【作 者】嚴(yán)金森

上海榮泰健康科技股份有限公司，上海市，201713

0 引言

按摩推拿是中醫(yī)治療疾病的一種手段，決定按摩療效的一個(gè)重要因素是按摩手法。按摩手法要求有力、持久、均勻、柔和，以達(dá)到深透和滲透的目的。所謂有力是指按摩要有一定的力度：在按摩時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)患者的體質(zhì)、病情、按摩部位以及采用手法的不同，選擇適當(dāng)?shù)牧α俊０茨C(jī)芯是一種模仿人手對(duì)人體進(jìn)行按摩的裝置。為了增強(qiáng)按摩療效，對(duì)于按摩機(jī)芯，按摩力度的智能檢測(cè)、控制非常重要。

1 研究課題

如圖1所示，目前常規(guī)的高端按摩機(jī)芯的結(jié)構(gòu)主要包括：接觸人體對(duì)人體實(shí)施揉、敲等按摩動(dòng)作的揉敲裝置，驅(qū)動(dòng)揉敲裝置轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)節(jié)按摩強(qiáng)度的強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置，帶動(dòng)按摩機(jī)芯沿按摩椅椅架（靠背）導(dǎo)軌上下移動(dòng)的行走裝置，為上述零部件提供固定或支撐的機(jī)架。

圖1 常規(guī)按摩機(jī)芯結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of conventional massage assembly

如圖2所示,揉敲裝置主要由按摩臂、按摩頭、轉(zhuǎn)軸、揉捏軸、揉敲支架、敲擊軸、萬(wàn)向軸、揉捏驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶輪-齒輪機(jī)構(gòu)、敲擊驅(qū)動(dòng)電機(jī)、皮帶輪機(jī)構(gòu)、支撐軸和扇形齒輪組成。裝在按摩臂上端轉(zhuǎn)軸上的按摩頭是按摩機(jī)芯上唯一接觸人體的部件，按摩機(jī)芯通過(guò)按摩頭的運(yùn)動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生按摩效果。揉捏軸由左、中、右三個(gè)軸段構(gòu)成，左、右軸段結(jié)構(gòu)對(duì)稱，均與中間軸段存在一定夾角(如170°)。揉捏軸以其中間軸段可旋轉(zhuǎn)地安裝在揉敲支架上。按摩臂左、右各一個(gè)，左按摩臂（下端部）以回轉(zhuǎn)副形式聯(lián)接在揉捏軸左軸段上，右按摩臂（下端部）以回轉(zhuǎn)副形式聯(lián)接在揉捏軸右軸段上。敲擊軸由左、中、右三個(gè)軸段構(gòu)成，左、右軸段的軸心與中間軸段軸心不重合。敲擊軸以其中間軸段可旋轉(zhuǎn)地安裝在揉敲支架上。敲擊軸左軸段與左按摩臂之間、敲擊軸右軸段與右按摩臂之間均通過(guò)萬(wàn)向軸相連接。揉捏軸中間軸段和敲擊軸中間軸段相平行。

圖2 揉敲裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of kneading and knocking device

當(dāng)敲擊軸不動(dòng)，固定在揉敲支架上的揉捏驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)皮帶輪-齒輪機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)揉捏軸旋轉(zhuǎn)，按摩臂擺動(dòng)；當(dāng)揉捏軸不動(dòng)，固定在揉敲支架上的敲擊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)皮帶輪機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)敲擊軸轉(zhuǎn)動(dòng)，按摩臂振動(dòng)；當(dāng)揉捏驅(qū)動(dòng)電機(jī)和敲擊驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，按摩臂既擺動(dòng)又振動(dòng)。裝在左、右按摩臂上端的按摩頭隨按摩臂擺動(dòng)時(shí)，對(duì)人體產(chǎn)生揉捏的按摩效果；隨按摩臂振動(dòng)時(shí)，對(duì)人體產(chǎn)生敲擊的按摩效果。

揉敲裝置上設(shè)有支撐軸和扇形齒輪，扇形齒輪以支撐軸中心線為旋轉(zhuǎn)中心固定在揉敲裝置的支架上。揉敲裝置通過(guò)支撐軸樞接在機(jī)架上。強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置主要包括調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)節(jié)變速器、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸以及在固定調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸上的調(diào)節(jié)齒輪。調(diào)節(jié)齒輪與扇形齒輪相嚙合。

調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)調(diào)節(jié)變速器變速后，由調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)軸和調(diào)節(jié)齒輪輸出動(dòng)力，帶動(dòng)扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使揉敲裝置繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)按摩頭進(jìn)退，實(shí)現(xiàn)按摩強(qiáng)度（力度）的調(diào)節(jié)。

行走裝置包括行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走變速箱、行走驅(qū)動(dòng)軸、行走齒輪、輪軸、輪軸固定架和行走輪。行走驅(qū)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在機(jī)架下半部，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)行走變速箱變速后帶動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。行走齒輪有兩個(gè)，分別固定在行走驅(qū)動(dòng)軸的兩端隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)。輪軸通過(guò)輪軸固定架固定在機(jī)架上半部。四個(gè)行走輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在行走驅(qū)動(dòng)軸和輪軸的兩端。

如圖3所示，按摩機(jī)芯安裝在按摩椅椅架上。椅架上設(shè)有齒條軌道和導(dǎo)向槽，按摩機(jī)芯上的行走齒輪與齒條軌道相嚙合，導(dǎo)向輪則可移動(dòng)地裝在導(dǎo)向槽內(nèi)。通過(guò)以下方式調(diào)整按摩位置：行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)行走變速箱變速后，驅(qū)動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使行走齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)按摩機(jī)芯沿齒條軌道移動(dòng)；通過(guò)行走輪與導(dǎo)向槽相配合起到較好的導(dǎo)向作用，保證按摩機(jī)芯移動(dòng)平穩(wěn)。

圖3 按摩示意圖Fig.3 Massage diagram

目前，常規(guī)的按摩機(jī)芯對(duì)人體進(jìn)行按摩時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)檢知按摩力度，只能機(jī)械地執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的按摩動(dòng)作。然而人有高矮胖瘦之別，故其按摩效果不盡理想。因此，如何實(shí)時(shí)檢測(cè)按摩力度并智能調(diào)整，實(shí)現(xiàn)因人（部位）而異的理想按摩效果，成為本技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

專利CN201811490250提出的“將按摩頭轉(zhuǎn)軸改裝成力檢測(cè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)按摩力實(shí)時(shí)檢測(cè)”的方案存在著原理復(fù)雜、檢測(cè)結(jié)果誤差大、成本高等缺點(diǎn)，故無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。

也有人提出，將三軸力傳感器設(shè)計(jì)成軸狀，替換現(xiàn)有的按摩頭轉(zhuǎn)軸，這樣就能實(shí)時(shí)檢測(cè)到按摩頭的受力情況，就能得知按摩機(jī)芯對(duì)人體的按摩力度。但三軸力傳感器價(jià)格昂貴，因此該方案只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)，而無(wú)法在產(chǎn)品上推廣。

還有人提出，以稱重傳感器替代輪軸固定架，其兩個(gè)工作面分別與輪軸和機(jī)架連接，這樣就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到機(jī)架對(duì)輪軸的壓力，而算出按摩機(jī)芯對(duì)人體的按摩力度。但按摩機(jī)芯工作時(shí)，對(duì)人體的按摩力變化頻繁且無(wú)規(guī)律，這會(huì)嚴(yán)重妨害稱重傳感器的檢測(cè)準(zhǔn)確度和效率。

2 方案設(shè)計(jì)

常規(guī)的按摩機(jī)芯，其行走輪軸通過(guò)輪軸固定架緊固在機(jī)架上，僅起承載作用。本研究方案：改變這一常規(guī)結(jié)構(gòu)，將行走輪軸設(shè)計(jì)成可浮動(dòng)狀態(tài)，并在該軸與機(jī)架之間裝配新設(shè)計(jì)的測(cè)力裝置。

如圖4所示，該測(cè)力裝置主要由殼體、滑塊、彈簧、磁鐵、限位片和線性霍爾傳感器組成。殼體的內(nèi)腔為一滑槽，滑塊裝在該滑槽內(nèi)，可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)。彈簧裝在殼體滑槽內(nèi)，介于殼體和滑塊之間，其兩端分別與殼體內(nèi)滑槽頂面和滑塊頂面相抵。故，滑塊上移時(shí)，彈簧壓縮；滑塊下移時(shí)，彈簧伸展。磁鐵固定在滑塊底部，隨滑塊同步運(yùn)動(dòng)。限位片固定在殼體底面防止滑塊脫離殼體。線性霍爾傳感器固定在限位片上。因此，滑塊上移，磁鐵遠(yuǎn)離線性霍爾傳感器；滑塊下移，磁鐵靠近線性霍爾傳感器。殼體用螺絲緊固在機(jī)架上?；瑝K上開(kāi)有通孔，行走輪軸穿過(guò)該孔（軸與孔過(guò)渡配合），行走輪軸與滑塊同步浮動(dòng)。殼體側(cè)面開(kāi)有便于行走輪軸浮動(dòng)的避讓孔。行走導(dǎo)向輪可旋轉(zhuǎn)地安裝在行走輪軸兩端。測(cè)力裝置有兩個(gè)，平行地安裝在機(jī)架左右兩邊。

圖4 新設(shè)計(jì)按摩機(jī)芯結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure diagram of newly designed massage assembly

當(dāng)按摩機(jī)芯給人按摩時(shí)，因行走導(dǎo)向輪受椅架導(dǎo)向槽約束而不能浮動(dòng)，故可視滑塊為靜止?fàn)顟B(tài)，而人體對(duì)按摩頭的反作用力會(huì)使機(jī)架連同測(cè)力裝置殼體靠近滑塊，同時(shí)壓縮彈簧。此時(shí)，固定在殼體上的線性霍爾傳感器朝遠(yuǎn)離磁鐵方向移動(dòng)，其移動(dòng)量可通過(guò)線性霍爾傳感器的感應(yīng)電壓值變化檢測(cè)算出。該移動(dòng)量與彈簧的形變量相等，彈簧的形變量又與人體對(duì)按摩機(jī)芯的反力相關(guān)聯(lián)。因此，通過(guò)獲取傳感器感應(yīng)電壓值變化，可知移動(dòng)量，即可知彈簧彈力，然后大致算出人體對(duì)按摩機(jī)芯的反力（力矩），即得知按摩機(jī)芯對(duì)人體的按摩力。說(shuō)明：①因無(wú)實(shí)用價(jià)值，故忽略沖擊、加速度的影響；②為簡(jiǎn)化問(wèn)題，只考慮按摩頭對(duì)人體的壓力而不考慮夾力。

總之，該測(cè)力裝置是建立在霍爾效應(yīng)的基礎(chǔ)上，首先，彈簧將人體對(duì)按摩頭的反作用力（力矩）轉(zhuǎn)換為磁鐵的位移量，然后，再通過(guò)線性霍爾傳感器及其測(cè)量電路將磁鐵的位移量（磁強(qiáng)變化）轉(zhuǎn)換為電壓變化，從而將非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量（按摩力）的測(cè)量。

若測(cè)力裝置檢測(cè)到按摩頭對(duì)人體的按摩力過(guò)大，電控系統(tǒng)根據(jù)線性霍爾傳感器的反饋信息，作出處理后，發(fā)出指令，控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，帶動(dòng)揉敲裝置以遠(yuǎn)離人體的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使按摩頭撤離人體，從而減小其對(duì)人體按摩力，直到力度適合為止。同樣，若測(cè)力裝置檢測(cè)到按摩力過(guò)小，電控系統(tǒng)也可控制揉敲裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，增大按摩力，直到力度適合為止。如此，實(shí)現(xiàn)按摩力的智能調(diào)控。

參見(jiàn)圖5所示，本方案的電控系統(tǒng)主要包括控制端MCU、檢測(cè)傳感器、行走和調(diào)節(jié)電機(jī)等模塊。檢測(cè)傳感器模塊（線性霍爾傳感器）實(shí)時(shí)地將機(jī)械變化量轉(zhuǎn)化為電學(xué)變化量，通過(guò)控制端MCU的ADC來(lái)采集，通過(guò)軟件算法將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量與預(yù)設(shè)值相比較作出判斷，并將驅(qū)動(dòng)指令下發(fā)到行走和調(diào)節(jié)電機(jī)。同時(shí)行走電機(jī)和調(diào)節(jié)電機(jī)上自帶的傳感器也實(shí)時(shí)地反饋當(dāng)前轉(zhuǎn)速以及絕對(duì)位置來(lái)對(duì)軟件算法作負(fù)反饋，以便提高控制準(zhǔn)確度。

圖5 檢測(cè)裝置的模塊示意圖Fig.5 Testing device block diagram

3 樣機(jī)驗(yàn)證

進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，取①線性霍爾傳感器：靈敏度2.5 mV/Gs；②釹鐵硼磁鐵：餅狀，外徑Φ 12 mm，厚度2.6 mm；③彈簧：線徑2.5 mm，外徑18 mm，自由長(zhǎng)度25 mm，初始長(zhǎng)度24 mm，總?cè)?shù)6，有效圈數(shù)4，材料SUS304。

加工、組裝樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。測(cè)得（圖6）：①磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度與距離（檢測(cè)點(diǎn)到磁鐵表面）的關(guān)系曲線；②傳感器感應(yīng)電壓與距離（磁鐵與傳感器之間）的關(guān)系曲線。

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度、傳感器感應(yīng)電壓與距離之間的關(guān)系曲線Fig.6 The graph of relationship among magnetic field intensity,sensor induced voltage and distance

從圖6可看出，離磁鐵越遠(yuǎn)的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱，線性霍爾傳感器越靠近磁鐵其感應(yīng)電壓越高：測(cè)得的曲線圖與理論相符。根據(jù)曲線圖，可以由線性霍爾傳感器感應(yīng)電壓，得知磁鐵與線性霍爾傳感器之間的距離；即得知彈簧的形變量，就可以算出彈簧彈力，進(jìn)而可以算出按摩力（力矩）。

將該按摩機(jī)芯裝在按摩椅上實(shí)測(cè)：讓身高175 cm的模特躺在摩椅上，保持姿態(tài)，使按摩臂張開(kāi)并伸出一定長(zhǎng)度后，驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)芯從上限位開(kāi)始向下行走，走到下限位后停止。記錄按摩機(jī)芯（按摩頭）的位置x與相應(yīng)的傳感器感應(yīng)電壓值y，繪制曲線圖如下：

圖7表明：按摩機(jī)芯運(yùn)行在人體各部位時(shí)，測(cè)得的傳感器感應(yīng)電壓與實(shí)際按摩頭對(duì)人體的按摩力大小基本吻合。可見(jiàn)，新設(shè)計(jì)的測(cè)力裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出按摩機(jī)芯對(duì)人體的按摩力。

圖7 實(shí)測(cè)按摩位置與傳感器感應(yīng)電壓之間的關(guān)系曲線圖Fig.7 The curve diagram of the relationship between the measured massage position and the induction voltage of the sensor

4 效果與應(yīng)用

4.1 安全性、舒適性明顯提高

常規(guī)的按摩機(jī)芯沒(méi)有配備按摩力檢測(cè)裝置，其按摩臂的伸縮（即力度調(diào)節(jié)），由編定的程序執(zhí)行，沒(méi)有檢測(cè)、反饋，無(wú)法自我智能調(diào)節(jié)，存在使用安全隱患，如戳傷使用者等。

我們?cè)O(shè)計(jì)的按摩機(jī)芯，其控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)力裝置反饋的按摩力信息，及時(shí)調(diào)控按摩臂伸縮，通常不會(huì)讓按摩力度超出安全范圍，即便發(fā)生意外，也會(huì)迅速將按摩力度調(diào)節(jié)到合適的范圍內(nèi)，避免戳傷使用者，同時(shí)提高按摩舒適度。這也使按摩機(jī)芯避免超負(fù)荷使用，提高其自身的使用壽命。

4.2 肩部位置檢知更精準(zhǔn)

人有高矮胖瘦之別,為達(dá)到更好的按摩效果，按摩機(jī)芯應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同使用者的體型進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。檢測(cè)使用者肩部位置，是判斷其體型（身高）最常用的方法。

我們?cè)O(shè)計(jì)的按摩機(jī)芯，可通過(guò)檢測(cè)人體對(duì)按摩頭反作用力的變化情況，來(lái)確定其肩部位置：按摩臂伸出并張開(kāi)后，讓按摩機(jī)芯從上往下移動(dòng)，當(dāng)按摩頭觸及使用者肩膀時(shí)，按摩力會(huì)迅速增大；實(shí)時(shí)監(jiān)視著按摩力的控制系統(tǒng)，可根據(jù)這一特性，及時(shí)判斷按摩機(jī)芯是否到達(dá)肩部位置。經(jīng)驗(yàn)證，這種方法，可忽略披風(fēng)的阻尼干擾，比現(xiàn)行的“通過(guò)判斷按摩機(jī)芯下行過(guò)程中行走電機(jī)是否突然降低轉(zhuǎn)速來(lái)確定是否到達(dá)肩部位置”的檢測(cè)方法更直接、更準(zhǔn)確。

4.3 實(shí)現(xiàn)人體（背部）曲線準(zhǔn)確檢測(cè)

對(duì)不同的人體生理形態(tài)和不同的施療部位，須采用不同的按摩手法和按摩力度。因此，要求按摩機(jī)芯具有精確檢知使用者背部曲線的功能。常規(guī)的按摩機(jī)芯無(wú)此功能，我們?cè)O(shè)計(jì)的按摩機(jī)芯配備測(cè)力裝置，具有此功能。

檢測(cè)到肩部位置后，控制系統(tǒng)以肩部位置為起點(diǎn)，以按摩機(jī)芯行程的下限位為終點(diǎn)，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間選定若干采集點(diǎn)，并預(yù)設(shè)基準(zhǔn)按摩力值（如按摩頭輕觸人體時(shí)的力度）。然后，驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)芯繼續(xù)向下行走，到達(dá)第一采集點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)將測(cè)力裝置檢測(cè)到的按摩力與基準(zhǔn)按摩力值相比較，若前者大于后者，則控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，帶動(dòng)揉敲裝置以遠(yuǎn)離人體的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，按摩臂往回縮，按摩力變?。ǚ粗?，則調(diào)大按摩力）。調(diào)整到基準(zhǔn)按摩力值后，停止調(diào)節(jié)，記錄此時(shí)揉敲裝置的角度值（相對(duì)機(jī)架的角度值）。然后，驅(qū)動(dòng)機(jī)芯繼續(xù)向下行走，以同樣的方法記錄其他采集點(diǎn)揉敲裝置角度值，直至機(jī)芯走完全程。以各采集點(diǎn)相對(duì)起點(diǎn)的行程作為x坐標(biāo)值，以相應(yīng)的揉敲裝置角度值作為y坐標(biāo)值，得到一組坐標(biāo)點(diǎn)，再用最小二乘法擬合出曲線圖，這就是人體背部曲線圖。

使用者不同，測(cè)得的這種人體背部曲線圖也不同。當(dāng)然，它也并非人體背部形態(tài)的真實(shí)曲線，而是一條可用于按摩機(jī)芯調(diào)整按摩手法和力度的基準(zhǔn)曲線。它表明：對(duì)于特定的使用者，按摩機(jī)芯處于某一位置x時(shí)，揉敲裝置應(yīng)該擺到相應(yīng)角度y，按摩力正好是基準(zhǔn)力度值。這條基準(zhǔn)曲線有助于因人而異地合理設(shè)定各按摩手法的位置和力度。

4.4 智能地實(shí)現(xiàn)不同人體不同部位采用適當(dāng)?shù)陌茨αΧ?/h3>

當(dāng)機(jī)芯檢測(cè)出肩部位置后，即可根據(jù)肩部位置大致算出使用者身高，根據(jù)身高可劃分出使用者身體各部位對(duì)應(yīng)的位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)這一信息，結(jié)合人體背部曲線圖，即可設(shè)定各部位應(yīng)當(dāng)使用的合適按摩力，并智能監(jiān)控，達(dá)到符合中醫(yī)按摩要求的不同部位使用不同按摩力度的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)檢測(cè)并智能控制按摩力度的新型按摩機(jī)芯。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)（技術(shù)方案）可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)按摩力智能控制，可明顯提高按摩機(jī)芯的安全性、舒適性和施療效果。新設(shè)計(jì)的測(cè)力裝置還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。