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中医推拿机构选型与运动模拟

文档名称:中医推拿机构选型与运动模拟
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文档名称:中医推拿机构选型与运动模拟
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上传者:zhaiweilin
添加时间:2017/06/17
内容摘要:
专题
中医推拿机构选型与运动模拟
口刘文玉口李维
上海大学机电工程与自动化学院上海200072
摘要:从开发中医推拿的实用要出发,分析典型推拿送动轨并建立初步的数学模型。选用三组由转動副、移
动制、球面制组成的并联机构(3-RFS)完成推拿动作,研究人体与推拿机的相对位置,提出一种采用仰坐姿态的度椅式推
拿构。送用 Solid Works软件的送动算例模块进行推拿机“樣”手法的动态仿真,仿兵结果表明,该方案简単可行,能够
究成常用推拿动作。
关键词:中医推拿3-RPS井联机构仿真
中图分类号:TH112:TP241.3
文标识码:A
文章编号:10004998(201104-0022-03
推拿是祖国医学的组成部分,有治疗疾病和消除捏、点、拍等多种手法作用于患者的肌肤表面,硫通经
疲劳等明显功效。目前推拿大多由人工完成,对推拿络、推行气血。作适当简化后,这些手法大都可以分
师的医术和体力要求很高。由计算机程序控制的自动解为几种基本运动形式的组合。以“採”手法为例,
装置可以很好地解决这个问题。推拿机研究从运动学以推拿师手掌和病患皮肤的接触面为基准平面建立
和动力学角度描述手法动作,提取完整的、可以精确坐标系,可以将该手法分解为沿Z轴方向的往复运动
再现的数学模型,然后通过机电装置完成力度和技巧和在XOy平面内的圆周运动(图1),得到推拿师掌心
性都很强的动作,满足人们日益增长的保健需求。
点运动轨迹与时间的函数为:
对中医推拿机的研究已持续多年2。目前需要
X=rcos(wt
合理平衡功能完备性和实际可行性。鉴于多自由度并
rsin(at
(1)
联机构不适合产生高速往复运动,本文将推拿装置分
Z=A cos(kt)
解为两部分;接触皮肤的电磁振动推拿头和移动推拿式中:r为XOY平面内圆周运动的半径;o为圆周运
头的3-RPS并联机构。电磁振动推拿头单独对人体皮动角速度:t为时间:A为Z轴往复运动振幅:k为与推
肤实施振动按摩,而3-RPS并联机构仅仅驱动推拿头拿手法特征和振动频率相关的参数或数学表达式。
沿规定的空间轨迹移动。本文还研究人体与推拿机的
同理,“推”手法可分解为Z方向直线运动和
相对位置,选择“仰坐”作为人体接受推拿的姿态,设XOY平面直线运动的复合;“滚”手法可分解为XOyY
计出以铝合金型材为结构件的推拿机架。最后用计算平面内绕Z轴的旋转和直线运动的复合等。
机软件作了三维几何建模和图形仿真,分析该设计方
案在完成“採”手法时的性能表现。
2基于3-RPS机构的推拿机选型
1对推拿手法的数学描述
可实现推拿运动的机构有很多(串联机构、6-SPS
并联机构等)。从机构复杂性、控制可行性和结构稳
在医疗过程中,推拿师用推、拿、按、摩、滚、揉、定性作比较,可以发现申联机构易于控制但刚性不
够;六自由度并联机构稳定性好但控制复
杂。三自由度的3-RPS机构保留了并联机
构稳定性好的优点,同时结构和控制的复杂
性大为降低。
3-RPS机构(图1右)由静平台(机架)、
动平台和连接两平台的3个直线驱动分支
组成。直线驱动分支中有移动副P、转动副
R、球面副S,它通过球面副与静平台连接,
通过转动副与动平台连接。移动副是机构的
▲图1“揉”手法与3-RPS推拿机构
驱动副,机构中运动构件数为8,5级副的构
收稿日期:2010年11月
件有6个(3个转动副和3个移动副),3级
2011/4
机械制造4卷第56期N方
万方数据
副的构件有3个(3个球面副),由空间机构学中的公
式可计算出机构的自由度为3。该动平台有3个输入
构件3台步进电机,与机构自由度相等,所以是一
个静定机构。当一个移动副的长度发生变化时,动平台
运动可以视为绕其它两个球面副中心连线的定轴转
动,可以用简单的数学公式加以计算“5。这一点对
于简化3-RPS机构的运动控制是极其有利的。与其它
的多自由并联机构相比更为简便实用。
3-RPS机构属于少自由度机构,无法同时实现对
▲图3座椅式中医推拿机简图
空间点和方位的控制。本文将推拿头外表设计为球形
来弥补这一不足,该球心位于动平台中心。当动平台中拿手法,能直观反映推拿机工作状态,验证其静动态特
心到达指定点,动平台发生相应倾斜后,球形推拿头性,发现设计方案中不合理部分。本文使用
可以减少它对推拿运动的不利影响。
Solidworks软件对3-RPS推拿机构进行运动仿真。
3推拿机结构设计
要经历5个步骤:(1)建立各零件三维几何模型:(2)将
零件模型组装配成整机模型;(3)根据运动副类型,施
推拿机构与人体的相对位置是推拿机结构设计中加零件间约束:(4)在指定时间帧上设置位置方位变
的最重要问题。当推拿师对患者的腰背部进行推拿时,化:(5)生成模拟推拿机运动的动画文件。
可选用的姿态有:俯卧位、仰卧位和坐位(图2)。如果
Solidworks软件通过运动算例模块完成运动仿
采取卧位,推拿机会占据较大的空间;如果采取坐位,真,包括动画、基本运动和运动分析三个工具。生成动
又需要对人体上部进行固定
画的关键在于构建装配体并合理地分配装配关系以确
定机构自由度,通过设定“马达”来使整个机构产生运
动,从而模拟实际运动。本文设计的推拿机使用3组步
进电机驱动的螺杆一螺母运动副,通过电机螺杆的旋
转带动粱母沿轴向移动。在运动模拟中直接将螺母零
件设为直线驱动马达。该马达可以有多种驱动形式(等
速、距离、振荡、插值和表达式)。本文应用距离方式(在
设定基准面和运动方向后,输人基准面的位移数值)。
由于3-RPS机构属于少自由度机构,它不能同时
设定动平台中心点坐标值和动平台的方位角,因此无
法沿用常规的运动学逆解求算出驱动件的伸缩位移
▲图2推拿机构与人体的相对位置
本文提出一种基于 Solid Works仿真功能的逆向求解方
根据以上分析,从舒适性好、占地面积小、易维护法。以“揉”手法为例的具体步骤如下。
等多方面考虑,本文设计出一种座橋式推拿机,要求人
1)在推拿机 Solidworks装配体中做出“揉”手法
体采用介于坐和卧之间的仰坐姿态(如图3)。这种理想圆形轨迹,选取并标定若干点,作为推拿机上推拿
姿态适合于推拿装置使用,是人工推拿所不能实现头中心点要经过的目标位置点?
的。其优点为占据空间较小,又可以稳定患者上部分
2)令推拿头中心点依次与目标位置点重合,得到
肢体,且不会被東缚。仰坐姿态使人相对舒适随意,在推拿机装配体不同位姿特征。
接受推拿的同时可以从事阅读等日常活动,将治疗和
3)运用软件工具中的测量距离功能对推拿机构
休闲相结合,提高了对时间的使用效率。
3个驱动杆中转动副到球副的距离进行测量,得出杆
根据人机工程要求,确定了推拿机结构主要尺度,件伸缩距离数据。
运用 Solid Works软件进行机架和推拿装置中的零件建
4)用测得的数值依次设定各关健帧中的驱动件
模和组装。
杆长,完成仿真动画。
4基于 Solidworks的推拿手法运动模拟
本文选取6个等分点作为目标位置点(表1),所
得动画基本可以满足“揉”手法圆形轨
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