热敏灸辅助机器人及其腧穴智能辨敏定位与多机协作安全控制研究

In recent years, the combination of robotics and traditional Chinese medicine has gradually become one of the focuses. Heat-sensitive moxibustion is no needle, no touch the human body, no harm, no side effects new therapy and develop from traditional acupuncture. With the increasing demand for heat-sensitive moxibustion treatment, the number of experienced Chinese medicine heat-sensitive moxibustion doctors is far from being expected. Therefore, it has caused the severe contradiction between supply and demand of heat-sensitive moxibustion treatment, which has become one of the problems that need to be solved urgently. The robot has a good positioning for the acupuncture points, high degree intelligence and tirelessness and other characteristics, it is the most effective means to achieve automatic heat-sensitive moxibustion. Therefore, this project attempts to combine robot technology with heat-sensitive moxibustion therapy to establish a number of flexible manipulators robot system, to locate the heat-sensitive acupoints based on EEG signal, and to control the adequate moxibustion individualized, to construct the multi-manipulator coordination Petri net model, to coordinate the tasks of multi-manipulator, to achieve multi-manipulator coordination to complete the three-point moxibustion and combined moxibustion therapy. The Co-fusion robot theory is introduced to realize the safe human-robot interaction based on the passive flexible and active compliant control technology. The research provides a theoretical basis for the research of Co-fusion robot on the key technologies of multi-manipulators cooperation and human-robot interaction control. Meanwhile, it provides scientific support for the application of the Co-fusion robots in Chinese medicine.

近年来，将机器人技术与中医学相结合的研究逐渐成为关注的焦点之一。热敏灸是从传统针灸发展而来的不用针、不接触人体、无伤害、无副作用的新疗法。随着热敏灸治疗需求的与日俱增，有经验的中医热敏灸医师的数量远无法达到预期。因此，导致了严重的热敏灸治疗的供需矛盾，成为制约其发展亟待解决的问题之一。而机器人具有穴位定位准确、智能化程度高且不知疲倦等特点，是实现自动化热敏灸最有效的手段之一。因此本项目试图将机器人技术与热敏灸疗法相结合，建立多个柔性机械臂机器人系统；基于脑电信号实现热敏化腧穴的辩敏定位，及个体化充足灸量的精确控制；构建多机械臂协调操作Petri网模型，对其任务进行协调控制，实现多机械臂协作完成三点灸、组合灸疗法；引入人机共融理论，基于被动柔性结合主动柔顺控制技术实现安全人机交互。为共融机器人在多机器人协作与人机交互控制等关键技术上奠定理论基础，为共融机器人应用于中医医疗领域提供科学支撑。

近年来，将机器人技术与中医学相结合的研究逐渐成为关注的焦点之一。热敏灸是从传统针灸发展而来的不用针、不接触人体、无伤害、无副作用的新疗法。随着热敏灸治疗需求的与日俱增，有经验的中医热敏灸医师的数量远无法达到预期。因此，导致了严重的热敏灸治疗的供需矛盾，成为制约其发展亟待解决的问题之一。而机器人具有穴位定位准确、智能化程度高且不知疲倦等特点，是实现自动化热敏灸最有效的手段之一。.因此本项目将机器人技术与热敏灸疗法相结合，研制柔性机械臂机器人系统；基于脑电信号实现热敏化腧穴辩敏，通过视觉与深度学习实现人体腧穴定位；构建多机械臂协调操作Petri网模型，对其任务进行协调控制，实现多机械臂协作完成三点灸、组合灸疗法；引入人机共融理论，基于被动柔性结合主动柔顺控制技术实现安全人机交互。.项目经过四年研究工作，根据热敏灸辅助机器人工作场景以及中国人体尺寸研制了一款铝合金材质的四自由度机械臂，机械臂完全展开时 0.8m，位置重复定位精度优于±2.5mm，重量为6.33kg，末端负载小于0.5Kg，关节转动速度小于等于30°/s，在此基础上，根据需要可以扩展成六自由度机械臂。基于脑电信号的热敏化腧穴智能辨敏研究发现，与静息状态对比，热敏状态促进脑电信号，导致了脑电信号功率谱值升高，但基于脑电信号的研究还有待深入；基于视觉与堆叠沙漏模型的人体穴位识别准确率可到85-90%，误差在0.5-2.6个像素之间；建立的多机械臂协作Petri网络是有界的、活的和守恒的。反映到实际的热敏灸多机械臂协调操作中，不会出现死锁现象；这样，在进行单、双臂和多机械臂协作时，系统是稳定的。基于交互意图估计，提出了一种在存在虚拟力和接触力情况下变阻抗滑模理论的控制策略，实现轨迹跟踪可到 97.8%，而外力比可变阻抗参数小43%，证明所提出的方法可以在物理人机交互中实现渐近跟踪和柔顺行为。.本项目的研究为共融机器人在多机器人协作与人机交互控制等关键技术上奠定理论基础，为共融机器人应用于中医医疗领域提供科学支撑。