韩枫仿人中医按摩机器人手部研究.doc
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1、摘要Abstract1.绪论1.1 课题背景1.2 按摩机器人手部的研究现状1.3 灵巧手的发展现状1.4 Shadow拟人手介绍1.41 机械结构1.42 驱动系统1.43 传动系统1.44 重量和材料1.5 本文研究思路和主要内容2 中医按摩机器人腧穴定位与跟踪技术综述2.1 基于视觉的腧穴定位与跟踪2.11 图像获取2.12 图像识别2.13 目标定位2.14 跟踪检测2.2 基于模板匹配2.21 模板选择2.22 匹配过程2.23 跟踪检测2.3 基于BP神经网络的腧穴定位2.4 其他腧穴定位方法2.41 人工示教2.42 基于电学特性的腧穴定位2.5 发展方向3手指运动学分析3.1
2、基础理论3.11 单指运动学基本理论3.12 D-H坐标3.2中指运动学分析3.21中指正向位置运动学分析3.22中指逆向位置运动学分析3.23中指逆微分运动学分析3.24 中指静力学3.3 拇指运动学分析3.31 拇指正向位置运动学分析3.32 拇指逆向位置运动学分析3.33 拇指的微分运动学分析4 手指动力学的研究4.1 手指连杆动力学4.11 迭代的Newton-Euler算法4.12 封闭形式的手指连杆动力学方程4.2 腱传动系统动力学4.3 驱动系统动力学5 手指运动学与动力学仿真5.1 手指运动学验证与仿真5.11 中指正运动学验证5.12 中指正运动学仿真5.13 拇指正运动学验
3、证5.14 拇指正运动学仿真5.2 手指连杆逆动力学仿真5.21 仿真模型建立5.22 轨迹规划5.23 关节力矩仿真6 总结与展望参考文献硕士期间发表论文致谢第一章 绪论1.1 课题背景中医按摩,是以中医的脏腑、经络学说为理论基础,通过“手法”所产生的外力作用于人体体表的特定部位或穴位,以调节机体生理、病理状况,达到理疗目的的方法【1】。从性质上来说,中医按摩是一种物理治疗方法,它简单有效,而且极少创伤,是目前一种比较崇尚的自然疗法。史记记载先秦时期名医扁鹊,曾用按摩疗法治疗虢太子的尸厥症,至今已有两千多年。按摩过程中,按摩师需要根据患者具体的病情,运用不同的手法技巧如施力的位置、大小、方向
4、、频率等,才能达到理想的疗效。所以中医按摩对按摩师的要求较高,同时它也是一项异常繁重的体力劳动。目前各医院主要是由有经验的按摩师用人工推拿方法对病人进行治疗,一个疗程下来按摩师需要付出艰苦的劳动,而且目前多地按摩师的数量无法满足医患需求。人口老龄化指某地某时期内总人口中老年人口比例增加的动态过程。根据联合国世界卫生组织定义,65岁以上老年人口占总人口的比例达百分之七时,称为“老龄化社会”(Ageing society),达到百分之十四时称为“老龄社会”(Aged society)。由于计划生育的影响,中国已于1999年进入了老龄化社会,在2004年底65岁以上人口占总人口比例为7.6%。 20
5、11年底,第六次全国人口普查数据显示,中国60岁老龄人口已达1.85亿,占当时人口总数13.7%以上。有关专家预测到“十二五”期末,全国老年人口将增加4300多万,达到2.21亿,届时80岁及以上的高龄老人将达到2400万,65岁以上空巢老人将超过5100万。老年人口的快速增加,特别是失能老人年均100万的增长速度,对老年人的生活照料、康复护理、医疗保健、精神文化等需求日益凸显,养老问题日趋严峻。中医按摩是老年人重要的医疗保健方式,其需求也随着老龄化加剧而不断增长,这与按摩师劳动强度大、数量短缺的问题形成尖锐的矛盾。而科技正是解决这一矛盾的可行方案,因此近些年医疗器械市场发展迅猛。但是,目前市
6、场上出现的仪器多是近似模拟按摩手法的器械,如各种品牌的按摩器和按摩椅,其手法单一,只能起到保健、放松和缓解疲劳的作用,对治疗疾病的效果不明显。所以,针对中老年人退行性疾病和慢性疾病对中医按摩及保健康复设备的临床需求,研制一种能够代替中医按摩师,并且可以应用到临床的仿人中医按摩机器人将具有十分重要的社会价值和市场价值。手部的设计与研究是仿人中医按摩机器人的关键,直接关系到其能否实现复杂的按摩手法、达到预期的疗效。按摩机械手的研究涉及到控制论、机电一体化、计算机和仿生学等诸多领域,是一项十分复杂的工程。随着机器人技术的发展,仿人灵巧手的研究也有了长足进步,一些列有代表性的产品相继面世,也有极少数产
7、品已经商业化,Shadow仿人灵巧手就是其中的杰出代表。本文重点研究了Shadow仿人灵巧手。1.2 按摩机器人手部的研究现状按摩机器人的技术发展非常迅速,日本、韩国、美国等国家在按摩机器人研究领域起步较早。日本科学家率先实现了按摩机器人“捏”的按摩手法,早稻田大学研究了可以用于口腔疾病替代疗法的面部按摩机器人系统,丰桥技术科学大学提出了安装有力传感器的多指按摩手【2】;韩国建国大学研究了用于背部按摩的机器人,运用2个串联结构的机械手臂对人体背部进行按摩【3】,而且与按摩椅合为一体。日本早稻田大学和朝日大学的石井博之和古贺树等人研制的“早稻田朝日口腔康复机器人1号”(WAO-1)是一种可以进行
8、面部按摩的口腔康复机器人【4】,主要针对颞下颌关节紊乱病和口干等口腔疾病,如图1.1。 图1.1 口腔康复机器人:WAO-1 图1.2 全方位球头柱塞WAO-1的机械手是一个可以在患者面部滚动的柱塞,通过移动柱塞可以实现按压或揉搓等动作;柱塞安装在机械臂上,机械臂设计有6个自由度2个线性自由度和4个串联机器人式的旋转自由度;6轴力/力矩传感器连接在机械手上,用来测量人面部对柱塞的反作用力。为了能够应对不同病人的需求,WAO-1共设计有6种不同类型的柱塞,如图1.2是一种可用于多种按摩形式的全方位球头柱塞,该柱塞由陶瓷球、气缸和凹槽组成。陶瓷球的位置由气缸约束,但它的方向没有限制当机械手运动时,
9、陶瓷球被动滚动并实现对面部的揉搓。WAO-1的机械手设计简单实用,但手法较单一且没有实现“仿人”设计,应用领域有限。近些年国内对按摩机器人的研究也逐渐活跃起来,江苏大学余顺年、马履中等人通过对推法、滚法、按法等9种中医按摩手法的运动学和动力学分析,提出一种基于三自由度并联机构的中医按摩机器人系统,拓宽了按摩机器人研究范围【5】。该并联机器人机构能够满足常用中医按摩手法的要求,结构简单、解耦性强,易于实时控制,如图1.3所示。但该机器人系统不能满足穴位跟踪与定位、施加精确的按摩力、保证按摩效果的要求,也没有进行手部的设计。山东建筑大学的高焕兵和鲁守银等研制了一种串并联融合构型的中医按摩机器人,综
10、合了串并联机构的优点,如图1.4,而且该系统的机械手可以单独实现捏拿、指柔、振动、叩击等10种中医按摩手法【6】。 图1.3 并联中医按摩机器人 图1.4 串并联中医按摩机器人按摩机械手如图1.5,主要由固定支撑机构、连接机构和按摩执行机构组成;由叩击电机、手腕电机、振动电机、捏拿电机和指揉电机共六部电机分别驱动来实现不同的按摩手法;8个微型称重传感器和2个拉压力传感器,分别安装在手部的拇指、排指、掌心、滚子和手腕拉杆等部位,进行按摩力的检测,测量范围为020Kg。 (a)按摩机械手组成 (b)按摩机械手电机分布图1.5 按摩机械手这款中医按摩机器人虽然能够完成中医按摩的各种手法,但是系统体积
11、庞大、笨重,而且按摩机器手是刚性机构,不具备人手的柔软性和舒适性,同时其控制系统复杂,控制线路繁多、复杂,不易维护。1.3 灵巧手的发展现状机器人多指灵巧手(以下简称:灵巧手)是以人手为原型,模拟人手的功能和结构设计,并且具有多手指、多关节的多自由度机器人末端执行器。Salisbury 认为,灵巧手应当拥有不少于3个的手指数,不少于9个的自由度数,同时配置必要的力、位置传感器等,并且能够实现稳定抓持7。具有高度灵巧度和拟人化的仿人灵巧手必须解决大量的技术问题:需要用非传统的系统设计方法对人类特征进行仿生如软组织、标准的行为和结构等;需要定义灵巧手的运动结构和手指,设计新类型传感器(位置、力、力
12、矩、触觉等),并将它们整合在灵巧手中;需要设计满足转矩/速度及尺寸要求的新型驱动器【8】。本节将对国内外有代表性的灵巧手进行综述。灵巧手的关键技术主要包括:机械结构手指数量和运动的配置;驱动系统内置驱动(模块化设计)或者远程驱动(一体化设计);传动系统;传感技术;控制策略。“灵巧度”和“拟人化”是判断仿人灵巧手技术水平的主要标准。“灵巧度”表示一定程度的复杂性,代表自主执行任务能力的能力;“拟人化”表示灵巧手对人手形状、大小、审美等最终效应的模仿程度。 其中,“灵巧度”表示灵巧手将被操纵对象从初始形态改变至工作空间中任意位置目标形态的能力,涉及到两方面:抓握和内部操作。抓握是将对象约束在灵巧手
13、中的能力;内部操作是被抓握对象随着灵巧手形态变化而实时变化所对应的运动控制。影响“灵巧度”的主要因素有:l 机器手的形态特征;l 传感器的性能;l 控制算法;l 任务规划策略。影响“拟人化”的主要因素有:l 运动学特性;l 平滑的接触面;l 整体和各部分之间的尺寸比例关系。在文献【9】中作者详细讨论了这些概念。除了“灵巧度”和“拟人化”,对于灵巧手的设计来说,还有一个很重要的特点是:整合。为了简化结构、降低成本、提高可靠性,灵巧手在设计时必须恰当的将机械结构、传感器、电子系统和控制策略整合在一起。当然,整合设计也直接决定着灵巧手的灵巧度等功能,同时影响着灵巧手与机器人系统其它部分之间的关系。灵
14、巧手采用的整合设计方式主要有两种:模块化设计方法和一体化设计方法。采用前者的灵巧手是一个独立设备,可以安装在不同类型的机械手臂上,模块化设计灵巧手的主要代表有:DLR灵巧手【10】,Barret灵巧手【11】,Salisburys灵巧手【12】;采用后者的灵巧手是机械臂不可缺少的一部分,如同生物手臂一样手与臂紧密融合,一体化设计的代表有:Robonaut灵巧手【13】,shadow灵巧手【】,UB灵巧手【14】。总之,灵巧手是一个复杂的系统,如果没有采用适当的机械结构、驱动系统、传感器或控制程序,都不能达到理想的性能。以时间为序,最著名的机器人灵巧手有:Okada灵巧手(1974)15,Sta
15、nford/JP灵巧手(1983)16,Utah/Mit灵巧手(1983) 17,Barret灵巧手(1988) 11,UB II灵巧手(1992)【18】,LMS 灵巧手(1998)19,DIST灵巧手(1998) 20,Robonaut灵巧手(1999) 13,DLR II灵巧手(2000)14,Gifu III灵巧手 (2004) 37,HIT/DLR II灵巧手(2008)【】,Shadow C6M灵巧手(2009) 34,UB III灵巧手(2010) 5。 图1.6 Okada灵巧手(1974) 图1.7 Stanford/JPL灵巧手(1983)Okada灵巧手1974年,日本成
16、功研制了 16,如图1.6所示。Okada手爪是第一个真正意义上的灵巧手。该手具有一个手掌和三个手指,拇指有3个自由度,另两个手指各有4个自由度,共11个自由度;各自由度都由直线电机驱动,腱-滑轮传动。这种手爪Okada手的灵巧度较好,重量也比较小,但各个手指在结构上细长而单薄,难以实现较大的抓取力和操作力。Stanford/JPL灵巧手美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL 手1是一种非仿人灵巧手,如图1.7。它没有手掌,有3个手指,每个手指各有3关节3个自由度,共9个自由度;拇指与另外两个手指相对放置;采用外置电机驱动,通过n+1型腱传动结构传递运动和力。与Okada 手相比,Sta
17、nford/JPL手更加灵活,其控制系统也更为复杂,可以抓取方块或鸡蛋等不同形状的物体。 图1.8 Utah/MIT灵巧手(1983) 图1.9 Barrett灵巧手(1988)Utah/MIT灵巧手美国犹他大学生物医学研究中心与美国麻省理工学院联合研制的Utah/MIT 手9是一种仿人灵巧手,如图1.8。该手采用模块化设计,具有4个相同结构的手指,每指4个关节,共16个关节16个自由度;外置伺服气缸驱动,腱-滑轮传动(为了达到最大的操作度,该灵巧采用了2n型腱传动结构);具有腱的张力传感器和指面的电容式触觉传感器。Utah/MIT 手能在数据手套的配合下完成使用螺丝刀、抓取物体、拧灯泡、将螺
18、母拧上螺栓等动作。Barrett灵巧手1988年,美国巴雷特技术公司研制成功面向工业应用的Barrett手16,如图1.9。它具有手掌和3个手指,每个手指各4个自由度,共12个自由度;采用内置微电机驱动。其最新系列的灵巧手重约1.18kg,整手可以作为一个独立模块安装在任何机械手臂上,通过标准工业串行总线通讯。 图1.10 UB II灵巧手(1992) 图1.11 LMS灵巧手(1998)UB II灵巧手1992年,意大利博洛尼亚大学和比萨大学共同研制了UB II手25,如图1.10 所示。该手尺寸接近于人手,具有3个手指11个自由度,加上2个腕部自由度共有13个自由度;采用腱-滑轮方式传动;
19、装有9个内置式触觉传感器,可以检测作用在已知表面的力和力矩,并且在进行适当假设的情况下,可以计算给定表面的接触点的位置。LMS灵巧手1998年法国普瓦捷大学大学研制成功了 19,如图1.11所示。该手尺寸接近人手,有四个手指,由16个连杆组成,具有16个可控自由度;同样采用腱-滑轮传动,能够包络抓取和用指尖捏取。LMS手的特点是传动设计的布局比较合理,结构相对紧凑;不足之处是虽然具有冗余的自由度,但实现的抓取功能不理想。 图1.12 DIST灵巧手(1998) 图1.13 Robonaut 灵巧手(1999)DIST灵巧手1998年,意大利热那亚大学研制成功了DIST灵巧手21,如图1.12。
20、它具有4个手指,每个手指有4个自由度,共16个自由度;每个手指通过5个直流电机驱动和6根直径为0. 4 mm聚酯腱进行驱动。手指关节采用连杆组合的方式,关节中部设计为中空以减轻重量,全收总重接近1Kg,可以很方便地装在各种机械臂上,但不适合采用关节指面的接触方式来抓取物体。Robonaut 灵巧手1999年,美国国家宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外作业的太空机器人,Robonaut手22是该系统的一部分,如图1.13。该手具有手掌和5个手指,22个关节(有冗余关节),包括腕部2个自由度在内一共14个自由度。拇指、示指和中指各有3个自由度,用于对物体或工具的灵活操作;环指和小指各有1个自
21、由度,手掌有1个自由度,用于力度握持物体。为保证在外太空工作的可靠性及寿命,Robonaut手采用无刷电机驱动,14个电机全部集成在前臂上,通过腱传动驱动手指动作,可承受大约9kg力。另外,Robonaut手集成有43个传感器,包括电机轴编码器、关节轴位置传感器和腱上张力传感器。该手的抓取及操作能力极为强大,在灵巧手领域内得到一致认同。 图1.14 DLR II灵巧手(2000) 图1.15 Gifu III灵巧手(2004)DLR II灵巧手基于全数字机电集成化概念,DLR于2000年设计了DLR II手27,如图1.14所示。该灵巧手具有4个相同结构的手指,拇指具有外展/内收的运动;采用直
22、流无刷电机驱动、谐波减速器减速、齿形皮带传动。DLR II手是在DLR I基础上的进一步的发展,它具有可重构的手掌、易于维护的开放式结构、通过改进的驱动器和传动结构。每个手指指尖的输出力从10N增加到了30N;每个手指的指尖安装了一个微型6维力/力矩传感器;改进了通讯结构,灵巧手的控制和传感线路从DLR I手的400根减少到12根。DLR II手具有高度集成、多传感器、模块化设计等突出特征。Gifu III灵巧手日本岐阜大学相继研制了Gifu I手、Gifu II手和Gifu III手3738394041,如图1.15 所示。Gifu III 手具有有5个手指,共20个关节16个自由度,4个手
23、指有4关节3个自由度的手指,末端的两个关节通过连杆耦合运动,拇指有4个关节4个自由度,有1个相对手掌和其余手指的扣掌自由度;采用微型直流电机驱动,腱传动。整手重1.4kg,指尖力达到2.7N,频率响应6Hz。除具有指尖6维力/力矩传感器外,Gifu III手的特点是具有859个监测点的分布式触觉阵列。图1.16 UB III灵巧手(2010)UB III灵巧手意大利博洛尼亚大学和比萨大学共同研制了UB III手42的设计理念是简化灵巧手中复杂的机械结构,故该手采用了内骨骼思路,有很强仿人性及灵巧性,如图1.16 所示。UB III手具有5个手指,共19个关节15 个自由度;采用电机驱动,腱传动
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