按摩机器人技术的发展现状和趋势

按摩机器人技术的发展现状和趋势摘要：按摩是具有中医特色的传统而古老的治疗方法之一，具有操作简便、效果明显、疗效肯定的优点。本文首先介绍了国外按摩机器人发展的现状，然后介绍了按摩机器人的关键技术按摩手法的生物力学的研究状况，最后，针对目前按摩机器人存在的问题，介绍了按摩机器人的发展趋势。引言随着医学模式的转变，人们对天然疗法的追求显著增加，按摩椅、按摩床等医疗器械发展迅速，然而目前的按摩器械由于缺乏中医基础理论指导，设计不符合人体的生理结构和缺乏反馈调节机制，大大限制了其临床疗效，也限制了其中医特色和优势的发挥。按摩机器人的出现和发展从很大程度上弥补了目前的按摩器械的缺点，发挥出了我国传统按摩理论的巨大作用。一、 按摩机器人国外发展现状1、国外按摩机器人的发展现状将中医按摩作为服务型机器人研究的领域，已经受到越来越多国家的重视，包括日本、国和美国在的国家，凭借其机器人研究方面的技术优势，进行了大量按摩机器人的研究。日本三洋电机机电一体化研究中心的Masao Kume等设计了一个机械疗法单元MTU (Mechanotherapy Unit)，验证研制智能按摩机器人的可行性。它有4个自由度，可以实现肩部的“捏拿”按摩动作。如图1所示。 图1 MTU，MTU与人手节点结构对比 图2 模拟专家按摩动作的多手指机械手日本丰桥技术科学大学和日本岐阜工业高等专门学校的Panya Minyong等设计了4个手指、13个关节的仿人多手指按摩机器人，如图2所示。首先，利用分布式压力传感器制成数据手套测量专家按摩时的指尖力量；然后，机械手通过6维力传感器闭环的位置/力控制复现人类专家的指尖按摩力，按摩部位通过示教确定。人类肩部的按摩测试表明，多手指机械手能模拟专家的按摩动作。日本早稻田大学和朝日大学牙科院的Atsuo Takanishi等合作研制了早稻田朝日面部康复机器人WAO-1，如图3所示。机器人呈箱子状，长60cm，宽48cm，高78cm，重63kg，两侧各有一条6自由度机械臂：基座2个平移自由度，手臂4个旋转自由度。机械臂安装有力矩限制器，如果按摩力小于设定值，则可以通过力限制矩器传输按摩力；反之，则力矩限制器禁止按摩力传输到人体面部，保证按摩的安全性。机械臂前端装有可置换的柱塞，有半球、滚动球、单滚和双滚4种形状，由软性材料制成，是机器人唯一直接与病人面部接触的部分。按摩时，机器人先用计算机断层扫描仪扫描人的面部，再根据图像分析结果设计适合患者的按摩方式。机器人可以实现“揉”和“擦”两种面部按摩动作。图3 日本面部康复机器人WAO-1国建国大学机械工程系智能控制与机器人技术实验室的Chul-goo Kang等设计了两种能给人捶背的仿人形按摩机器人的概念性模型。如图4所示，该机器人具有友好和柔和的形象，第一个模型由1自由度的躯干、两个3自由度的机械臂及手组成。第二个模型在第一个模型的基础上，去掉躯干的自由度，每条机械臂各增加1个自由度，躯干向后倾斜使机械臂有足够的运动空间。然后，利用Matlab中的Robotics工具箱仿真验证概念样机的可行性。 (a)第一个模型 (b)第二个模型 图4仿人形按摩机器人的概念性模型 图5 新型中医伤科医用推拿机器人美国专利US2001014781A1介绍了一种带有机器手的按摩机器，机器手有两个手指，它们是可以反向的，一个手指可以靠近和远离另外的手指，通过手指的移动对人体进行按摩。2、国按摩机器人的发展现状国在按摩机器人方面做了一些基础性的研究，侧重于机械结构设计和按摩手法分析。 大学（机械工程学院）联合集美大学（机械工程学院）研制了一类新型中医伤科医用推拿机器人，如图5所示。以两平移一转动三自由度并联机构为主体，将整个并联机构利用移动副与机架相连，在平台上配置一垂直于该平台的转动副，实现了混合型五自由度并联机构。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项研究偏重于推拿机器人机械结构设计，对于控制方面的研究较少。并联机构刚度大，运动惯量小，精度高，但是工作空间和灵活性受到限制，对组成部件的性能上要求高。水星人公司研制成功了种具有给人按摩、洗澡本领的机器人。该按摩机器人实现了自动寻找定位人体穴位、机器主动式按摩、机器从上往下按摩三大技术突破。该按摩机器人能够通过感应装置，自动找到被按摩者的每条经络及穴位，定位精度小于5毫米。该按摩机器人的组合式机械手，可以完成传统按摩的推、拿、按压、点压、揉、敲击、振动等十二种按摩手法及搓澡、推油等动作，每种手法及动作均可实现轻重、频率的变化。按摩机器人的“大脑”里装有 “按摩专家系统”，该系统目前拥有100多套按摩流程，这些流程大致可分为保健、疾病辅助治疗、减肥、美容四大类功效。二、 按摩手法的生物力学研究国发展现状最近几十年，智能机器人的发展有非常大的进步，通过智能机器人先进的技术实现按摩机器人的关键问题是模拟人工按摩的按摩手法。而在模拟专家的按摩手法的时候，对专家的按摩手法的生物力学参数的提取和研究就显得非常得重要。所以，按摩手法的生物力学的研究进展状况将直接影响到按摩机器人的发展。综观多年来的研究成果，主要围绕手法的力学参数、手法的力学效应、手法的力学模型（特征）及手法的涵进行实验研究。1、按摩手法的力学参数骨科医院的周太安等认为所有理筋手法均包含五个要素：力量、方向、作用部位、接触面积和作用时间。市同济医院与南方医科大学的邓玫、晓刚等应用压力传感器Ergocheck系统对拇指指端、指腹、单掌、双掌按法和单掌按揉法五种推拿手法依次进行测试，获取了相关手法的压强围，如拇指指端按法压强围在244.55266.90mmHg/dm2。海军兵种指挥学院与南方医科大学的邱桂春、义凯等应用压力传感器Ergocheck系统针对术者滚法操作时不同时间段的接触压力进行动态测量，选取术者每次按压手法的最大压力、接触面积、最大压强、平均压强。该实验初步测定了滚法的作用力为130235kg/cm2，得出手法以低频作用力为主的结论，证明了操作者在手法操作时用力是均匀的。省医院与中国中医科学院骨伤科研究所的杰、钟红刚等采用测力手套与测力平台相结合的在体手法测量系统，测量了滚法操作中手掌各作用点所产生的力的大小、方向及作功大小，从能量的角度分析手法作用效果在总体中的比重分别为大鱼际点31.7%，小鱼际13.9%，小指点30.1%，无名指点8.2%，中指点16.1%。中国中医科学院望京医院的朱立国、敏山、钟红刚等采用自行研制的旋转手法在体力学测量仪（专利号：ZL 200720103552.0），对旋转手法操作的过程进行了动态的在体力学测量，提取了旋转手法操作过程的力学参数（预加载力、扳动力、最大作用力、作用时间、加速度、冲量等），并初步总结了旋转手法操作的力学特征。研究力学参数目的之一也是为了寻找各参数之间的最佳搭配，便于操作者掌握好刺激量及相关影响因素。中医药大学中西医结合医院的马惠昇等选用型推拿手法测定仪，通过实验认为滚法操作中力量3.54.5kg、频率105135次/分、时间8.7511.25min的组合提高腘动脉血流量增益率的效果最显著。提示推拿手法作用并非力量越大、操作时间越长， 疗效越好。2、按摩手法的力学模型手法力学模型是指通过数理形式反映手法操作过程，它不仅可以体现手法的力学特征，还有助于总结手法操作的经验，是手法力学研究的重要研究容。手法力学模型不仅需要必须的手法力学参数为基础，还需要力学参数的变化过程及力学参数之间的关系进行分析总结才可获取，因而研究难度较大。目前研究方法主要有2种：力学参数波形曲线图研究法和纯数学模型研究法。手法的动态力波形曲线图是手法作用于受术者体表的直接反映，不但可以提示运动力学的参数，还可以通过曲线图了解手法操作的动作结构。中医药大学与复旦大学的周信文、许世雄、志勇等运用中医推拿手法测力分析仪FZ-I型，以几何学指标-合力作用点轨迹形态指标R来判断滚法形态的正确性，结果认为“心”型和“葫芦”型的几何形态基本上是按照滚确的动作要领而得到的。王国才等利用 “推拿手法力学信息测录系统”记录了大量的“振法动态力波形曲线图”，主要有平直型振法动态力波形曲线图与起伏型振法动态力波形曲线图两种基本型式。两者表示的力值强度约为1kg左右，周期为0.125s，频率为8次/s，前者键齿波的峰值约为250g左右，后者正弦波谷点连线至峰顶的幅值约在1kg。数学模型研究手法有其独特优点，它能克服传感器精度限制和重复性较差的缺点，并能获得实验中无法得到的许多重要参数，能任意改变某一参数以观察其产生的影响，还能进行前瞻性研究并直接指导临床实践。复旦大学力学系与中医药大学推拿系的守吉、许世雄、严隽等通过建立滚法的多刚体生物力学模型来模拟施术过程中手臂的运动，采用第一类拉格朗日方程，导出了滚法相应的10个动力学方程(包括3个约束方程)。3、按摩手法的力学效应推拿手法的作用由三个因素构成：手法刺激性、局部组织生物学特性和人体生理病理状态。因此，通过对上述3个因素进行系统分析，可以有效总结手法的力学效应。中医药大学与第二军医大学附属长征医院的周信文、朱樑等通过实验观察滚法对右腘动脉血流量影响，结果显示滚法推拿以120次/min左右的频率较适宜，以7kg时的力度效果最佳，适中手法时间为宜。中医学院的国平等运用SONYTR-675E摄像机、Panasonic NV-PD92放像机等测量仪器，利用实验证明上肢抖法的频率等参数应视病人的病情而定，频率一般保持在每分247438次左右，抖动幅度在1.46cm左右。中医药大学针推学院的娟娟、毅研究表明对振法频率要求最低者为120300次/min，最高者可达5001000次/min；认为至少超过300次/min以上者才能称之为振法，而且振法的频率最好在500次/min以上。中医药大学针推学院的毅等运用红外热像技术，通过实验认为振法的持续操作时间至少应达到90秒，最佳操作时间可能在3分钟以上。4、按摩手法的涵中医推拿的基本要“持久、有力、均匀、柔和、深透”。因此，有不少学者围绕此手法涵进行了力学研究，以期通过力学现象及规律合理解释按摩机理。中医药大学中西医结合医院的武权、严隽认为频率与手法的刺激量成正比关系，同一手法在频率较快时，所产生的力量较小频率较慢时，产生的刺激量较大。有学者认为，手法的动力形式是影响手法深透性的力学因素，低频振动的手法力更有利于深透到较深的组织。市中医药研究院推拿研究所的征宇等等认为此现象可以用物理学上的受迫振动和共振效应的原理来解释。当手法力的频率与局部施治组织的固有频率接近时，即会发生共振，此时系统能量最大，所以能将手法力效应传递到组织的深部。严隽指出，多数推拿手法产生的振动信号就是一种周期性随机振动信号。根据人体振动的研究，发现人体的不同器官各有其固有振动频率，其频率多处在次声频率围，如头为812Hz、胸腔46Hz、心脏5Hz、腹腔69Hz、盆腔6Hz等。而手法随机振动的频率也处于次声波围，最高频率小于l0Hz。次声对人体的基本作用原理是生物共振，如果振幅强度适当，一定频率围的振动是起治疗作用的。目前振动刺激促进骨折愈合已经得到证实。相关研究还发现2Hz的振动对人体损伤最小，因此常用手法的频率在2Hz左右应该是合理的。复旦大学与中医药大学的许世雄、志勇、严隽等使用推拿手法测力分析仪FZ-I型对滚法作用力进行时域分析。对于垂直分力，得出了反映手确性的定量指标峰值离散度J0，峰值时间F0，和总体均匀性R0，发现滚法的均匀性和深透性主要体现在节率性和作用力在强度和时空上的均匀性。志勇、许世雄、严隽等又对滚法施力的垂直向下分力、垂直向下分力的微分、水平分力的模和该模的微分进行频域分析，频段分布主要成分集中在2Hz-15Hz之间，说明施力过程中以低频作用力为主要柔成分。有学者认为手法的柔和性与软组织的形变有密切的关系，取决于手法的应力分布均匀性及应力变化的速度快慢。三、按摩机器人主要技术发展趋势目前市场上流行的按摩设备是按摩椅和按摩床，但是按摩椅、按摩床均为被动型，按摩方式均为从下往上用力，被按摩者依靠自身的体重实施按摩，需要被按摩者调整自身肌肉去“寻找”按摩压力点，被按摩部位处于自身体重的压迫之下，无法放松地接受按摩；除此之外，传统的按摩椅、按摩床按摩手法单一，不能完成模仿专家的按摩动作，一般达不到治疗效果。智能机器人技术是近年来迅速发展起来的科技技术，具有互动功能，以走入社会、服务人们的生活为主要目的，并且具有不知疲倦、力大无穷的优点。借助智能机器人技术，进行中医按摩机器人的研究是促进中医按摩现代化的重要手段。因此，将现代智能机器人技术与传统中医按摩理论结合成为按摩机器人重要的发展方向。总结虽然日本和国等国家非常重视按摩机器人的研究，探索了各种各样的按摩机器人和控制方法，但大部分研究还处于实验室和样机阶段，没有形成真正的产品。国按摩机器人的研究停留在概念设计、原理仿真和样机试制阶段。在按摩机器人控制方法和仿人双臂按摩机器人的机构等研究方面还没有相关的成熟的研究报道。总体而言，我国的按摩机器人研究还处于起步阶段，滞后于世界先进水平。未来按摩机器人的发展方向将沿着将我国传统中医按摩理论和现代机器人技术结合起来的方向发展，通过机器人技术，弘扬和发展我国的传统的按摩理论。参考文献1 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