实用新型中医推拿机器人机械臂结构设计与研究

摘要

随着生活水平的不断提高,人们的健康保健意识越来越强,经济简便、平稳可靠、无任何副作用的传统中医推拿成为深受广大人民群众喜爱的养生保健措施。中医推拿具有疏通经络、调和气血的效果。对正常人而言,可增强人体的免疫力和身体机能;对病人而言,既可使局部症状消退,又可加速恢复患部的功能,从而收到良好的治疗效果。为使得中医推拿能有更广泛可靠的应用,人们希望能设计一种准确可靠地完成中医推拿动作,最终能够代替人工按摩的中医推拿机器人。本文采用的是串并混联的中医推拿机器人的方案,根据已有的并联推拿机构,设计出与之配套的中医推拿机械臂,使得并联机构能有更大的工作空间和灵活的姿态控制。关于中医推拿机械臂的研究内容主要包括:
　　 第一,分析了较为常见的五种推拿手法以及其运动学、动力学特征,并根据这些特征和推拿实际需求,对中医推拿机器人的设计要求进行了量化。结合常见机器人结构特点和推拿机器人的设计要求,提出了与并联推拿机构配套的中医推拿机械臂的总体方案。
　　 第二,基于机械臂结构的总体方案,完成了机械臂机械系统的设计。依据结构紧凑原则,选定腕部的基本机构形式,并确定了腕部的传动系统设计方案;根据机械臂的静力学分析,选择了合适的电机、减速器;为降低机械臂运动过程中各杆件自重引起的不平衡力矩、防止突然断电的情况下机械臂发生意外,对机械臂的大臂、小臂进行了平衡设计;并在此基础上在Pro/E中建立了机械臂机械系统的三维模型。
　　 第三,利用D-H矩阵方法对机械臂进行了运动学分析,求解机械臂的运动学正反解,以便准确地描述机械臂的位姿,并通过ADAMS进行了运动学仿真,分析了机械臂的位移、速度和加速度曲线。通过蒙特卡洛方法得到机械臂的工作空间,确保其可以满足推拿机器人的工作空间要求。
　　 第四,采用拉格朗日方程建立机械臂动力学方程,并通过ADAMS仿真获得各关节在不同工况下进行动力学仿真,测得各关节的力矩值,可以为电机选型提供参照。
　　 第五,为验证机械臂设计方案的合理性,在ANSYS Workbench中对机械臂的薄弱环节小臂和龙门架进行有限元分析,包括静力学分析和模态分析。并根据分析结果,对小臂进行了优化,使得机械臂结构设计安全、可靠。