基于EON的中醫按摩機械手虛擬裝配研究

李 靜，白姍姍，龐在祥，劉 亮，朱 丹

（長春工業大學 機電工程學院，長春 130012）

0 引言

目前，老年人普遍存在腰腿疼痛的疾病，中醫按摩機器人的出現很好的解決了這一問題。中醫按摩機械手是中醫按摩機器人完成按摩動作的重要組成部分，它的建模與裝配直接影響按摩動作的實現。在傳統的裝配過程中存在著碰撞干涉、裝配過約束、裝配精度低等一系列問題，虛擬裝配技術為其提供了一個新的有效途徑[1]。目前，虛擬裝配技術大多建立在如CATIA、Pro/ENGINEER、SolidWorks等大型三維軟件基礎上，這不僅對技術人員有很高的要求，而且生成文件較大，交互操作困難。EON[2]是一套模塊化三維交互仿真軟件，能夠實現虛擬實體的交互和行為動作，并在三維世界中變得直觀和簡便。與現有的三維建模軟件和虛擬現實開發軟件相比，EON對大型實體模型的演算速度、與虛擬環境相關硬件的兼容性等方面有突出優勢。本文基于“可拆即可裝”的原則[3~7]，運用虛擬現實軟件EON對中醫按摩機械手手部進行拆卸和裝配，通過對中醫按摩機械手手部的拆卸,獲得可裝配路徑，再求逆規劃出中醫按摩機械手手部的裝配工藝，最終運用EON實現了中醫按摩機械手的按摩動作。

1 中醫按摩機械手的創建

EON Studio可以輕松導入各種3D模型如3ds Max、SolidWorks、AutoCAD。模型導入后，可以通過EON直觀的圖形設計界面方便地為模型添加各種行為。EON以3D動態方式與CAD軟件結合后，可進行生產模擬、組裝分解功能的操作模擬，彌補了CAD模型因文件過大而無法即時操控這一缺陷[8]。但EON不具備構建復雜三維模型的能力，因此，中醫按摩機械手采用三維建模軟件CATIA建模。

1.1 中醫按摩機械手的構成

中醫按摩機械手的手部由五指組成，大拇指通過軸與其他四指連接，四指是聯動機構，中醫按摩機械手的手部包含一個自由度，只需要一個電機即可完成手部的拿捏運動，通過與中醫按摩機械手的手臂相互配合可實現拿捏、指按等按摩動作。中醫按摩機械手的手部是通過二級齒輪傳動實現手指的運動，在二級齒輪傳動中，由于手指的運動不需要進行180o旋轉，故最后一級傳動根據手指運動范圍設計成一定角度的扇形齒輪。中醫按摩機械手的主要結構如圖1所示。

圖1 中醫按摩機械手手部結構圖

1.2 中醫按摩機械手三維模型的建立

三維建模是虛擬裝配的基礎，建模的好壞直接影響整個虛擬裝配的質量。中醫按摩機械手采用三維建模軟件CATIA的零件設計模塊建模并利用機械設計模塊中的裝配設計對其完成整體裝配，如圖2為中醫按摩機械手實物圖及CATIA模型。

圖2 中醫按摩機械手模型

1.3 中醫按摩機械手實體模型的載入

中醫按摩機械手模型載入EON有兩種方法，一種將模型直接導入EON Studio，該方法存在的缺點是模型導入后會失真，重新調整模型的工作量太大；另一種方法是將模型導入3ds Max中，EON Studio為3ds Max提供一個EONRaptor輸出插件,將模型直接導出為EON Studio的文件格式*.eoz，這種方法使模型在虛擬場景中更加逼真。鑒于以上兩種方法的優缺點，中醫按摩機械手的導入采用第二種方法。將裝配好的中醫按摩機械手導入到3ds Max中，如圖3所示，進行軸心調整及渲染、著色，最后運用3ds Max綁定的EON插件把文件保存為EON格式文件。

圖3 3ds Max處理后的三維模型

2 中醫按摩機械手拆裝系統的實現

考慮到中醫按摩機械手手部與手臂的零件太多，而拿捏動作在手部實現，因此本文只分析中醫按摩機械手手部的拆卸和裝配過程，并實現其按摩動作。

為了便于中醫按摩機械手的拆卸、裝配和按摩動作的設計，重新構建中醫按摩機械手模型的層次數據結構，對每個零件重新命名并設定父子節點，構建一個符合邏輯的中醫按摩機械手裝配模擬樹如圖4所示。

圖4 中醫按摩機械手的裝配模型樹

2.1 中醫按摩機械手的虛擬拆卸

由于裝配和拆卸是一對互為可逆的過程，每一個拆卸操作對應一個相反的裝配動作，通過獲得中醫按摩機械手手部拆卸過程中零部件的優先約束，先規劃出零部件的拆卸序列，再通過求逆得到中醫按摩機械手手部的裝配過程。

中醫按摩機械手手部的拆卸主要運用放置節點（Place）、框架節點（Frame）、鍵盤移動節點（KeyMove）、鍵盤節點1-10（Key1to10）和碰撞節點（Collision）實現。KeyMove節點通過對零件的X、Y、Z移動自由度和H、P、R 旋轉自由度的控制，實現每個零件的拆卸路徑并把拆卸位置保存在Place節點中。在拆卸中會出現多個零件以部件的形式拆卸，把這些零件放在Frame節點下作為整體拆卸。在拆卸時應加入Collision節點，檢測拆卸零件是否與其他零件發生碰撞。中醫按摩機械手手部的拆卸規劃如圖5所示。

拆卸分步進行，以小腕支架作為拆卸基準，保持不動。命名Key1 to10節點名字為拆卸。應用Key1 to10節點的1—7的鍵盤傳感器把拆卸過程分為七個步驟，將每一步拆卸路徑的數值記錄在Place節點中，拖動節點至邏輯視窗，依次連接相關節點以實現各零件的拆卸路徑，中醫按摩機械手手部拆卸過程如圖6所示。

圖5 中醫按摩機械手手部拆卸規劃

圖6 中醫按摩機械手手部拆卸邏輯圖

2.2 中醫按摩機械手的虛擬裝配

根據拆卸的相關信息進行求逆即可實現中醫按摩機械手手部的虛擬裝配，圖7為中醫按摩機械手手部裝配系統圖。在EON中設置Place節點的位移和旋轉值，結合其他節點實現中醫按摩機械手手部的虛擬裝配，裝配過程動畫演示如圖8所示。

圖7 中醫按摩機械手手部裝配系統圖

圖8 中醫按摩機械手手部裝配動畫演示

3 中醫按摩機械手按摩動作的實現

中醫按摩機械手的按摩動作主要通過手部的拿、捏動作實現。在EON中運用鼠標傳感器節點（MouseSensor）、切換開關節點（Latch）、放置節點（Place）完成按摩動作。當點擊鼠標左鍵時，MouseSensor節點把信息傳遞給Latch節點，實現拇指拿捏動作；當點擊鼠標右鍵時，MouseSensor節點把信息傳遞給另一個Latch節點，機械手四指松開，回到初始位置，醫按摩機械手的拿捏運動軌跡記錄在Place節點中，拿捏動作完成，如此反復實現中醫按摩機械手的按摩動作。中醫按摩機械手的按摩動作演示的邏輯關系圖如圖9所示。

圖9 中醫按摩機械手按摩動作的邏輯圖

4 結論

通過虛擬現實軟件EON規劃了中醫按摩機械手手部的拆卸路徑并實現手部的拆卸，參考拆卸路徑在計算機上真實地模擬了中醫按摩機械手虛擬裝配過程，裝配動畫直觀地展示了各個零件的運動形態和空間位置。在滿足虛擬裝配的前提下，完成中醫按摩機械手的手部運動軌跡，最終實現其按摩動作。運用該技術中醫按摩機械手可以得到合理的裝配工藝，減少設計所需時間，縮短裝配周期，提高裝配質量和效率，獲得更好的經濟效益。

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