CN103830087A - 一种叩击按摩机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叩击按摩机器人，其特征在于该机器人包括控制系统、步进电机、步进电机驱动器、编码器、三自由度直角坐标机械臂、红外测距传感器、加速度传感器、叩击按摩模块、控制手柄和光电限位开关；所述三自由度直角坐标机械臂设有三个可移动的轴，每个轴的主要组成结构是线性模组，所述线性模组主要由滚珠丝杠、U型直线导轨和滑座组成；所述控制系统包括计算机、运动控制卡及所配套的端子板；所述叩击按摩模块位于三自由度直角坐标机械臂的Y轴上，包括悬臂梁、按摩头、激振器及连接座。本发明叩击按摩机器人采用具有一定刚度的悬臂梁机构，能够根据不同的按摩部位自行调节按摩力度和按摩频率，可避免按摩造成的二次伤害。

Description

一种叩击按摩机器人

技术领域

本发明涉及医疗保健器械技术领域，具体是一种叩击按摩机器人。

背景技术

中医按摩在我国具有悠久的历史，其独特的治疗效果得到了普遍认可。叩击是中医按摩的中的按摩方式之一，具有舒筋通络、活血祛瘀、调和气血等作用，同时叩击还对高血压、肌肉痉挛、肢体瘫痪和肌肉萎缩等病症有明显的疗效。现有的按摩器械一般是振动按摩方式，其缺点一是按摩强度过大，不适合身体虚弱的病人；二是按摩器械施加的按摩力是刚性的，有冲击性，如果按摩力调节不当或误操作，极易对病人造成二次伤害。

专利公开号为CN201798892U的实用新型专利公开了一种带叩击按摩头的按摩装置，叩击效果是由带偏心轮的叩击轴来实现的，当电机启动后，带动偏心轮转动，产生叩击按摩效果，其力度完全由电机的转速来控制，并不能通过自身的机械结构改变来缓解力度，只能降低电机转速，若是电机转速太快，会给人体施加很大的按摩力，而且还没有力度的反馈，易对人体造成伤害。又如公开号为CN102389364B的发明专利公开了一种龙门式中医按摩机器人，虽然能完成多种按摩手法，但是在叩击按摩手法中是靠机械臂的移动来带动按摩装置实现叩击的，机械臂的刚性比较强，未能实现柔性按摩，尽管在按摩装置中设有压力传感器，但是当在按摩过程中按摩力度过大时，也不能通过自身机械结构的改变来缓解力度的变化。

发明内容

针对现有技术不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种叩击按摩机器人。该机器人以叩击方式提供按摩，其中按摩结构的核心是一个有一定刚度的悬臂梁机构，具有柔性按摩的特点，并可有效控制按摩力度和按摩频率，当按摩力过大时悬臂梁自身会发生变形，避免对人体组织产生过大的拍打力。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种叩击按摩机器人，其特征在于该机器人包括控制系统、步进电机、步进电机驱动器、编码器、三自由度直角坐标机械臂、红外测距传感器、加速度传感器、叩击按摩模块、控制手柄和光电限位开关；所述三自由度直角坐标机械臂设有三个可移动的轴，分别为X轴、Y轴和Z轴，所述X轴位于底座上，所述Y轴同Z轴线性模组滑座相连，所述Z轴与X轴线性模组滑座相连，同时与平衡支架相连，使Z轴平衡稳定；每个轴的主要组成结构是线性模组，所述线性模组主要由滚珠丝杠、U型直线导轨和滑座组成；所述三个可移动的轴分别通过X、Y、Z轴联轴器使相应X、Y、Z轴步进电机与相应X、Y、Z轴的滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠位于相应轴的X、Y、Z轴U型直线导轨上；

所述控制系统包括计算机、运动控制卡及所配套的端子板，所述运动控制卡与计算机通过PCI总线相连，可直接插在计算机主机的PCI插槽内，通过计算机来输入指令，所述端子板通过线缆与运动控制卡相连，端子板上包含数字I/O模块、A/D模块、D/A模块、编码器信号输入口模块、控制轴模块；

所述各轴步进电机通过线缆与步进电机驱动器相连；所述各轴步进电机驱动器和编码器分别通过线缆与端子板的控制轴的相应引脚相连；

所述叩击按摩模块位于三自由度直角坐标机械臂的Y轴上，包括悬臂梁、按摩头、激振器及连接座，所述激振器通过连接座与Y轴相连，并通过线缆与运动控制卡D/A模块相连，在激振器上部设有激振器顶杆；所述悬臂梁一端与激振器顶杆相固定，另一端与按摩头相连；所述加速度传感器位于所述按摩头上端，通过线缆与A/D模块相连；所述红外测距传感器位于叩击按摩模块的底部，通过线缆与A/D模块相连；

所述控制手柄通过线缆同运动控制卡数字输入口相连，可以通过控制手柄直接控制三自由度直角坐标机械臂的运动；

所述光电限位开关为输出开关量信号，与运动控制卡数字输入口相连。

与现有技术相比，本发明叩击按摩机器人仿照中医叩击按摩原理，在按摩结构上采用具有一定刚度的悬臂梁机构，对悬臂梁施加激振力，用悬臂梁振动的方式对病人进行拍打按摩治疗。本发明可模拟真人的按摩过程，在按摩过程中能够及时自行调节按摩力的大小，避免按摩可能造成的二次伤害，实现了智能按摩，并具有结构简单，成本较低，适于家用等特点。

附图说明

图1为本发明叩击按摩机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明叩击按摩机器人一种实施例的整体设计框架结构示意图；

图3为本发明叩击按摩机器人一种实施例的控制箱结构示意图；

图4为本发明叩击按摩机器人一种实施例的控制系统软件流程示意图。

其中，Z轴步进电机30、Z轴联轴器31、Z轴U型直线导轨32、连接座33、激振器顶杆34、按摩头35、悬臂梁36、激振器37、Y轴38、Z轴线性模组滑座39、X轴步进电机40、Ｘ轴联轴器41、X轴线性模组滑座42、X轴43、底座44、平衡支架45、Y轴步进电机46、Y轴联轴器47、Z轴48、启动按钮49、停止按钮50、控制手柄51。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明做进一步说明。具体实施例仅是对本发明的进一步详细地说明及解释，并不限定本发明权利要求的保护范围。

本发明设计的叩击按摩机器人（简称机器人，参见图1-4），包括控制系统、步进电机、步进电机驱动器、编码器、三自由度直角坐标机械臂、红外测距传感器、加速度传感器、叩击按摩模块、控制手柄和光电限位开关；所述三自由度直角坐标机械臂设有三个可移动的轴，分别为X轴43、Y轴38和Z轴48，所述X轴位于底座44上，所述Y轴38同Z轴线性模组滑座39相连，所述Z轴48与X轴线性模组滑座42相连，同时与平衡支架45相连，使Z轴48平衡稳定；每个轴的主要组成结构为线性模组，所述线性模组包括滚珠丝杠、U型直线导轨和滑座，所述三个可移动的轴分别通过X轴联轴器41、Y轴联轴器47、Z轴联轴器31使相应X轴步进电机40、Y轴步进电机46、Z轴步进电机30与相应X、Y、Z轴的滚珠丝杠相连，所述Z轴的滚珠丝杠位于Z轴U型直线导轨32，所述X、Y轴的滚珠丝杠位于相应轴的X、Y轴U型直线导轨上；

所述控制系统包括计算机、运动控制卡及所配套的端子板，所述运动控制卡与计算机通过PCI总线相连，可直接插在计算机主机的PCI插槽内，通过计算机来输入指令，所述端子板通过线缆与运动控制卡相连，端子板上包含数字I/O模块、A/D模块、D/A模块、编码器信号输入口模块、控制轴模块；

所述各轴步进电机通过线缆与步进电机驱动器相连；所述各轴步进电机驱动器和编码器分别通过线缆与端子板的控制轴的相应引脚相连；

所述叩击按摩模块位于三自由度直角坐标机械臂的Y轴上，包括悬臂梁36、按摩头35、激振器37及连接座33，所述激振器通过连接座33与Y轴38相连，并通过线缆与运动控制卡D/A模块相连，在激振器上部设有激振器顶杆34；所述悬臂梁36一端与激振器顶杆34相固定，另一端与按摩头35相连；所述加速度传感器位于所述按摩头上端，通过线缆与A/D模块相连；所述红外测距传感器位于叩击按摩模块的底部，通过线缆与A/D模块相连；

所述控制手柄51通过线缆同运动控制卡数字输入口相连，可以通过控制手柄51直接控制三自由度直角坐标机械臂的运动；

所述光电限位开关为输出开关量信号，与运动控制卡数字输入口相连。

本发明机器人的进一步特征是所述悬臂梁36为弹簧钢制成。

本发明叩击按摩机器人（参见图1）设有三个可移动的轴，分别定义为X轴43、Y轴38和Z轴48，每个轴的主要组成结构是线性模组，包括滚珠丝杆、U型直线导轨和滑座，具有体积小、重量轻、精度高、安装容易等特点。

所述叩击按摩模块安装在三自由度直角坐标机械臂的Y轴38上，包括悬臂梁36、按摩头35、激振器37及连接座33，其中激振器是叩击按摩模块的激励源，激振器37是通过运动控制卡的D/A模块驱动的，D/A模块输出的信号经过功率放大后传递给激振器37，可改变激振器顶杆34振动的频率和振幅，调节叩击按摩频率和力度。当激振器37给悬臂梁36施加激励后，悬臂梁就会以一定频率振动，同时带动按摩头35振动，产生叩击按摩效果。一方面，若确定了按摩频率，可通过调整激振器顶杆34的振动振幅，改变按摩力度；另一方面，若确定了激振器顶杆34的振幅，可改变激振器顶杆34振动频率，改变按摩力度。在手动模式下，激振器顶杆34的振动频率和振幅可在人机交互界面上调节。在自动模式下，控制系统通过分析加速度传感器的信号来判断按摩的部位，自动调节激振器顶杆34振动频率和振幅，进而调节按摩频率和按摩力度。同时，控制系统通过分析红外测距传感器信号来实时调整叩击按摩模块与人体的距离，这样就可以使得机器人能够自动地随着人的肌体按摩，实现智能按摩效果。

本发明叩击按摩机器人的整体设计框架采用模块式设计（参见图2）。控制系统采用“上位机+运动控制卡”的控制策略。其中上位机可以为个人计算机，在计算机上通过软件编制人机交互界面。系统开机后用户可以根据人机交互界面的指示进行指令的输入。整个控制系统分为手动控制和自动控制，且能在人机交互界面上进行切换。当开启自动控制后，会出现两种运行模式，分为点位运行模式和速度运行模式，这两种运行模式都需要先对各轴步进电机的运动参数进行设定。其中，点位运行模式需要设置的参数包括各轴运行的速度和目标位置；速度运行模式需要设置的参数是只有各轴的运行速度，通过计算机将指令传输给运动控制卡，运动控制卡读取这些指令后控制各轴步进电机的运动。当开启手动控制后，系统会切换到手动模式下，可通过控制手柄51来直接控制三自由度直角坐标机械臂，调整按摩位置，控制手柄51与运动控制卡的数字输入口相连，运动控制卡通过读取相应数字输入口电平的高低，来使三自由度直角坐标机械臂相应轴的步进电机运动,同时可在人机交互界面上调节激振器顶杆34的振动频率和振幅，来改变按摩频率和按摩力度。

红外测距传感器的作用是测量叩击按摩模块同人体的距离，使控制系统在自动模式下及时调整叩击按摩模块的位置，让叩击按摩机器人能随着人体肌体进行自动按摩，其输出信号是模拟电压，输出电压值的大小随着所测距离的改变而改变。加速度传感器的作用是用来判断按摩的人体部位，控制系统通过分析加速度传感器信号来及时调整按摩频率和按摩力度，来达到令人舒适的按摩效果。红外测距传感器和加速度传感器输出的信号都是模拟信号，需要通过模数转换后才能进行处理，运动控制卡自带A/D模块，红外测距传感器和加速度传感器都同运动控制卡的A/D模块相连，计算机通过已编写好的程序对采集的信号进行处理，来控制按摩过程。

为了满足轴运动精确的需求，尽量减少由于机械执行机构所带来的运行误差，系统的执行部件和位置检测部件采用步进电机和编码器的形式，编码器反馈的是轴的实际运行位置，而不是步进电机走的步数。运动控制卡接受到编码器的回馈信号，计算机将其同实际参数进行比较，从而来使轴的运行准确。步进电机通过线缆与步进电机驱动器相连，步进电机驱动器和编码器分别通过线缆都与端子板的控制轴的相应引脚相连，运动控制卡在控制步进电机运动的同时也在接受着编码器的信号，来达到对三自由度直角坐标机械臂的三个轴的精确控制。

本发明叩击按摩机器人设计有控制箱（参见图3），该机器人的控制箱是整个机器人的控制电路，可以通过启动按钮49、停止按钮50来开启和停止叩击按摩机器人。

本发明控制系统软件流程（参见图4）是：进入该机器人控制系统人机交互界面后，根据所需进入相关的运行模式中，分为两种模式：手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式下，可以通过控制手柄51直接控制三自由度直角坐标机械臂。在自动控制模式下,该机器人控制系统按照已设定好的程序自动控制三自由度直角坐标机械臂的运动，即按摩模块的运动，并根据测距传感器信号来实时调节按摩模块与人体的距离，使得该机器人能够随着人体肌体进行按摩，在按摩过程中可以随时通过停止按钮50紧急停止叩击按摩机器人工作。

同时本发明设置了光电限位开关，光电限位开关输出的是开关量信号，与运动控制卡的数字输入口相连，可保证执行机构运行在安全范围内。

本发明叩击按摩机器人的优势在于采用了悬臂梁机构，具有柔性按摩的特点，当按摩力过大时悬臂梁自身会发生变形，这就避免了对人体组织产生过大的拍打力，控制系统采用“上位机+运动控制卡”的控制策略，通过采集传感器信号实时调整按摩力度、按摩频率及按摩位置，达到智能按摩的效果。控制系统具有开放性和准确性，更加方便用户的使用。

Claims (2)

1.一种叩击按摩机器人，其特征在于该机器人包括控制系统、步进电机、步进电机驱动器、编码器、三自由度直角坐标机械臂、红外测距传感器、加速度传感器、叩击按摩模块、控制手柄和光电限位开关；所述三自由度直角坐标机械臂设有三个可移动的轴，分别为X轴、Y轴和Z轴，所述X轴位于底座上，所述Y轴同Z轴线性模组滑座相连，所述Z轴与X轴线性模组滑座相连，同时与平衡支架相连，使Z轴平衡稳定；每个轴的主要组成结构是线性模组，所述线性模组主要由滚珠丝杠、U型直线导轨和滑座组成；所述三个可移动的轴分别通过X、Y、Z轴联轴器使相应X、Y、Z轴步进电机与相应X、Y、Z轴的滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠位于相应轴的X、Y、Z轴U型直线导轨上；

所述控制系统包括计算机、运动控制卡及所配套的端子板，所述运动控制卡与计算机通过PCI总线相连，可直接插在计算机主机的PCI插槽内，通过计算机来输入指令；所述端子板通过线缆与运动控制卡相连，端子板上包含数字I/O模块、A/D模块、D/A模块、编码器信号输入口模块、控制轴模块；

所述各轴步进电机通过线缆与步进电机驱动器相连；所述各轴步进电机驱动器和编码器分别通过线缆与端子板的控制轴的相应引脚相连；

所述叩击按摩模块位于三自由度直角坐标机械臂的Y轴上，包括悬臂梁、按摩头、激振器及连接座，所述激振器通过连接座与Y轴相连，并通过线缆与运动控制卡D/A模块相连，在激振器上部设有激振器顶杆；所述悬臂梁一端与激振器顶杆相固定，另一端与按摩头相连；所述加速度传感器位于所述按摩头上端，通过线缆与A/D模块相连；所述红外测距传感器位于叩击按摩模块的底部，通过线缆与A/D模块相连；

所述控制手柄通过线缆同运动控制卡数字输入口相连，可以通过控制手柄直接控制三自由度直角坐标机械臂的运动；

所述光电限位开关为输出开关量信号，与运动控制卡数字输入口相连。

2.根据权利要求1所述的叩击按摩机器人，其特征在于所述悬臂梁为弹簧钢制成。

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