本研究报告了一种面向中医按摩临床需求、旨在缓解老年患者腰腿疼痛的仿人机械臂按摩系统。该研究由来自多个科研机构的学者合作完成，主要作者包括长春工业大学机电工程学院的庞在祥（Zaixiang Pang）和孙中波（Zhongbo Sun）、北京大学工学院的喻俊志（Junzhi Yu）、以及长春职业技术学院的宫丽男（Linan Gong）等；通讯作者为张邦成（Bangcheng Zhang）和喻俊志。这项研究成果于2019年10月12日发表于期刊《Applied Sciences》上。
该研究的学术背景根植于全球人口老龄化所带来的日益增长的医疗保健需求，特别是老年群体中常见的慢性腰腿疼痛问题，给社会和医疗系统带来了沉重负担。传统中医推拿（Chinese medicinal massage）作为一种历史悠久且行之有效的自然疗法，能够缓解和治疗多种慢性疼痛，但其临床实施目前仍高度依赖人工操作，导致资源浪费，且按摩师的手法难以被精确地、定量地描述和推广。现有的按摩设备与机器人大多功能单一，通常只能实现一两种按摩手法，且缺乏对按摩位置的精确定位和个性化的治疗方案。因此，该研究旨在开发一款能够模仿人类按摩师动作、兼具高精度和多功能性的仿人机械臂系统，以解决医疗人员短缺问题，并提高对老年及残障人士的生活质量。
该研究的工作流程可以系统地分为五个主要步骤：基于中医理论的运动分析、仿人机械臂机构设计、运动学分析与工作空间仿真、基于有限元方法的力学性能验证，以及控制系统设计与实验验证。
第一步，研究团队对中医按摩的常用手法进行了运动和受力分析。他们建立了一个以治疗表面为基准的坐标系，用于分析按摩技师在执行不同手法时的运动特征。研究中将按摩手法按照运动空间归类为滚法（rolling technique）、拇指揉法（thumb kneading technique）、捏法（pinching technique）、按法（pressing technique）和振法（vibrating technique）等。分析结果表明，完成诸如按、捏、拨等核心按摩操作，仅需四个自由度（degrees of freedom, dofs）即可实现，这为机械臂的设计提供了核心的运动学依据。此外，在分析人体手臂结构的基础上，确定了仿人机械臂将由肩关节（shoulder joint）、肘旋转关节（elbow rotatory joint）、腕摆动关节（wrist swing）和腕旋转关节（wrist rotatory joint）构成，总重16公斤，最大静载荷10公斤。
第二步是基于自下而上的模块化设计方法构建仿人机械臂。该系统由康复按摩床、龙门移动平台、机器人臂和末端执行器（end actuator）组成。为满足设计要求并实现紧凑、轻质、拟人化的特性，其机械臂采用串联结构，并明确了关键性能指标：按摩力大于5公斤、关节定位精度小于2毫米、按摩力误差小于10%。设计过程中，团队利用CATIA三维建模软件进行了参数化建模和虚拟装配，以防止干涉并优化结构。外壳采用具有高强度、刚度和良好塑性的航空铝合金，且表面经过阳极氧化处理。为确保康复训练的安全性，关节处安装了扭矩限制机构以实现自动过载保护，并在外部加装了限位开关。其独特的末端执行器包含一个用于揉法操作的三指灵巧手（three-finger dexterous hand）和一个用于按、揉、振、滚法操作的小型并联机器人按摩终端（miniaturized parallel robot massage terminal），系统的按摩点定位依赖于双目视觉定位技术（binocular vision positioning technology）。
第三步进行了运动学分析和末端工作空间仿真。本研究采用D-H方法（D-H method）为这个拥有四个自由度的机械臂建立了运动学模型，每个关节由一个伺服电机（servo motor）独立驱动。研究者推导了正运动学解，以根据各关节变量（θ1， θ2， θ3， θ4）计算出手部坐标系相对于基坐标系的位置和姿态矩阵。随后，为解决实际应用中需要根据目标点位姿反求关节角度的问题，推导了逆运动学解。通过运用MATLAB的SimMechanics工具箱进行运动仿真，以各关节的旋转角度为输入，确定了机械臂末端的工作空间。结果显示，该工作空间形似一个以肩关节为轴线的四分之三圆柱体，充分证实了其能够满足人体腰部和背部的按摩操作范围需求。
第四步是结合有限元分析来验证其力学性能。设计团队将CATIA中的三维模型导入ANSYS软件，对机械臂在受力最大、变形最危险的姿态——即大小臂完全伸展成一条直线的状态下进行静力学分析。分析对象包括肩部俯仰支架、肘部俯仰支架及肘部旋转支架等关键部件，其中一个支架被精细地划分为5127个单元和21767个节点。通过施加载荷和约束，研究获得了这些部件在最大负载工况下的应力云图和变形云图。分析结果定性展示了结构设计的合理性，并指出了可优化的区域。此步骤旨在通过分析强度（strength）和刚度（stiffness）来指导结构优化，以实现机械臂的小型化、轻量化和高刚度，确保其在负载条件下的动态性能和末端定位精度。
第五步是控制系统设计、仿真与实验验证。整个系统采用二级控制模式，上位机（PC）通过以太网与作为下位机的PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）运动控制卡通信。硬件还包括Copley数字伺服驱动器和无刷直流电机。研究者设计了一个三闭环伺服系统（three closed-loop servo system），包含位置环（position loop）、速度环（speed loop）和电流环（current loop），其中位置环在PMAC卡中实现，速度环和电流环在驱动器中实现，旨在提高对按摩穴位的定位精度和按摩力的控制精度。他们进一步设计并调试了PID（比例-积分-微分）控制器，在PMAC控制器中引入了速度前馈（speed feed forward）和加速度前馈（acceleration feed forward），以减小微分增益和惯性引起的跟随误差，并采用陷波滤波器（notch filter）来防止系统共振。实验验证部分展示了多项关键结果。重复定位精度实验表明，机械臂在X轴上的最大定位误差小于0.1毫米，优于设计指标。按摩力控制精度实验中，使用电子秤作为力传感平台进行掌揉法测试，当期望力在10N至40N之间变化时，实际测得的力偏差百分比始终低于或等于5%，满足了力控制精度的要求。最后，PID控制仿真结果显示，机械臂在实际运行中，其关节的角速度和角加速度响应曲线平滑，末端执行器的轨迹与预期轨迹吻合良好，阶跃响应超调量小、响应时间短，证明了PID控制器的有效性和系统的稳定可靠性。
该研究的主要结论是，成功设计并验证了一款具有紧凑结构、高精度、轻质量和高刚度的仿人按摩机械臂。通过运动学和有限元分析相结合的设计方法，优化了机械臂性能，满足了承载能力的要求。基于PMAC运动控制器设计的PID三闭环控制系统，实现了机械臂的平稳运行和精确定位。实验数据有力地证实，该机械臂的重复定位精度和按摩力度精度均达到了预设标准，性能稳定可靠，为发展面向腰部肌肉劳损等病患的中医按摩机器人和相关治疗方法提供了有价值的设计参考和实验依据。
该研究的亮点在于其工作的系统性和综合性。首先，它并非简单地设计一个机械装置，而是从深入分析中医按摩手法的运动学特征出发，提炼出机械臂运行所需的最小自由度数，使设计更具科学依据。其次，其模块化设计理念和末端双执行器（三指灵巧手和并联按摩终端）的配置，使其具备了模仿多种专家手法的能力，提高了系统的仿人度和功能集成度。第三，研究中将有限元分析与动力学仿真相结合，用于指导和优化结构设计，确保了机械臂在轻量化的同时具备良好的刚度和承载能力。最后，通过实际搭建的硬件平台和一系列严格的定位精度与力控制精度实验，而非仅仅依赖于软件仿真，该研究有力地证实了整个系统的可行性与性能指标，这对于推动按摩机器人从理论设计走向实际临床应用具有重要的科学价值和应用价值。