中医按摩机器人末端执行器的运动控制研究

摘要

由于人口老龄化以及亚健康人群的快速增加,高端按摩产品的市场需求越来越大,使得按摩产品行业得以迅猛发展。但目前,尚未发现一款按摩产品能达到或接近按摩师的手法治疗效果,而且由于按摩医师的数量、质量及本身条件等的限制,大范围长时间地来进行按摩治疗无法实现,所以,开发一种能代替或超过按摩师手法功能的中医按摩机器人,具有极其重要的研究意义及广阔的市场应用前景。
　　 本文是国家“863”重点项目“面向老年腰腿疼痛的中医按摩机器人平台研究”(项目编号:2008AA040205)研究工作的一部分。主要完成了中医按摩机器人的末端执行器的结构设计、控制系统硬件、软件设计及按、揉、滚、振四种按摩手法的运动控制的工作。
　　 首先,设计出一种面向老年腰腿疼痛的可实现按、揉、滚、振四种主流按摩手法的末端执行器。构造了以并联机构为主体的中医推拿机器人末端执行器机构;对末端执行器进行了自由度和运动学特性进行了分析;将末端执行器的动平台位姿信息转化为了运动控制信息;通过ADAMS软件验证了其运动特性。
　　 其次,完成末端执行器控制系统的硬件和软件设计。一、中医按摩机器人末端执行器的控制系统硬件设计包括:将PMAC多轴运动卡作为末端执行器的核心控制部件;完成绕Z轴转动和并联主体机构处驱动器的选取;完成了末端执行器三维力传感器的选取。二、中医按摩机器人末端执行器控制系统软件设计包括:末端执行器友好界面的开发;PMAC卡、三维力传感器、各种手法的界面的设计;各种手法运动控制流程设计及编程实现。
　　 最后,研制出中医按摩机器人末端执行器的样机并进行相关性能测试。主要包括:PMAC卡中的PID伺服控制器的最优调节;术端执行器控制系统中电机的无负载测试;末端执行器各种手法的位置、速度、幅度、频率等系统性能测试。试验结果表明,末端执行器完全满足机器人原始设计任务要求,在测试过程中运动平稳、可操作性好、噪音低、振动小。