一種仿真手肩部按摩裝置的設(shè)計

付曉凡 孫淵 陸超 孫利

摘 要：現(xiàn)在越來越多的人，長時間伏案在桌，對肩部、背部產(chǎn)生了巨大的負(fù)荷，因此設(shè)計了一個仿真手肩部按摩裝置，可以實現(xiàn)肩部肌肉的按摩。本裝置利用機械和控制原理，對按摩機械手進(jìn)行上下、左右運動控制和按摩接觸力控制，實現(xiàn)不同頻率、不同力度、不同部位的按壓或震動功能，并實時調(diào)節(jié)顯示按摩力度及頻率大小。

關(guān)鍵詞：按摩；舵機；步進(jìn)電機；51單片機

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

1 引言

本設(shè)計主要應(yīng)用于肩部、背部自動按摩，這是為了現(xiàn)在越來越多的人由于長時間坐在電腦前導(dǎo)致肩部、背部酸痛，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)按摩運動軌跡、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)行按摩動作，實現(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

2.1 基本思路

仿真手肩部按摩裝置由機械部分、控制部分、反饋部分和顯示部分四部分組成，使用單片機產(chǎn)生PWM波和驅(qū)動器控制信號，控制舵機和步進(jìn)電機，使得機械手臂進(jìn)行左右運動、上下運動以及按壓運動，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 機械部分

仿真手肩部按摩裝置，其立體示意圖見圖2（a）所示，通過固定卡子（2-1）和固定支架（2-2）固定在椅子（1）的背靠上，X向運動機構(gòu)上連接著Y向運動機構(gòu)，Y向運動機構(gòu)上連接著按摩力的施加機構(gòu)。X向運動軌跡主要通過X向步進(jìn)電機（3-4），帶動齒輪（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，使步進(jìn)電機（3-4）和X向電機連接板（3-5）一起作直線運動，從而帶動Y向運動機構(gòu)和按摩力施加的機構(gòu)作X向運動，見圖2（b）所示。Y向步進(jìn)電機（4-2），帶動齒輪（4-3）旋轉(zhuǎn)，從而使齒條（4-4）作Y向運動，齒條（4-4）固定在Y向支承板（4-6）上，Y向支承板（4-6）通過上支架（4-7）與伺服電機連接板（5-1）連接在一起，從而帶動按摩力的施加機構(gòu)作Y向運動，見圖2（c）所示。伺服電機（5-2）安裝在伺服電機連接板（5-1）上，由伺服電機（5-2）帶動絲杠螺母（5-3）實現(xiàn)按摩接觸力的施加動作，壓力傳感器（5-4）檢測按摩接觸力的信號，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)性主要通過控制系統(tǒng)設(shè)置伺服電機（5-2）在（X、Y）位置處施加按摩力的點接觸時間而實現(xiàn)。按摩重復(fù)度通過控制系統(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)而實現(xiàn)。按摩接觸頻率通過控制系統(tǒng)設(shè)置伺服電機（5-2）在（X、Y）位置處，連續(xù)施加按摩力的間隔時間而實現(xiàn)。使用者通過觸摸屏調(diào)節(jié)按摩運動軌跡（X、Y位置）、按摩接觸力大小、按摩持續(xù)性（點接觸時間）、接觸重復(fù)度（在固定點的按摩次數(shù)）和按摩頻率（每次點接觸間隔時間），就可以啟動按摩運動。

3 電路部分

3.1 電路設(shè)計

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

本設(shè)計中的輸入信號有按鍵輸入、傳感器模擬信號輸入、限位開關(guān)輸入，輸出信號有PWM波信號、驅(qū)動器控制信號、數(shù)碼管控制信號和LED燈控制信號。其中，按鍵輸入為高低電平輸入信號，傳感器模擬信號是壓敏電阻的電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器，輸入進(jìn)單片機，限位開關(guān)輸入信號防止X軸步進(jìn)電機運動超出滑軌范圍。輸出信號中的PWM波，用來通過電機驅(qū)動器來驅(qū)動舵機和步進(jìn)電機，實現(xiàn)對舵機的角度、調(diào)速以及步進(jìn)電機的步長、調(diào)速。通過對驅(qū)動器的信號控制，可以控制電機的正反轉(zhuǎn)及分頻。通過對數(shù)碼管的控制可以顯示按摩頻率的大小。通過對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限位開關(guān)所組成，當(dāng)按摩手按壓的時候，壓力傳感器實時將模擬信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換器中，單片機讀取信號后，經(jīng)過處理篩選，判斷當(dāng)前壓力是否在預(yù)設(shè)檔位壓力范圍內(nèi)。如果壓力過大，將會通過單片機控制步進(jìn)電機在不改變頻率的情況下減小步長。如果壓力過小，將會通過單片機控制步進(jìn)電機在不改變頻率的情況下增大步長。通過對壓力傳感器的信號，來調(diào)整按摩手臂的按壓力度，使設(shè)計更加實用合理，更加智能化。

4 總結(jié)

目前市場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。按摩運動功能自動調(diào)節(jié)，模擬手的動作，能調(diào)節(jié)按摩運動軌跡、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感受到肩部按摩接觸運動而使肌肉放松，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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作者簡介

付曉凡：（1996-）男，上海電機學(xué)院，本科生，自動化專業(yè)。

孫淵：（1969-）女，上海電機學(xué)院，教授，博士，研究領(lǐng)域為機械電子工程。

陸超：（1995-）男，上海電機學(xué)院，本科生，電子信息工程。

孫利：（1995-）男，上海電機學(xué)院，研究生，電氣工程。