一种新型串联按摩机器人的设计与实现_周长伟
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机械臂各关节选用松下伺服电机，机械手选用 普通直流电机。伺服电机由运动控制器直接驱动， 普通直流电机由PIC单片机控制，通过Can总线与运 动控制通信。此外，每轴两端接有正负限位开关， 机械手各部装有力传感器。运动控制系统结构图如 上页图3所示。
Trio464接收上位机发送的运动命令并解析，共 包括X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-和停止七个命令， 通过发送相应的脉冲数控制机械臂到达坐标空间中 任意位置，完成对病人的穴位采集。医生根据病人 病情和穴位情况，在上位机中选取合适的按摩手 法，制定相应的治疗方案，设定每种手法速度、力 度、运行时间等参数。之后，运动控制器接收上位 机发送的目标点坐标，同当前坐标进行对比，通过 上述算法规划出各轴运动轨迹，利用Trio自带的运 动命令，控制机械臂平稳连续的移动到目标点，完 成规定的按摩手法。此外该按摩机器人还提供急停 触发保护、受力过大保护、驱动器过载保护、限位 触发保护等安全措施。
以太网
Trio
伺服电机驱 动器
PC
电源
伺服电机
图3 运动控制系统结构图
这样就可以得到关于末端坐标系相对于基座坐标 系的变换方程。
2.2 运动学逆解 求解以上运动学方程有一种代数法：将运动学方
程的两端依次左乘个A矩阵的逆矩阵，并使两端相等 矩阵的对应元素相等，即可求得各关节变量。求解5 个关节变量的方程组如下：
连杆 i
1 2 3 4 5
表1 D-H坐标参数
θi
di ai αi
0
d1 0 -90
0
θ3
d2
0
0
a3
90 90
θ4 θ5
0 0
a4 0
0 -90
图1 串联按摩机器人单臂机械结构
本文由国家“863计划”项目资助（课题编号：2008AA040206）
36 《机器人技术与应用》双月刊 第 6 期
z2 d2
1
2
0.92 0.87
3
4
5
0.99 0.85 0.94
响应时间 111 120 124 117 128 （ms）
表2给出了临床5次测量结果，结果表明该按摩 机器人能够实现穴位查找精度达到0.99mm，各关 节间的响应时间小于128ms，进一步说明了运动学 算法的正确性。
4 结束语
本文用Pro/E对按摩机器人进行结构设计和建 模，并运用运动学参数设计和分析，然后通过上位 机制定方案，Trio运动控制器配合相应的传感器实 现按摩手法运动轨迹规划。经过临床实验，验证了 该机器人运动学的正确性和方案的可行性。为进一 步研究按摩机器人轨迹规划的智能控制方法做好了 铺垫。
38 《机器人技术与应用》双月刊 第拿学[M].北京：人民卫生出版社，2006 [2] 马香峰.机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991 [3] 诸静.机器人与控制技术.杭州：浙江大学出版社，1991 [4] 谢涛.黄鸿.按摩机器人的结构设计及运动学仿真研究.现 在制造工程.2007-7 [5] 殷际英.何广平.关节型机器人[M].北京：化工工业
随着社会的发展和生活水平的提高中医按摩作为传统中医治疗的重要组成部分得到了很大的支持和发展因此人们研制了许多推拿按摩器械用机器取代人来完成中医按摩这项重复而繁重的体力劳动丰富扩大了保健和治疗的范围继承和发扬了中医按摩技巧使古老按摩术得到较大的推广
技术应用 Technique and Application
硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具 有良好的开关性、扩展性和可移植性。
1 串联按摩机器人结构
本文研究的串联按摩机器人单机械臂如图1所 示。这种串联按摩机器人主体是一种5轴联动的按摩 床，由5自由度串联机构组成。图2是根据5自由度按 摩机器人的单臂结构简图建立的D-H坐标后的示意 图，D-H参数如表1所示。
3.1 控制系统硬件配置
目前按摩机器人已经通过运动控制器实现了运动 学实验。将以上方程通过化简计数出最终解，关于θi 和di的表达式。按摩机器人通过运动控制器自带的函 数公式插补出按摩机器人末端的运动轨迹，配合机械 手完成按摩动作。
运动控制器采用的是英国翠欧运动技术公司 (Trio Motion Technology Ltd)开发的基于微处理技术 的高精密高功能数字运动控制器。本次设计使用的 是最新产品Trio464，以及P874、P879、P325和P316 四个扩展模块，共13路轴驱动输出口、32路数字I/ O口，10路模拟量输入口。选用其中11路轴驱动输 出，以脉冲方式驱动伺服电机。此款控制器是目前 世界上最快的运动控制器，采用64bits，400MHz最 新微处理技术，支持RS232 ,RS485、USB、Ethernet,
大量的临床实验数据验证了按摩机器人运行算 法的正确性，稳定性和安全性。按摩过程中各个关
节变化曲线平滑，且没有错位相碰现象，整个按摩 机器人关节间配合正常，很好地实现了中医推拿按 摩中的揉法、按法、滚法、振动、叩击等9种按摩手 法，临床结果分析，患者病情显效达到80%。
表2 临床实验结果
测量结果
定位精度 （mm）
2010年11月30日 《机器人技术与应用》 37
技术应用 Technique and Application
CANBus, SERCOS, Hostlink, Device Net, ModBus, Profi Bus等通讯功能，最多可控制64轴。
3.2 控制系统软件实现 Trio本身是可编程的，使用Trio BASIC，这是一
A1−1T50 = T51 A2−1 A1−1T50 = T52 A3−1 A2−1 A1−1T50 = T53 A4−1 A3−1 A2−1 A1−1T50 = T53
（7） （8） （9） （10）
该方程组为非线性方程组，计数量大，且存在 多解得情况。可选用数值解法进行迭代求解。
3 按摩机器人运动控制实现
一种新型串联按摩机器人的设计与实现
周长伟 宋胜捷 于豪光 王伟生 （山东康泰实业有限公司 技术中心 山东 招远 265400）
[ 摘 要：根据中医按摩手法的运动学特征设计按摩机器人的结构并建模，然后对其进行运动学分析得到 运动方程，利用运动控制器Trio计算出各轴的运动轨迹，完成按摩手法。最后通过临床实验验证按摩手法 的运动轨迹，经临床观察，机器人各关节的运动轨迹符合要求，验证了结构设计的合理性和方案的可行 性。 关键词：按摩机器人；运动学；轨迹规划；运动控制器；Trio
2 运动学分析
2.1 运动学正解 根据表1中的D-H参数可得机器人末端坐标系相
对于基座坐标系的变换，即机器人的运动学方程。
T50 = T10T21T32T43T54 = A1 A2 A3 A4 A5 （1）
式中
⎡1 0 0 0 ⎤
T10
=
A1
=
⎢⎢0 ⎢0
⎢⎣0
01 −1 0 00
0
⎥ ⎥
d1 1
⎥ ⎥ ⎦
x3
z4 θ4
θ3
x4
z3
a4
a3
θ5
z5
x5
x1
d1 x2
z1
图2 按摩机器人D-H坐标示意图
技术应用 Technique and Application
θ4、θ其5分中别a为35=个0.关45节m，的关a节4 =变0量.25。m， d1 、 d2 、θ3、
按摩机器人单臂主要由传统按摩床和串联机构两 部分组成，传统按摩床分为3个自由度，沿着水平方 向的水平运动机构x轴，沿着垂直方向的垂直运动机 构z轴，以及能够在水平面内旋转运动的R1轴。其中x 轴和z轴是由伺服电机驱动导轨丝杠实现运动，R1轴 是由伺服电机驱动机械臂做旋转运动。串联机构由两 个自由度组成，能随着R1轴在水平面内做旋转运动的 R2轴和在垂直面中做旋转运动的按摩装置R3轴。R2 轴和R3轴是由伺服电机驱动机械臂做旋转运动。
T43
=
A4
=
⎢⎢sin θθ44 ⎢0
cosθθ44 0
0 1
0
⎥ ⎥
0⎥
（5）
⎢⎣0 0
0
1
⎥ ⎦
T54
=
A5
=
⎡cosθθ55 ⎢⎢0
⎢sin ⎢⎣0
θθ55
− sinθ55 0 a4 0 −1 0 cosθθ55 0 0 0 01
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦
（6）
直流电机
限位开关
传感器
CAN 单片机
（2）
⎡1 0 0 0 ⎤
T21
=
A2
=
⎢⎢0 ⎢0
⎢⎣0
0 1 0
−10
⎥ ⎥
0 0
d2 1
⎥ ⎥ ⎦
（3）
⎡cosθθ33 − sinθθ43 0 0⎤
T32
= A3
= ⎢⎢sinθθ43 ⎢0
cosθθ33 0
0 0⎥⎥ 1 0⎥
⎢⎣0 0
0
1
⎥ ⎦
（4）
⎡cosθθ44 − sinθθ44 0 a3 ⎤
[
0 引言
随着社会的发展和生活水平的提高，中医按摩作 为传统中医治疗的重要组成部分，得到了很大的支持 和发展，因此人们研制了许多推拿按摩器械, 用机器 取代人来完成中医按摩这项重复而繁重的体力劳动， 丰富、扩大了保健和治疗的范围，继承和发扬了中医 按摩技巧，使古老按摩术得到较大的推广。
本文给出了一种新型的串联按摩机器人结构和运 动学分析，该结构兼具了并联机构和串联机构两者的 特点，既具有串联机构的灵活性，也具有并联机构刚 性好，精度高的特点。 最后本文介绍了基于Trio运动 控制器实现机器人控制系统，该控制系统采用开放式
种类BASIC的面向过程语言。在Windows平台下Trio 公司还提供了一个集成开发环境Motion Perfect 2， 该软件不仅可以对运动控制器编程、离线开发，还 能执行在线控制和监测等功能。TRIO运动控制器内 部的存储空间分为Table和Var两种。本系统以Table 为数据存储区，上位机可以向相应的Table里面写入 数据或者读取相应Table中的数据。
按摩机器人控制系统上位机程序采用C++基于 Visual 平台开发完成患者资料与穴位信息 存储，治疗方案制定，生理指标监控，按摩机器人 运行状态显示等功能。上位机和Trio464通过以太网 基于TCP/IP协议完成按摩手法参数下载和按摩机器 人运行状态参数上传显示。
Trio464通过以太网接收上位机命令，控制机械 臂各轴运动，通过Can总线完成对按摩机器手姿态的 控制，Can通信采用主从方式的问答机制，Trio464 设为主站，每只机器手控制主板为从站，主站发出 命令，从站给出响应，实现不同按摩手法。
Trio464接收上位机发送的运动命令并解析，共 包括X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-和停止七个命令， 通过发送相应的脉冲数控制机械臂到达坐标空间中 任意位置，完成对病人的穴位采集。医生根据病人 病情和穴位情况，在上位机中选取合适的按摩手 法，制定相应的治疗方案，设定每种手法速度、力 度、运行时间等参数。之后，运动控制器接收上位 机发送的目标点坐标，同当前坐标进行对比，通过 上述算法规划出各轴运动轨迹，利用Trio自带的运 动命令，控制机械臂平稳连续的移动到目标点，完 成规定的按摩手法。此外该按摩机器人还提供急停 触发保护、受力过大保护、驱动器过载保护、限位 触发保护等安全措施。
以太网
Trio
伺服电机驱 动器
PC
电源
伺服电机
图3 运动控制系统结构图
这样就可以得到关于末端坐标系相对于基座坐标 系的变换方程。
2.2 运动学逆解 求解以上运动学方程有一种代数法：将运动学方
程的两端依次左乘个A矩阵的逆矩阵，并使两端相等 矩阵的对应元素相等，即可求得各关节变量。求解5 个关节变量的方程组如下：
连杆 i
1 2 3 4 5
表1 D-H坐标参数
θi
di ai αi
0
d1 0 -90
0
θ3
d2
0
0
a3
90 90
θ4 θ5
0 0
a4 0
0 -90
图1 串联按摩机器人单臂机械结构
本文由国家“863计划”项目资助（课题编号：2008AA040206）
36 《机器人技术与应用》双月刊 第 6 期
z2 d2
1
2
0.92 0.87
3
4
5
0.99 0.85 0.94
响应时间 111 120 124 117 128 （ms）
表2给出了临床5次测量结果，结果表明该按摩 机器人能够实现穴位查找精度达到0.99mm，各关 节间的响应时间小于128ms，进一步说明了运动学 算法的正确性。
4 结束语
本文用Pro/E对按摩机器人进行结构设计和建 模，并运用运动学参数设计和分析，然后通过上位 机制定方案，Trio运动控制器配合相应的传感器实 现按摩手法运动轨迹规划。经过临床实验，验证了 该机器人运动学的正确性和方案的可行性。为进一 步研究按摩机器人轨迹规划的智能控制方法做好了 铺垫。
38 《机器人技术与应用》双月刊 第拿学[M].北京：人民卫生出版社，2006 [2] 马香峰.机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991 [3] 诸静.机器人与控制技术.杭州：浙江大学出版社，1991 [4] 谢涛.黄鸿.按摩机器人的结构设计及运动学仿真研究.现 在制造工程.2007-7 [5] 殷际英.何广平.关节型机器人[M].北京：化工工业
随着社会的发展和生活水平的提高中医按摩作为传统中医治疗的重要组成部分得到了很大的支持和发展因此人们研制了许多推拿按摩器械用机器取代人来完成中医按摩这项重复而繁重的体力劳动丰富扩大了保健和治疗的范围继承和发扬了中医按摩技巧使古老按摩术得到较大的推广
技术应用 Technique and Application
硬件、软件结构，可以根据需要方便地扩展功能，具 有良好的开关性、扩展性和可移植性。
1 串联按摩机器人结构
本文研究的串联按摩机器人单机械臂如图1所 示。这种串联按摩机器人主体是一种5轴联动的按摩 床，由5自由度串联机构组成。图2是根据5自由度按 摩机器人的单臂结构简图建立的D-H坐标后的示意 图，D-H参数如表1所示。
3.1 控制系统硬件配置
目前按摩机器人已经通过运动控制器实现了运动 学实验。将以上方程通过化简计数出最终解，关于θi 和di的表达式。按摩机器人通过运动控制器自带的函 数公式插补出按摩机器人末端的运动轨迹，配合机械 手完成按摩动作。
运动控制器采用的是英国翠欧运动技术公司 (Trio Motion Technology Ltd)开发的基于微处理技术 的高精密高功能数字运动控制器。本次设计使用的 是最新产品Trio464，以及P874、P879、P325和P316 四个扩展模块，共13路轴驱动输出口、32路数字I/ O口，10路模拟量输入口。选用其中11路轴驱动输 出，以脉冲方式驱动伺服电机。此款控制器是目前 世界上最快的运动控制器，采用64bits，400MHz最 新微处理技术，支持RS232 ,RS485、USB、Ethernet,
大量的临床实验数据验证了按摩机器人运行算 法的正确性，稳定性和安全性。按摩过程中各个关
节变化曲线平滑，且没有错位相碰现象，整个按摩 机器人关节间配合正常，很好地实现了中医推拿按 摩中的揉法、按法、滚法、振动、叩击等9种按摩手 法，临床结果分析，患者病情显效达到80%。
表2 临床实验结果
测量结果
定位精度 （mm）
2010年11月30日 《机器人技术与应用》 37
技术应用 Technique and Application
CANBus, SERCOS, Hostlink, Device Net, ModBus, Profi Bus等通讯功能，最多可控制64轴。
3.2 控制系统软件实现 Trio本身是可编程的，使用Trio BASIC，这是一
A1−1T50 = T51 A2−1 A1−1T50 = T52 A3−1 A2−1 A1−1T50 = T53 A4−1 A3−1 A2−1 A1−1T50 = T53
（7） （8） （9） （10）
该方程组为非线性方程组，计数量大，且存在 多解得情况。可选用数值解法进行迭代求解。
3 按摩机器人运动控制实现
一种新型串联按摩机器人的设计与实现
周长伟 宋胜捷 于豪光 王伟生 （山东康泰实业有限公司 技术中心 山东 招远 265400）
[ 摘 要：根据中医按摩手法的运动学特征设计按摩机器人的结构并建模，然后对其进行运动学分析得到 运动方程，利用运动控制器Trio计算出各轴的运动轨迹，完成按摩手法。最后通过临床实验验证按摩手法 的运动轨迹，经临床观察，机器人各关节的运动轨迹符合要求，验证了结构设计的合理性和方案的可行 性。 关键词：按摩机器人；运动学；轨迹规划；运动控制器；Trio
2 运动学分析
2.1 运动学正解 根据表1中的D-H参数可得机器人末端坐标系相
对于基座坐标系的变换，即机器人的运动学方程。
T50 = T10T21T32T43T54 = A1 A2 A3 A4 A5 （1）
式中
⎡1 0 0 0 ⎤
T10
=
A1
=
⎢⎢0 ⎢0
⎢⎣0
01 −1 0 00
0
⎥ ⎥
d1 1
⎥ ⎥ ⎦
x3
z4 θ4
θ3
x4
z3
a4
a3
θ5
z5
x5
x1
d1 x2
z1
图2 按摩机器人D-H坐标示意图
技术应用 Technique and Application
θ4、θ其5分中别a为35=个0.关45节m，的关a节4 =变0量.25。m， d1 、 d2 、θ3、
按摩机器人单臂主要由传统按摩床和串联机构两 部分组成，传统按摩床分为3个自由度，沿着水平方 向的水平运动机构x轴，沿着垂直方向的垂直运动机 构z轴，以及能够在水平面内旋转运动的R1轴。其中x 轴和z轴是由伺服电机驱动导轨丝杠实现运动，R1轴 是由伺服电机驱动机械臂做旋转运动。串联机构由两 个自由度组成，能随着R1轴在水平面内做旋转运动的 R2轴和在垂直面中做旋转运动的按摩装置R3轴。R2 轴和R3轴是由伺服电机驱动机械臂做旋转运动。
T43
=
A4
=
⎢⎢sin θθ44 ⎢0
cosθθ44 0
0 1
0
⎥ ⎥
0⎥
（5）
⎢⎣0 0
0
1
⎥ ⎦
T54
=
A5
=
⎡cosθθ55 ⎢⎢0
⎢sin ⎢⎣0
θθ55
− sinθ55 0 a4 0 −1 0 cosθθ55 0 0 0 01
⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦
（6）
直流电机
限位开关
传感器
CAN 单片机
（2）
⎡1 0 0 0 ⎤
T21
=
A2
=
⎢⎢0 ⎢0
⎢⎣0
0 1 0
−10
⎥ ⎥
0 0
d2 1
⎥ ⎥ ⎦
（3）
⎡cosθθ33 − sinθθ43 0 0⎤
T32
= A3
= ⎢⎢sinθθ43 ⎢0
cosθθ33 0
0 0⎥⎥ 1 0⎥
⎢⎣0 0
0
1
⎥ ⎦
（4）
⎡cosθθ44 − sinθθ44 0 a3 ⎤
[
0 引言
随着社会的发展和生活水平的提高，中医按摩作 为传统中医治疗的重要组成部分，得到了很大的支持 和发展，因此人们研制了许多推拿按摩器械, 用机器 取代人来完成中医按摩这项重复而繁重的体力劳动， 丰富、扩大了保健和治疗的范围，继承和发扬了中医 按摩技巧，使古老按摩术得到较大的推广。
本文给出了一种新型的串联按摩机器人结构和运 动学分析，该结构兼具了并联机构和串联机构两者的 特点，既具有串联机构的灵活性，也具有并联机构刚 性好，精度高的特点。 最后本文介绍了基于Trio运动 控制器实现机器人控制系统，该控制系统采用开放式
种类BASIC的面向过程语言。在Windows平台下Trio 公司还提供了一个集成开发环境Motion Perfect 2， 该软件不仅可以对运动控制器编程、离线开发，还 能执行在线控制和监测等功能。TRIO运动控制器内 部的存储空间分为Table和Var两种。本系统以Table 为数据存储区，上位机可以向相应的Table里面写入 数据或者读取相应Table中的数据。
按摩机器人控制系统上位机程序采用C++基于 Visual 平台开发完成患者资料与穴位信息 存储，治疗方案制定，生理指标监控，按摩机器人 运行状态显示等功能。上位机和Trio464通过以太网 基于TCP/IP协议完成按摩手法参数下载和按摩机器 人运行状态参数上传显示。
Trio464通过以太网接收上位机命令，控制机械 臂各轴运动，通过Can总线完成对按摩机器手姿态的 控制，Can通信采用主从方式的问答机制，Trio464 设为主站，每只机器手控制主板为从站，主站发出 命令，从站给出响应，实现不同按摩手法。