一类新型串并联中医推拿机器人的制作方法

专利名称：一类新型串并联中医推拿机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗机械，特指结合利用串联机构和并联机构特点组成的一类新型串并联中医推拿机器人，能满足中医推拿治疗几种主流手法的运动学和动力学要求，该机器人辅以传感器、控制系统及安装于并联机构动平台的“手”部辅以“热”、“磁”及“红外线”等辅助手段可用于中医推拿治疗，属于空间串联机器人、并联机器人、机器人控制及中医医疗器械现代化的研究领域。
背景技术：
中医推拿又称按摩，是一种物理治疗方法。它以中医理论特别是经络理论为指导，强调人体体表通过经络、穴位与内脏之间存在着有机的内在联系——内脏有病可以通过经络反映到体表。中医推拿治疗是我国伤科治疗中的一棵奇葩，源远流长，有着悠久的历史。但时至今日，各大医院的临床治疗仍由有经验的按摩师人工进行，一个疗程下来按摩师所付出的体力非常巨大，它是一项异常繁重的体力劳动。另外，推拿的疗效与按摩师的水平经验密切相关(施力的大小、方向、位置、穴位、频率等对治疗效果影响很大)。
随着并联机器人机构研究的深入，它在医疗方面的应用越来越广泛。它已被应用于医疗床、外科手术、医疗康复等方面，但并联机器人机构在中医推拿方面的应用还未见报道。如今，市场上也出现了一些类似模拟推拿手法的仪器，象利用电磁力作用来模拟振动手法的理疗仪和模拟各按摩手法的按摩椅，有治疗各单一部位的按摩器心脏按摩器、足底按摩器、颈椎按摩器、脸部按摩器、胸部按摩器等。如专利产品“推拿椅”(专利公告号2049125)和“推拿按摩器”均只能起到松驰肌肉、促进血液循环、减轻肌肉疼痛、消除疲劳、健美减肥的功能；专利公开号CN2057587U“仿生远红外低频振动推拿器”能模拟机械振动方式动作，专利公开号CN1032737A“一种治脊床”采用串联机构可进行简单的平面动作的模拟。由于这些仪器能模拟的手法单一，缺乏合适的执行机构来完成对主流推拿手法的模拟，均只能起到放松、保健、缓解及消除疲劳的作用，往往达不到治疗疾病的目的或疗效不理想。另外专利产品一类新型中医伤科医用推拿机器人，采用三平移两转动五自由度并联机构来实现中医推拿手法，其连接于并联机构固定平台和动平台的五个分支分别为四个相同分支采用球副—移动副—球副结构，中间相异分支采用虎克铰或平行四边形机构或圆柱副等各种方案。该机器人利用并联机构即可完成中医推拿几种主流手法，但存在解耦性差，控制困难，工作空间小和转动不太灵活等不足。
随着科学技术的发展，利用并联机构、串联机构结合现代控制技术、机电一体化技术研究出能满足推拿手法需要的机器人成为可能，同时也具有巨大市场潜力，为中医治疗技术的现代化作出有益的探索。

发明内容
本发明的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医用推拿的九种主流手法(滚法、按法、揉法、推法、振法、摩法、拍法、擦法、击法)的串并联机器人用于中医医用推拿治疗。
本发明采用的技术方案是串并联中医医用推拿机器人由三自由度并联机构和连接于并联机构虚拟固定平台与机架的移动副E所组成，其中移动副E的移动方向与转动B、C的轴线方向平行。
三自由度并联机构由三角形ABC虚拟固定平台和等腰三角形A’B’C’动平台以及连接虚拟固定平台和动平台之间的三条支链组成，其中支链AA”A’运动副有两种配置方式一种为R∥R∥C，另一种为R∥R∥R⊥(4r)，支链B B”B’运动副为R⊥R∥R∥R，支链CC”C’运动副为S-S-R。根据机构配置方式，通过分析各支链的运动特征，该并联机构的动平台相对于虚拟固定平台具有3个自由度2个移动和1个转动。
将上述两平移一转动三自由度并联机构虚拟固定平台通过移动副E与机架相连，且移动副E的导轨线方向与转动副B、C的轴线方向平行，这样，动平台具有三平移一转动四个自由度，若在动平台上直接固定一“推拿手”可完成中医推拿手法中的滚法、推法、振法、摩法、拍法、擦法、击法等手法。
另外在上述并联机构的动平台上垂直安装一转动副F，在该转动副F的轴上安装一只“按摩手”，可完成中医推拿的摩法、按法和揉法等手法。
其还可采用在安于并联机构动平台的“按摩手”和“推拿手”部辅以“热”、“磁”及“红外线”等辅助治疗手段，以期望进一步提高治疗效果。
为改善机器人动平台的动力性能，上述垂直安装于动平台的转动副F的动力由固定于虚拟固定平台的电机通过柔性轴传递提供。
本发明的有益效果是(1)本发明采用将现有技术中的五自由度并联机器人改为三自由度(二平移一转动)并联机构与移动导轨E及动平台上转动副F相串联。整个机构属串联、并联两种机型相结合的混联式机型，可满足中医推拿九种主流推拿手法的运动学和动力学要求。本机器人机构充分利用串联机构和并联机构的优点，解耦性好，便于实现实时控制；(2)安装于动平台的转动副转动自由度有很大的灵活性，动作灵敏迅速；采用移动导轨将虚拟固定平台与机架相连，增大了机器人的工作空间；将提供固定于动平台转动副动力的电机及控制元件固定于虚拟固定平台，中间采用柔性轴连接，改善了动平台的动力性能。
(3)在推拿手手部处增加了热、磁、红外线等辅助治疗手段，使推拿手和按摩手与辅助治疗相结合，进一步改进中医推拿手法不仅仅是推拿运动，以期产生更好的治疗效果。


图1为本发明采用的一种三自由度并联机构。三角形ABC为虚拟固定平台，等腰三角形A’B’C’为动平台，支链AA”A’运动副为R∥R∥C，支链B B”B’运动副为R⊥R∥R∥R，支链CC”C’运动副为S-S-R。转动副B的轴线与转动副C的轴线平行，并与圆柱副A的导轨线垂直。
图2为本发明实施例1的结构示意图。将图1所示的三自由度并联机构的虚拟固定平台与机架用移动副E相连，且移动副E的导轨线方向与转动副B、C的轴线方向平行。再在动平台上配置一垂直于该平台的转动副F，其动力由固定于虚拟固定平台的电机通过柔性轴传递提供。
图3为本发明采用的另一种三自由度并联机构。三角形ABC为虚拟固定平台，等腰三角形A’B’C’为动平台，支链AA”A’运动副为R∥R∥R⊥(4r)，支链B B”B’运动副为R⊥R∥R∥R，支链CC”C’运动副为S-S-R。转动副B的轴线与转动副C的轴线平行。
图4为本发明实施例2的结构示意图。将图1所示的三自由度并联机构的虚拟固定平台与机架用移动副E相连，且移动副E的导轨线方向与转动副B、C的轴线方向平行。再在动平台上配置一垂直于该平台的转动副，其动力由固定于虚拟固定平台的电机通过柔性轴传递提供。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明实施例1
图1三自由度并联机构由虚拟三角形固定平台ABC和等腰三角形动平台A’B’C’以及连接虚拟固定平台和动平台的三条支链AA”A’、BB”B’、CC”C’组成。其中支链AA”A’为R∥R∥C，支链BB”B’为R⊥R∥R∥R，支链CC”C’为S-S-R。转动副B的轴线与转动副C的轴线平行，并与圆柱副A的导轨线垂直。建立如图所示坐标系动坐标系设在动平台A’B’C’上，原点O’位于A’B’的中点，Y’轴选在A’B’轴线上，Z’轴垂直于动平台，定坐标系设在虚拟固定平台ABC上，Y轴选在导轨AB线上，且使OA等于O’A’，Z轴垂直于上平台，X’轴与X轴由右手法则确定，X轴与连杆CC”的转动平面交于D点。根据机构配置方式，通过分析各支链的运动特征，不难得出该并联机构的动平台相对于固定平台具有3个自由度2个移动和1个转动，分别为在O-YZ平面内的两个移动和绕Y’轴的转动。机构选择在同一平台(固定平台)的圆柱副A的移动副和转动副B、C作为主动副。
串并联中医推拿机器人机构如附图2所示。将三自由度并联机构虚拟固定平台ABC通过移动副E与机架相连，移动副E的轨道与转动副B、C的转动轴线平行，使并联机构整体沿X轴方向移动。若在该机器人动平台上安装一只“推拿手”可完成中医推拿手法中的滚法、推法、振法、拍法、擦法、击法等手法。另外在动平台上配置一垂直于该平台的转动副F，若在该转动副的轴上安装一只“按摩手”，可完成中医推拿的摩法、按法和揉法等手法。该机器人能够满足中医推拿手法所需的运动学利动力学要求。
实施例2三自由度并联机构由虚拟三角形固定平台ABC和等腰三角形动平台A’B’C’以及连接固定平台和动平台的三条支链AA”A’、BB”B’、CC”C’组成。其中支链AA”A’为R∥R∥R⊥(4r)(4r为平行四边形机构)；支链BB”B’为R⊥R∥R∥R；支链CC”C’为S-S-R。平行四边形机构的四个转动副(4r)及转动副B的轴线与转动副C的轴线平行。根据机构配置方式，通过分析各支链的运动特征，得出该并联机构的动平台相对于固定平台具有3个自由度2个移动和1个转动。
串并联中医推拿机器人机构如附图4所示。将图3所示的三自由度并联机构虚拟固定平台ABC通过移动副E与机架相连，移动副E的轨道与转动副B、C的转动轴线平行，使并联机构整体沿X轴方向移动。若在该机器人动平台上安装一只“推拿手”可完成中医推拿手法中的滚法、推法、振法、拍法、擦法、击法等手法。另外在动平台上配置一垂直于该平台的转动副F，若在该转动副F的轴上安装一只“按摩手”，可完成中医推拿的摩法、按法和揉法等手法。该机器人能够满足中医推拿手法所需的运动学和动力学要求。
权利要求
1.一类新型串并联中医推拿机器人，其特征在于由三自由度并联机构和连接于并联机构虚拟固定平台与机架的移动副E所组成，其中移动副E的移动方向与转动副B、C的轴线方向平行；三自由度并联机构由三角形ABC虚拟固定平台和等腰三角形A’B’C’动平台以及连接虚拟固定平台和动平台之间的三条支链组成，其中支链AA”A’运动副采取两种配置方式之一R//R//C或R//R//R(4r)，支链B B”B’运动副为RR//R//R，支链CC”C’运动副为S-S-R。
2.根据权利要求1所述的一类新型串并联中医推拿机器人，其特征在于在上述动平台上固定一“推拿手”。
3.根据权利要求1所述的一类新型串并联中医推拿机器人，其特征在于垂直安装于动平台有转动副F，并且在转动副F的轴上安装一“按摩手”。
4.根据权利要求2、3所述的一类新型串并联中医推拿机器人，其特征在于“按摩手”和“推拿手”部辅以“热”、“磁”及“红外线”辅助治疗手段。
5.根据权利要求1所述的一类新型串并联中医推拿机器人，其特征在于上述垂直并安装于动平台的转动副的动力由固定于虚拟固定平台的电机通过柔性轴传递提供。
全文摘要
本发明涉及医疗机械，能满足中医推拿治疗多种主流手法的运动学和动力学要求。其由两平移一转动并联机构为主体，同时将并联机构的虚拟固定平台通过移动副与机架相连，若在动平台上安装一只“推拿手”可完成滚法、推法、振法、摩法、拍法、擦法、击法等手法。再在动平台上配置一垂直于该平台的转动副，若在该转动副的轴上安装一只“按摩手”，可完成中医推拿的摩法、按法和揉法等手法。本发明辅以传感器、控制系统及在安于并联机构动平台的“推拿手”和“按摩手”部辅以“热”、“磁”及“红外线”等辅助手段可用于中医推拿治疗。其刚度高，动态特性好，转动灵活性高，动作灵敏迅速，解耦性好，容易实现实时控制。
文档编号B25J9/00GK1743143SQ20051009446
公开日2006年3月8日 申请日期2005年9月20日 优先权日2005年9月20日
发明者马履中, 余顺年, 杨启志, 朱伟 申请人:江苏大学