基于單片機的直角坐標系按摩機器人設(shè)計

摘 要：【目的】為了能提供多樣化的按摩體驗，并實現(xiàn)方便、快捷的效果，設(shè)計了基于單片機的直角坐標系按摩機器人。【方法】按摩機器人主要由機械臂、筋膜槍組成，將控制系統(tǒng)與單片機電路集成在一塊控制板中，通過控制端或選擇自動運行模式來控制按摩機器人的運行?！窘Y(jié)果】通過控制板控制機械臂來帶動筋膜槍運動，通過調(diào)節(jié)機械臂的力度和筋膜槍震動頻率來實現(xiàn)放松肌肉和按摩等功能?！窘Y(jié)論】基于單片機的直角坐標系按摩機器人設(shè)計對提高人們生活質(zhì)量、促進健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC單片機；步進電機；機械臂；直角坐標系

中圖分類號：TP242.3" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：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

按摩機器人是一種能夠模擬人類按摩手法和技巧的機械裝置，其利用機械結(jié)構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)來提供全身或局部的按摩服務(wù)。在直角坐標系下對按摩機器人進行研究，通常涉及機器人運動學、力學和控制理論等領(lǐng)域。

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

1 總體設(shè)計

本研究設(shè)計一款基于單片機的直角坐標系按摩機器人，其機械按摩臂由機械手臂、筋膜槍、觸摸屏組成。

機械手臂是目前機器人技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的自動化機械裝置。盡管機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點進行工作。直角坐標系機械手臂有6個自由度，即X移動、Y移動、Z移動，在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動、Y轉(zhuǎn)動、Z轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)輕松到達空間內(nèi)的任何坐標點。

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

觸摸屏是一種可接收觸頭等輸入信號的感應(yīng)式液晶顯示裝置。當觸碰屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先編好的程序來驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可以很好地代替機械式按鈕面板。

1.1 機械手臂

1.1.1 驅(qū)動部件及原理。四相反應(yīng)式步進電機是實現(xiàn)機械手臂運行的主要部件，如圖1所示。步進電機四相繞組應(yīng)按照合適的時序通電，使其產(chǎn)生的脈沖序列可以按照一定的時序送到繞組線圈上，實現(xiàn)步進電機轉(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。若步進電機反轉(zhuǎn)，則通電順序相反即可［3］。

1.1.2 運行程序設(shè)計。機械手臂采用三軸機械手控制進行設(shè)計，使用STC89C52RC芯片，選取8個端口來連接8個按鍵，分別控制x+、x-、 y+、y-、z+、z-的軌跡保存和自動模式。采用三路步進電機的驅(qū)動電路，每一路都由1個L298N芯片和8個二極管組成。設(shè)置位置傳感器分別為x零點、y零點、z零點和物體到位。

1.2 筋膜槍

筋膜槍是利用其內(nèi)部特制的高速電機來帶動“槍頭”產(chǎn)生高頻震動，從而作用到肌肉深層，促進血液循環(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。每個部位的使用時長大約為3～5 min。筋膜槍與機械臂的結(jié)合可以更安全地達到舒緩按摩的效果，只需通過更改內(nèi)部電機程序，就可使筋膜槍在不同頻率下運行，達到不同按摩效果。

1.3 智能觸摸屏

將機械臂的運動軌跡、力度控制及筋膜槍的震動頻率控制集成到同一個控制端，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，達到期待的按摩效果。

2 硬件設(shè)計

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，目前已廣泛應(yīng)用于眾多單片機控制應(yīng)用系統(tǒng)中。

本研究設(shè)計的按摩機器人由51單片機、LM2596S DC-DC直流可調(diào)降壓穩(wěn)壓電源電路、L298N電機驅(qū)動電路及獨立按鍵電路組成。在Keil5軟件上用C語言進行編程，并通過stc-isp軟件將程序下載到單片機中進行驗證。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

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

2.1.1 電源電路。STC89C52RC單片機需要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DC插座從外界獲取12 V直流電壓，利用以LM2596S芯片為主體來搭建降壓電路，實現(xiàn)12 V直流電壓降壓到5 V直流電壓，從而直接給單片機供電。電源電路如圖3所示。

2.1.2 復(fù)位電路。STC89C52RC單片機的復(fù)位電路上電時會自動復(fù)位。其原理是在電源給電容C14充電時，會給RST引腳提供一個短暫的高電平信號，但該信號會隨著電容C14的充電時長而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C14的充電時間。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間［4］。復(fù)位電路如圖4所示。

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

2.2 獨立按鍵電路

由于要對3個步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、記錄狀態(tài)和自動運行進行控制，因此，需要8個獨立按鍵K1～K8分別接單片機的P1.0～P1.7換口。其中，K1用于實現(xiàn)步進電機自動運行；K2用于記錄每個步進電機的位置；K3用于控制1號步進電機的正轉(zhuǎn)；K4用于控制1號步進電機的反轉(zhuǎn)；K5用于控制2號步進電機的正轉(zhuǎn)；K6用于控制2號步進電機的反轉(zhuǎn)；K7用于控制3號步進電機的正轉(zhuǎn)；K8用于控制3號步進電機的反轉(zhuǎn)。獨立按鍵電路如圖5所示。

2.3 下載電路

在Keil5上編寫好程序后，需要通過stc-isp軟件和下載電路將編譯好的目標程序燒寫到單片機中，然后由單片機執(zhí)行。STC單片機采用串口燒寫方式，即通過單片機的UART口（RXD口、TXD口）實現(xiàn)程序燒寫功能。

2.4 電機驅(qū)動電路

由于步進電機的驅(qū)動電流比較大，而單片機端口輸出的電流較小，不能直接驅(qū)動步進電機，需要用到放大電流的電機驅(qū)動電路。本研究采用3片L298N芯片和24個二極管搭建而成的電機驅(qū)動電路來驅(qū)動3個步進電機。其中，L298N是一款能接受高電壓的電機驅(qū)動芯片，可直接驅(qū)動直流電機和步進電機。除了3個L298N芯片外，其余的是用于保護內(nèi)部三極管的續(xù)流二極管。電機驅(qū)動電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

機械手臂由51單片機控制板上的獨立按鍵控制。當按下K1時，執(zhí)行機械手臂自動運行功能；當按下K2時，記錄機械手臂位置坐標，按指定位置運行；當按下K3時，機械手臂沿X軸方向伸展；當按下K4時，機械手臂沿x軸方向收縮；當按下K5時，機械手臂沿Y軸方向伸展；當按下K6時，機械手臂沿Y軸方向收縮；當按下K7時，機械手臂沿Z軸方向伸展；當按下K8時，機械手臂沿Z軸方向收縮。整體程序設(shè)計流程如圖7所示。

4 結(jié)語

本研究通過對直角坐標系按摩機器人進行設(shè)計，對直角坐標系按摩機器人進行三軸控制，并自定義調(diào)節(jié)按摩位置，通過分析對比，該按摩機器人具有對人體大部分穴位的按摩功能。就目前按摩機器人發(fā)展趨勢來看，該研究具有一定的實用性。但因模擬測試環(huán)境單一、開機初始化定位時間較長及舒適度有待提高，后續(xù)可以通過優(yōu)化算法或更換電機來進一步提升用戶體驗。

參考文獻：

［1］李雪，孟香玲，畢乾巖.基于感性工學的筋膜槍外觀設(shè)計［J］.工業(yè)設(shè)計，2021（11）：56-57.

［2］李瑾，楊昌永.基于51單片機的步進電機調(diào)速控制風扇系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2023（2）：173-175，178.

［3］史敬灼，王宗培.步進電動機驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展［J］.微特電機，2007（7）：50-54.

［4］江世明，許建明，朱群峰，等.單片機原理及應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學出版社，2013.

［5］張翮，熊蓉，褚健，等.一種全方位移動機器人的運動分析與控制實現(xiàn)［J］.浙江大學學報（工學版），2004（12）：117-120，139.