面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究郁董卿 盛齐摘 要 目的 采集、分析专业医师推拿手法的运动学、动力学特征，并基于仿人手设计的多功能推拿头，开发一种适用于多种按摩手法、学习专业医师推拿力度曲线的力度柔顺控制算法，以期提供一种实现推拿机器人运动学、动力学复现的方法。方法 首先基于传统中医按摩理论，对滚法、揉法、振法进行运动学以及动力学分析，将其动作特征进行抽取解耦，形成多维度的运动学和动力学模式化表达。其次通过推拿手法测定仪以及动作捕捉系统，对专业医师推拿手法动作进行运动学、动力学数据采集。最后基于一款仿人手设计的多功能按摩头，以专业医师推拿手法信息为示教，对推拿手法的空间轨迹、力度曲线进行学习并开发力度柔顺控制算法。结果 推拿头和专业医师的滚法力度最大值分别为 、，最小值分别为 、，推拿头推拿过程中力度曲线的波形与专业医师比较接近。推拿头执行揉法力度的平均值、最大值以及最小值相对于专业医师的误差分别为、和，推拿头和专业医师推拿力度的标准差、偏度与峭度均十分接近。推拿头和专业医师的振法最大值分别为 、，频率分别为 、。推拿头与专业医师的上述几种手法的平均力度相对误差均小于，力度曲线、推拿力度、频率等动力学特征基本相同。结论 本文提出的方法能够有效复现推拿动作的动力学特征，验证了推拿手法的动力学复现的可行性。关键词 推拿康复机器人；人机交互界面；数字建模；动力学：中图分类号 文献标志码 文章编号（）本文著录格式 郁董卿，盛齐 面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究北京生物医学工程，（）：，（）：，；，：（：）【】，【】；基金项目：上海市进一步加快中医药事业发展三年行动计划（年）子项目（）资助作者单位：上海维智卓新信息科技有限公司时空技术部（上海）上海交通大学机械与动力工程学院（上海）通信作者：盛齐。：引言推拿是以中医的脏腑、经络学说为理论基础，用手法作用于人体体表的特定部位，起到疏通经络、推行气血、扶伤止痛、调和阴阳的作用。据国家劳动部门预测，我国每千人需要 名左右专业中医推拿师，即存在 万中医推拿师的缺口，亟需智能机器人与中医推拿理论实践相结合的推拿康复机器人来填补。通过为患者提供专业的推拿康复按摩及神经感知方面的恢复训练，推拿康复机器人能有效提高患者身体功能水平、改善其生活质量。近年来，推拿按摩机器人的研发在国内外备受关注。一些工作集中于推拿按摩手的设计与开发，但仍然处于实验验证与仿真阶段，无法形成完整的推拿康复机器人系统。有些推拿康复机器人的研发工作着重于专业化、系统化开发，形成了一套完成的推拿流程，能够实现多种推拿手法，但是这些工作缺少专业医师指导，很少考虑手法的力度控制，并不能保证推拿疗效以及安全性，进而限制了产业化的可能。人体皮肤以及其皮下组织（穴位、肌肉群等），作为人机交互的重要界面，与推拿按摩康复机器人形成了包括位移、力等多种信息传递。力度大小、持续时间、力度变化等动力学因素，都将直接影响推拿疗效。目前推拿康复机器人的动力学控制方法只设定了恒定力度，并不足以复现中医推拿手法的复杂运动模式。另外，由于缺乏专业医师指导（包括专业推拿手法数据、手法特征分析），仍然局限于运动学复现和力度大小控制，没有提供科学可靠的动力学分析与复现。为了解决按摩手法数据缺失的问题，本文依靠专业设备采集医师按摩的运动学、动力学参数，针对推拿手法运动学、动力学复现的难题，基于一款多功能推拿头，使用专业医师的推拿手法模式化数据，开发一种推拿康复机器人的推拿手法力度柔顺控制算法，完成近似于专业推拿的动力学复现，以期进一步提升推拿机器人的科学性、专业性。推拿康复机器人结构设计 推拿康复手法运动学、动力学特征分析通过对中医推拿手法的功能分解及自由度分析，可以将复杂的运动分解为几个具体的工程化描述，见图 和表。北京生物医学工程 第 卷图 被推拿部位的坐标系建立 表 推拿手法运动学分析 项目滚法揉法振法作用部位手背近小指侧赤白交际部手指指面指端或手掌自由度、平动，、转动、平动 平动主要施力方向 平动，、转动、平动 平动滚法采用手背近小指侧赤白交际部或掌指关节着力于穴位上，通过腕关节的连续屈伸运动，连同前臂的外旋和内旋，手背呈滚动状，力度轻重交替，持续不断地作用于施治部位。滚法推拿功能的核心行程：（）肩肘部按压施力；（）前臂旋转；（）腕关节协同屈伸。被推拿部位近似表示成 平面，被推拿部位法向为 轴方向。可以将滚法分解为三个自由度，分别为、方向的平动，、方向转动以及代表手腕屈伸的附加转动自由度。指揉法的推拿，作用部位为手指指面。揉动过程中需保持手指和被推拿部位没有相对移动，幅度逐渐变大，用力均匀。揉法的实现要求三个方向上的平动自由度，其中 方向为主要施力方向，手指指面在 平面内做圆周平动。振法以指端或手掌附着在一定的部位或穴位上，作上下快速振颤，过程中保持手指或掌面与被推拿部位紧密接触，避免产生按压。振法在到达施治位置后，只沿 方向施力。推拿机构设计及手法实现为了实现上述手法功能，本文基于一款多功能推拿头进行手法实现，如图 所示，其包括支撑结构组件、振动功能模块、捏合功能模块、底座、掌背元件。振动功能模块由振动电机驱动，可实现往复运动与高频振动；捏合功能模块由捏合电机驱动，可实图 仿人掌设计的推拿头 第 期 郁董卿，等：面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究图 专业医师推拿手法采集 现拇指和其他四指的相对捏合；底座和机械臂末端连接，可带动整个推拿手完成位姿变换；掌背元件采用仿人手背部弧度设计，用来完成滚法推拿；支撑结构组件连接推拿手各零部件并提供支撑。专业医师推拿手法的运动学分析为了采集专业数据以提供参考，指导机构设计以及运动学、动力学控制算法改进，本文使用 运动捕捉系统进行运动学信息的采集，并采用推拿手法测定仪对专业医师的手法力度信息进行采集。其中，运动捕捉系统基于光学定位，能实现 及亚毫米级的定位效果，而推拿手法测定仪具有拟人表面，其下布置了多个力度传感器，通过相应的驱动软件能够输出 的竖直方向力度信息。具体采集流程如下：（）在专业医师腕部以及手臂上设置标记点（将手背到手腕部分、小臂部分视为两个刚体，分别使用 个标记点进行标记，从而对手腕以及手臂进行完整性的描述）。（）在推拿手法测定仪上做不同推拿手法，每个手法持续 ，重复 次。（）采集专业医师手法的数据：运动捕捉系统采集标记点的运动，并分析运动规律。采集专业医师的手法信息之后，绘制成如图 所示的力度曲线，使用 工具采用时域分析及频域分析提取力度特征信息，包括极值、平均值以及特征频率等，见表。表 推拿手法力度特征参数 力度特征参数滚法揉法振法极值（）平均值 极差 标准差 偏度 峭度 特征频率 基于专家推拿手法的运动学复现基于表 所讨论的不同手法的运动学特征以及采集得到的专家推拿手法信息，本文将其运动方式模式化，使用推拿康复机器人来进行复现。滚法的复现是三个关键行程的连续运动过程，设定一个滚法推拿的初始位姿，分别确定各个行程转换至下一个关键点的转换矩阵，左乘至，即得到下一关键位姿，最后回到初始位置。通过对关键位姿进行插补得到滚法推拿的运动轨迹。揉法运动轨迹实际上是圆周运动。可以假定圆周运动的平面为 平面，设揉法为圆心位置为北京生物医学工程 第 卷图 各个手法的力度曲线（）与频谱图（）（）（）（，）、半径为 的圆周运动。振法的复现由所设计的多功能推拿头的振动模块实现，由电机带动曲柄滑块机构进行振动。基于专家推拿手法的动力学柔顺控制为了合理控制推拿机器人的按摩力度，本文使用力度柔顺控制进行动力学控制。在 方向（实际推拿部位法线方向）采用导纳控制算法进行力度控制，将控制器等效成导纳系统，将机器人等效成阻抗系统，控制器输入力度信息、输出位置信息；机器人输入位置信息、输出力度信息。此时，导纳控制获得力度信息，进而通过位置信息控制机器人运动。（）（）（）（）式中，为专业医师的推拿力度；为末端力传感器实际测量的推拿力度；为应被推拿的目标位置；为机器人末端推拿头的实际位置；、为导纳控制自主设定的参数，分别代表刚度特性、阻尼特性、质量特性。推拿过程中实际推拿位置会有较小的变化，但对整体控制影响不大，因此假定参考目标位置不变，即。为了使力跟踪误差为，需要满足，或者具有精确的环境建模从而得知环境位置和刚度精确信息。此时，针对目标位置，定义估计值为：（）则式（）可以写作：（）（）针对人体皮肤而言，非线性、变刚度的特点使得系统无法使用固定导纳参数，以使系统稳定。本文提出了一种自适应导纳控制算法，通过补偿的形式实现了对人体皮肤的力追踪，控制框图如图 所示，具体的控制律如下：（）（）式中：（）为自适应补偿项，能够通过上一周期的接触力误差对阻尼项进行补偿。其数学式为：（）（）（）（）（）模拟人体皮肤的人机交互实验为了模拟真实人体皮肤，本文使用上述推拿手法测定仪，并使用 机械臂搭载所设计的推拿头进行实验验证，推拿手法测定仪表面为近人体皮肤组织的硅胶材料，能够模拟人体皮肤组织的第 期 郁董卿，等：面向推拿康复机器人的人机交互界面数字建模与动力学研究图 自适应导纳控制算法框图 弹性、韧性和柔软度，机械臂具有 个自由度，以及 的工作半径，能够模拟专业推拿手法的手臂运动。推拿康复机器人的推拿手法力度曲线与频谱图见图，力度特征参数见表。可见，机器人实现的滚法力度的最大值较专业医师相对较小（），最小值比专业医师相对较大（），推拿过程中力度曲线的波形与专业医师比较接近；执行揉法力度的平均值、最大值以及最小值相对于专业医师的误差分别为、和，均在可接受范围内；推拿头和专业医师推拿力度的标准差、偏度与峭度均十分接近，说明推拿力的波动程度接近；振法实现主要是通过振动头的高频振动来实现振动，与专业医师数据相比，其力度最大值差别较小（），但频率相差较大（），后续需要提升其振动频率。表 推拿康复机器人推拿手法力度特征参数 力度特征参数滚法揉法振法最大值 （）（）（）最小值 （）（）（）平均值 （）（）（）标准差 （）（）（）偏度 （）（）（）峭度 （）（）（）特征频率 （）（）（）注：括号内为专业医师力度特征参数。讨论与结论推拿康复机器人的研发容易受限于运动学复现，而忽略更为重要的推拿力度以及其变化。如山东建筑大学开发的中医按摩机器人，虽然实现了多种推拿手法，但按摩力度则以恒定力度作为目标，并不能从动力学上反映出推拿手法的功效。而着重实现推拿手法的动力学特征，一方面受限于缺少专业医师手法作为参考，另一方面是需要开发相应力度控制算法。本研究设计了专业医师手法采集实验，对滚法、揉法和振法的动作特征进行抽取解耦，形成多维度图 推拿康复机器人的推拿手法力度曲线与频谱图 北京生物医学工程 第 卷的运动学和动力学模式化表达，以此为指导搭建了多功能推拿康复机器人；开发了力度柔顺控制算法，对推拿手法的空间轨迹、力度曲线进行学习，采用人工智能技术构建了一套推拿手法框架，实现推拿手法动力学柔顺控制。与专业医师推拿手法数据进行对比，推拿力度、频率等动力学特征基本相同，验证了本文提出的动力学分析与控制方法的可行性。参考文献 伍鼎韡，伍强，符锡成，等 按摩机器人控制系统的设计与实现 信息系统工程，（）：，余可，宁萌，黄彪，等 基于中医推拿的新型按摩手的设计与研究 机械设计与研究，（）：，（）：张浩强，蔡柳，卢森幸，等 新型搓澡与按摩机器人的动力学控制研究 机械工程与自动化，（）：高焕兵，鲁守银，王涛，等 中医按摩机器人研制与开发机器人，（）：，（）：彭金婵，陆春辰，李彦博，等 仿生柔性按摩机器人的设计与实现 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