捏拿式颈椎肩部按摩器三维设计研究

• 作 者: 张濛
• 出 处: 安徽工业大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 按摩器 优化设计 Creo三维建模 有限元分析 运动学仿真

伴随着我国社会老龄化速度的加快、人口红利下降,服务机器人产业面临着比较大的机遇和发展空间。但由于诸多原因,具有按摩功能的服务机器人的发展进程比较缓慢,市场占有率低。本课题从传统中医推拿按摩出发,结合机器人学等学科知识,设计了一款针对人体颈椎和肩部的按摩器,期望实现针对人体仿人工捏拿式按摩,提高按摩的效果和舒适度,具有显著的现实医用价值。首先,本文综述了机械手式按摩器的发展概况,分析了机械手式按摩器的发展案例和待解决问题。基于中医推拿按摩的功效和舒适度的期望,根据典型规格的人体尺寸,以及人体颈椎和肩部的常用推拿按摩手法,提出了人体颈椎和肩部的捏拿式按摩器的总体方案。经比较论证,确定了该按摩器机械部分由三个机械手及其驱动机构和支承部件组成,两个肩部按摩机械手对称的布置在仿人肩部曲线的水平轨道上,一个颈部按摩机械手安装在仿人颈椎曲线的垂直轨道上;每个机械手均采用步进电机驱动和不完全齿轮齿条运动以及钢丝绳牵引,使手指和手腕实现捏拿组合运动。根据上述按摩原理,确定了机械手捏拿机构、肩部机械手移位机构和颈部机械手移位机构。通过外购的升降座椅的手柄可调节人体坐姿高度以适应按摩位置。其次,根据上述机构方案和初始期望值,对机构主要力能参数进行计算,对电机及三合一减速机进行了选型,利用Matlab对手腕和手指的相关尺寸进行了优化计算。将捏拿机械手手指、手腕、手臂、不完全齿轮等部件依次建模,先装配出完整的单只捏拿机械手,再进行总装成完整的颈肩按摩器。根据性能要求,采用ANSYS软件对按摩机械手的硬指、手臂、支座等关键部件进行了静力学分析,检验其强度和刚度。最后,通过Creo建立的三维模型导入到ADAMS软件中,专门研究并建立了捏拿机械手钢丝绳牵引,用ADAMS模拟出捏拿机械手的真实工作状态,建立了按摩机械手运动仿真模型。运动仿真结果表明,设计的捏拿式机械手的工作原理及其相关选型、主要尺寸参数符合要求。