国内推拿机器人研究进展

李银倩 吕杰 曹金凤 张延海 郑木松 徐军 周楠 吕强

(1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海健康医学院医疗器械学院，上海 201318；3.上海大学期刊社，上海 200444；4.上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院，上海 200437)

推拿是以经络学说为理论基础，在中医理论指导下，以推、拿、按、捏、提等手法结合器械辅助，作用于机体局部经络、穴位，以改善机体状况的一种按摩方法[1,2]。推拿针对颈、肩、腰、腿部病症，涉及各种人群，患者治疗需求巨大。随着人口老龄化问题日趋严峻，老年患者急剧增加[3,4]；大量长时间保持坐姿工作的年轻人，容易产生疲劳过度，青年患者也日趋增多[5]。而从事推拿这样重体力劳动、高负荷、要求知识与技能高度配合的专业中医推拿师数量严重不足，专业医师资源缺乏成为亟待解决的难题。

在科学技术迅猛发展的今天，将中医推拿按摩技术与现代科学技术相结合，催生出代替专业技师为患者按摩治疗的推拿按摩机器人将有效解决上述问题。推拿机器人是以软组织为作用对象，为满足现代社会对中医按摩的临床需求所研制的一种融合机器人技术、计算机技术、现代康复医学及人工智能技术等领域的服务型机器人[6,7]，其按摩手法更加规范，力度、位置精准，治疗效果更稳定，辅助或代替传统推拿按摩技师的繁重工作，使医生得以专注于推拿手法的创新及优化，极大提高就诊效率。推拿按摩机器人无疑成为行业的研究热点。目前，市场上存在许多按摩设备，但多为功能单一、智能水平低下，达不到预期治疗效果，尚不能投入临床治疗。国内对于机器人在中医按摩推拿领域还处在初级研究阶段，尚有很多问题需要解决，对中医按摩机器人开展进一步研究具有深远意义。现对国内推拿机器人研究取得的成果进行综述，总结前人经验与不足，对推拿机器人现有问题及发展趋势进行分析，旨在为推拿机器人的研究提供帮助。

1 研究进展

早在唐代，推拿按摩在治疗疾病方面就得到了广泛应用。当今，推拿按摩技术理论体系在经络理论基础上，结合现代科学技术及现代医学理论使其本身不断完善，面向全球，并与当代社会发展趋势相统一[8]。推拿按摩机器人已然成为医疗保健机器人领域的研究热点，国内外计算机技术、动力学、材料学、机器人等领域的蓬勃发展极大推动了推拿按摩机器人发展。

1.1 早年研究状况

我国按摩机器人研究起步较晚。北京理工大学、江苏大学[9,10]等对此类机器人进行研究，但在该领域的研究大多集中在理论研究和计算机仿真阶段。

我国科研工作者在手法建模及机构实现方面开展了大量的研究。2004年，集美大学、江苏大学、山东理工大学[11]合作研制出一种可沿X、Y、Z轴平移和按X、Z轴转动的5个自由度并联机器人模型。同年，余顺年[12]等人在推拿手法动力学和动力学特征的基础上提出一种基于3个自由度的并联机构串并联中医推拿机器人机型，江苏大学机械工程学院智能机械及机器人研究所的马履中[13]等人提出一种串并混联推拿机器人，该机器人添加了滚法推拿头机构，以并联机构实现三维移动、推拿头实现一维转动来完成滚法手法。通过ADAMS仿真分析，运用推拿头后推杆速度及加速度大大减小，可降低对推杆性能要求，改使用一般杆，实际生产中即可大大降低成本。2006年江苏大学机械工程学院联合集美大学[14]，基于中医推拿按摩手法的运动学和动力学特征对其进行建模分析，得到可完成这些手法的运动学输出特性及运动方向，提出混合型并联机器人，使其具有强解耦性等优势。

仿人按摩推拿机器人相关研究的关键是按摩手臂的研究设计。山东建筑大学[15]就中医推拿按摩机器人展开研究，研制出按摩机器人样机，高焕兵等人利用传感器信息融合、人机交互、三维仿真等技术实现按摩手法建模，提出串并联融合的机器人构型，研制出集多动作一体化、可实现始终基本按摩手法的按摩手，通过视觉系统判定穴位位置，实时反馈患者生理信号以及时调整按摩方案，保障病患安全。该机器人配有两个末端装有多动作一体化机械按摩手的机械手臂，实现捏拿、拍打、指揉、振动、掌推、滚压、指按、叩击、掌揉、掌按10种典型中医按摩手法。该机器人已经临床试验证明能有效治疗腰间盘突出病症，其局限性主要在于成本高昂、较难实现产业化、工作效率低、机械臂不够灵活。今后应利用视觉系统示教提高工作效率，提高机械臂自由度使按摩手更加灵活。为提高其实用性，2010年山东建筑大学对该中医按摩机器人进行了外观及结构方面的改进，得到了配有单机机械臂的样机。

2011年，长春工业大学王占礼[16]等人基于机器手臂的工作原理，设计了一种以航空铝6061材料为壳体材料、装有5台直流伺服电动机的按摩机器手臂，提供足够的刚度和强度，实现大臂俯仰、小臂俯仰及旋转和腕部俯仰及旋转的5个自由度动作。该机器手臂肩带动大臂，肘带动小臂，小臂与手腕形成统一整体连接到手部，完成预定按摩动作。同年，江苏大学智能机械与机器人研究所谢俊[17]等人基于对机械臂的研究后发现，并联机构能很好地完成中医推拿按摩手法，但由于其工作空间有限，在实际应用中不能适应不同体型的病患。因此，谢俊等人提出一种串联机械臂与并联末端机构执行机构相互配合实现推拿按摩手法的设计。其中，串联机械臂实现姿态、位置的提供，并联末端机构执行，以实现推拿按摩手法。该设计结合串、并联的优势，保证机构的刚度、精确度及工作空间。

台湾国立大学Ren C.Luo[18]等人设计了一种按摩机械手，该机械手300mm长、285mm宽，共有四个手指，每个手指两个关节，共8个自由度。工作时抓住人体肩部进行按摩，通过人体肌电信号经传感器传导后分析患者受力情况，系统反馈受力情况以控制输出，确保安全。

山东建筑大学曹端江[19]等人于2013年利用平面几何法对按摩机器人双臂协调推拿过程进行了避碰规划，设计了一套双臂协调运动控制策略，可有效实现双臂运动时反向推掌避碰。次年，江苏大学尹小琴等人以单开链支路为单元，改进一维移动和一维转动的2个自由度并联机构，通过引入运动副消极自由度而降低装配误差敏感性，研究表明，可通过提高零件的加工精度，选取合适的驱动源，采用反馈式的闭环伺服控制系统提高输出精度[20]。

1.2 近五年研究进展

1.2.1 系统功能

（1）专家控制系统。该系统是推拿按摩机器人系统功能的组成部分。山东建筑大学刘玲云[21]等人提出了一种基于产生式规则的中医按摩机器人实时专家控制系统。该系统根据患者信息，推理决策出患者治疗方案，同时依据传感器反馈的患者信息及上位机指令实时控制。控制系统将治疗方案以控制命令的方式通过TCP/IP协议发送到多轴运动控制器；解析得到穴位坐标以及相应的按摩手法等信息后驱动机械臂各轴运动到坐标位置，调整机械手到相应的按摩姿态后，开始执行按摩手法。同时生理指标模块实时获取患者的血压、脉搏等生理参数，上传至控制系统，若参数异常则终止按摩过程。未来可通过提高专家系统的知识库容量及优化推理机制设计提高系统性能。

（2）人体穴位定位。精确穴位定位是推拿按摩机器人对病患治疗的重要基础，早在2004年黄国锐等人就提出通过神经系统感知环境信息实现基于内分泌调节机制的机器人的决策。2017年，山东建筑大学机器人技术与智能系统研究院的张秋云等人利用遗传算法对BP神经网络进行了优化和改进，经过确定BP神经网络结构、遗传算法优化出最佳权值和阈值、BP神经网络训练与预测流程，使得穴位坐标找寻更加精确。合理弥补常规BP神经网络的梯度下降法存在精度低、学习时间长、网络结构不易确定、不具备全局搜索能力、不能保证收敛到最小值的缺陷[22]。

（3）路径规划问题。西北工业大学机电学院王文东等人提出一种可在背部爬行的新型轮式按摩机器人及其采用的有效提高覆盖率的改进往返式路径规划算法。基本往返式路径规划下机器人沿X轴方向覆盖，遇到障碍物和断崖则判断Y轴方向是否可以移动。若可以，则在此方向上移动一个车距后按反方向进行新的覆盖；若不可以，则采取退回操作。王文东等人提出的改进往返式路径规划算法下，红外测距传感器和碰撞传感器在机器人工作过程中判断前方路径是否有障碍或背部边缘。若有，则右转退回，同时将最近未覆盖区域作为下一工作区域。覆盖率为规划路径算法是否有效的可靠指标，王文东等人通过仿真实验得出基本往返式路径规划方法和改进的往返式路径规划方法的覆盖率分别为35.27%和60.27%。由此可知，改进后算法覆盖率大大增加，改进后的路径规划方法有效性更好[23]。

（4）控制系统优化。初光勇[24]等人结合PLC控制技术、传感器技术、人机界面交互技术等提出一种基于PLC的中医按摩机器人步进电机控制系统，PLC控制器控制步进电机工作，通过步进电机控制器实现精确控制。其中，系统通过PLC产生的高低电平信号进行方向的控制，实现电机的正反转。设定脉冲量实现速度的控制，通过X、Y、Z三轴的限位传感器进行限位。

1.2.2 机构设计及优化

山东建筑大学李云龙等人用拿捏机构拇指和四指运动轨迹的5个点的坐标对拿捏机构进行优化，运用复合形法编写程序，最终得复合形顶点数k＝24、终止迭代精度ε＝0.000001时得最佳优化结果。该研究成果有助于正确选择按摩机器人捏拿机构的最佳结构尺寸，其优化设计完全满足中医按摩拿捏手法[25]。为提高按摩机器人按摩效果，西北工业大学王文东[26]等人基于电磁感应原理及中医按摩手法于2016年设计了一款便携移动电磁式叩击按摩头，通过研究确定线圈电流、动铁芯至轭铁距离及线圈匝数三个对动铁芯电磁力最重要的影响因素优化按摩头结构，调节线圈电流以控制按摩力度。

安徽工业大学机械工程学院于2017年基于人体颈肩部位按摩手法和穴位进行了颈肩部按摩机械手的机构设计，设计了4个手指部件具有2个活动关节（即2个自由度），腕部件装有1个回旋装置（即1个自由度）以旋转调节位置的机械手，共3个自由度。为方便控制，降低成本使生产成为可能，该机械手采用以气体为介质传递动力的气缸驱动，通过驱动气缸的收缩实现指间关节的运动。通过常用的Solidworks软件及插件Motion建立三维模型并进行运动学仿真，实现指尖运动范围角为28°的运动仿真，证明此机械手合理性[27]。

周润生[28]等人设计出一款4个手指分别有指掌及指指两个关节的4个自由度灵巧手，为保证运动过程中的连续性和周期性，避免频繁换向使得电机寿命下降，该灵巧手采用曲柄摇杆机构驱动指指关节。该灵巧手相对于前人设计的无自由度刚性推拿头而言可实现点法、推法、掌法、捏法、指柔等主流手法，拓展推拿机器人按摩手法，同时提高推拿机器人自动化程度。安徽工业大学赵维超[29]等人于2018年设计出一款6个自由度机械手的人体颈肩按摩机器人，该机器人配有单手式机械手，电机驱动方式实现手臂转动及移动，气压驱动方式实现手臂及手指运动，万向轮调节机械手整体运动，实现震动、指柔、指按、指捏按摩动作。为方便移动该机器人装有万向轮，但由于是单手臂机器人，按摩效率势必受到影响。2020年郑小石[30]等人设计出一款能完成按压法、掌磨法、指捏法及敲击法按摩手法，同时还能实现3个自由度单自由度或多自由度复合运动的颈肩按摩机械手，以实现不同按摩手法的组合，达到更好按摩目的。

黄秀琴[31]等人对具有空间三平移自由度的3-RPC并联机器人进行了三维实体建模与虚拟装配，通过参考点运动轨迹测得驱动杆加速度曲线平滑，加速度无突变意味着无振动及冲击，有利于实时控制。实现按摩机器人仿真过程动画显示，验证按摩机器人机构设计的可行性，为今后研究中医按摩机器人的研究者提供参考。

2019年陈俊[32]等人设计了一款基于坐位调膝法生物力学特性的针对膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis,KOA)推拿治疗的仿生按摩机器人。该研究使用相对极差法评估推拿机器人稳定性，结果显示推拿力度和按摩行程的相对误差分别为11.10%和9.80%；采用线性度评价推拿机器人对医生手法的重现度，结果显示在推按、保持、放松三个阶段机器人与医生推拿力度的相对误差分别为10.90%、8.30%、12.90%；按摩行程的相对误差为5.25%、5.01%、19.22%。机器人虽然在放松阶段偏差较大，但在推按阶段和保持阶段较好地还原了专业按摩师力度，随着推拿机器人进一步发展，仿生机器人代替医疗技师具备可行性和发展前景。

2020年，张明亮[33]等人在分析两平移一转动3个自由度并联机构执行器的基础上设计了一种串并混联中医推拿机构，为满足不同年龄、体型患者需求，机构采用串并混联以保证机器人有足够的运动空间、精度及刚度。通过Adams、CAD软件进行建模仿真得并联机构动平台中心线速度曲线及并联机构动平台中心角速度曲线，验证该并联机构动平台具有两平移一转动3个自由度，且具有优越运动性能及较强的可控性和稳定性。

2 分析与展望

尽管国内按摩机器人研究取得大量成果，但目前按摩机器人体积大、按摩手法不健全、成本高昂，安全性、实用性、可靠性、技术性等问题尚未完全解决。

（1）机器人按摩手法主要模拟按摩手法运动轨迹，缺乏对体征的有效监测和按摩手法优化分析，而且机器人对于经脉、穴位的推拿按摩还不足以满足个性化需求。

（2）推拿按摩手法的分析和建模需进一步研究，如按摩着力点运动轨迹运动学建模、按摩力的动力学建模、按摩动作重复频率、按摩装置柔顺力及位置控制。按摩医生在进行推拿治疗时按摩手法自由度多，机器人必须有足够的自由度才能保证其灵活性。

（3）满足设计要求的前提下，使机器人轻量化，机器人外观应尽量简洁、美观、具有亲和力，北京航空航天大学的刘永瞻[34]等人设计的按摩机器人平台较为人性化。另外，机械臂刚度和按摩装置柔性并存，进一步开发了新型材料，兼顾安全、韧度和舒适度。目前，大多按摩机器人采用刚性传动模式，与按摩技师按摩体验和效果存在差距，急需改善病患按摩体验，且应增强用户反馈。

（4）系统优化问题。机器人需实现柔性驱动、动态响应及自动识别等，系统控制难度进一步加大。另外，人体穴位复杂，一旦按错可能导致严重后果。因此，按摩过程中精度控制问题应做到万无一失。伺服运动控制系统、穴位识别与经络轨迹跟踪系统等系统进一步优化，使机器人能应用于各个年龄段、各种体型的人。反馈系统对于按摩过程中的安全把控极为重要，基于多源信息反馈的专家在线管理系统可实时监控患者状况，扩大知识库容量，更新推理算法，提高专家控制系统的性能。

（5）技术融合。当今信息技术迅速发展的时代，各种软件技术层出不穷，应充分利用创新技术优势，为推拿机器人的开发提供方便。融合人工智能技术，深入人工智能推拿机器人研究、三维视觉感知和分析技术、机械臂规划技术、反馈技术、柔性控制技术等重要技术研究，以增强机器人对人体软组织的理解，包括对柔性可变化组织的适应性，对柔软可变的力的准确控制，以及合理的路径规划。

（6）成本问题是当前中医按摩机器人较为棘手的问题。成本过高，无法量产，不能普遍投入市场。

推拿按摩机器人的发展必须在传统中医推拿按摩理论的指导下，与现代科学技术更好的融合。国外并不精通中医按摩技术，而国内技术方面欠缺，推拿按摩机器人的研发任重而道远，打破文化、技术壁垒，加强国内外交流，以加快中医按摩机器人研究进程。当今社会人口老龄化进一步加剧，推拿机器人投入市场会很好地将中医推拿按摩技师从繁重劳动中解脱出来，解决专业按摩技师人手短缺的问题。