一种机械臂按摩系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机械臂按摩系统及其控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、搭建机械臂按摩系统；步骤2、获取机械臂按摩系统中测距传感器I和测距传感器II的数据；步骤3、获取弹性按摩头按压力；步骤4、对按摩系统中机械臂按摩装置的运动进行规划；步骤5、对按摩机械臂进行位置控制与柔顺控制。使用测距传感器获取患者皮肤表面起伏信息，并在按摩时根据起伏信息主动调整机械臂按摩装置的位置，增强了按摩时的安全性。另外，考虑按摩机械臂的位置控制与柔顺控制，建立基于位置控制内环的阻抗控制，再次增强了工作时的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂按摩系统及其控制方法
本专利技术属于按摩机械臂
，涉及一种机械臂按摩系统，还涉及该机械臂按摩系统的控制方法。
技术介绍
按摩作为中医的一种传统治疗手段，能够有效的疏通经脉，促进血液循环，调和气血，对于人体来说具有很好的保健治疗作用。传统的机械臂按摩系统通常不能切换按摩模式，按摩手法单一，体验较差；没有考虑机械臂与外部环境的接触力，没有主被动安全防护措施，实际按摩效果并不理想，存在较大的安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种机械臂按摩系统及其控制方法，规划单点按摩模式与连续轨迹按摩模式，建立基于位置控制内环的阻抗控制，具有增强工作时的安全性的特点。本专利技术所采用的技术方案是一种机械臂按摩系统，包括位于底部一侧的按摩床和底部另一侧的支撑台；支撑台顶部安装有按摩机械臂，支撑台侧面嵌入机械臂控制器；按摩机械臂末端通过法兰盘连接机械臂按摩装置。机械臂按摩装置包括设置在外壳内的按摩模块、位置控制模块与力控制模块；按摩模块包括位于外壳内一侧的电机，其输出轴连接偏心盘，偏心盘通过连杆与套筒一端连接，套筒另一端连接连接器，连接器置于外界的一端连接有弹性按摩头；位置控制模块包括远离按摩机械臂末端一侧外壳内侧壁上的测距传感器I和电机侧面的控制板；力控制模块包括位于连杆与套筒连接处的测距传感器II和控制板。一种机械臂按摩系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、搭建机械臂按摩系统；步骤2、获取机械臂按摩系统中测距传感器I和测距传感器II的数据；<br>步骤3、获取弹性按摩头按压力；步骤4、对机械臂按摩系统中机械臂按摩装置的运动进行规划；步骤5、对按摩机械臂进行位置控制与柔顺控制。步骤2具体为：通过测距传感器I获取测距传感器I至患者皮肤表面距离l2并实时传输至控制板；通过测距传感器II获取弹性按摩头在z轴的形变量Δz并将数据实时传输至控制板。步骤3具体为：当末端受力时，弹性按摩头会产生相应的压缩形变，弹性按摩头按压力ΔF与弹性按摩头形变量Δz成正相关关系，拟合出一条ΔF—Δz曲线，从而通过控制弹性按摩头的形变Δz来控制弹性按摩头按压力ΔF的大小。步骤4具体为：通过测距传感器I得到按摩机械臂末端至患者皮肤表面距离l＝l1+l2；按摩机械臂末端至患者体表距离l与按摩头形变量Δz，经过控制板传至机械臂控制器；机械臂控制器将运动规划为单点按摩模式或连续轨迹按摩模式。单点按摩模式为：根据患者需要由操作人员采用拖动示教的方式，将机械臂按摩装置拖动至按摩的起始点，使按摩头与患者皮肤恰好接触(接触力为0)；得到笛卡尔坐标系下按摩机械臂末端在起始点的位姿P1(x1,y1,z1,a1,b1,c1)。操作人员在机械臂控制器中输入按摩力度即期望力信号Fr，机械臂控制器根据ΔF—Δz关系计算出相应的按摩头形变Δz，则可以确定工作时即路径终点按摩机械臂末端位姿为P2(x1,y1,z1-Δz,a1,b1,c1)。在按摩机械臂末端运动至终点时机械臂控制器下发指令到机械臂按摩装置中的控制板，通过控制板控制电机工作，进行单点按摩。连续轨迹按摩模式为：将移动按摩模式分解为直线与曲线(圆、圆弧)的执行指令：直线运动规划方法为：通过上述单点按摩模式中获取工作时笛卡尔坐标系下按摩机械臂末端位姿的方式，可得到按摩区域内两个按摩点的按摩机械臂末端位姿，分别为P3(x3,y3,z3-Δz,a3,b3,c3)、P4(x4,y4,z4-Δz,a4,b4,c4)；通过插入途径点的方法规划按摩机械臂末端由起始点(x3,y3,z3+h,a3,b3,c3)沿直线移动至终点(x4,y4,z3+h,a4,b4,c4)，h为测距传感器I所允许的高度，机械臂在路过途径点时保证速度连续且不为零。通过测距传感器I测得按摩机械臂末端至患者体表距离l(x,y)，l(x,y)描述了患者皮肤表面的起伏；接着规划按摩机械臂末端由起始点P3(x3,y3,z3-Δz,a3,b3,c3)直线移动至终点P4(x4,y4,z4-Δz,a4,b4,c4)；在不考虑z轴变化的情况下(即将其做xy平面上的规划)，通过l(x,y)在这些途径点的变化主动调整按摩机械臂末端在z轴的位置，保证了连续轨迹按摩的安全性，从而完成机械臂按摩装置的直线轨迹按摩。圆弧曲线规划方法为：采用局部坐标系的空间圆弧插补方法，得到各插补点在笛卡尔空间中的位置数据；采用四元数球面线性插值的方法，得到各插补点在笛卡尔空间中的姿态数据；求得各插补点位姿后，通过求解逆运动学，得到各插补点对应的关节角度值，从而在关节空间中对其进行规划；与上述直线运动规划方法类似，第一步规划按摩机械臂末端沿圆弧曲线在患者上方h处运动，通过测距传感器I测得按摩机械臂末端至患者体表距离l(x,y)；第二步规划机械臂经按摩点沿圆弧曲线在不考虑z轴变化的情况下的运动，通过l(x,y)在这些途径点的变化主动调整按摩机械臂末端在z轴的位置，完成机械臂按摩装置的弧线轨迹按摩。步骤5实现按摩机械臂的位置控制与柔顺控制的具体过程为：机械臂按摩装置使得按摩头往复运动，做出敲击动作，其一个上下运动周期为T；在筛选环节中，按摩机械臂末端与环境的接触力Fc取一个周期T内的最大值，并令其每隔T时间改变一次，输出FcT；采用基于位置内环的阻抗控制对按摩机械臂进行闭环控制；由操作人员在机械臂控制器中输入期望力信号Fr；按摩机械臂末端与环境的接触力Fc由弹性按摩头的形变量通过ΔF—Δz关系转换得到；Fr与经筛选后的接触力FcT比较得到力偏差Fe，Fe通过阻抗模型将力信息转化为末端的位置修正量Xf，与期望位置信号Xr一同作为位置控制内环的输入；对于控制内环的单关节位置控制问题，先将笛卡尔空间中按摩机械臂末端的期望轨迹经过逆运动学计算变换为在关节空间中表示的期望轨迹，再进行关节位置控制；其中期望位置信号Xr由上述单点按摩模式中获取工作时笛卡尔坐标系下按摩机械臂末端的位姿得到。本专利技术的有益效果是：本方法分别规划机械臂按摩装置的单点按摩模式与连续轨迹按摩模式，满足按摩多样性。使用测距传感器获取患者皮肤表面起伏信息，并在按摩时根据起伏信息主动调整机械臂按摩装置的位置，增强了按摩时的安全性。另外，考虑按摩机械臂的位置控制与柔顺控制，建立基于位置控制内环的阻抗控制，再次增强了工作时的安全性。附图说明图1是本专利技术机械臂按摩装置的控制方法流程图；图2是本专利技术机械臂按摩装置的立体图；图3是本专利技术机械臂按摩装置的结构示意图；图4是按摩系统整体结构示意图；图5是基于位置的阻抗控制原理图。图中：1.弹性按摩头，2.连接器，3.套筒，4.连杆，5.偏心盘，6.控制板，7.飞轮，8.电机，9.测距传感器I，10.外壳，11.测距传感器II，12.按摩床，13.支撑台，14.机械臂控制器，15.按摩机械臂，16.法兰盘，17.机械臂按摩装置。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂按摩系统，其特征在于，包括位于底部一侧的按摩床(12)和底部另一侧的支撑台(13)；所述支撑台(13)顶部安装有按摩机械臂(15)，支撑台(13)侧面嵌入机械臂控制器(14)；按摩机械臂(15)末端通过法兰盘(16)连接机械臂按摩装置(17)。/n

【技术特征摘要】
1.一种机械臂按摩系统，其特征在于，包括位于底部一侧的按摩床(12)和底部另一侧的支撑台(13)；所述支撑台(13)顶部安装有按摩机械臂(15)，支撑台(13)侧面嵌入机械臂控制器(14)；按摩机械臂(15)末端通过法兰盘(16)连接机械臂按摩装置(17)。


2.根据权利要求1所述的一种机械臂按摩系统，其特征在于，所述机械臂按摩装置(17)包括设置在外壳(10)内的按摩模块、位置控制模块与力控制模块；所述按摩模块包括位于外壳(10)内一侧的电机(8)，其输出轴连接偏心盘(5)，偏心盘(5)通过连杆(4)与套筒(3)一端连接，套筒(3)另一端连接连接器(2)，连接器(2)置于外界的一端连接有弹性按摩头(1)；位置控制模块包括远离按摩机械臂(15)末端一侧外壳(10)内侧壁上的测距传感器I(9)和电机(8)侧面的控制板(6)；力控制模块包括位于连杆(4)与套筒(3)连接处的测距传感器II(11)和控制板(6)。


3.根据权利要求1-2所述的一种机械臂按摩系统的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、搭建机械臂按摩系统；
步骤2、获取机械臂按摩系统中测距传感器I(9)和测距传感器II(11)的数据；
步骤3、获取弹性按摩头(1)按压力；
步骤4、对机械臂按摩系统中机械臂按摩装置的运动进行规划；
步骤5、对按摩机械臂(15)进行位置控制与柔顺控制。


4.根据权利要求3所述的一种机械臂按摩系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：通过测距传感器I(9)获取测距传感器I(9)至患者皮肤表面距离l2并实时传输至控制板(6)；通过测距传感器II(11)获取弹性按摩头在z轴的形变量Δz并将数据实时传输至控制板(6)。


5.根据权利要求3所述的一种机械臂按摩系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：当末端受力时，弹性按摩头(1)会产生相应的压缩形变，弹性按摩头(1)按压力ΔF与弹性按摩头(1)形变量Δz成正相关关系，拟合出一条ΔF—Δz曲线，从而通过控制弹性按摩头(1)的形变Δz来控制弹性按摩头按压力ΔF的大小。


6.根据权利要求3所述的一种机械臂按摩系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：通过测距传感器I(9)得到按摩机械臂(15)末端至患者皮肤表面距离l＝l1+l2；按摩机械臂(15)末端至患者体表距离l与按摩头形变量Δz，经过控制板(6)传至机械臂控制器(14)；机械臂控制器(14)将运动规划为单点按摩模式或连续轨迹按摩模式。


7.根据权利要求6所述的一种机械臂按摩系统的控制方法，其特征在于，所述单点按摩模式为：
根据患者需要由操作人员采用拖动示教的方式，将机械臂按摩装置(17)拖动至按摩的起始点，使按摩头(1)与患者皮肤恰好接触(接触力为0)；得到笛卡尔坐标系下按摩机械臂(15)末端在起始点的位姿P1(x1,y1,z1,a1,b1,c1)；操作人员在机械臂控制器(14)中输入按摩力度即期望力信号Fr，机械臂控制器(14)根据ΔF—Δz关系计算出相应的按摩头(1)形变Δz，则可以确定工作时即路径终点按摩机械臂(15)末端位姿为P2(x1,y1,z1-Δz,a1,b1,c1)；
在按摩机械臂(15)末端运动至终点时机械臂控制器(14)下发指令...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晶，周世宁，邓富，喻志杰，贠光辉，禹超，
申请(专利权)人：夏晶，
类型：发明
国别省市：陕西;61