,了解机构的运动学特性。
5)依据中医推拿手法的施力要求和负载重量,合理选择中医推拿机器人末端执行器的驱动电机及传感器。遵循轻量化和小型化的设计理念,对末端执行器进行结构设计与优化。
通过样机试制、调试和实验中医推拿机器人的按法、揉法、振法、拍法和滚法动作,表明其总体性能基本满足机器人推拿效果要求。