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1、摘要Abstract1.绪论1.1 课题背景1.2 按摩机器人手部的研究现状1.3 灵巧手的发展现状1.4 Shadow拟人手介绍1.41 机械结构1.42 驱动系统1.43 传动系统1.44 重量和材料1.5 本文研究思路和主要内容2 中医按摩机器人腧穴定位与跟踪技术综述2.1 基于视觉的腧穴定位与跟踪2.11 图像获取2.12 图像识别2.13 目标定位2.14 跟踪检测2.2 基于模板匹配2.21 模板选择2.22 匹配过程2.23 跟踪检测2.3 基于BP神经网络的腧穴定位2.4 其他腧穴定位方法2.41 人工示教2.42 基于电学特性的腧穴定位2.5 发展方向3手指运动学分析3.1
2、基础理论3.11 单指运动学基本理论3.12 D-H坐标3.2中指运动学分析3.21中指正向位置运动学分析3.22中指逆向位置运动学分析3.23中指逆微分运动学分析3.24 中指静力学3.3 拇指运动学分析3.31 拇指正向位置运动学分析3.32 拇指逆向位置运动学分析3.33 拇指的微分运动学分析4 手指动力学的研究4.1 手指连杆动力学4.11 迭代的Newton-Euler算法4.12 封闭形式的手指连杆动力学方程4.2 腱传动系统动力学4.3 驱动系统动力学5 手指运动学与动力学仿真5.1 手指运动学验证与仿真5.11 中指正运动学验证5.12 中指正运动学仿真5.13 拇指正运动学验
3、证5.14 拇指正运动学仿真5.2 手指连杆逆动力学仿真5.21 仿真模型建立5.22 轨迹规划5.23 关节力矩仿真6 总结与展望参考文献硕士期间发表论文致谢第一章 绪论1.1 课题背景中医按摩，是以中医的脏腑、经络学说为理论基础，通过“手法”所产生的外力作用于人体体表的特定部位或穴位，以调节机体生理、病理状况，达到理疗目的的方法【1】。从性质上来说，中医按摩是一种物理治疗方法，它简单有效，而且极少创伤，是目前一种比较崇尚的自然疗法。史记记载先秦时期名医扁鹊，曾用按摩疗法治疗虢太子的尸厥症，至今已有两千多年。按摩过程中，按摩师需要根据患者具体的病情，运用不同的手法技巧如施力的位置、大小、方向
4、、频率等，才能达到理想的疗效。所以中医按摩对按摩师的要求较高，同时它也是一项异常繁重的体力劳动。目前各医院主要是由有经验的按摩师用人工推拿方法对病人进行治疗，一个疗程下来按摩师需要付出艰苦的劳动，而且目前多地按摩师的数量无法满足医患需求。人口老龄化指某地某时期内总人口中老年人口比例增加的动态过程。根据联合国世界卫生组织定义，65岁以上老年人口占总人口的比例达百分之七时，称为“老龄化社会”(Ageing society)，达到百分之十四时称为“老龄社会”(Aged society)。由于计划生育的影响，中国已于1999年进入了老龄化社会，在2004年底65岁以上人口占总人口比例为7.6%。 20
5、11年底，第六次全国人口普查数据显示，中国60岁老龄人口已达1.85亿，占当时人口总数13.7%以上。有关专家预测到“十二五”期末，全国老年人口将增加4300多万，达到2.21亿，届时80岁及以上的高龄老人将达到2400万，65岁以上空巢老人将超过5100万。老年人口的快速增加，特别是失能老人年均100万的增长速度，对老年人的生活照料、康复护理、医疗保健、精神文化等需求日益凸显，养老问题日趋严峻。中医按摩是老年人重要的医疗保健方式，其需求也随着老龄化加剧而不断增长，这与按摩师劳动强度大、数量短缺的问题形成尖锐的矛盾。而科技正是解决这一矛盾的可行方案，因此近些年医疗器械市场发展迅猛。但是，目前市
6、场上出现的仪器多是近似模拟按摩手法的器械，如各种品牌的按摩器和按摩椅，其手法单一，只能起到保健、放松和缓解疲劳的作用，对治疗疾病的效果不明显。所以，针对中老年人退行性疾病和慢性疾病对中医按摩及保健康复设备的临床需求，研制一种能够代替中医按摩师，并且可以应用到临床的仿人中医按摩机器人将具有十分重要的社会价值和市场价值。手部的设计与研究是仿人中医按摩机器人的关键，直接关系到其能否实现复杂的按摩手法、达到预期的疗效。按摩机械手的研究涉及到控制论、机电一体化、计算机和仿生学等诸多领域，是一项十分复杂的工程。随着机器人技术的发展，仿人灵巧手的研究也有了长足进步，一些列有代表性的产品相继面世，也有极少数产
7、品已经商业化，Shadow仿人灵巧手就是其中的杰出代表。本文重点研究了Shadow仿人灵巧手。1.2 按摩机器人手部的研究现状按摩机器人的技术发展非常迅速，日本、韩国、美国等国家在按摩机器人研究领域起步较早。日本科学家率先实现了按摩机器人“捏”的按摩手法，早稻田大学研究了可以用于口腔疾病替代疗法的面部按摩机器人系统，丰桥技术科学大学提出了安装有力传感器的多指按摩手【2】；韩国建国大学研究了用于背部按摩的机器人，运用2个串联结构的机械手臂对人体背部进行按摩【3】，而且与按摩椅合为一体。日本早稻田大学和朝日大学的石井博之和古贺树等人研制的“早稻田朝日口腔康复机器人1号”（WAO-1）是一种可以进行
8、面部按摩的口腔康复机器人【4】，主要针对颞下颌关节紊乱病和口干等口腔疾病，如图1.1。 图1.1 口腔康复机器人：WAO-1 图1.2 全方位球头柱塞WAO-1的机械手是一个可以在患者面部滚动的柱塞，通过移动柱塞可以实现按压或揉搓等动作；柱塞安装在机械臂上，机械臂设计有6个自由度2个线性自由度和4个串联机器人式的旋转自由度；6轴力/力矩传感器连接在机械手上，用来测量人面部对柱塞的反作用力。为了能够应对不同病人的需求，WAO-1共设计有6种不同类型的柱塞，如图1.2是一种可用于多种按摩形式的全方位球头柱塞，该柱塞由陶瓷球、气缸和凹槽组成。陶瓷球的位置由气缸约束，但它的方向没有限制当机械手运动时，
9、陶瓷球被动滚动并实现对面部的揉搓。WAO-1的机械手设计简单实用，但手法较单一且没有实现“仿人”设计，应用领域有限。近些年国内对按摩机器人的研究也逐渐活跃起来，江苏大学余顺年、马履中等人通过对推法、滚法、按法等9种中医按摩手法的运动学和动力学分析，提出一种基于三自由度并联机构的中医按摩机器人系统，拓宽了按摩机器人研究范围【5】。该并联机器人机构能够满足常用中医按摩手法的要求，结构简单、解耦性强，易于实时控制，如图1.3所示。但该机器人系统不能满足穴位跟踪与定位、施加精确的按摩力、保证按摩效果的要求，也没有进行手部的设计。山东建筑大学的高焕兵和鲁守银等研制了一种串并联融合构型的中医按摩机器人，综
10、合了串并联机构的优点，如图1.4，而且该系统的机械手可以单独实现捏拿、指柔、振动、叩击等10种中医按摩手法【6】。 图1.3 并联中医按摩机器人 图1.4 串并联中医按摩机器人按摩机械手如图1.5，主要由固定支撑机构、连接机构和按摩执行机构组成；由叩击电机、手腕电机、振动电机、捏拿电机和指揉电机共六部电机分别驱动来实现不同的按摩手法；8个微型称重传感器和2个拉压力传感器，分别安装在手部的拇指、排指、掌心、滚子和手腕拉杆等部位，进行按摩力的检测，测量范围为020Kg。 （a）按摩机械手组成 （b）按摩机械手电机分布图1.5 按摩机械手这款中医按摩机器人虽然能够完成中医按摩的各种手法，但是系统体积
11、庞大、笨重，而且按摩机器手是刚性机构，不具备人手的柔软性和舒适性，同时其控制系统复杂，控制线路繁多、复杂，不易维护。1.3 灵巧手的发展现状机器人多指灵巧手（以下简称：灵巧手）是以人手为原型，模拟人手的功能和结构设计，并且具有多手指、多关节的多自由度机器人末端执行器。Salisbury 认为，灵巧手应当拥有不少于3个的手指数，不少于9个的自由度数，同时配置必要的力、位置传感器等，并且能够实现稳定抓持7。具有高度灵巧度和拟人化的仿人灵巧手必须解决大量的技术问题：需要用非传统的系统设计方法对人类特征进行仿生如软组织、标准的行为和结构等；需要定义灵巧手的运动结构和手指，设计新类型传感器（位置、力、力
12、矩、触觉等），并将它们整合在灵巧手中；需要设计满足转矩/速度及尺寸要求的新型驱动器【8】。本节将对国内外有代表性的灵巧手进行综述。灵巧手的关键技术主要包括：机械结构手指数量和运动的配置；驱动系统内置驱动（模块化设计）或者远程驱动（一体化设计）；传动系统；传感技术；控制策略。“灵巧度”和“拟人化”是判断仿人灵巧手技术水平的主要标准。“灵巧度”表示一定程度的复杂性，代表自主执行任务能力的能力；“拟人化”表示灵巧手对人手形状、大小、审美等最终效应的模仿程度。 其中，“灵巧度”表示灵巧手将被操纵对象从初始形态改变至工作空间中任意位置目标形态的能力，涉及到两方面：抓握和内部操作。抓握是将对象约束在灵巧手
13、中的能力；内部操作是被抓握对象随着灵巧手形态变化而实时变化所对应的运动控制。影响“灵巧度”的主要因素有：l 机器手的形态特征；l 传感器的性能；l 控制算法；l 任务规划策略。影响“拟人化”的主要因素有：l 运动学特性；l 平滑的接触面；l 整体和各部分之间的尺寸比例关系。在文献【9】中作者详细讨论了这些概念。除了“灵巧度”和“拟人化”，对于灵巧手的设计来说，还有一个很重要的特点是：整合。为了简化结构、降低成本、提高可靠性，灵巧手在设计时必须恰当的将机械结构、传感器、电子系统和控制策略整合在一起。当然，整合设计也直接决定着灵巧手的灵巧度等功能，同时影响着灵巧手与机器人系统其它部分之间的关系。灵
14、巧手采用的整合设计方式主要有两种：模块化设计方法和一体化设计方法。采用前者的灵巧手是一个独立设备，可以安装在不同类型的机械手臂上，模块化设计灵巧手的主要代表有：DLR灵巧手【10】，Barret灵巧手【11】，Salisburys灵巧手【12】；采用后者的灵巧手是机械臂不可缺少的一部分，如同生物手臂一样手与臂紧密融合，一体化设计的代表有：Robonaut灵巧手【13】，shadow灵巧手【】，UB灵巧手【14】。总之，灵巧手是一个复杂的系统，如果没有采用适当的机械结构、驱动系统、传感器或控制程序，都不能达到理想的性能。以时间为序，最著名的机器人灵巧手有：Okada灵巧手(1974)15，Sta
15、nford/JP灵巧手(1983)16，Utah/Mit灵巧手(1983) 17，Barret灵巧手(1988) 11，UB II灵巧手（1992）【18】，LMS 灵巧手(1998)19，DIST灵巧手(1998) 20，Robonaut灵巧手(1999) 13，DLR II灵巧手（2000）14，Gifu III灵巧手 (2004) 37，HIT/DLR II灵巧手（2008）【】，Shadow C6M灵巧手(2009) 34，UB III灵巧手(2010) 5。 图1.6 Okada灵巧手（1974） 图1.7 Stanford/JPL灵巧手（1983）Okada灵巧手1974年，日本成
16、功研制了 16，如图1.6所示。Okada手爪是第一个真正意义上的灵巧手。该手具有一个手掌和三个手指，拇指有3个自由度，另两个手指各有4个自由度，共11个自由度；各自由度都由直线电机驱动，腱-滑轮传动。这种手爪Okada手的灵巧度较好，重量也比较小，但各个手指在结构上细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。Stanford/JPL灵巧手美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL 手1是一种非仿人灵巧手，如图1.7。它没有手掌，有3个手指，每个手指各有3关节3个自由度，共9个自由度；拇指与另外两个手指相对放置；采用外置电机驱动，通过n+1型腱传动结构传递运动和力。与Okada 手相比，Sta
17、nford/JPL手更加灵活，其控制系统也更为复杂，可以抓取方块或鸡蛋等不同形状的物体。 图1.8 Utah/MIT灵巧手（1983） 图1.9 Barrett灵巧手（1988）Utah/MIT灵巧手美国犹他大学生物医学研究中心与美国麻省理工学院联合研制的Utah/MIT 手9是一种仿人灵巧手，如图1.8。该手采用模块化设计，具有4个相同结构的手指，每指4个关节，共16个关节16个自由度；外置伺服气缸驱动，腱-滑轮传动（为了达到最大的操作度，该灵巧采用了2n型腱传动结构）；具有腱的张力传感器和指面的电容式触觉传感器。Utah/MIT 手能在数据手套的配合下完成使用螺丝刀、抓取物体、拧灯泡、将螺
18、母拧上螺栓等动作。Barrett灵巧手1988年，美国巴雷特技术公司研制成功面向工业应用的Barrett手16，如图1.9。它具有手掌和3个手指，每个手指各4个自由度，共12个自由度；采用内置微电机驱动。其最新系列的灵巧手重约1.18kg，整手可以作为一个独立模块安装在任何机械手臂上，通过标准工业串行总线通讯。 图1.10 UB II灵巧手（1992） 图1.11 LMS灵巧手（1998）UB II灵巧手1992年，意大利博洛尼亚大学和比萨大学共同研制了UB II手25，如图1.10 所示。该手尺寸接近于人手，具有3个手指11个自由度，加上2个腕部自由度共有13个自由度；采用腱-滑轮方式传动；
19、装有9个内置式触觉传感器，可以检测作用在已知表面的力和力矩，并且在进行适当假设的情况下，可以计算给定表面的接触点的位置。LMS灵巧手1998年法国普瓦捷大学大学研制成功了 19，如图1.11所示。该手尺寸接近人手，有四个手指，由16个连杆组成，具有16个可控自由度；同样采用腱-滑轮传动，能够包络抓取和用指尖捏取。LMS手的特点是传动设计的布局比较合理，结构相对紧凑；不足之处是虽然具有冗余的自由度，但实现的抓取功能不理想。 图1.12 DIST灵巧手（1998） 图1.13 Robonaut 灵巧手（1999）DIST灵巧手1998年，意大利热那亚大学研制成功了DIST灵巧手21，如图1.12。
20、它具有4个手指，每个手指有4个自由度，共16个自由度；每个手指通过5个直流电机驱动和6根直径为0. 4 mm聚酯腱进行驱动。手指关节采用连杆组合的方式，关节中部设计为中空以减轻重量，全收总重接近1Kg，可以很方便地装在各种机械臂上，但不适合采用关节指面的接触方式来抓取物体。Robonaut 灵巧手1999年，美国国家宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外作业的太空机器人，Robonaut手22是该系统的一部分，如图1.13。该手具有手掌和5个手指，22个关节（有冗余关节），包括腕部2个自由度在内一共14个自由度。拇指、示指和中指各有3个自由度，用于对物体或工具的灵活操作；环指和小指各有1个自
21、由度，手掌有1个自由度，用于力度握持物体。为保证在外太空工作的可靠性及寿命，Robonaut手采用无刷电机驱动，14个电机全部集成在前臂上，通过腱传动驱动手指动作，可承受大约9kg力。另外，Robonaut手集成有43个传感器，包括电机轴编码器、关节轴位置传感器和腱上张力传感器。该手的抓取及操作能力极为强大，在灵巧手领域内得到一致认同。 图1.14 DLR II灵巧手（2000） 图1.15 Gifu III灵巧手（2004）DLR II灵巧手基于全数字机电集成化概念，DLR于2000年设计了DLR II手27，如图1.14所示。该灵巧手具有4个相同结构的手指，拇指具有外展/内收的运动；采用直
22、流无刷电机驱动、谐波减速器减速、齿形皮带传动。DLR II手是在DLR I基础上的进一步的发展，它具有可重构的手掌、易于维护的开放式结构、通过改进的驱动器和传动结构。每个手指指尖的输出力从10N增加到了30N；每个手指的指尖安装了一个微型6维力/力矩传感器；改进了通讯结构，灵巧手的控制和传感线路从DLR I手的400根减少到12根。DLR II手具有高度集成、多传感器、模块化设计等突出特征。Gifu III灵巧手日本岐阜大学相继研制了Gifu I手、Gifu II手和Gifu III手3738394041，如图1.15 所示。Gifu III 手具有有5个手指，共20个关节16个自由度，4个手
23、指有4关节3个自由度的手指，末端的两个关节通过连杆耦合运动，拇指有4个关节4个自由度，有1个相对手掌和其余手指的扣掌自由度；采用微型直流电机驱动，腱传动。整手重1.4kg，指尖力达到2.7N，频率响应6Hz。除具有指尖6维力/力矩传感器外，Gifu III手的特点是具有859个监测点的分布式触觉阵列。图1.16 UB III灵巧手（2010）UB III灵巧手意大利博洛尼亚大学和比萨大学共同研制了UB III手42的设计理念是简化灵巧手中复杂的机械结构，故该手采用了内骨骼思路，有很强仿人性及灵巧性，如图1.16 所示。UB III手具有5个手指，共19个关节15 个自由度；采用电机驱动，腱传动
24、；具有角度传感器、腱张力传感器；最大指尖输出力为6.8N，腱张力大于200N，手指收展90所需时间为0.85s。图1.17 BH-3灵巧手（1998）上世纪80 年代后期，国内一些高等院校和部分机器人研究机构相继进行了灵巧手的研究，如北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学、北京理工大学、南京航空航天大学、华中科技大学、东南大学等，在灵巧手的结构优化、传感系统、控制策略、抓持规划等方面做了大量工作。北京航空航天大学机器人研究所在张启先院士的主持下，在国内最早开始灵巧手研究与开发，已经先后研制了四代灵巧手。BH-1灵巧手是LMS灵巧手的仿制品，功能相对简单，但填补了当时国内灵巧手
25、研究领域的空白，具有特殊意义。在此基础上，BH-2灵巧手、BH-3灵巧手性能不断提高，BH-3灵巧手47仍为3 指9 自由度结构，配有关节角度和指尖三维力传感器，9个微电机安装在手掌内，采用两级分布式计算机实时控制系统，能够抓取和操作不同材质、不同形状的物体，如图1.17。 BH985灵巧手48为4指16自由度灵巧手，内置电机驱动，电机安装在手指和手掌部位，齿轮传动，关节处配有角度传感器。 （a）HIT/DLR I灵巧手（2004） （b）HIT/DLR II灵巧手（2008）图1.18 HIT/DLR系列灵巧手2001年，哈尔滨工业大学(HIT)和德国宇航中心(DLR)合作组建了“德宇航-哈
26、工大联合机器人实验室”，先后于2004年和2008年研制成功了HIT/DLR I灵巧手(如图1.18)和HIT/DLR II灵巧手(如图1.18)，大大促进了我国灵巧手技术的发展。HIT/DLRI 灵巧手是在DLR II灵巧手基础上开发的，具有4个相同的模块化手指，每个手指4个关节3个自由度，共17个关节13个自由度；采用直流无刷电机驱动；安装有位置、关节力矩、指尖6 维力/力矩、温度等多种传感器。它的驱动、传感及控制系统等都集成在灵巧手内部，总重1.8Kg，体积约为人手的1.5倍。HIT/DLR II手由5个相同的模块化手指组成，共有15个自由度；采用体积小、重量轻的盘式电机驱动和谐波减速器
27、+齿形皮带的传动方案，重量1.5Kg，体积与人手相当。II 型灵巧手相对I 型，在手指数目、重量、体积、集成度、电气接口等方面都有较大的提高，且拟人化程度更高。1.4 Shadow拟人手介绍英国Shadow机器人公司于1997年开始研制灵巧手，经过两代灵巧手（Hand A、B）的开发和研究，在2002 年Robodex大会上展示了第三代原型机（Hand C），之后该公司又对第三代手做了数次修改，并于2008年、2009年分别推出Shadow C5和shadow C6，成功将仿人灵巧手推向市场1。Shadow C6拟人手被认为是目前世界上最先进的拟人手，是最接近人手的机器人手23。它具有包括腕关
28、节在内的24 个关节20 个自由度，通过40根气动肌肉（Air Muscle）驱动，利用腱传动，采用集成的关节位置传感器、压力传感器、指尖触觉阵列传感器。Shadow C6可以提供24个动作，具有触觉感知功能。图（）a、b分别是Shadow C6拟人手抓取鸡蛋、和抓握工具时的照片。 为了商业化的目的，shadow拟人手在设计过程首次引入了拟人手外形美化设计的理念设计：设计有指甲进行精细操作，使用柔橡胶衬垫防止抓取时手指和物体之间滑动，并使接触物体时更柔顺。1.41 机械结构1、一体化Shadow拟人手采用一体化设计方法手是整个机械手臂不可分割的一部分。二者组成了一个自足的系统：驱动器和阀组置于
29、前臂区域内，所有必要的控制系统封装在Shadow拟人手内。相对于模块化设计方法，一体化设计可以安装尺寸更大，驱动力更强的执行机构，握持力远远大于模块化化设计的灵巧手；而且就仿生性而言，一体化设计的手能达到更高的仿生性指标驱动器的驱动力可以通过人造肌腱传递到人手上的各个关节。2、外骨骼结构Shadow拟人手采用外骨骼机构，即构成手指的刚性结构构件作为骨骼的同时也是手指外的保护性外壳。采用这种设计方法，可以有相对自由的空间来设计手指中的关节以及传动方式，保护手指中的传感器，避免人工腱在运动过程中被挤压。3、尺寸Shadow拟人手的外形尺寸近似于一个成人男性的手，见表（）和图（）表1. Shadow
30、拟人手外形尺寸手指长度（从指尖到关节中心线）100毫米拇指长度102毫米手掌长度（从关节中心线到腕关节轴）99毫米手掌厚度22毫米手掌宽度84毫米拇指基厚度34毫米前臂长度（从基底到腕关节轴）434毫米图1. Shadow拟人手外形尺寸Fig. External Dimensions of Shadow Dexterous HandShadow拟人手除拇指外的四个手指具有相同的结构及尺寸，为了在视觉上更接近人手五指的长短不一，四指与手掌相连的位置高度略有不同，如图（）所示。4、关节及自由度Shadow拟人手的设计思想来源于人手的解剖结构和功能。人手关节共有6种类型：指骨间关节、掌指关节、掌骨间
31、关节、腕掌关节、腕骨间关节和腕关节9。共具有五种运动形式：屈与伸；内收与外展；旋转（沿垂直轴旋进行的运动）；环转（屈、展、伸、收动作的延续）；移动（相对滑动）。这里只对和shadow拟人手关节密切相关的三种关节类型加以详细说明（如图）：(1) 指骨间关节(Interphalangeal Joints, IP)：属于滑车关节，共有 9个，只能作屈、伸运动。除拇指外，各指均有近侧指骨间关节（Proximal Interphalangeal Joints, PIP）和远侧指间关节（Distal Interphalangeal Joints, DIP），(2)掌指关节(Metacarpophalang
32、eal Joints, MCP)：由掌骨小头与近节（第1节）指骨底构成，共5个。拇指掌指关节属于滑车关节，主要作屈伸运动，微屈时，也可以作轻微的侧方运动，但运动幅度均较小。其余四指为球窝关节，可作屈、伸、收、展运动，其中外展和内收是以通过中指的假想中心线为基准，向中心线靠近的运动称为内收，远离中心线的运动为外展。(3) 腕掌关节(Carpometacarpal Joints, CMP)：由远侧列腕骨的远侧端与5个掌骨底构成。第2到5腕掌关节由一个共同的关节囊包裹，属于微动复关节。但第1掌骨底与大多角骨之间构成的拇指腕掌关节是一个独立的关节，属于鞍状关节，为人类及灵长目所特有，可作收、展、屈、伸
33、、环转及对掌运动。对掌运动是第1掌骨外展，屈和旋内运动的总和，其结果使拇指尖能与其它各指掌面接触，这是人类劳动进化的结果。 图1. 手部关节简图Fig.1. Joints diagram of handShadow拟人手除腕关节外共有22关节，18个自由度。其中，拇指采用5关节手指结构，关节1、2的轴线相互垂直，模拟人手腕掌关节，可以实现拇指掌骨的旋转和侧摆。关节3、4的轴线相互垂直，模拟人手掌指关节，可以实现拇指近指节的侧摆和屈伸。关节5与关节4的轴线相互平行，实现远指节的屈伸运动，如图（）。关节1、2、3、4、5各有一个自由度，拇指共有5个自由度。此外，拇指的关节1设置在食指轴线延长线附近
34、，使拇指轴线与食指轴线成45夹角，这样的设计不但更加符合人手的结构，而且通过配合小指掌骨关节，可以形成类似三指力封闭模型，实现形封闭抓持，更利于稳定抓持。中指采用4关节手指结构，关节1、2的轴线相互垂直，模拟人手掌指关节，可以实现下指节的侧摆和屈曲，这里 shadow拟人手采用侧摆型设计，即侧摆轴与手掌相连。关节2、3、4的轴线相互平行，模仿指骨间关节，实现中指节和上指节的两个屈曲运动，如图（）。关节1、2各有一个自由度，关节3、4有一个耦合自由度，中指共有3个自由度。食指、无名指和小指与中指的结构尺寸完全相同，只是为了模拟握持时的手掌凹陷，使得被握持物体更加稳定，小指处设计了一个掌骨关节，共
35、4个自由度。图1. Shadow拟人手运动学结构简图Fig.1. The diagram of the kinematic structure of the HandShadow拟人手各关节运动范围如表1.表1. Shadow拟人手各关节运动范围拇指食指、中指、无名指小指关节1-60 +60关节1-25 +25关节1-25 +25关节20 +75关节2-10 +90关节2-10 +90关节3-15 +15关节30 +90关节30 +90关节4-30 +30关节40 +90关节40 +90关节5-10 +90腕掌关节0 +401.42 驱动系统Shadow拟人手采用的是Mckibben 型气动肌
36、肉驱动器（Pneumatic Muscles Actuator, PMA）。作为一种新型的气动执行元件，PMA因其特有的仿生特性成为近年来发展的热点。其中Mckibben 型PMA是研究应用最为广泛的一种气动肌肉，它的内层是橡胶管（如图），外面由纤维编织包裹（如图），两端由金属挟箍密封。当压缩空气进入橡胶管时，其内压力上升，橡胶管充气后膨胀，迫使外层编织网产生位移和力的输出，即橡胶管径向的膨胀力通过斜拉的编织网纤维转化成为肌肉的轴向收缩力。 McKibben 型PMA 与其他驱动器相比，主要由如下特点4567：仿生性好，当收缩位移介于20%35%之间时，力-长度特性与人类肌肉接近；功率/质量比
37、大，输出力为同缸径气缸的数倍；具有柔性，具有自缓冲、自平衡能力，与环境接触友好；内部无需润滑，无粘滑特性和爬行现象，易实现低速运动；在操作过程中不产生热及其他有害物质节能环保，耗气量仅为同等输出力气缸的40%； 使用安全，其主要失效形式为橡胶管破裂。Shadow拟人手采用自己公司生产的Air Muscle，是已经成熟商品化的Mckibben 型PMA，表1.1给出了Shadow公司的Air Muscle、德国Festo 公司的Fluidic Muscle和气缸基本参数。表1. PMA性能对比Max LengthContraction & Stroke1，2Max Diameter1,2Weig
38、ht3Max Force1Force / WeightForce / Area1Air Muscle150 mm20%30 mm11 mm10 g90 N9.0 N/g0.95 N/mm2Cylinder50%30 mm12 mm132 g57 N0.4 N/gFluidic Muscle200 mm20%40 mm35 mm205 g1000 N4.9 N/g1.04 N/mm2Cylinder50%40 mm40 mm669 g628 N1.0 N/g注1：该参数在0.5MPa 压力下测量。注2：该参数在0 负载下测量。注3：气缸的重量与其行程有关，将气缸行程选为PMA 在0 负载、0.5
39、MPa 充气压力下的收缩量。从表1.1可以看出，Air Muscle的最大收缩率、输出力/自重比较大，说明Air Muscle在相同的尺寸下收缩量和输出力更大，而且更轻巧。还可以看出 Mckibben 型PMA 具有其他类型驱动器所不能比拟的仿生性：PMA 越长收缩量越大、PMA 越粗输出力越大，这正符合生物肌肉的特点，。人类肌肉骨骼肌或肌群通常是成对出现且具有相反的运动和张力效应，而PMA 只在其收缩运动的方向上输出拉力，模仿人类骨骼肌的工作形式，一般依靠相互抗衡的一对PMA 的压力差来直接驱动各种关节8（如图），而不需要减速机构。图1.1.43 传动系统Shadow拟人手采用腱传动，实现了
40、运动和动力的远距离传送。肌腱是人手实现运动的关键，人手的每个关节屈伸动作的实现是由一对肌肉通过肌腱协调作用的结果。如图（）是人手指骨（以中指为例）的肌腱分布，指深屈肌腱、指浅屈肌腱和蚓状肌分别连接在近节、中节和远节指骨，完成各关节的屈运动；指伸肌腱越过掌骨头后分为三束，分别止于近节、中节和远节骨底，完成各关节的伸展。不考虑图中手指MP 关节的收展运动，一根手指的三个自由度由四根肌腱驱动。肌腱外包裹着内部具有润滑脂的腱鞘，腱鞘具有很好的弹性，在骨骼弯曲时具有良好的适应性。图1. 人手指筋腱分布 图1. Shadow拟人手腱的安装Shadow拟人手仿照人手的自然设计，人工腱一端固定于PMA 末端，
41、经腕部约束，汇集之后进入手掌，另一端终止于被驱动手指连杆末端，如图（）所示。人工腱外部有腱鞘保护，腱鞘内充满润滑油，避免人工腱在运动时相互交叉、缠绕，减小摩擦。人工腱在手掌中依照所连接手指的不同分布在各自的区域，依照不同功能按深浅层排列，并行前进。在腱传动中，人工腱的机械特性、数量和路径设计对于灵巧手的性能具有较大的影响。对于Shadow拟人手所使用的人工腱，这三方面资料都无法查阅到，但是根据拟人手的结构特点和功能需求，结合腱传动相关理论，可以进行如下推测。Shadow拟人人手所选用的人工腱必须具有三点机械特性：强度大能够承载PMA 的输出力；韧性好能够保证腱通过弯曲路径传递动力；延展性小利于
42、提高控制精度。Dyneema纤维是个不错的选择，其直径小于0.5mm，负载能力约30kg，强度比Kevlar纤维约高出40%，比碳纤维高两倍，断裂伸长率仅3.5%，摩擦系数低腱传动实现了shadow拟人手运动和动力的远距离传送，满足了其结构上的要求，并且质量轻、惯性负载小、摩擦小、成本低、耐用性强。同时，腱传动的缺点也显而易见：刚度有限，位置精度差；需要预紧；容易产生运动和动力耦合，控制难度较大。对于shadow拟人手，由于采用的PMA 总是能够输出一定张力，自身便为人工腱提供足够的预紧张力。因此，使用成对PMA 配合人工腱驱动关节，既增强了拟人手的整体仿生性，又提高了手指的输出力。1.44重
43、量和材料Shadow拟人手系统总重量为3.9公斤的，重心大约位于距基座160毫米处。整个系统主要由金属和塑料组成，具体构成：前臂骨：钢。手掌：乙酰，铝，聚碳酸酯。手指：乙酰，铝，聚碳酸酯指甲和聚氨酯肉。基座：乙酰，橡胶，黄铜，软木。2 中医按摩机器人腧穴定位与跟踪技术综述腧穴是人体脏腑经络之气输注于体表的部位，中医按摩主要以经络理论为指导，所以腧穴的准确定位是按摩疗效的重要保障。人工中医按摩中，传统的腧穴定位方法主要有体表解剖标志定位法、骨度折量定位法、指寸定位法和简便取穴法1。中医按摩机器人是一个集按摩学、机械学、力学、图形学、材料学等学科为一身的新兴事物2。在传统腧穴定位的基础上，中医按摩
44、机器人腧穴定位与跟踪技术的研究已有一定成果。该文对近年来的中医按摩机器人腧穴定位与跟踪技术进行总结与分类, 并重点介绍了基于视觉、基于模板匹配、基于BP神经网络的定位与跟踪技术。最后指出现有技术存在的不足，并提出了腧穴定位与跟踪技术的发展方向。2.1 基于视觉的腧穴定位与跟踪基于视觉定位的按摩机器人腧穴定位的实现主要包括图像获取、图像识别、目标定位以及图像传感器的跟踪控制3。其实现的原理框图如图1所示：图1 基于视觉定位原理框图2.11 图像获取首先在患者身上需要按摩的穴位处粘贴一个带颜色点的纸片，如背景为灰色、中间为直径1cm红色点的纸片。通过照相机（根据精度要求选用德国IDS公司uEye系
45、列工业相机）拍摄获取图像，在图片中找到穴位点，记录穴位点的坐标及该像素点的RGB值。由于同样颜色在拍照后RGB值会略有不同，特别是在光源不理想的情况下，所以要给被检测点的RGB值增加一定的阈值。例如像素为红色，其RGB值为（120,60,60），则可将所有RGB值介于（110,50,50）（130,70,70）之间的所有点视为红色4。2.12 图像识别目标定位之前，需要对图像进行预处理，此过程除去了图像中的噪声并把图像按尺寸归整化，依靠数学形态法的腐蚀操作进行边缘检测，通过一些算法将边缘细化为一条单像素宽的线。常用的边缘检测算子有Robert、Sobel、Prewitt、Canny算子。其中R
46、oberts算子是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子，是最基本的边缘检测算子。该算子认为任意一对相互垂直方向上的差分可以看成是梯度的近似求解，采用对角线方向相邻两像素之差。由于它只使用当前像素的22邻域，所以计算非常简单5。它的卷积掩膜为：h1=100-1 h2=01-10像素点(i,j)的Roberts算子值为：g(x,y)= fx,y-f(x+1,y+1)2 + fx+1,y-f(x,y+1)2 1/2图像处理前后标记点对比如图2、3： 图2 原始标记点 图3 Robert算子处理后标记点2.13 目标定位图像预处理后，采用深度优先法确定图像边缘曲线，进行目标定位6。对于某像素点a，其相邻的像素点可能的搜索方向有八个，用深度优先对状态空间进行搜索时, 由于搜索是沿着状态空间某条单一的路径向下进行的, 只有当搜索到达一个没有后继的状态时, 它才考虑另一条替代的路径。对圆的圆周像素点搜索过程中，必定存在一条路径使得从 a 点出发后，找到一系列圆周上的像素点形成一个圆，这一组圆的数据将用于下一节的圆的参数计算。深度优先搜索每次对节点应用一个算子以产生该节点的一个后继节点。对每一个节点，必须有一个决策