本文關(guān)鍵詞：安全中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)與控制策略研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著人民生活水平的提高,人們對(duì)中醫(yī)按摩的需求也隨之增多,而合格醫(yī)師的數(shù)量增長(zhǎng)緩慢,導(dǎo)致醫(yī)患比例嚴(yán)重失調(diào),醫(yī)患矛盾日漸突出。機(jī)器人具有定位準(zhǔn)確、智能化程度高且不知疲倦等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、自動(dòng)化按摩最有效的手段之一。隨著國(guó)家對(duì)按摩機(jī)器人研究支持力度的增大,按摩機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研究也逐漸成為近幾年關(guān)注的焦點(diǎn)之一。我國(guó)對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人研究起步較晚,雖然已經(jīng)取得了一些階段性的成果,但由于受到安全性、有效性和可接受性等多方面的質(zhì)疑,使該機(jī)器人無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化與市場(chǎng)化。按摩機(jī)器人需要與人類進(jìn)行物理接觸。因此,安全性是重要的技術(shù)指標(biāo)之一。為了研制可進(jìn)行安全中醫(yī)按摩的機(jī)器人,應(yīng)突破傳統(tǒng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)框架,從機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、建模和控制等多方面進(jìn)行深入探索研究,從而使機(jī)器人能夠安全有效地完成按摩作業(yè)任務(wù)。本文在國(guó)家自然基金項(xiàng)目“仿人機(jī)器人雙臂動(dòng)力學(xué)與柔順運(yùn)動(dòng)控制”、北京市科技新星計(jì)劃“傳統(tǒng)中醫(yī)按摩的生物力學(xué)理論與按摩機(jī)器人研究”以及北京市科委項(xiàng)目“腰痛中醫(yī)點(diǎn)按機(jī)器人的研究”3個(gè)項(xiàng)目的資助下,開(kāi)展了兼具安全性和有效性的中醫(yī)按摩機(jī)器人原理樣機(jī)的研發(fā)工作。論文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下:1.結(jié)合按摩機(jī)器人的實(shí)際技術(shù)需求,設(shè)計(jì)和搭建了中醫(yī)按摩機(jī)器人平臺(tái),并對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、硬件電路、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及安全保障體系等方面進(jìn)行了全面地研究。2.提出了一種新型的模塊化機(jī)電一體化柔性關(guān)節(jié),該關(guān)節(jié)內(nèi)部具有彈性單元,一方面,能夠使關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的緩沖,另一方面,能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)力矩閉環(huán),降低電機(jī)的慣量,使機(jī)械臂的輸出呈現(xiàn)低阻抗的特性,從而在機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)上確保機(jī)械臂與用戶的接觸時(shí)的安全性。另外,采用成熟的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)機(jī)器人本體的機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了連桿的輕量化和高性能,有效地降低了連桿的慣量帶來(lái)的影響,提高了機(jī)器人的安全性,并利用有限元方法進(jìn)行了關(guān)鍵部位的強(qiáng)度和剛度校核。3.從控制模型的角度出發(fā),分別對(duì)機(jī)器人本體的數(shù)學(xué)模型和機(jī)器人按摩過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型的建立進(jìn)行深入研究。在機(jī)器人本體建模方面,完成對(duì)機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的推導(dǎo)和工作空間的計(jì)算,并依據(jù)動(dòng)力學(xué)理論中的牛頓-歐拉迭代法對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究,然后通過(guò)仿真驗(yàn)證了機(jī)器人作業(yè)能力。在機(jī)器人按摩過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方面,本文采用基于端口Hamilton理論的建模方法完成了機(jī)器人按摩過(guò)程動(dòng)態(tài)描述。通過(guò)引入了基于端口的建模理念,利用Dirac結(jié)構(gòu)和Hamilton力學(xué)理論分別建立了人體和機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,并完成對(duì)人體黏彈性模型和摩擦模型建立的探討,最終,得到了能夠準(zhǔn)確刻畫(huà)機(jī)器人按摩過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型。4.在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,完成了機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并開(kāi)展了針對(duì)機(jī)械臂作業(yè)過(guò)程中安全按摩控制策略的研究探索。一方面,根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,完成了面向中醫(yī)按摩的阻抗控制策略的研究,并利用無(wú)源性理論對(duì)機(jī)器人與用戶接觸過(guò)程中的耦合穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。另一方面,圍繞的按摩機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的安全按摩控制策略進(jìn)行了相關(guān)研究。本文設(shè)計(jì)了物理接觸函數(shù)與物理接觸識(shí)別向量完成了對(duì)發(fā)生物理接觸的機(jī)械臂關(guān)節(jié)的定位和檢測(cè),制定了機(jī)器人的反應(yīng)機(jī)制以及形成了安全按摩控制策略,并完成了機(jī)器人安全按摩控制器的設(shè)計(jì)。5.本文搭建了基于一體化柔性關(guān)節(jié)和中醫(yī)按摩機(jī)器人的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在這兩個(gè)平臺(tái)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,研究?jī)?nèi)容包括按摩手法力學(xué)參數(shù)的科學(xué)提取、機(jī)器人特性實(shí)驗(yàn)研究、安全按摩控制策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和中醫(yī)按摩機(jī)器人按摩效果驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明中醫(yī)按摩機(jī)器人平臺(tái)能夠安全且有效的完成點(diǎn)按、指揉和彈撥3種中醫(yī)手法,本文所設(shè)計(jì)的安全中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)能夠滿足中醫(yī)按摩的技術(shù)需求。本論文在安全中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)構(gòu)建、數(shù)學(xué)模型的建立、基于無(wú)源性的阻抗控制策略和安全性控制策略等方面的研究和探討,為進(jìn)一步研究按摩機(jī)器人技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)論文的研究成果也為按摩機(jī)器人市場(chǎng)化提供了理論支撐。
【關(guān)鍵詞】：安全中醫(yī)按摩機(jī)器人 模塊化一體化柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 端口Hamilton系統(tǒng) 無(wú)源性控制 安全按摩控制策略
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-27
• 1.1 概述與研究意義14-15
• 1.2 中醫(yī)按摩機(jī)器人的技術(shù)需求15
• 1.3 按摩機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀15-21
• 1.3.1 國(guó)際上按摩機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀15-19
• 1.3.2 國(guó)內(nèi)中醫(yī)按摩機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀19-21
• 1.4 可進(jìn)行安全物理人-機(jī)接觸（PHRI）的機(jī)器人現(xiàn)狀21-25
• 1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)的搭建設(shè)計(jì)27-58
• 2.1 常用的中醫(yī)按摩手法的運(yùn)動(dòng)分析27-28
• 2.2 中醫(yī)按摩機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)28-42
• 2.2.1 機(jī)電一體化柔性關(guān)節(jié)29-37
• 2.2.2 中醫(yī)按摩機(jī)器人臂的本體設(shè)計(jì)與連桿的有限元分析37-42
• 2.3 硬件電路設(shè)計(jì)42-47
• 2.3.1 硬件電路外形設(shè)計(jì)42
• 2.3.2 硬件電路的功能設(shè)計(jì)42-45
• 2.3.3 硬件電路保護(hù)設(shè)計(jì)45-47
• 2.4 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)47-54
• 2.4.1 控制系統(tǒng)的組成47
• 2.4.2 基于SOPC的控制系統(tǒng)的搭建47-50
• 2.4.3 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)50-52
• 2.4.4 上位機(jī)與下位機(jī)的通訊協(xié)議設(shè)計(jì)52-54
• 2.4.5 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)54
• 2.5 機(jī)器人的安全保障體系的建立54-57
• 2.5.1 用戶保障措施55-56
• 2.5.2 醫(yī)護(hù)人員保障措施56
• 2.5.3 機(jī)械系統(tǒng)保護(hù)措施56
• 2.5.4 電路保護(hù)措施56
• 2.5.5 軟件方面保護(hù)措施56-57
• 2.6 小結(jié)57-58
• 第3章 中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立與仿真58-99
• 3.1 中醫(yī)按摩機(jī)器人本體的數(shù)學(xué)模型58-89
• 3.1.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與仿真59-75
• 3.1.2 機(jī)器人的工作空間分析75
• 3.1.3 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)計(jì)算與仿真75-89
• 3.2 基于端. HAMILTON理論的機(jī)器人按摩的動(dòng)態(tài)分析89-97
• 3.2.1 基于端.的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模方法89-91
• 3.2.2 基于端. Hamilton理論的機(jī)器人按摩動(dòng)態(tài)分析91-97
• 3.3 小結(jié)97-99
• 第4章 基于無(wú)源性理論的機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)99-113
• 4.1 無(wú)源控制理論的相關(guān)知識(shí)99-101
• 4.1.1 基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論99-100
• 4.1.2 系統(tǒng)的耗散性、無(wú)源性與與穩(wěn)定性100-101
• 4.1.3 基于無(wú)源性控制方法101
• 4.2 按摩機(jī)械臂的阻抗控制技術(shù)及其無(wú)源性分析101-105
• 4.2.1 柔性關(guān)節(jié)與柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)分析101-102
• 4.2.2 面向中醫(yī)按摩的阻抗控制技術(shù)102-104
• 4.2.3 按摩機(jī)械臂控制系統(tǒng)的無(wú)源性分析104-105
• 4.2.4 基于用戶反饋的適應(yīng)性調(diào)整策略105
• 4.3 機(jī)器人的安全按摩控制策略105-111
• 4.3.1 機(jī)器人發(fā)生物理接觸時(shí)的反應(yīng)機(jī)制106-107
• 4.3.2 機(jī)器人物理接觸的檢測(cè)107-108
• 4.3.3 物理接觸的關(guān)節(jié)定位108-109
• 4.3.4 機(jī)器人的安全按摩控制策略109-111
• 4.3.5 機(jī)器人的安全按摩控制器設(shè)計(jì)111
• 4.4 小結(jié)111-113
• 第5章 中醫(yī)按摩機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究113-127
• 5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建113-115
• 5.1.1 機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建113-114
• 5.1.2 中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)的搭建114-115
• 5.2 中醫(yī)按摩手法的力學(xué)參數(shù)科學(xué)提取115-118
• 5.2.1.在體測(cè)量裝置和基于假體的按摩力測(cè)量裝置115-116
• 5.2.2 按摩手法的生物力學(xué)參數(shù)采集與提取116-118
• 5.3 基于一體化柔性關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)研究118-121
• 5.3.1 位置控制的實(shí)驗(yàn)研究118-119
• 5.3.2 彈性單元的力矩標(biāo)定與力矩控制的實(shí)驗(yàn)研究119-120
• 5.3.3 關(guān)節(jié)阻抗控制的實(shí)驗(yàn)研究120-121
• 5.4 機(jī)器人特性的實(shí)驗(yàn)研究121-123
• 5.4.1. 機(jī)器人柔順性實(shí)驗(yàn)121-122
• 5.4.2 機(jī)器人的安全控制策略驗(yàn)證122-123
• 5.5 中醫(yī)按摩機(jī)器人按摩效果驗(yàn)證123-126
• 5.5.1 在體實(shí)驗(yàn)123-124
• 5.5.2 假體實(shí)驗(yàn)124-125
• 5.5.3 用戶主觀評(píng)價(jià)125-126
• 5.6 小結(jié)126-127
• 結(jié)論127-130
• 參考文獻(xiàn)130-142
• 附錄142-146
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單146-147
• 致謝147-148
• 作者簡(jiǎn)介148

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1 陳林;奚如如;王興松;;套索驅(qū)動(dòng)細(xì)長(zhǎng)機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J];機(jī)電工程;2011年03期

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本文編號(hào)：343188