按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制.docx

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按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制

按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制

摘要

本设计分析了当今国内外按摩机器人的发展现状及应用前景，主要研究与设计了腰椎按摩机器人腰部扭动的结构与控制系统。

根据扭腰结构的工作原理完成扭腰系统的总体结构设计，设计了各个零件的尺寸大小及材料选择。

对主要结构的承重及结构自身重量进行分析，并对部分结构进行强度计算，完成强度校核。

设计了电机的安装位置及行程速度，选择合适的推杆电机，使之能够满足系统的动力要求。

通过Pro/ENGINNEER软件绘制出产品的三维图。

通过分析扭腰系统的控制要求，结合单片机及计算机控制技术等相关知识，选择合适的元器件，设计出控制推杆电机的电路，通过Proteus仿真软件绘制出控制电机的电路图，运用C语言在KeiluVision4软件上对控制程序进行编写，将编写的程序导入到Proteus软件中进行仿真调试。

关键词：

按摩机器人,推杆电机,单片机,程序

StructureDesignandControlofRobotWaistMassageSystem

ABSTRACT

Thisdesignanalyzesthecurrentdevelopmentofmassagerobotathomeandabroadpresentsituationandapplicationprospect,researchanddesignthestructureofthelumbarmassagerobotwaisttwistingandcontrolsystem.Accordingtotheworkingprincipleoftwistingthewaiststructurefinishwriggledsystemoverallstructuredesign;designthesizeofeachpartandmaterialselection.Thebearingofmainstructureandstructureofitsownweighttocarryontheanalysis,andthepartsstructurestrengthcalculation,completeintensity.Designtheinstallationpositionofthemotorandtravelspeed,choosetheLinearActuator,cansatisfythesystem'spowerrequirement.ThroughthePro/ENGINNEERsoftwaretomaptheproducts3dfigure.Analysiswriggledsystemcontrolrequirements,combinedwithSCMandcomputercontroltechnologyandotherrelatedknowledge,choosingtherightcomponentsdesignedputtermotorcontrolcircuit,throughtheProteussimulationsoftwaretodrawoutthemotorcontrolcircuit,usingClanguagesoftwareinKeiluVision4towriteacontrolprogram,aprogramwrittenintotheProteussimulationsoftwaredebugging.

KEYWORDS:

massagerobot,linearactuator，microcontroller，program

目　录

前　言

按摩机器人是近年来出现的一种新型机器人，它作为一种自动化设备，可以帮助患者进行科学而有效的康复训练，使患者的运动技能得到很好的恢复。

目前，按摩机器人的研究主要集中在康复机器手、医院机器人系统、智能轮椅、下肢康复机器人和按摩治疗机器人等几个方面。

随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对按摩的需要越来越多，对按摩产品的要求也越来越高，单纯依靠人工按摩已经不能满足社会的需要。

因此按摩产品的出现与不断更新成为开发热点。

目前国内在该领域的研究相对比较局限，生产的产品功能比较匮乏，针对腰椎的按摩产品并不多见。

而且，现有产品的智能化程度并不高，自动化程度较高的医疗设备大多数为进口设备，成品较高。

按摩机器人的各种功能是由不同的结构组成实现的。

本设计主要对按摩机器人扭腰系统的结构与控制进行分析与设计，设计的产品主要治疗人体腰椎方面的疾病。

设计主要包括机器人主体结构、腰部扭动机构、驱动机构、扭腰控制部分。

本文首先分析了按摩机器人在国内外的发展及其前景，根据人体工学原理对扭腰机构进行了合理的设计；对驱动机构进行了计算与选型，对机构荷载进行计算分析，选择合适的推杆电机，确保其能提供机构所需要的动力；对控制系统也进行了研究与设计，控制部分主要是控制腰部扭动角度及速度的控制，通过C语言编写相应的程序，使单片机能控制腰部扭动所需要达到的角度及速度要求。

通过仿真软件对设计的电路图和程序进行仿真调试。

本设计在研究的过程中参考了大量的文献资料，并得到了指导老师和同学的指导和帮助，但是由于本人能力有限，在设计过程中必定会出现错误，设计所完成的任务也未能达到设计的理想目标，敬请大家批评指正。

第1章绪论

1.1按摩机器人的背景分析

随着现代社会科技文化的不断发展，人们生活压力的增大和人们水平的不断提高，如何能在有限的空闲时间内使身体从疲惫中得到放松，并保持身体健康已成为现代社会人们关注的热点。

按摩是一种很有效的保健、放松、治疗的手段，是传统中医治疗腰腿疼痛、关节炎症等老年性身体疾病的有效手段，具有悠久的历史。

但是由于专业按摩花费很高而且专业按摩师人数有限，单纯依靠人工按摩不能满足社会需要。

因此按摩产品的出现与不断更新成为开发的热点。

据统计，现在全世界按摩产品的销售额己达数百亿亿美金，每年仍以30%速度增长，因此按摩机械市场的前景巨大。

按摩机器人是近几年出现的一种新型机器人，它的主要作用有两方面，一种是帮助由于生病而造成瘫痪，或者因意外造成肢体运动障碍的人恢复提高运动能力，称为按摩训练机器人。

另一种是作为一种辅助装置代替失去运动能力的肢体完成一部分动作，称为机器人假肢。

按摩机器人在原理上和工业机器人有很大的区别，它也不同于一般的体育运动训练器材。

它直接作用于人体，与人在同一个作业空间工作，人与机器人作为一个整体而协调的运动机构。

按摩机器人技术得以传化为产品对于提高患者康复质量，减少患者的病痛，减轻社会负担具有重要的实际意义。

由于各种原因而患有一侧肢体运动障碍的患者人数很多，随着生活水平的提高对康复治疗的需求也会越来很大，按摩机器人将有很好的市场前景。

这项技术在欧美等国家自得到普遍重视，按摩机器人成果的转化可能会带动一个新兴的机器人产业的发展，这将对国民经济的发展发挥非常重要作用，对人们的生活水平的提高也将会起到推动性的作用。

我国的设计人员在按摩机器人方面也做了不少的研究，研究的侧重点大多都在机械的结构设计和机器人的按摩手法上。

江苏大学和厦门集美大学联合研制了一种新型的医用推拿机器人。

以两个方向的平移和固定转动三个自由度的并联机构为主体，将整个机构用移动副与固定机架相连，在平台上安装有垂直于该平台的转动副，实现了五自由度的并联机构。

如果在这个转动副的轴上安装一只“按摩手”，可完成中医推拿的几种按摩手法。

该项研究偏重于机器人的结构设计，对控制部分的研究不多。

并联机构的刚度大，运动惯量小，精度高，但是工作空间和灵活性收到了限制，对组成部件的性能要求高。

1987年，英国MikeTopping公司研制成功了Handy1康复机器人样机，它是目前世界上最成功的一种低价、市售的康复机器人系统，目前正在生产的Handy1机器人由5自由度机器人手臂和新型控制器组成，具有话音识别、语音合成、传感器输人、手柄控制以及步进电机控制能力。

Handy1具有很强的通话能力，它可以在操作过程中为护理人员及用户提供有用的信息，所提供的信息可以是简单的操作指令或有益的指示，可以用任何一种欧洲语言表达出来。

这种装置可以大大提高Handy1方便用户的能力，而且有助于突破语言的障碍。

MANUS是另外一种进人市场的康复机器人，由荷兰ExactDynamics公司开发，该手臂具有7个自由度，包括6个旋转自由度和1个机械手。

国外关于医学机器人的研究虽然已取得了不少成就，但离生物机器人还有相当的距离，因此还有很多工作要做。

1.2按摩机器人设计的意义

中医按摩是缓解和治疗各种慢性疼痛病最为有效的手段之一，按摩在我国的医学发展史上具有悠久的历史，许多知名专家、学者通过长期的研究与临床实践，总结了许多行之有效的按摩手法与临床经验，这些都是我国医学界乃至全世界的宝贵资源。

将中医按摩理论与现代科技结合起来设计和开发按摩机器人已经引起了很多人的关注，通过按摩机器人对人体的各个部位进行刺激，来实现增强人体免疫系统预防疾病的能力，治疗腰腿疼痛等疾病，从而实现治疗与预防的目的。

按摩机器人扭腰系统是按摩机器人的重要组成部分，因为腰椎占据着人体的主要部分，保持着人体的生理曲度，一旦腰椎发生疾病，就会影响到我们正常的生活和工作，腰椎疾病的预防和调理是至关重要的。

随着社会不断的发展，现在人们的生活压力越来越大，高负荷的工作给人们带来精神压力的同时，人们的身体也遭受到了考验。

经常久坐办公室、疲劳工作的人们腰部疾病越来越多；并且，现在青少年上网时间越来越长，腰部疾病也在逐步增加；还有老年人，老年人的腰椎疾病是经常有的。

越来越多的人们开始重视个人的健康与养生，腰椎机械按摩治疗已成为许多人的选择。

由此可见，本课题研究的扭腰按摩机器人恢复人体腰部的疾病，适应了社会的需求，对社会的发展具有重要的意义。

1.3研究的基本内容与拟解决的问题

1.3.1按摩机器人扭腰系统研究的基本内容

本设计主要是针对腰椎的按摩机器人扭腰系统的结构设计与控制，也就是按摩机器人扭腰结构的设计，确定结构参数和尺寸，完成推杆电机的选型，进行结构设计，完成结构强度校核。

确定零部件尺寸和总体尺寸。

分析控制系统的需求，选择合适的元器件，完成单片机的编程与调试。

1.3.2设计拟解决的主要问题

1.完成按摩机器人应用调研，机器人设计方法的研究；

2.进行扭腰系统结构参数和尺寸性能设计；

3.根据结构的重量选择合适的推杆电机；

4.进行运动控制系统选型、设计；

5.单片机程序的编写、调试。

1.3.3设计的主要技术要求

扭腰角度-30°～30°，速度5rad/s，采用推杆电机驱动，上半身重量50kg。

第2章按摩机器人扭腰系统的研究方案

2.1研究方案

2.1.1按摩机器人扭腰功能的实现

随着机器人技术的不断发展，机器人的标准化、规范化程度也在不断的提高。

按摩机器人腰部工作原理是本次机器人扭腰结构设计的基础，本节深入分析扭腰系统的工作原理，对按摩机器人扭腰系统进行设计，确保扭腰结构的正常工作。

本设计主要研究针对腰椎按摩的按摩机器人的扭腰系统，本次设计用到一个推杆电机推动腰部机构的扭动，也就是通过控制推杆电机的运动，使人体随着结构完成一定程度的扭转，从而达到腰部按摩的目的。

以下主要详细介绍按摩机器人的扭腰动作。

扭腰动作的实现主要是通过单片机控制推杆电机，推杆电机在曲轴和活动板之间连接。

当推杆电机在单片机的控制下运动时，推杆电机推动活动板围绕活动板中间的固定轴转动一定的角度，为使患者能够得到舒适的治疗过程，扭动角度的大小需要控制在要求的范围内，防止因角度过大而对患者造成身体损伤或过小而达不到预期的效果。

所以在推杆电机的速度与行程都要在合理的范围内。

本次研究的课题扭腰摆动角度-30°~30°，角速度5度/秒，采用推杆电机驱动，上身重量50kg。

扭腰角度及速度通过单片机控制推杆电机来设定，使机器人能够更加人性化。

当角度达到最大值时，单片机有延时程序及时控制推杆电机停止转动再进行反向运动。

2.1.2按摩机器人其他功能的实现

本次按摩机器人的设计共分为五部分，一共五个功能，其他四个功能由同组的其他四名同学设计，分别是摆腰动作控制、抬腿动作控制、分腿动作控制和拉腿动作的控制。

其各自的功能如下：

摆腰动作的控制：

其主要功能是控制腰部的左右摆动，从而达到治疗疾病的目的。

其需要通过一个推杆电机控制患者上半身的左右摆动，使患者的腰部扭动一定的角度。

其电机安装在曲轴上，另一端固定在上身的支撑架上。

通过单片机的控制，电机以适当的速度运行一定的距离，使腰部摆动一定的角度，促进腰部的活动，从而达到按摩的目的。

抬腿动作的控制：

其由步进电机提供驱动力来实现功能的，设计用到两个步进电机，分别控制两腿，使腿部能够完成上下运动。

步进电机的运动是靠单片机来控制实现的，步进电机经过减速器后在轴的一端安装上齿轮，齿轮与下肢支撑固定座连接。

通过单片机的控制，步进电机运动能实现下肢的上下运动。

从而达到对腰部及腿部的按摩目的。

分腿动作的控制：

分腿动作是由推杆电机提供驱动力来完成的，设计用到两个推杆电机来控制两腿的左右运动。

推杆电机安装在腰部下方的支撑底座上，另一端固定在下肢的支撑架上，两个推杆电机分别向外推动下肢支撑座，来实现两腿的分开与合拢。

由单片机来控制推杆电机的行程及行程时间，使下肢运动一定的角度，从而达到对腰部及腿部按摩的目的。

拉腿动作的控制：

拉腿动作是由步进电机作为驱动动力来实现的，设计用到两个步进电机来控制俩腿的拉腿动作。

步进电机安装在下肢支撑座上，通过拉绳经滑轮来实现拉腿动作。

步进电机由单片机来控制的，运动时拉绳拉紧腿部，通过腰部的固定来实现腿部及腰部关节的伸展，从而达到按摩的目的。

2.2研究内容

本设计是针对腰椎按摩的按摩机器人，对按摩机器人扭腰系统的结构与控制系统进行设计，主要进行按摩机器人应用调研和设计控制过程的研究，查阅相关文献资料和标准，制定扭腰结构和控制的设计方案。

进行腰部结构设计，确定参数和尺寸性能，结合其他同学的设计，确保按摩机器人各项功能都能正常运行的同时，完成按摩机器人的整体结构设计，。

本设计要完成结构设计，结构强度计算。

确定零部件尺寸和总体尺寸。

然后再进行推杆电机的选型，首先要计算出机构的负载，选择合适推力的推杆电机。

对于控制系统的设计，首先要研究分析腰部按摩所要完成的技术要求，选择合适的单片机元器件进行编程调试，确保程序能够使电机完成所需要的动作。

完成控制主程序编程，调试所编写的程序能否满足控制需求。

2.3研究步骤

查阅相关资料，对机器人的发展进行调研，了解按摩机器人的发展状况。

了解类似按摩机器人的模型结构，设计按摩机器人的结构，用CAD绘制出按摩机器人的整体形状结构，描绘出各个部件的结构，结合人体的形态结构，计算出各个部件的大小和主要尺寸，做到节约材料、合理利用资源，同时也要做到能够满足设计需要的结构，用Pro/E画出各个零件的结构，完成各个零部件之间的模拟组装，确保每个零件，机构之间能够合理连接起来。

结合《机械设计》《机械原理》等资料，对机器人整体机构和各个部件的结构进行详细设计，对各部分的结构进行强度计算、校核。

确定零部件尺寸和机器人的整体结构尺寸。

并绘制出各主要零件的零件图和整体结构装配图。

查找资料，并结合所计算的驱动力等各方面的要求，选择合适的推杆电机，使其能够满足机构运动所需要的驱动力。

运用KeiluVision4软件，编写单片机控制推杆电机的程序，通过Proteus仿真软件进行调试，以确保其能满足系统控制的需要，完成整体机构的设计和整个设计的仿真。

第3章按摩机器人扭腰系统的结构设计

3.1按摩机器人总体结构设计

在扭腰机器人的整体结构设计中。

根据扭腰机器人的用途进行造型设计是十分重要的。

合理的整体结构造型能给人们带来一定的舒适感，并且能够使扭腰机器人的功能发挥得更好。

本课题所研究的按摩机器人扭腰系统的主要作用是帮助人们治疗和缓解腰部的关节疾病，其功能要求是能够使腰部左右扭动30度，为了使设备能够给人们带来更大的方便，根据人体高度和宽度等可以将结构设计成床体结构，从腰部分开。

上半身为活动板结构，在固定架上安装一根固定轴。

使活动板能够绕着固定轴转动。

为了使本课题的结构设计能和同组其他同学的结构结合起来，经过本组五个成员的共同研究、协商，最终确定了按摩机器人的整体结构，用Pro/E绘出结构的三维实体图，如图3-1：

图3-1按摩机器人整体三维图

该结构图即为本次设计的按摩机器人的总体结构图，其床体分为前、中、后三段，病人可以平躺在上面。

前段床体是上身支撑板，可以用固定带将病人的上半身固定起来，是实现按摩机器人完成扭腰和摆腰动作的工作平台；中段床身只起到支撑臀部的作用，它在按摩过程中不进行任何运动，主要起到支撑作用；后段床体分为左右两部分，分别支撑两腿，是按摩机器人实现拉腿、分腿、抬腿动作的工作平台，脚踝处有固定带来固定腿部，使患者腿部进行各种运动时能保持固定。

3.2按摩机器人扭腰系统的结构设计

3.2.1活动板结构设计

活动板结构主要功能是承载按摩患者的上身重量，在结构设计时要做到能够满足上半身的重量的载荷的同时，需要考虑选材的节省，结构的合理。

因此设计时选用角铁及方管，角铁又称角钢，是两边相互垂直成直角的长条钢材。

它的主要用途就是按结构的不同，根据需要组成各种不同的受力构件，也可用作构件之间的连接件。

根据设计需要，参照角铁的国家标准（GB/T9787-1988），选择边长50㎜，厚3㎜的角铁。

方管就是方形体的管，方管可以由很多材料做成，结合方管的国家标准（GBT3094-2000），根据本设计需要，选用的的材质为Q235，选择边长为50㎜，壁厚为3㎜的方管。

结合人体上身的大致长度及宽度，男士肩膀出的宽度大约为了520㎜，女士肩膀的宽度大约为420㎜；人体上半身的长度从肚脐划分的话，上半身与下半身的比例约为1:

1.618，所以可取平均长度约为700㎜。

考虑到其他因素的影响，将活动板的结构设计成长度为760㎜，宽度为680㎜。

选取5根长度为680㎜的角铁，其中4根角铁的中间钻直径为31的圆孔，用来安装固定轴。

其结构如图3-2所示：

根据结构设计，用Pro/E绘制出活动板的三维图，运用Pro/E当中的质量属性计算出该活动板的质量约等于23㎏。

图3-2活动板结构图

3.2.2轴结构设计

固定轴主要是承载活动板及上身的重量，同时还要起到固定活动板的作用，并且使活动板能在绕此轴自由转动。

结合其他同学设计的按摩机器人摆腰结构，可以将轴安装在摆腰结构设计中的曲轴上，这样既满足了本设计的要求又不影响按摩机器人摆腰系统的运动。

轴的一端设计有开口销槽，其作用是防止固定轴在轴槽内前后移动，以免影响整个支撑结构的正常运动，固定轴结图如图3-3所示：

图3-3固定轴结构图

轴的主要作用是承受上边活动板以及接受按摩治疗的患者上半身的质量的总和，由活动板结构设计一节得知轴所承受的质量为M=50+23=73㎏。

考虑到其他因素的影响，总质量定为75㎏。

轴与活动板和轴支座之间的连接是将轴穿过活动板与轴支座的孔中，并用开口销固定。

其安装方式如图3-4所示：

图3-4轴安装图

由图可知，轴受到活动板四个截面的向下的压力，下面轴支座的两个支撑力，先计算轴所受的压力：

F=mg=75×10=750N。

由此可算出轴的抗剪强度为：

τ=750×4/（π×302）=1.06MPa<[τ]=113MPa

故满足要求。

3.2.3推杆电机的选型

推杆电机又称电动推杆，它是一种将电动机的旋转运动转变成推杆的直线往复运动的电机驱动装置。

推杆电机由驱动电机、减速齿轮、螺杆、螺母、导套、推杆、滑座、外壳及涡轮等组成，是一种新型的电动执行机构，能够做到远距离控制和集中控制。

推杆电机的应用虽然越来越广泛，但是目前它仍然属于非标准加工行业，各厂家的产品成型系列也都是模糊的，因为大多数的客户需求不同，例如：

行程、推力、速度等。

因此选择推杆电机时必须结合自己的需求进行选择。

因为推杆电机属非标准加工行业，可以根据自身需求订做。

根据本设计的要求可知，腰部扭动的速度为5rad/s，扭腰的角度为-30°到30°，结合活动板结构设计可选选择电机的安装位置距中心轴的距离为150mm，则电机的行程为170mm，要满足设计要求，速度需要到达：

v=170÷12≈14mm/s。

根据设计书中的技术要求，人体的上半身重量假定为50㎏。

由活动板结构设计可知，活动板的质量为23㎏。

根据负载选择合适的推杆电机，经多方选择和分析选用电机为深圳市高博世科技有限公司的微型推杆电机。

该种电机的主要功能是带动其他的物体做推、拉，升、降。

该电机的功率为60W，推力1500N，该推杆电机实物图见图3-4：

图3-4电机实物图

根据设计机构的质量以及假定患者上体质量M=25㎏+50㎏=75㎏可知，推动此结构所需要的理论功率为：

P0=Mg×v=750×0.014=10.5w；小于电机的额定功率，所以选择该电机可以满足设计所需要的负载驱动。

该推杆电机的主要参数见表3-1：

3-1电机主要参数

产品名称

产品型号

输入电压（VDC）

负载（N）

速度（mm/s）

行程（mm）

保护等级

环境温度（℃）

微型推杆电机

TG-300C

12

1500

14

180mm

IP65

-20~+70

推杆电机的安装，在摆腰结构曲柄上焊接一个电机支架，用一螺栓将电机的底电机支架上查机械设计手册选取螺栓为M6×80（GB/T5782），推杆电机的上端用一双头螺柱与活动板连接，查阅机械设计手册选用螺柱为M6×130（GB/T901）。

根据所承受力的大小对螺栓和螺柱进行强度校核。

抗剪强度校核公式为：

所以可计算螺栓的抗剪强度为：

τ=1000×4/（62×π）=35MPa﹤[τ]=113MPa;

双头螺柱的抗剪强度为：

τ=1000×4/（62×π）=35MPa<[τ]=113MPa。

所以可知选择的螺栓和双头螺柱均可满足设计的强度要求。

3.2.4按摩机器人扭腰系统的整体结构

根据上述几节对扭腰机构各个零部件的设计，通过AutoCAD绘出扭腰系统的整体结构图，如图3-5为结构的主视图，图3-6为整体结构的侧视图：

图3-5整体结构主视图

图3-6整体结构侧视图

由图可以直观的看出整个扭腰系统的工作原理，活动板通过主轴与轴支座连接在一起。

推杆电机的底座安装在曲轴上，上端与活动板直接连接，通过控制推杆电机的运动来完成按摩机器人的腰部扭动。

第4章按摩机器人控制系统设计

4.1按摩机器人控制器选择

本设计所选用的推杆电机属于直流电机，直流电机控制器的种类有很多，但人们用的较多的是单片机和电机驱动芯片，此二者组合在一起，外部再加上相应的元器件，组成电机的控制电路，可完成对电机的控制。

4.1.1单片机的选择

目前市场上流行最多的当属Intel公司的MCS-51系列单片机，MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和棉线控制功能的丰富指令系统，为单片机的发展奠定了良好的基础。

在众多的MCS-51单片机及各种增强型、扩展型等衍生品种的兼容机中，美国ATMEL公司推出的AT89C5X系列。

尤其