CN109223482B - 一种基于柔性驱动的按摩机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性驱动的按摩按摩机器人，包括：定位机械臂、柔性驱动并联机构、按摩头，其中柔性驱动并联机构包括上平台、下平台以及三组规格相同的气囊，固定上平台，分别向三组气囊中充入等量或不等量气体，柔性驱动并联机构下平台将会发生不同角度的全向弯曲，按摩球固定于下平台将随着下平台运动，按摩球与人体接触形成按摩。此柔性驱动并联机构可以精确控制其变形位置，其驱动力也能进行精确控制，且此发明能够输出比较大的按摩力。整个机构驱动为全向驱动，使得整个按摩机构更加的灵活多变，按摩时工作稳定，更好的模拟传统中医按摩手法中的“揉”和“按”等动作。

Description

一种基于柔性驱动的按摩机器人

技术领域

本发明涉及按摩机器人领域，特别是一种基于柔性驱动的按摩机器人。

背景技术

按摩机器人技术是源自于中国传统的中医按摩理论，以此为基础，将中医中的一些推拿理论和手法与现代机器人进行相互相融合。按摩机器人是利用了现代机器人能够对位置进行精确定位，能够实现在人体上按摩力度的控制，整个按摩的动作过程也是可以进行无限重复，不会出现如同人一样产生疲倦劳累等特点，将中医中的部分推拿手法融入到了现代机器人技术中，使得按摩机器人能够代替按摩师对人体进行按摩，按摩机器人能够效仿按摩师对按摩者身上的按摩穴位进行精准定位，它能够独立的对人体进行按、压、揉捏等动作。

现有按摩机器人大多采用刚性机构进行驱动，公开号为CN108309740A的发明专利公开了一种移动式背部按摩机器人，此发明包括底盘、叩击按摩机构、滚揉按摩机构、感应与控制装置和两个远红外线治疗灯，通过电机的驱动四个轮实现机器人在使用者背部的双向行走，能够实现弹性叩击按摩、滚揉按摩，但其按摩外力驱动依靠按摩机器人自身重力，由此使得按摩力度受限，且其按摩位置局限适用人群少。公开号为CN107137214A的发明专利公开了一种可穿戴式医用按摩机器人，依靠伺服电机和气缸形成驱动，推动着装在头部的橡胶按摩球对头部进行滚轮式的按摩，但是整体设计为机械式结构配合在灵活性上有所欠缺，对头进行按摩首先必须保证具有足够的安全可靠性，而上述专利在安全性上也有所欠缺。刚性驱动按摩机器人虽然在一定程度上能够起到对人体进行按摩减压，舒缓人体疲劳程度等功效，但其灵活性远不如软体柔性驱动机器人，按摩的舒适度以及安全性降低。

采用柔性驱动实现按摩优势突出，但必须做到既要体现出柔性驱动灵活多变的特点也要实现大的驱动才能运用于按摩，只有解决这两个条件才能使得按摩既安全可靠又舒适。

近年来科学家不断对柔性驱动机器人方向进行研究，也涌现出很多创造性发现，推进柔性驱动机器人的发展。公开号为CN206511005U的发明专利公开了一种具有电磁夹紧装置的气动软体机器人，包括电磁夹紧装置、驱动控制系统和通过无线通讯组件与驱动控制系统实现无线连接的遥控设备，通过控制密闭气腔充气实现相应位置气腔内部气压增大，变形层将会与管壁形成挤压，由此为机器人提供爬升动力，但此发明输出动力局限，只能输出带动自身重量的力，应用范围受限。公开号为CN105729465A的发明专利公开了一种气动软体线性伸缩装置，此发明中间为一个空腔弹性气缸(采用橡胶制作)，气缸为圆柱形其表面密布着高强度线，气缸一端为进气端盖另一端为防凸端盖，当向空腔内充气时气缸将会发生轴向膨胀而伸长。此发明虽然解决其气缸在膨胀时的径向变形也实现了柔性驱动，但它只能实现线性驱动不能实现多角度弯曲变形，使得其在灵活性上受限，且其驱动力小工程应用局限。公开号为CN106309083A的发明专利公开了一种EMG控制的气动软体康复机械手，主要包括上下两层手套，上层为五根中空的手指，下层为使用者穿戴。通过控制充放气实现速度的调节，由此实现对软体手指的主动控制。虽然此发明能够实现对柔性驱动的弯曲以及拉伸控制，但其精度不高而且其运用范围小，其所刚度低承载能力小，也将使得驱动受限。为解决上问题，本专利为一种基于柔性驱动的按摩机人，既能够实现柔性驱动机器人的全向弯曲又能够实现刚性机器人大承载能力，使得按摩既舒适又变得安全可靠。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在通过充放气的方式使得柔性驱动并联机构对按摩头形成驱动进而对人体进行按摩，按摩轨迹与力度可进行精准控制。按摩方式灵活多变，力度控制精准，运动稳定性好，工作空间要求小。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于柔性驱动的按摩机器人，包括：定位机械臂、柔性驱动并联机构、按摩头，其中柔性驱动并联机构包括上平台、下平台以及三组规格相同的气囊，每组气囊分为4层，每相邻两层气囊之间贴合在一起，每一层气囊的侧面有两个通气口，通过气动软管分别连接到气囊两侧的通气口并将通气口密封，连接气囊两端的气动软管插入三通接头，通过气动软管接入三通接头剩余的一个接口，通过一个五通接头将每层气囊接通起来，每一组气囊只设有一个通气口，其中每组气囊两端铸有圆柱形凸台，在凸台中间位置有一个环形凹槽，圆柱型套筒分为左右两半，在套筒下边缘内部有一个环形凸台，将左右两个套筒的环形凸台嵌入气囊凸台中的环形凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒上部用螺栓与上下平台固定连接，三组气囊放置在上、下平台之间并成120°均匀分布，三组气囊分别与三组气泵连接，每组气泵的充放气独立，上平台固定于定位机械臂上，下平台接有一个半球状软体按摩头，按摩头上均匀分布子弹头型凸起。

上述技术方案中，所述气囊的材质为硅胶软体，在气囊内部嵌入一个刚性固定圆环。

上述技术方案中，所述气动软管采用具有柔性的PU高压软管。

上述技术方案中，所述定位机械臂为6自由度被动可调节机械臂，采用螺栓将气动柔性并联机构上平台固定于定位机械臂上，将定位机械臂定位到指定位置后拧紧螺栓将定位机械臂固定。

上述技术方案中，所述气囊采用熔模铸造法制作完成，其模具采用3D打印制作而成，模具所用的蜡模采用精密铸造蜡制作而成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明能够将柔性驱动机器人技术与中医按摩技术进行结合，既能够发挥出柔性驱动机器人的灵活多变的特点也能够实现传统按摩手法中的“按”和“揉”两个动作。

2、本发明在按摩时工作稳定，对于工作空间要求低，成本低可使用群体广泛。

3、本方案的按摩前端为气动柔性驱动，它具有全向弯曲的特点，使得按摩前端更加的灵活多变，能够适应很多位置的按摩，同时能够输出大的驱动力使得按摩效果更加突出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的一种基于柔性驱动的按摩机器人主视图；

图2是本发明的一种基于柔性驱动的按摩机器人俯视图；

图3是本发明的一种基于柔性驱动的按摩机器人轴侧视图；

图4是本发明柔性驱动并联机构主视图；

图5是本发明柔性驱动并联机构左视图；

图6是本发明柔性驱动并联机构轴侧视图；

图7是本发明气囊与套筒连接部示意图。

其中，附图标记：1-气动软管，2-五通接头，3-挡圈，4-三通接头，5-上平台，6-法兰，7-轴，8-套筒，9-气囊，10-螺母，11-下平台，12-按摩球，13-按摩床，14-滑动平台，15-定位机械臂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1～3所示，本发明一种基于柔性驱动的按摩机器人整体结构示意图中，定位机械臂(15)、柔性驱动并联机构、按摩头，其中柔性驱动并联机构包括上平台(5)、下平台(11)以及三组规格相同的气囊(9)，定位机械臂(15)臂和滑动平台(14)构成定位装置，此外，本发明还包括按摩床(13)。

如图4～6所示为柔性驱动并联机构，气囊之间采用气动软管(1)进行连接，每一层气囊两侧的通气口采用气动软管和三通接头(4)将其串联起来，运用五通接头(2)将每组气囊进行串联，橡胶软体按摩球(12)与下平台连接固定。上平台中间位置用一根轴(7)将它与定位机械臂(15)进行连接并用法兰(6)将其固定。本发明采用4层气囊为一组，并将每层气囊进行贴合并将其固定，每层气囊两侧均有两个对称的通气口，采用气管以及一个三通接头将它们串联起来，使得每一层气囊可以同时从两端充放气，使得气压更加稳定。接着采用一个五通接头将4层气囊进行串联起来形成一个气囊组，可以同时对气囊组中的每一层气囊充放气。将三组气囊分别与气泵进行连接，将上平台(5)与定位机械臂(15)连接并固定，按摩时操作定位机械臂(15)和滑动平台(14)将按摩球(12)定位到指定按摩位置。开动气泵同时对三组充入等量气体，此时由于上平台(5)是固定，柔性驱动并联机构将会拉伸变形，按摩球(12)将在柔性驱动并联机构的驱动下向下按。当向气囊中的任一两组气囊进行充气，此时整个柔性驱动并联机构将会向着没有充气那组气囊弯曲，按摩球将在柔性驱动并联机构的驱动下发生揉动，对人体穴位处进行揉。结合按摩手法，通过控制对三组气囊的充放气，使得按摩球在人体穴位处形成舒适有效的按摩。

本发明的气囊每一层的边缘处有加厚的圆环其作用为使得气囊在充气变形时能够抑制其径向膨胀变形，使其能够在充气时沿着轴向伸长变形，其中每组气囊两端铸有圆柱形凸台，如图7所示，在凸台中间位置有一个环形凹槽，圆柱型套筒分为左右两半，在套筒下边缘内部有一个环形凸台，将左右两个套筒的环形凸台嵌入气囊凸台中的环形凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒上部用螺栓与上下平台固定连接，使得将4层气囊进行固定并串联连接组成一个气囊组，将三组气囊放置在上、下平台之间并成120°均匀分布。三组气囊分别与三组气泵连接，每组气泵的充放气独立，上平台固定于定位机械臂上，下平台接有一个半球状软体按摩头，按摩头上均匀分布子弹头型凸起。

上平台固定在定位机械臂上，下平台连接一个半球型按摩球。每层气囊两端各有一个通气孔，通过气动软管以及三通接头将两个通气孔串联起来，采用五通接头将每一组气囊进行串联，使得每一组有一个独立的进气口，同时每层气囊两端可以同时充气。将每一组气囊再连接一个SMC气动比例阀，通过气泵分别对三组气囊进行充气。通过单片机对气动比例阀进行控制，从单片机中输出模拟电压信号再将信号输入给气动比例阀，气动比例阀再根据输入的值对气囊中的气压值进行连续控制，进而控制三组气囊的伸长弯曲变形。通过对三组气囊的压力值的控制，使得对柔性驱动并联机构的驱动力进行控制，进而实现对按摩力度的控制。

气囊的材质为硅胶软体，在气囊径向侧面部分的厚度大于气囊本身其余部分的厚度，在气囊内部嵌入一个刚性固定圆环。本发明采用医用人体硅胶，其硬度适中、高抗拉、具有优良的耐高温性。

气动软管采用具有柔性的PU高压软管，其中PU管按材料分为聚酯型PU管和聚醚型PU管，本发明选用聚酯型PU管，其特点是具有较好的拉伸性能、挠曲性能以及耐较高温度。

定位机械臂为6自由度被动可调节机械臂，采用螺栓将气动柔性并联机构上平台固定于定位机械臂上，将定位机械臂定位到指定位置后拧紧螺栓将定位机械臂固定。

气囊采用熔模铸造法制作完成，其模具采用3D打印制作而成，模具所用的蜡模采用精密铸造蜡制作而成。

本发明在具体使用时，首先将定位机械臂移动到指定位置再将其固定，再将柔性驱动并联机构连接并固定到机械臂上。使用者平躺在按摩床上，接着通过人工移动调整机械臂使得按摩头定位到人体按摩穴位处。完成定位后将上平台固定，最后开启气泵。将编写好的程序下载入单片机中，单片机持续输出0-10V的模拟电压信号。将输出的模拟量输入到气动比例阀中，使得气动比例阀能够根据预先设定好的模式对充入气囊的气体压力值进行精确控制，通过对气囊压力值的控制进而达到对按摩力度的控制。

此外，通过对三组气囊充入不等量的气体，使得三组气囊发生不同角度的弯曲变形，由于上平台是固定的，当三组气囊弯曲变形的同时下平台和按摩球也将会跟着变形移动，气动比例阀具有连续控制气体压力的特点，能够通过对程序进行编写使得柔性驱动并联机构的下平台以及按摩球能够在三组气囊的驱动下完成不同角度的全向弯曲，使得按摩球在与人体接触时能够实现连续的不同角度的按摩，可以精准的模拟出按摩手法中的“按”和“揉”两个动作。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于柔性驱动的按摩机器人，其特征在于，包括：定位机械臂、柔性驱动并联机构、按摩头，其中柔性驱动并联机构包括上平台、下平台以及三组规格相同的气囊，每组气囊分为4层，每相邻两层气囊之间贴合在一起，每一层气囊的侧面有两个通气口，通过气动软管分别连接到气囊两侧的通气口并将通气口密封，连接气囊两端的气动软管插入三通接头，通过气动软管接入三通接头剩余的一个接口，通过一个五通接头将每层气囊接通起来，每一组气囊只设有一个进气口，其中每组气囊两端铸有圆柱形凸台，在圆柱形凸台中间位置有一个环形凹槽，圆柱型套筒分为左右两半，在圆柱型套筒下边缘内部有一个环形凸台，将左右两个套筒的环形凸台嵌入气囊凸台中的环形凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒上部用螺栓与上下平台固定连接，三组气囊放置在上、下平台之间并成120°均匀分布，三组气囊分别与三组气泵连接，每组气泵的充放气独立，上平台固定于定位机械臂上，下平台接有一个半球状软体按摩头，按摩头上均匀分布子弹头型凸起。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动的按摩机器人，其特征在于，所述气囊的材质为硅胶软体，在气囊内部嵌入一个刚性固定圆环。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动的按摩机器人，其特征在于，所述气动软管采用具有柔性的PU高压软管。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动的按摩机器人，其特征在于，所述定位机械臂为6自由度被动可调节机械臂，采用螺栓将气动柔性并联机构上平台固定于定位机械臂上，将定位机械臂定位到指定位置后拧紧螺栓将定位机械臂固定。

5.根据权利要求2所述的一种基于柔性驱动的按摩机器人，其特征在于，所述气囊采用熔模铸造法制作完成，其模具采用3D打印制作而成，模具所用的蜡模采用精密铸造蜡制作而成。

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