本文以国家高技术研究发展计划(863计划)重点课题“面向老年腰腿疼痛的中医按摩机器人平台研究”(课题编号:2008AA040205)和“中医按摩机器人”(课题编号:2010AA040201)为背景,对按摩机器人的一系列关键技术(包括按摩部位软组织的生物力学特性、按摩机器人体系机构及控制系统设计、按摩机器人构型、按摩机器人安全策略、按摩机器人应用实验)展开研究。按摩是治疗老年腰腿疼痛等慢性疾病的有效方法,其治疗效果受按摩师的经验、体力等众多因素制约。因此,围绕能够代替按摩师为患者提供规范、高效、安全按摩治疗的机器人的研究备受学者广泛关注。但由于按摩手法的多样性,按摩力量的标准性,按摩治疗的可靠性和按摩治疗的规范性对机器人的理论和方法提出了新的要求,一些按摩机器人关键问题还没有突破,导致目前还没有按摩机器人的临床应用。按摩部位的软组织特性对按摩机器人的控制影响较大。本文以在线测试的软组织应力、应变数据为依据,对软组织的物理模型和本构方程展开了研究。首先,参考腰部软组织解剖结构研究按摩部位软组织物理模型;以软组织物理特征在线测量为目标,搭建软组织应力应变在线测量平台,并采集相关数据;对采集的数据进行分析,结合质点弹性模型,提出变刚度弹性模型;在此基础上,利用最小二乘法,提出了快速在线建立大变形软组织力学模型的方法,为机器人的精密力位控制提供依据。按摩机器人的体系结构决定了它对环境和任务的行为自主决策能力及自适应实时反应能力,是影响按摩功能和疗效的关键问题之一。本文将机器人、人和按摩环境组合为一个完成按摩治疗任务的人机环境系统,机器人作为其中一个子系统。通过层次任务分析和人类行为决策模型,明确人机环境系统各个子系统的任务分工以及合作模式和内容,以传感器信息和人机交互信息为纽带,构建面向人机共存社会的人机协同机器人体系。为不同按摩任务和按摩环境下的机器人研究提供框架结构,并设计了按摩机器人的控制系统。机器人的构型是模拟专业按摩师实现灵活按摩手法的关键。本文在分析按摩手法运动特征的基础上结合按摩治疗需求,采用模块化构型将机器人分为定位模块、按摩模块和按摩灵巧手,并针对按摩手法对手腕的灵活、刚度需求,模拟人手腕的灵活结构,提出了串并联球型腕结构。利用定位模块将按摩模块和按摩灵巧手移动到按摩位置,按摩模块通过灵活的球心腕结构,实现滚、振和掌揉等手法,灵巧手实现拿捏和指压手法。安全性是按摩机器人的首要属性。本文在分析按摩任务和环境的基础上利用故障树模型对按摩机器人可能发生的故障进行了详细分析,并通过合理的故障检测点设置和容错控制安全策略,提出基于安全故障监控的智能安全机制,实现了机器人的安全运行,为人机共享社会机器人的安全设计提供了方法。最后,本文在系统实现的基础上,利用按摩机器人样机,通过仿真和实验,对本文的研究成果进行了验证。包括:按摩力控制精度实验、按摩位置跟踪精度实验、按摩临床及疗效评估实验。实验结果表明:在本文研究成果基础上研发的按摩机器人样机满足按摩临床需求,也证明了本文研究成果的有效性和可行性。