付曉凡 孫淵 陸超 孫利

摘 要：現(xiàn)在越來(lái)越多的人，長(zhǎng)時(shí)間伏案在桌，對(duì)肩部、背部產(chǎn)生了巨大的負(fù)荷，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真手肩部按摩裝置，可以實(shí)現(xiàn)肩部肌肉的按摩。本裝置利用機(jī)械和控制原理，對(duì)按摩機(jī)械手進(jìn)行上下、左右運(yùn)動(dòng)控制和按摩接觸力控制，實(shí)現(xiàn)不同頻率、不同力度、不同部位的按壓或震動(dòng)功能，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)顯示按摩力度及頻率大小。

關(guān)鍵詞：按摩；舵機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；51單片機(jī)

基金項(xiàng)目：本文系上海市大學(xué)生科創(chuàng)項(xiàng)目的研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：A1-5701-15-012-01-036）。

1 引言

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于肩部、背部自動(dòng)按摩，這是為了現(xiàn)在越來(lái)越多的人由于長(zhǎng)時(shí)間坐在電腦前導(dǎo)致肩部、背部酸痛，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按摩運(yùn)動(dòng)軌跡、按摩接觸力大小、按摩接觸持續(xù)性、按摩接觸重復(fù)度、按摩接觸頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行按摩動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)局部肌肉放松。

2 仿真手肩部按摩裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本思路

仿真手肩部按摩裝置由機(jī)械部分、控制部分、反饋部分和顯示部分四部分組成，使用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波和驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)，控制舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，使得機(jī)械手臂進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)以及按壓運(yùn)動(dòng)，達(dá)到精確定位按摩，并且可以自定義按摩頻率、調(diào)節(jié)按摩力度等功能。

2.2 機(jī)械部分

仿真手肩部按摩裝置，其立體示意圖見(jiàn)圖2（a）所示，通過(guò)固定卡子（2-1）和固定支架（2-2）固定在椅子（1）的背靠上，X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上連接著Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上連接著按摩力的施加機(jī)構(gòu)。X向運(yùn)動(dòng)軌跡主要通過(guò)X向步進(jìn)電機(jī)（3-4），帶動(dòng)齒輪（3-3）旋轉(zhuǎn)，齒條（3-2）固定在支承板（2-4）上，支承板（2-4）固定不動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)（3-4）和X向電機(jī)連接板（3-5）一起作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和按摩力施加的機(jī)構(gòu)作X向運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖2（b）所示。Y向步進(jìn)電機(jī)（4-2），帶動(dòng)齒輪（4-3）旋轉(zhuǎn)，從而使齒條（4-4）作Y向運(yùn)動(dòng)，齒條（4-4）固定在Y向支承板（4-6）上，Y向支承板（4-6）通過(guò)上支架（4-7）與伺服電機(jī)連接板（5-1）連接在一起，從而帶動(dòng)按摩力的施加機(jī)構(gòu)作Y向運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖2（c）所示。伺服電機(jī)（5-2）安裝在伺服電機(jī)連接板（5-1）上，由伺服電機(jī)（5-2）帶動(dòng)絲杠螺母（5-3）實(shí)現(xiàn)按摩接觸力的施加動(dòng)作，壓力傳感器（5-4）檢測(cè)按摩接觸力的信號(hào)，并反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)行比較和分析，從而保證按摩接觸力的大小。按摩持續(xù)性主要通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)置伺服電機(jī)（5-2）在（X、Y）位置處施加按摩力的點(diǎn)接觸時(shí)間而實(shí)現(xiàn)。按摩重復(fù)度通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)置按摩接觸力在某一位置（X、Y）處，連續(xù)施加按摩力的次數(shù)而實(shí)現(xiàn)。按摩接觸頻率通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)置伺服電機(jī)（5-2）在（X、Y）位置處，連續(xù)施加按摩力的間隔時(shí)間而實(shí)現(xiàn)。使用者通過(guò)觸摸屏調(diào)節(jié)按摩運(yùn)動(dòng)軌跡（X、Y位置）、按摩接觸力大小、按摩持續(xù)性（點(diǎn)接觸時(shí)間）、接觸重復(fù)度（在固定點(diǎn)的按摩次數(shù)）和按摩頻率（每次點(diǎn)接觸間隔時(shí)間），就可以啟動(dòng)按摩運(yùn)動(dòng)。

3 電路部分

3.1 電路設(shè)計(jì)

控制部分包括單片機(jī)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及控制按鍵。以單片機(jī)為處理器，控制按鍵負(fù)責(zé)發(fā)出指令，單片機(jī)接收控制按鍵，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。反饋部分由壓力傳感器和限位開(kāi)關(guān)構(gòu)成，壓力傳感器將模擬信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再進(jìn)行判斷來(lái)形成反饋系統(tǒng)。顯示部分由數(shù)碼管組成以及LED燈構(gòu)成，LED燈用來(lái)顯示按壓力度等級(jí)，數(shù)碼管用來(lái)顯示按摩頻率大小。整體電路圖如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中的輸入信號(hào)有按鍵輸入、傳感器模擬信號(hào)輸入、限位開(kāi)關(guān)輸入，輸出信號(hào)有PWM波信號(hào)、驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)、數(shù)碼管控制信號(hào)和LED燈控制信號(hào)。其中，按鍵輸入為高低電平輸入信號(hào)，傳感器模擬信號(hào)是壓敏電阻的電壓信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，輸入進(jìn)單片機(jī)，限位開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)防止X軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)超出滑軌范圍。輸出信號(hào)中的PWM波，用來(lái)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的角度、調(diào)速以及步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)、調(diào)速。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)控制，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及分頻。通過(guò)對(duì)數(shù)碼管的控制可以顯示按摩頻率的大小。通過(guò)對(duì)LED燈的控制，可以顯示按摩力度的大小。

3.2 反饋部分

反饋部分主要由壓力傳感器和兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)所組成，當(dāng)按摩手按壓的時(shí)候，壓力傳感器實(shí)時(shí)將模擬信號(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換器中，單片機(jī)讀取信號(hào)后，經(jīng)過(guò)處理篩選，判斷當(dāng)前壓力是否在預(yù)設(shè)檔位壓力范圍內(nèi)。如果壓力過(guò)大，將會(huì)通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在不改變頻率的情況下減小步長(zhǎng)。如果壓力過(guò)小，將會(huì)通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)在不改變頻率的情況下增大步長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)壓力傳感器的信號(hào)，來(lái)調(diào)整按摩手臂的按壓力度，使設(shè)計(jì)更加實(shí)用合理，更加智能化。

4 總結(jié)

目前市場(chǎng)上的按摩裝置主要是與椅子合為一體，又或者功能單一、不智能化，本裝置將便攜性與多功能性結(jié)合在一起，能廣泛地安裝于大部分的椅子。按摩運(yùn)動(dòng)功能自動(dòng)調(diào)節(jié)，模擬手的動(dòng)作，能調(diào)節(jié)按摩運(yùn)動(dòng)軌跡、按摩接觸力大小、按摩接觸持續(xù)性、按摩接觸重復(fù)度和按摩接觸頻率，能夠讓忙碌工作的人們隨時(shí)感受到肩部按摩接觸運(yùn)動(dòng)而使肌肉放松，即使坐在辦公桌前也可以邊按摩邊工作，從而讓使用者的身體健康，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

付曉凡：（1996-）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。

孫淵：（1969-）女，上海電機(jī)學(xué)院，教授，博士，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程。

陸超：（1995-）男，上海電機(jī)學(xué)院，本科生，電子信息工程。

孫利：（1995-）男，上海電機(jī)學(xué)院，研究生，電氣工程。