CN101889939A - 一种推拿机器人执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种推拿机器人执行机构涉及医疗机械领域，其主体机构由具有两平移的导轨上串联五自由度的机械臂再串联一平移一转动的两自由度并联机构及曲柄摇杆机构共同构成；包括两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)、固定平台(14)、动平台(9)、并联机构和平面摇杆机构。两平移的导轨配合一平移一转动的两自由度并联机构及曲柄摇杆机构共同来完成按摩手法中滚、按、揉、振、拍的动作。本机构结构简单、紧凑，刚度高，转动灵活，动态性能好，动平台摆角大，自由度少，运动学分析简单，容易实现实时控制。

Description

一种推拿机器人执行机构
技术领域
本发明涉及医疗机械领域，特指一类利用具有两平移的导轨上串联五自由度的机械臂再串联一平移一转动的两自由度并联机构及曲柄摇杆机构加三维力传感器及控制系统组成的机器人，可用于中医推拿医疗中，如面向老年人腰腿疼痛的推拿或按摩，属于空间并联机器人与曲柄摇杆机构串联全解耦运动的机构及中医医疗设备现代化的研究领域。
背景技术
1999年我国进入国际公认的老龄化社会，60岁以上老年人口占全国总人口的10％，截至2008年底，全国老年人口已经增至1.69亿，，目前我国人口老龄化呈持续加剧之势。因此老年人口的医疗和保健成为我国面临的重大社会服务问题。目前，老年退行性疾病和慢性疾病带来的各种疼痛已成为困扰老年人的主要病痛之一，且以老年腰腿疼痛最为普遍和严重。中医推拿一直是缓解和治疗各种慢性疼痛的最为有效的手段。但时至今日，各大医院的临床治疗仍由少部分有经验的按摩师人工进行，按摩效果的影响因素(如按摩的位置、力量及其变化、手法运用、患者心理调节等)无法用语言准确、定量地进行描述，从而影响了按摩手法的积极推广。因此研究和发明按摩机器人以代替按摩师的人工劳动具有现实意义和实用价值。
并联机构具有高精度、高刚度和高承载力等优点而成为人们的研究热点，并被广泛应用于微动机器人、工业机器人、并联机床等多个领域。因此利用现代机械、计算机、机电一体化技术研究一种能满足多种空间推拿运动手法需要的机器人是一种既可行又具有巨大市场潜力的好的研究方向。与本申请最接近的专利有发明人本人申请的已获发明授权的两项专利。专利号ZL03132071.6，名称一类新型中医伤科医用推拿机器人，该专利的主要执行机构为4-SPS，1-5R形式或4-SPS，1-8R或4-SPS，1-4R1P形式组成的机构，该机构刚度高，动态特性好，转动自由度有很高的灵活性，动作灵敏迅速，可很好的满足推拿操作特性要求。专利号ZL200510094463.X，名称一类新型串并联中医推拿机器人，该专利的主要机构为2-PRR⊥R，1-RUU所组成，该机构刚度高，转动灵活性高，解耦性好，容易实现实时控制。
发明内容
本发明的主要目的是从中医推拿手法的运动学和动力学要求出发，结合串联机构和并联机构的特点，提供一种能完成中医推拿的五种主流手法(滚法、按法、揉法、振法、拍法)的串并联机器人用于面向老年人腰腿疼痛的中医推拿机器人。其主体机构由具有两平移的导轨上串联五自由度的机械臂再串联一平移一转动的两自由度并联机构及曲柄摇杆机构共同构成。
本发明采用的技术方案是：
具有两平移的导轨配合五自由度的机械臂可实现对按摩位置的准确定位。其中两平移的导轨，可实现平面内两个相互垂直方向的平移运动。
一平移一转动的两自由度空间并联机构，由固定平台、动平台和连接动平台、固定平台的四条支链组成。其中两条为同种结构的主动支链，采用移动副-转动副-转动副组成的单开链；另两条为同种结构的辅助支链，采用移动副-转动副组成的单开链，且两条辅助支链中的转动副轴线必须布置在同一条直线上。并联机构主动支链中的移动副由直线电机驱动实现。曲柄摇杆机构垂直安装在并联机构的动平台上，三维力传感器固定于曲柄摇杆机构中连杆中点位置并配置“按摩手”固结于三维力传感器输出轴，由伺服电机驱动曲柄。
本发明包括两平移导轨的移动副A、两平移导轨的移动副B、固定平台、动平台、并联机构和平面摇杆机构。两平移导轨的移动副A和两平移导轨的移动副B组成的两平移导轨串联上五自由度机械臂，所述固定平台与五自由度机械臂固定连接。固定平台与之间动平台设置并联机构，并联机构包括主动支链A、主动支链B、辅助支链A和辅助支链B；主动支链A与主动支链B、辅助支链A与辅助支链B对称布置于上下平台的四个象限点；主动支链A包括主动支链的转动副B、主动支链的移动副A和主动支链的转动副A；主动支链B包括主动支链的移动副B、主动支链的转动副D和主动支链的转动副C；辅助支链A包括辅助支链的移动副B和辅助支链的转动副B，辅助支链的移动副B与固定平台固定连接，辅助支链的转动副B与动平台固定连接；所述辅助支链B包括辅助支链的移动副A和辅助支链的转动副A，辅助支链的移动副A与固定平台固定连接，辅助支链的转动副A与动平台固定连接。平面摇杆机构包括平面曲柄摇杆机构的转动副A、组成平面摇杆机构的转动副B、组成平面摇杆机构的转动副D和组成平面摇杆机构的转动副C；所述平面曲柄摇杆机构的转动副A与组成平面摇杆机构的转动副B、组成平面摇杆机构的转动副D与组成平面摇杆机构的转动副C之间分别用曲柄摇杆连接；组成平面摇杆机构的转动副B与组成平面摇杆机构的转动副C之间用直杆连接；所述平面曲柄摇杆机构的转动副A和组成平面摇杆机构的转动副D分别于动平台固定连接。
本发明的有益效果是：该推拿机器人的输出端“按摩手”能实现四种主流的推拿手法：滚法、按法、揉法、振法、拍法。该机构的重要机器人主体机构结构简单，刚度高，动平台摆动角度大，转动自由度灵活，动作灵敏迅速，可较好的满足推拿操作特性要求，另外，机构解耦性及动态特效好，便于实时控制。本发明将传统的人工推拿动作由机器人来完成，对中医医疗技术现代化具有重要的学术价值，该类机器人的产业化将带来巨大的经济效益及社会效益，并具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施方式1的结构示意图
图2为本发明实施方式2的结构示意图。
图中：1，辅助支链的转动副A；            2，组成平面曲柄摇杆机构的转动副A；
      3，组成平面摇杆机构的转动副B；    4，主动支链的移动副A；
      5，主动支链的转动副A；            6，主动支链的转动副B；
      7，组成平面摇杆机构的转动副C；    8，组成平面摇杆机构的转动副D；
      9，动平台；                       10，辅助支链的转动副B；
      11，主动支链的转动副C；           12，主动支链的转动副D；
      13，辅助支链的移动副B；           14，固定平台；
      15，主动支链的移动副B；           16，两平移导轨的移动副A；
      17，两平移导轨的移动副B；         18，辅助支链的移动副A；
      19，五自由度机械臂；
具体实施方式
实施方式1：
如附图1所示，本发明包括两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)、固定平台(14)、动平台(9)、并联机构和平面摇杆机构；两平移导轨的移动副A(16)和两平移导轨的移动副B(17)组成的两平移导轨串联上五自由度机械臂(19)，固定平台(14)与五自由度机械臂(19)固定连接。
固定平台(14)与之间动平台(9)配置并联机构。并联机构包括主动支链A、主动支链B、辅助支链A和辅助支链B；主动支链A与主动支链B、辅助支链A与辅助支链B对称布置于上下平台的四个象限点。主动支链A包括主动支链的转动副B(6)、主动支链的移动副A(4)和主动支链的转动副A(5)，主动支链的转动副B(6)、主动支链的移动副A(4)和主动支链的转动副A(5)依次相连，主动支链的转动副B(6)与固定平台(14)固定连接，主动支链的转动副A(5)与动平台(9)固定连接；主动支链B包括主动支链的移动副B(15)、主动支链的转动副D(12)和主动支链的转动副C(11)，主动支链的移动副B(15)、主动支链的转动副D(12)和主动支链的转动副C(11)依次相连，主动支链的移动副B(15)与固定平台(14)固定连接，主动支链的转动副C(11)与动平台(9)固定连接。辅助支链A包括辅助支链的移动副B(13)和辅助支链的转动副B(10)，辅助支链的移动副B(13)与固定平台(14)固定连接，辅助支链的转动副B(10)与动平台(9)固定连接；辅助支链B包括辅助支链的移动副A(18)和辅助支链的转动副A(1)，辅助支链的移动副A(18)与固定平台(14)固定连接，辅助支链的转动副A(1)与动平台(9)固定连接。
平面摇杆机构包括平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)、组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)和组成平面摇杆机构的转动副C(7)；平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)与组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)与组成平面摇杆机构的转动副C(7)之间分别用曲柄摇杆连接；组成平面摇杆机构的转动副B(3)与组成平面摇杆机构的转动副C(7)之间用直杆连接；平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)和组成平面摇杆机构的转动副D(8)分别于动平台(9)固定连接。
所有移动副的导路方位均垂直于固定平台(14)，六个转动副的轴线相互平行，都平行于定坐标系的x轴，且辅助支链的转动副A(1)和辅助支链的转动副B(10)的轴线在同一条直线上。主动支链的移动副A(4)和主动支链的移动副B(15)由两个直线电机驱动。平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)、组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)和组成平面摇杆机构的转动副C(7)的轴线都垂直于动平台(9)，平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)由电机驱动。
上述实施方式1的工作过程是：
由两平移的导轨配合五自由度机械臂(19)使安装于五自由度机械臂中的并联机构和按摩手型到达预定位置。两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)配合一平移一转动的两自由度并联机构及曲柄摇杆机构所组成的三平移两转动机构来完成按摩手法中滚、按、揉、振、拍的动作。其中两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)配合并联机构中主动支链的移动副A(4)和主动支链的移动副B(15)按相同规律运动来实现按摩手法中振和拍的动作；两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)配合并联机构中主动支链的移动副A(4)和主动支链的移动副B(15)按相同规律运动及伺服电机驱动曲柄摇杆机构共同实现按摩手法中按、揉的动作；两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)配合并联机构中的主动支链的移动副A(4)和主动支链的移动副B(15)按反向规律运动驱动时来实现按摩手法中滚的动作。
实施方式2：
结合图2，与实施方式2不同的地方为，主动支链A包括主动支链的移动副A(4)、主动支链的转动副B(6)和主动支链的转动副A(5)，主动支链的移动副A(4)、主动支链的转动副B(6)和主动支链的转动副A(5)依次相连，主动支链的移动副A(4)与固定平台(14)固定连接，主动支链的转动副A(5)与动平台(9)固定连接；主动支链B包括主动支链的转动副D(12)、主动支链的移动副B(15)、和主动支链的转动副C(11)，主动支链的转动副D(12)、主动支链的移动副B(15)、和主动支链的转动副C(11)依次相连，主动支链的转动副D(12)与固定平台(14)固定连接，主动支链的转动副C(11)与动平台(9)固定连接。

Claims (4)

1.一种推拿机器人执行机构，其特征在于，包括两平移导轨的移动副A(16)、两平移导轨的移动副B(17)、固定平台(14)、动平台(9)、并联机构和平面摇杆机构；
所述两平移导轨的移动副A(16)和两平移导轨的移动副B(17)组成的两平移导轨串联上五自由度机械臂(19)，所述固定平台(14)与五自由度机械臂(19)固定连接；
所述固定平台(14)与之间动平台(9)设置并联机构，所述并联机构包括主动支链A、主动支链B、辅助支链A和辅助支链B；所述主动支链A与主动支链B、辅助支链A与辅助支链B对称布置于上下平台的四个象限点；所述主动支链A包括主动支链的转动副B(6)、主动支链的移动副A(4)和主动支链的转动副A(5)；主动支链B包括主动支链的移动副B(15)、主动支链的转动副D(12)和主动支链的转动副C(11)；所述辅助支链A包括辅助支链的移动副B(13)和辅助支链的转动副B(10)，辅助支链的移动副B(13)与固定平台(14)固定连接，辅助支链的转动副B(10)与动平台(9)固定连接；所述辅助支链B包括辅助支链的移动副A(18)和辅助支链的转动副A(1)，辅助支链的移动副A(18)与固定平台(14)固定连接，辅助支链的转动副A(1)与动平台(9)固定连接；
所述平面摇杆机构包括平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)、组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)和组成平面摇杆机构的转动副C(7)；所述平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)与组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)与组成平面摇杆机构的转动副C(7)之间分别用曲柄摇杆连接；所述组成平面摇杆机构的转动副B(3)与组成平面摇杆机构的转动副C(7)之间用直杆连接；所述平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)和组成平面摇杆机构的转动副D(8)分别于动平台(9)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种推拿机器人执行机构，其特征在于，所有移动副的导路方位均垂直于固定平台(14)，六个转动副的轴线相互平行，辅助支链的转动副A(1)和辅助支链的转动副B(10)的轴线在同一条直线上；所述主动支链的移动副A(4)和主动支链的移动副B(15)由两个直线电机驱动；平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)、组成平面摇杆机构的转动副B(3)、组成平面摇杆机构的转动副D(8)和组成平面摇杆机构的转动副C(7)的轴线都垂直于动平台(9)，所述平面曲柄摇杆机构的转动副A(2)由电机驱动。
3.根据权利要求1或2所述的一种推拿机器人执行机构，其特征在于，所述主动支链的转动副B(6)、主动支链的移动副A(4)和主动支链的转动副A(5)依次相连，所述主动支链的转动副B(6)与固定平台(14)固定连接，所述主动支链的转动副A(5)与动平台(9)固定连接；所述主动支链的移动副B(15)、主动支链的转动副D(12)和主动支链的转动副C(11)依次相连，所述主动支链的移动副B(15)与固定平台(14)固定连接，所述主动支链的转动副C(11)与动平台(9)固定连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种推拿机器人执行机构，其特征在于，所述主动支链的移动副A(4)、主动支链的转动副B(6)和主动支链的转动副A(5)依次相连，所述主动支链的移动副A(4)与固定平台(14)固定连接，所述主动支链的转动副A(5)与动平台(9)固定连接；所述主动支链的转动副D(12)、主动支链的移动副B(15)、和主动支链的转动副C(11)依次相连，所述主动支链的转动副D(12)与固定平台(14)固定连接，所述主动支链的转动副C(11)与动平台(9)固定连接。
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