仿人按摩机器人手臂结构设计及改进_王占礼

机所要传递的扭矩会很大，同时增加了电机的功率，而且在手臂
传动的稳定性上不易保证。经过计算和重新设计，确认把驱动手
臂运动的电机安放到大臂末端的壳体上更加合理。肩部大负载关
节由一个正齿齿轮箱和一个谐波齿轮箱组成，以保证能够传动大
扭矩并保证运转速度。计算结果如下：
如图 2（a）所示，初步设计时手臂整体长度为 910mm，手臂
=0.0064mm
由计算结果可知手臂选用铝合金 6061 材料作为壳体材料其
通过与改进前的大臂对比可知：手臂的整体尺寸缩短了 挠度值很小，这样即保证了小臂的刚度和强度，又减轻了小臂的质
108mm，手臂的强度和刚度得到了加强，传动的稳定性得到了保 量，有助于手臂的控制。考虑到小臂和大臂连接处（即肘部）所要承
（c）俯仰支架截面
图 3 小臂载荷、挠度曲线及壳体截面
改进后肘部旋转壳体挠度计算：已知重力 P=250N，长度 L=
589mm，弹性模量 E 铝=70GPa，壳体外直径 D=100mm，内直径 d=
80mm。Ix
=Iy
=0.0491
!D4
4
-d
"
（2）
式中：Ix 、Iy —惯性矩（mm4）；D—外径（mm）；d—内径（mm）。
No.7
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机械设计与制造
Jul.2011
受的力较大，在最初设计的时候在连接处增加了一对深沟球轴承，
让深沟球轴承能够分担一部分力，但是考虑到当大臂带动小臂一起
运动的时候，在肘部位置会出现震动，而且也保证不了小臂部分的
位置精度。经过改进，在肘部位置再增加一对深沟球轴承，这样两对
轴承即能承受径向力，也能承受部分轴向力，解决了手臂的震颤问 题，提高了稳定性。改进前、后肘部结构图，如图 4 所示。
但是，基于中医理论指导下针对不同的患者找到相对应的
2.2.1 传动方式的选择
机械传动方式分为带传动、链传动、齿轮传动、涡轮蜗杆传 动。带传动中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平 稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安
穴位，施加精确的按摩力，保证按摩效果的仿人按摩机器人的研 装要求不高，但传动比不能保持恒定，外廓尺寸大；链传动中心距
（a）改进前肩部结构图
（b）改进后肩部结构图
图 2 改进前、后肩部结构设计
3.2 小臂及肘部结构设计及改进
小臂部位的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
小臂的俯仰采用齿轮传动，从小臂受力情况来看，它们在工作中直
接承受腕部和手的静、动载荷，并且自身运动较多，要实现 1 个旋转
自由度和 1 个回转自由度，所以结构比较复杂，对材料要求较高。由
第7期
王占礼等：仿人按摩机器人手臂结构设计及改进
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传动比恒定，传动平稳，无噪音，可做成自锁机构。但效率低，传递 功率不宜过大；齿轮传动外廓尺寸小，效率高，传动比恒定，圆周 速度及功率范围广，应用范围最广，制造和安装精度要求较高。
证；电机传动的力矩减小了75N/m，保证了电机的运转，提高了电 机的使用寿命；减轻了重量，降低了成本。肩部结构设计与改进， 如图 2 所示。
惯性矩通过挠度计算选用航空铝 6061 完全可以满足手臂壳体支
撑的强度和刚度要求。载荷挠度曲线与壳体截面图，如图 3 所示。
冲数，在停转时具有最大的转矩，并且具有优秀的启停和反转响 应，但如果控制不当容易产生共振，且难以运转较高的转速；直流 伺服电动机调速性能优越，易平滑调速，且过载能力强，热动和制 动转矩较大。由于仿人的按摩机器人手臂，对位置精度要求高且 负载力矩较大，所以手臂关节部位动作均选用无刷直流伺服电动
Ix
=Iy
=0.0491
!D4
4
-d
"=0.0491（1004-804）=2898864mm4
3
f= PL 3EI
（3）
式 中 ：f—挠 度（mm）；P—压 力（N）；L—长 度（mm）；E—弹 性 模 量
3
3
（GPa）。f=
PL 3EI
=
250×589
3
3×70×10 ×2898864
=0.084mm
日本的大学机构研究了针对面部按摩的机器人手臂系统[3]， 还有的提出了带有力传感器的四指按摩手[4]；韩国的大学研究了
2.1 手臂工作机理
仿人按摩机器人手臂要完成 5 自由度的动作要求，分别是 大臂完成 1 个旋转自由度，小臂完成 1 个旋转自由度和 1 个回转 自由度，腕部完成 1 个旋转自由度和 1 个回转自由度；按摩力量 大于 5kg；按摩机器人手臂的定位精度小于 2mm；按摩力量的误 差小于 10%；机器人手臂按摩空间大于（1000×400×300）mm。五 个自由度分配如下：大臂：1 个水平旋转自由度，旋转 65°。小臂：1 个旋转自由度，旋转 180°；1 个回转自由度，完成回转（±90）°。手 腕：1 个旋转自由度，完成旋转（±90）°；1 个回转自由度，完成回转
3.1 大臂及肩部结构设计及改进
大臂以及肩部是直接连接、支撑和传动手臂的部件。通过串
联结构把肘部、小臂和腕关节串联在一起。因为大臂所要承受的
力矩较大，所以初步设计时，肩部的电机安放在大臂外侧，这样设
计是为了满足结构方面的要求，设计后发现存在很多的缺点：首
先，总体的长度较长，手臂的强度和刚度要求不好保证；其次，电
关键词：机器人；仿人；手臂；中医；按摩；结构设计 【Abstract】Based on the theory of traditional Chinese massage，humanoid massage robot arm is de－ signed because of its high positioning precision，accurate and controlled massage strength as well as motion accurate repeatability and no fatigue occurrence to construct a Chinese massage robot platform.The robot arm is the key of humanoid massage robot.The key segments such as big arm，shoulder joint，elbow joint, forearm and wrist were designed and improved based on in-depth study of the working mechanism of robot， with consideration of the arm’s requirements in material，structure，stiffness and flexibility，stability，securi－ ty，personification.After comparative analysis of performance for robot，it is verified that the designing of humanoid robot arm massage could meet the design requirements. Key words：Robot；Humanoid；Arm；Traditional chinese medicine；Structure design；Massage
（b）改进后整体结构图 图 6 改进前、后整体结构图
5 结论
设计了仿人按摩机器人手臂，并分别对大臂、肩关节、小臂、
肘关节、腕部等部位进行了设计和改进。仿人按摩机器人由肩关
肘部
肘部
节完成大臂的摆动要求，由肘关节完成小臂的摆动要求，小臂及
（a）改进前肘部结构图
（b）改进后肘部结构图
图 4 改进前、后肘部结构图
中图分类号：TH12，TP242.6 文献标识码：A
1 引言
2 仿人按摩机器人手臂的工作机理及总
我国已进入老龄化社会，现在我国的老年人口已达到 1.32
体设计
亿，并以年均 3.30%的速度持续增长，不断增加的老年人口对医 疗和保健有着巨大的需求，成为我国面对的重大社会服务问题[1]。 服务机器人的出现可以有效的缓解医务人员不足的现状，提高老 年人和残疾人的生活质量，为我国社会的稳定发展起到积极作 用。按摩机器人的技术发展非常迅速，日本、韩国、美国等国家在 按摩机器人领域的研究比较突出，日本的电机公司率先实现了按 摩手法中“捏”的动作[2]。
俯仰支架挠度计算：已知：P=250N，L=403mm，D=140mm，d=
108mm，E 铝 =70GPa。计算得出惯性矩。
Ix
=Iy
=0.0491
!D4
4
-d
"=0.0491（1404-1084）=121825.206mm4
3
f= PL 3EI
=
250×4033 3×70×103×1218255.206
P A
f
B L
（a）载荷、挠度曲线
机驱动，同时安装与之相匹配的减速器和编码器。
准100
准140
在综合考虑仿人按摩机器人手臂的结构形式和传动方式后，
选用航空铝 6061 作为外部壳体支撑部件的材料，通过比较最终选
择 45# 钢作为齿轮材料，其它内部零件的材料也选择 45# 钢。
准80
准108
3 按摩机器人手臂结构设计及改进
WANG Zhan-li，PANG Zai-xiang，ZHANG Bang-cheng （Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）
【摘 要】仿人按摩机器人手臂是以传统中医按摩理论为基础，结合机器人定位精度高，按摩力量 精确可控，动作可准确重复，不会产生疲劳等特点，构建了中医按摩机器人平台。机器人手臂是仿人按 摩机器人的关键，在深入研究按摩机器人手臂的工作机理基础上，充分考虑手臂的材料、结构和刚度以 及手臂反应的灵活性、稳定性、安全性、拟人化等要求，对大臂、肩关节、肘关节、小臂、手腕等关键环节 进行了设计及改进。经过性能对比分析，设计的仿人按摩机器人手臂达到设计要求。