按摩機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

請(qǐng)預(yù)覽后下載！實(shí)用文檔請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！按摩機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)摘要：按摩是具有中醫(yī)特色的傳統(tǒng)而古老的治療方法之一，具有操作簡(jiǎn)便、效果明顯、療效肯定的優(yōu)點(diǎn)。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外按摩機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀，然后介紹了按摩機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)按摩手法的生物力學(xué)的研究狀況，最后，針對(duì)目前按摩機(jī)器人存在的問(wèn)題，介紹了按摩機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。引言隨著醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，人們對(duì)天然療法的追求顯著增加，按摩椅、按摩床等醫(yī)療器械發(fā)展迅速，然而目前的按摩器械由于缺乏中醫(yī)基礎(chǔ)理論指導(dǎo)，設(shè)計(jì)不符合人體的生理結(jié)構(gòu)和缺乏反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，大大限制了其臨床療效，也限制了其中醫(yī)特色和優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。按摩機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展從很大程度上彌補(bǔ)了目前的按摩器械的缺點(diǎn)，發(fā)揮出了我國(guó)傳統(tǒng)按摩理論的巨大作用。按摩機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1、國(guó)外按摩機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀將中醫(yī)按摩作為服務(wù)型機(jī)器人研究的領(lǐng)域，已經(jīng)受到越來(lái)越多國(guó)家的重視，包括日本、韓國(guó)和美國(guó)在內(nèi)的國(guó)家，憑借其機(jī)器人研究方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了大量按摩機(jī)器人的研究。日本三洋電機(jī)有限公司機(jī)電一體化研究中心的MasaoKume等設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械療法單元MTU(MechanotherapyUnit)，驗(yàn)證研制智能按摩機(jī)器人的可行性。它有4個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)肩部的“捏拿”按摩動(dòng)作。如圖1所示。圖1MTU，MTU與人手節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)比圖2模擬專家按摩動(dòng)作的多手指機(jī)械手日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)和日本岐阜工業(yè)高等專門學(xué)校的PanyaMinyong等設(shè)計(jì)了4個(gè)手指、13個(gè)關(guān)節(jié)的仿人多手指按摩機(jī)器人，如圖2所示。首先，利用分布式壓力傳感器制成數(shù)據(jù)手套測(cè)量專家按摩時(shí)的指尖力量；然后，機(jī)械手通過(guò)6維力傳感器閉環(huán)的位置/力控制復(fù)現(xiàn)人類專家的指尖按摩力，按摩部位通過(guò)示教確定。人類肩部的按摩測(cè)試表明，多手指機(jī)械手能模擬專家的按摩動(dòng)作。請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！日本早稻田大學(xué)和朝日大學(xué)牙科院的AtsuoTakanishi等合作研制了早稻田朝日面部康復(fù)機(jī)器人WAO-1，如圖3所示。\o"機(jī)器人"機(jī)器人呈箱子狀，長(zhǎng)60cm，寬48cm，高78cm，重63kg，兩側(cè)各有一條6自由度機(jī)械臂：基座2個(gè)平移自由度，手臂4個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。機(jī)械臂安裝有力矩限制器，如果按摩力小于設(shè)定值，則可以通過(guò)力限制矩器傳輸按摩力；反之，則力矩限制器禁止按摩力傳輸?shù)饺梭w面部，保證按摩的安全性。機(jī)械臂前端裝有可置換的柱塞，有半球、滾動(dòng)球、單滾和雙滾4種形狀，由軟性材料制成，是機(jī)器人唯一直接與病人面部接觸的部分。按摩時(shí)，機(jī)器人先用計(jì)算機(jī)斷層掃描儀掃描人的面部，再根據(jù)圖像分析結(jié)果設(shè)計(jì)適合患者的按摩方式。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)“揉”和“擦”兩種面部按摩動(dòng)作。圖3日本面部康復(fù)機(jī)器人WAO-1韓國(guó)建國(guó)大學(xué)機(jī)械工程系智能控制與機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Chul-gooKang等設(shè)計(jì)了兩種能給人捶背的仿人形按摩機(jī)器人的概念性模型。如圖4所示，該機(jī)器人具有友好和柔和的形象，第一個(gè)模型由1自由度的軀干、兩個(gè)3自由度的機(jī)械臂及手組成。第二個(gè)模型在第一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，去掉軀干的自由度，每條機(jī)械臂各增加1個(gè)自由度，軀干向后傾斜使機(jī)械臂有足夠的運(yùn)動(dòng)空間。然后，利用Matlab中的Robotics工具箱仿真驗(yàn)證概念樣機(jī)的可行性。請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！(a)第一個(gè)模型(b)第二個(gè)模型圖4仿人形按摩機(jī)器人的概念性模型圖5新型中醫(yī)傷科醫(yī)用推拿機(jī)器人美國(guó)專利US2001014781A1介紹了一種帶有機(jī)器手的按摩機(jī)器，機(jī)器手有兩個(gè)手指，它們是可以反向的，一個(gè)手指可以靠近和遠(yuǎn)離另外的手指，通過(guò)手指的移動(dòng)對(duì)人體進(jìn)行按摩。2、國(guó)內(nèi)按摩機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)在按摩機(jī)器人方面做了一些基礎(chǔ)性的研究，側(cè)重于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和按摩手法分析。江蘇大學(xué)（機(jī)械工程學(xué)院）聯(lián)合廈門集美大學(xué)（機(jī)械工程學(xué)院）研制了一類新型中醫(yī)傷科醫(yī)用推拿機(jī)器人，如圖5所示。以兩平移一轉(zhuǎn)動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主體，將整個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)利用移動(dòng)副與機(jī)架相連，在平臺(tái)上配置一垂直于該平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)了混合型五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。若在該轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸上安裝一只“按摩手”，可完成中醫(yī)推拿的摩法、按法和揉法等手法該項(xiàng)研究偏重于推拿機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于控制方面的研究較少。并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大，運(yùn)動(dòng)慣量小，精度高，但是工作空間和靈活性受到限制，對(duì)組成部件的性能上要求高。水星人公司研制成功了種具有給人按摩、洗澡本領(lǐng)的機(jī)器人。該按摩機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋找定位人體穴位、機(jī)器主動(dòng)式按摩、機(jī)器從上往下按摩三大技術(shù)突破。該按摩機(jī)器人能夠通過(guò)感應(yīng)裝置，自動(dòng)找到被按摩者的每條經(jīng)絡(luò)及穴位，定位精度小于5毫米。該按摩機(jī)器人的組合式機(jī)械手，可以完成傳統(tǒng)按摩的推、拿、按壓、點(diǎn)壓、揉、敲擊、振動(dòng)等十二種按摩手法及搓澡、推油等動(dòng)作，每種手法及動(dòng)作均可實(shí)現(xiàn)輕重、頻率的變化。按摩機(jī)器人的“大腦”里裝有“按摩專家系統(tǒng)”，該系統(tǒng)目前擁有100多套按摩流程，這些流程大致可分為保健、疾病輔助治療、減肥、美容四大類功效請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！。二、按摩手法的生物力學(xué)研究國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀最近幾十年，智能機(jī)器人的發(fā)展有非常大的進(jìn)步，通過(guò)智能機(jī)器人先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)按摩機(jī)器人的關(guān)鍵問(wèn)題是模擬人工按摩的按摩手法。而在模擬專家的按摩手法的時(shí)候，對(duì)專家的按摩手法的生物力學(xué)參數(shù)的提取和研究就顯得非常得重要。所以，按摩手法的生物力學(xué)的研究進(jìn)展?fàn)顩r將直接影響到按摩機(jī)器人的發(fā)展。綜觀多年來(lái)的研究成果，主要圍繞手法的力學(xué)參數(shù)、手法的力學(xué)效應(yīng)、手法的力學(xué)模型（特征）及手法的內(nèi)涵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1、按摩手法的力學(xué)參數(shù)成都骨科醫(yī)院的周太安等認(rèn)為所有理筋手法均包含五個(gè)要素：力量、方向、作用部位、接觸面積和作用時(shí)間。佛山市同濟(jì)醫(yī)院與南方醫(yī)科大學(xué)的鄧玫、張曉剛等應(yīng)用壓力傳感器Ergocheck系統(tǒng)對(duì)拇指指端、指腹、單掌、雙掌按法和單掌按揉法五種推拿手法依次進(jìn)行測(cè)試，獲取了相關(guān)手法的壓強(qiáng)范圍，如拇指指端按法壓強(qiáng)范圍在244.55～266.90mmHg/dm2。海軍兵種指揮學(xué)院與南方醫(yī)科大學(xué)的邱桂春、李義凱等應(yīng)用壓力傳感器Ergocheck系統(tǒng)針對(duì)術(shù)者滾法操作時(shí)不同時(shí)間段的接觸壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，選取術(shù)者每次按壓手法的最大壓力、接觸面積、最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)。該實(shí)驗(yàn)初步測(cè)定了滾法的作用力為130～235kg/cm2，得出手法以低頻作用力為主的結(jié)論，證明了操作者在手法操作時(shí)用力是均勻的。廣東省珠海醫(yī)院與中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院骨傷科研究所的秦杰、鐘紅剛等采用測(cè)力手套與測(cè)力平臺(tái)相結(jié)合的在體手法測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了滾法操作中手掌各作用點(diǎn)所產(chǎn)生的力的大小、方向及作功大小，從能量的角度分析手法作用效果在總體中的比重分別為大魚際點(diǎn)31.7%，小魚際13.9%，小指點(diǎn)30.1%，無(wú)名指點(diǎn)8.2%，中指點(diǎn)16.1%。中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院望京醫(yī)院的朱立國(guó)、馮敏山、鐘紅剛等采用自行研制的旋轉(zhuǎn)手法在體力學(xué)測(cè)量?jī)x（專利號(hào)：ZL200720103552.0），對(duì)旋轉(zhuǎn)手法操作的過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的在體力學(xué)測(cè)量，提取了旋轉(zhuǎn)手法操作過(guò)程的力學(xué)參數(shù)（預(yù)加載力、扳動(dòng)力、最大作用力、作用時(shí)間、加速度、沖量等），并初步總結(jié)了旋轉(zhuǎn)手法操作的力學(xué)特征。請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！研究力學(xué)參數(shù)目的之一也是為了尋找各參數(shù)之間的最佳搭配，便于操作者掌握好刺激量及相關(guān)影響因素。上海中醫(yī)藥大學(xué)岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院的馬惠昇等選用Ⅱ型推拿手法測(cè)定儀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為滾法操作中力量3.5—4.5kg、頻率105—135次/分、時(shí)間8.75—11.25min的組合提高腘動(dòng)脈血流量增益率的效果最顯著。提示推拿手法作用并非力量越大、操作時(shí)間越長(zhǎng)，療效越好。2、按摩手法的力學(xué)模型手法力學(xué)模型是指通過(guò)數(shù)理形式反映手法操作過(guò)程，它不僅可以體現(xiàn)手法的力學(xué)特征，還有助于總結(jié)手法操作的經(jīng)驗(yàn)，是手法力學(xué)研究的重要研究?jī)?nèi)容。手法力學(xué)模型不僅需要必須的手法力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，還需要力學(xué)參數(shù)的變化過(guò)程及力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析總結(jié)才可獲取，因而研究難度較大。目前研究方法主要有2種：力學(xué)參數(shù)波形曲線圖研究法和純數(shù)學(xué)模型研究法。手法的動(dòng)態(tài)力波形曲線圖是手法作用于受術(shù)者體表的直接反映，不但可以提示運(yùn)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)，還可以通過(guò)曲線圖了解手法操作的動(dòng)作結(jié)構(gòu)。上海中醫(yī)藥大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)的周信文、許世雄、謝志勇等運(yùn)用中醫(yī)推拿手法測(cè)力分析儀FZ-I型，以幾何學(xué)指標(biāo)-合力作用點(diǎn)軌跡形態(tài)指標(biāo)R來(lái)判斷滾法形態(tài)的正確性，結(jié)果認(rèn)為“心”型和“葫蘆”型的幾何形態(tài)基本上是按照滾法正確的動(dòng)作要領(lǐng)而得到的。王國(guó)才等利用“推拿手法力學(xué)信息測(cè)錄系統(tǒng)”記錄了大量的“振法動(dòng)態(tài)力波形曲線圖”，主要有平直型振法動(dòng)態(tài)力波形曲線圖與起伏型振法動(dòng)態(tài)力波形曲線圖兩種基本型式。兩者表示的力值強(qiáng)度約為1kg左右，周期為0.125s，頻率為8次/s，前者鍵齒波的峰值約為250g左右，后者正弦波谷點(diǎn)連線至峰頂?shù)姆导s在1kg。數(shù)學(xué)模型研究手法有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它能克服傳感器精度限制和重復(fù)性較差的缺點(diǎn)，并能獲得實(shí)驗(yàn)中無(wú)法得到的許多重要參數(shù)，能任意改變某一參數(shù)以觀察其產(chǎn)生的影響，還能進(jìn)行前瞻性研究并直接指導(dǎo)臨床實(shí)踐。復(fù)旦大學(xué)力學(xué)系與上海中醫(yī)藥大學(xué)推拿系的陳守吉、許世雄、嚴(yán)雋陶等通過(guò)建立滾法的多剛體生物力學(xué)模型來(lái)模擬施術(shù)過(guò)程中手臂的運(yùn)動(dòng)，采用第一類拉格朗日方程，導(dǎo)出了滾法相應(yīng)的10個(gè)動(dòng)力學(xué)方程(包括3個(gè)約束方程)。請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！3、按摩手法的力學(xué)效應(yīng)推拿手法的作用由三個(gè)因素構(gòu)成：手法刺激性、局部組織生物學(xué)特性和人體生理病理狀態(tài)。因此，通過(guò)對(duì)上述3個(gè)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以有效總結(jié)手法的力學(xué)效應(yīng)。上海中醫(yī)藥大學(xué)與第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)征醫(yī)院的周信文、朱樑等通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察滾法對(duì)右腘動(dòng)脈血流量影響，結(jié)果顯示滾法推拿以120次/min左右的頻率較適宜，以7kg時(shí)的力度效果最佳，適中手法時(shí)間為宜。浙江中醫(yī)學(xué)院的楊國(guó)平等運(yùn)用SONYTR-675E攝像機(jī)、PanasonicNV-PD92放像機(jī)等測(cè)量?jī)x器，利用實(shí)驗(yàn)證明上肢抖法的頻率等參數(shù)應(yīng)視病人的病情而定，頻率一般保持在每分247～438次左右，抖動(dòng)幅度在1.46cm左右。上海中醫(yī)藥大學(xué)針推學(xué)院的鄭娟娟、趙毅研究表明對(duì)振法頻率要求最低者為120～300次/min，最高者可達(dá)500～1000次/min；認(rèn)為至少超過(guò)300次/min以上者才能稱之為振法，而且振法的頻率最好在500次/min以上。上海中醫(yī)藥大學(xué)針推學(xué)院的趙毅等運(yùn)用紅外熱像技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為振法的持續(xù)操作時(shí)間至少應(yīng)達(dá)到90秒，最佳操作時(shí)間可能在3分鐘以上。4、按摩手法的內(nèi)涵中醫(yī)推拿的基本要求是“持久、有力、均勻、柔和、深透”。因此，有不少學(xué)者圍繞此手法內(nèi)涵進(jìn)行了力學(xué)研究，以期通過(guò)力學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律合理解釋按摩機(jī)理。上海中醫(yī)藥大學(xué)岳陽(yáng)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院的孫武權(quán)、嚴(yán)雋陶認(rèn)為頻率與手法的刺激量成正比關(guān)系，同一手法在頻率較快時(shí)，所產(chǎn)生的力量較小頻率較慢時(shí)，產(chǎn)生的刺激量較大。有學(xué)者認(rèn)為，手法的動(dòng)力形式是影響手法深透性的力學(xué)因素，低頻振動(dòng)的手法力更有利于深透到較深的組織。上海市中醫(yī)藥研究院推拿研究所的李征宇等等認(rèn)為此現(xiàn)象可以用物理學(xué)上的受迫振動(dòng)和共振效應(yīng)的原理來(lái)解釋。當(dāng)手法力的頻率與局部施治組織的固有頻率接近時(shí)，即會(huì)發(fā)生共振，此時(shí)系統(tǒng)能量最大，所以能將手法力效應(yīng)傳遞到組織的深部。嚴(yán)雋陶指出，多數(shù)推拿手法產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)就是一種周期性隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)。根據(jù)人體振動(dòng)的研究，發(fā)現(xiàn)人體的不同器官各有其固有振動(dòng)頻率，其頻率多處在次聲頻率范圍，如頭為8～12Hz、胸腔4～6Hz、心臟5Hz、腹腔6～9Hz、盆腔6Hz等。而手法隨機(jī)振動(dòng)的頻率也處于次聲波范圍，最高頻率小于l0Hz。次聲對(duì)人體的基本作用原理是生物共振，如果振幅強(qiáng)度適當(dāng)，一定頻率范圍的振動(dòng)是起治療作用的。目前振動(dòng)刺激促進(jìn)骨折愈合已經(jīng)得到證實(shí)。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)2Hz的振動(dòng)對(duì)人體損傷最小，因此常用手法的頻率在2Hz左右應(yīng)該是合理的。請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！復(fù)旦大學(xué)與上海中醫(yī)藥大學(xué)的許世雄、謝志勇、嚴(yán)雋陶等使用推拿手法測(cè)力分析儀FZ-I型對(duì)滾法作用力進(jìn)行時(shí)域分析。對(duì)于垂直分力，得出了反映手法正確性的定量指標(biāo)峰值離散度J0，峰值時(shí)間F0，和總體均勻性R0，發(fā)現(xiàn)滾法的均勻性和深透性主要體現(xiàn)在節(jié)率性和作用力在強(qiáng)度和時(shí)空上的均勻性。謝志勇、許世雄、嚴(yán)雋陶等又對(duì)滾法施力的垂直向下分力、垂直向下分力的微分、水平分力的模和該模的微分進(jìn)行頻域分析，頻段分布主要成分集中在2Hz-15Hz之間，說(shuō)明施力過(guò)程中以低頻作用力為主要柔成分。有學(xué)者認(rèn)為手法的柔和性與軟組織的形變有密切的關(guān)系，取決于手法的應(yīng)力分布均勻性及應(yīng)力變化的速度快慢。三、按摩機(jī)器人主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)目前市場(chǎng)上流行的按摩設(shè)備是按摩椅和按摩床，但是按摩椅、按摩床均為被動(dòng)型，按摩方式均為從下往上用力，被按摩者依靠自身的體重實(shí)施按摩，需要被按摩者調(diào)整自身肌肉去“尋找”按摩壓力點(diǎn)，被按摩部位處于自身體重的壓迫之下，無(wú)法放松地接受按摩；除此之外，傳統(tǒng)的按摩椅、按摩床按摩手法單一，不能完成模仿專家的按摩動(dòng)作，一般達(dá)不到治療效果。智能機(jī)器人技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的科技技術(shù)，具有互動(dòng)功能，以走入社會(huì)、服務(wù)人們的生活為主要目的，并