摘 要：【目的】為了能提供多樣化的按摩體驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)方便、快捷的效果，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人。【方法】按摩機(jī)器人主要由機(jī)械臂、筋膜槍組成，將控制系統(tǒng)與單片機(jī)電路集成在一塊控制板中，通過(guò)控制端或選擇自動(dòng)運(yùn)行模式來(lái)控制按摩機(jī)器人的運(yùn)行。【結(jié)果】通過(guò)控制板控制機(jī)械臂來(lái)帶動(dòng)筋膜槍運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械臂的力度和筋膜槍震動(dòng)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)放松肌肉和按摩等功能。【結(jié)論】基于單片機(jī)的直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人設(shè)計(jì)對(duì)提高人們生活質(zhì)量、促進(jìn)健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；機(jī)械臂；直角坐標(biāo)系

中圖分類號(hào)：TP242.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）13-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.002

Design of Massage Robot Based on Single-Chip Microcomputer in

Cartesian Coordinate System

ZHANG Jinhuan LI Zhaoliang HUANG Yu LI Ruili HU Junwan

（School of Electronic and Information Engineering， Wuzhou University， Wuzhou 543000，China）

Abstract：[Purposes] In order to provide a diverse massage experience with convenience and efficiency， a cartesian coordinate system massage robot based on microcontroller is designed.[Methods] The structure of the massage robot is mainly composed of a robotic arm and a fascia gun， and the control system and the single-chip microcomputer circuit are integrated into a control board， and the massage robot can be operated through the control end or by selecting the automatic operation mode.[Findings] The robot controls the mechanical arm through the control board to drive the fascia gun， and realizes the functions of relaxing muscles and massage by adjusting the strength of the mechanical arm and the vibration frequency of the fascia gun.[Conclusions] The design of massage robot based on single-chip microcomputer in Cartesian coordinate system is of great importance for improving people's quality of life and promoting the development of health industry .

Keywords： STC89C52RC SCM; stepping motor; mechanical arm; rectangular coordinate system

0 引言

按摩機(jī)器人是一種能夠模擬人類按摩手法和技巧的機(jī)械裝置，其利用機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)來(lái)提供全身或局部的按摩服務(wù)。在直角坐標(biāo)系下對(duì)按摩機(jī)器人進(jìn)行研究，通常涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)和控制理論等領(lǐng)域。

基于現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)條件，設(shè)計(jì)出一款直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人。相較于普通筋膜槍，該按摩機(jī)器人的功能更加全面，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而且可用于全身按摩。同時(shí)，觸摸屏的引入使該產(chǎn)品的操作更加方便，通過(guò)設(shè)定適合的模式，可以讓按摩更加舒適、精準(zhǔn)。該按摩機(jī)器人適用于大部分人群，如健身人群在健身后用來(lái)放松肌肉、康復(fù)治療人群的日常按摩等。

1 總體設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人，其機(jī)械按摩臂由機(jī)械手臂、筋膜槍、觸摸屏組成。

機(jī)械手臂是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置。盡管機(jī)械手臂有不同的形態(tài)，但其能根據(jù)指令精確地定位到二維或三維空間上的某一坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行工作。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂有6個(gè)自由度，即X移動(dòng)、Y移動(dòng)、Z移動(dòng)，在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)、Y轉(zhuǎn)動(dòng)、Z轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)輕松到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。

筋膜槍是一種用于軟組織康復(fù)的工具，由無(wú)刷電機(jī)、控制主板、高速軸承、電機(jī)底座、防震膠圈、軸承、偏心輪、飛輪、連桿、電池、按摩頭等部件組成。由高速電機(jī)帶動(dòng)前端按摩頭震動(dòng)，利用沖擊來(lái)放松身體的軟組織，從而達(dá)到放松肌肉、緩解疼痛、促進(jìn)血液循環(huán)的作用［1］。

觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入信號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置。當(dāng)觸碰屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先編好的程序來(lái)驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，可以很好地代替機(jī)械式按鈕面板。

1.1 機(jī)械手臂

1.1.1 驅(qū)動(dòng)部件及原理。四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂運(yùn)行的主要部件，如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)四相繞組應(yīng)按照合適的時(shí)序通電，使其產(chǎn)生的脈沖序列可以按照一定的時(shí)序送到繞組線圈上，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子逐步旋轉(zhuǎn)。八拍的步距角為單四拍和雙四拍步距角的一半，因此本研究采用的八拍工作方式具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和較高的控制精度［2］。八拍工作方式的通電順序依次為：A-A、B-B-B、C-C-C、D-D-D、A-A。若步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，則通電順序相反即可［3］。

1.1.2 運(yùn)行程序設(shè)計(jì)。機(jī)械手臂采用三軸機(jī)械手控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用STC89C52RC芯片，選取8個(gè)端口來(lái)連接8個(gè)按鍵，分別控制x+、x-、 y+、y-、z+、z-的軌跡保存和自動(dòng)模式。采用三路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，每一路都由1個(gè)L298N芯片和8個(gè)二極管組成。設(shè)置位置傳感器分別為x零點(diǎn)、y零點(diǎn)、z零點(diǎn)和物體到位。

1.2 筋膜槍

筋膜槍是利用其內(nèi)部特制的高速電機(jī)來(lái)帶動(dòng)“槍頭”產(chǎn)生高頻震動(dòng)，從而作用到肌肉深層，促進(jìn)血液循環(huán)。但頭頸椎、脊柱等含有大量神經(jīng)、血管分布的部位不能使用。每個(gè)部位的使用時(shí)長(zhǎng)大約為3～5 min。筋膜槍與機(jī)械臂的結(jié)合可以更安全地達(dá)到舒緩按摩的效果，只需通過(guò)更改內(nèi)部電機(jī)程序，就可使筋膜槍在不同頻率下運(yùn)行，達(dá)到不同按摩效果。

1.3 智能觸摸屏

將機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡、力度控制及筋膜槍的震動(dòng)頻率控制集成到同一個(gè)控制端，以智能觸摸屏的形式呈現(xiàn)，方便使用者的控制，并可以設(shè)置適合自身的模式，達(dá)到期待的按摩效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

本研究采用的主控芯片STC89C52RC是宏晶科技生產(chǎn)的一種高性能、高可靠、低功耗的8位51單片機(jī)，目前已廣泛應(yīng)用于眾多單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)中。

本研究設(shè)計(jì)的按摩機(jī)器人由51單片機(jī)、LM2596S DC-DC直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源電路、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及獨(dú)立按鍵電路組成。在Keil5軟件上用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，并通過(guò)stc-isp軟件將程序下載到單片機(jī)中進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)的基于STC89C52RC的單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。

2.1.1 電源電路。STC89C52RC單片機(jī)需要5 V直流電壓供電，系統(tǒng)其他電路需要12 V的直流電壓。因此，可以通過(guò)DC插座從外界獲取12 V直流電壓，利用以LM2596S芯片為主體來(lái)搭建降壓電路，實(shí)現(xiàn)12 V直流電壓降壓到5 V直流電壓，從而直接給單片機(jī)供電。電源電路如圖3所示。

2.1.2 復(fù)位電路。STC89C52RC單片機(jī)的復(fù)位電路上電時(shí)會(huì)自動(dòng)復(fù)位。其原理是在電源給電容C14充電時(shí)，會(huì)給RST引腳提供一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，但該信號(hào)會(huì)隨著電容C14的充電時(shí)長(zhǎng)而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容C14的充電時(shí)間。因此，為保證系統(tǒng)能可靠復(fù)位，RST引腳上的高電平必須大于復(fù)位所要求的高電平時(shí)間［4］。復(fù)位電路如圖4所示。

2.1.3 時(shí)鐘電路。以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，STC89C52RC單片機(jī)的各外圍部件才能有條不紊地運(yùn)行。因此，時(shí)鐘頻率會(huì)直接影響單片機(jī)的運(yùn)行速度，時(shí)鐘電路質(zhì)量會(huì)直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式［5］。本研究設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，在STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部輸入端引腳XTAL1和輸出端XTAL2的外部跨接1個(gè)12 MHz的石英晶振和2個(gè)33 pF的電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。時(shí)鐘電路如圖4所示。

2.2 獨(dú)立按鍵電路

由于要對(duì)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、記錄狀態(tài)和自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行控制，因此，需要8個(gè)獨(dú)立按鍵K1～K8分別接單片機(jī)的P1.0～P1.7換口。其中，K1用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行；K2用于記錄每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的位置；K3用于控制1號(hào)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；K4用于控制1號(hào)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)；K5用于控制2號(hào)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；K6用于控制2號(hào)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)；K7用于控制3號(hào)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；K8用于控制3號(hào)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。獨(dú)立按鍵電路如圖5所示。

2.3 下載電路

在Keil5上編寫(xiě)好程序后，需要通過(guò)stc-isp軟件和下載電路將編譯好的目標(biāo)程序燒寫(xiě)到單片機(jī)中，然后由單片機(jī)執(zhí)行。STC單片機(jī)采用串口燒寫(xiě)方式，即通過(guò)單片機(jī)的UART口（RXD口、TXD口）實(shí)現(xiàn)程序燒寫(xiě)功能。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流比較大，而單片機(jī)端口輸出的電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要用到放大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。本研究采用3片L298N芯片和24個(gè)二極管搭建而成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)。其中，L298N是一款能接受高電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。除了3個(gè)L298N芯片外，其余的是用于保護(hù)內(nèi)部三極管的續(xù)流二極管。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂由51單片機(jī)控制板上的獨(dú)立按鍵控制。當(dāng)按下K1時(shí)，執(zhí)行機(jī)械手臂自動(dòng)運(yùn)行功能；當(dāng)按下K2時(shí)，記錄機(jī)械手臂位置坐標(biāo)，按指定位置運(yùn)行；當(dāng)按下K3時(shí)，機(jī)械手臂沿X軸方向伸展；當(dāng)按下K4時(shí)，機(jī)械手臂沿x軸方向收縮；當(dāng)按下K5時(shí)，機(jī)械手臂沿Y軸方向伸展；當(dāng)按下K6時(shí)，機(jī)械手臂沿Y軸方向收縮；當(dāng)按下K7時(shí)，機(jī)械手臂沿Z軸方向伸展；當(dāng)按下K8時(shí)，機(jī)械手臂沿Z軸方向收縮。整體程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)直角坐標(biāo)系按摩機(jī)器人進(jìn)行三軸控制，并自定義調(diào)節(jié)按摩位置，通過(guò)分析對(duì)比，該按摩機(jī)器人具有對(duì)人體大部分穴位的按摩功能。就目前按摩機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，該研究具有一定的實(shí)用性。但因模擬測(cè)試環(huán)境單一、開(kāi)機(jī)初始化定位時(shí)間較長(zhǎng)及舒適度有待提高，后續(xù)可以通過(guò)優(yōu)化算法或更換電機(jī)來(lái)進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

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