多功能小腿按摩儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞：小腿；按摩；NY8BE64A；多功能；氣壓擠壓

中圖分類號：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0105-03

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化的發(fā)展，人類正逐漸脫離傳統(tǒng)的工作生活方式，日常缺乏鍛煉、久坐不動已成為現(xiàn)代人的常態(tài)。臨床研究表明[1-2]，久坐行為與高血壓、血栓、肌肉萎縮等多種疾病存在顯著關(guān)聯(lián)，不論年輕還是年老，都面臨嚴(yán)重的腿部健康問題[3]。針對這類問題，設(shè)計(jì)出能夠滿足各個群體需求的按摩產(chǎn)品至關(guān)重要。

此前有學(xué)者在按摩儀設(shè)計(jì)方面做出了一些探索，如：李卓琪[4]設(shè)計(jì)了一種基于STM32為核心的氣壓式按摩儀，通過控制氣泵對氣囊進(jìn)行充氣放氣，實(shí)現(xiàn)對人體腿部及下肢的按摩功能，并具備語音識別模塊和膝關(guān)節(jié)屈伸模塊，為行動受限的癱瘓患者提供了一定的治療保健效果。黃文禧[5-6]結(jié)合中醫(yī)經(jīng)絡(luò)學(xué)理論設(shè)計(jì)了一種自動穴位定位的水壓式按摩儀，該按摩儀也是基于STM32單片機(jī)為主控，利用激光測距和薄膜壓力傳感器測量定位出人體背部相關(guān)穴位，再根據(jù)使用者的病癥對特定穴位進(jìn)行水壓沖擊按摩，對癥下藥使得治療效果更加顯著。王影影[7]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款電刺激按摩儀，該電療按摩儀基于EMS電脈沖肌肉刺激原理，通過調(diào)整輸出電壓波形和幅值，對電極貼合部位的神經(jīng)進(jìn)行電刺激從而促使肌肉主動發(fā)生跳動，該設(shè)計(jì)所用設(shè)備簡潔且功效顯著，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

然而，現(xiàn)有很多按摩儀產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在一些問題。一方面，大多數(shù)儀器的按摩方式單一，普通按摩儀無法滿足多種復(fù)雜腿部癥狀的需求；另一方面，目前越來越多的按摩儀設(shè)計(jì)采用手機(jī)App遠(yuǎn)程操控[8]，用戶操作流程復(fù)雜煩瑣，設(shè)備之間耦合度高，增加了用戶的學(xué)習(xí)和使用成本，對老年群體尤其不便。因此，開發(fā)一款功能全面、易于操作、成本低廉的按摩產(chǎn)品具有重要意義[9]。本文以九齊NY8BE64A單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款面向小腿肌肉的多功能按摩儀，該按摩儀使用按鍵進(jìn)行輸入操作，具備按壓、熱敷、震動、電刺激等多種功能，交互簡單，體驗(yàn)豐富，對緩解使用者肌肉疲勞、促進(jìn)腿部血液循環(huán)和淋巴流動具有不錯的功效。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為滿足多種人群的腿部健康需求，按摩儀需要融合按壓、揉捏、捶打、熱敷、電擊、針灸等多種按摩方式。在設(shè)計(jì)上，首先使用傳統(tǒng)氣壓擠壓的方式模擬推拿揉捏，以包裹肌肉，達(dá)到舒緩身心疲勞的效果。接著通過震動和加熱方式對腿部進(jìn)行捶打和熱敷，更有效地緩解肌肉緊張、促進(jìn)血液流通和淋巴循環(huán)[10-11]。最后使用電脈沖刺激的方式刺激肌肉深層神經(jīng)和脈絡(luò)，幫助消除疲勞受損的肌肉和神經(jīng)，對缺乏運(yùn)動或腿部疾病患者的康復(fù)過程起到更好的輔助效果。按摩系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

按摩儀外表層材料采用透氣的紡織布，形狀為穿戴式筒狀結(jié)構(gòu)，能很好地包裹腿部及臂部肢體。電擊按摩媒介采用通用理療電極片，能夠穩(wěn)定地貼合皮膚表皮傳導(dǎo)刺激電流?？刂葡到y(tǒng)以九齊NY8BE64A單片機(jī)為核心，配合交互模塊、氣壓模塊、震動模塊、熱敷模塊、電刺激模塊和電源管理模塊實(shí)現(xiàn)儀器的總體功能。在實(shí)際使用中，用戶首先通過按鍵選擇和切換按摩模式及檔位，并能從LED顯示獲知當(dāng)前儀器工作狀態(tài)，通過氣壓模塊實(shí)現(xiàn)氣囊鼓脹擠壓所包裹肌肉，對小腿實(shí)現(xiàn)按壓效果，然后基于震動模塊和熱敷模塊分別完成震動和熱敷功能，最后通過電刺激模塊實(shí)行低頻電脈沖刺激貼合部位肌肉實(shí)現(xiàn)電療效果[12]。硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 氣壓模塊

氣壓模塊由一個小型充氣泵、兩個氣袋和氣閥組成。充氣泵連接升壓芯片F(xiàn)P6293，工作時(shí)以5V電壓驅(qū)動向氣袋充氣。兩個氣袋上的泄氣閥通過周期性開合控制氣袋的膨脹程度。根據(jù)氣閥的開合周期及順序，設(shè)計(jì)了三種按摩模式：輪流按壓、接替按壓和同時(shí)按壓。通過氣壓模塊改變氣泵的充氣時(shí)間，控制氣囊的膨脹程度，模擬實(shí)現(xiàn)小、中、大三種按摩力度，用戶在使用時(shí)可根據(jù)自身體驗(yàn)進(jìn)行選擇。

2.2 熱敷模塊

熱敷模塊使用具有優(yōu)異導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性的石墨烯加熱片作為發(fā)熱體。加熱片輕薄的片狀結(jié)構(gòu)能夠很好地包裹腿部，實(shí)現(xiàn)熱敷功能。通過連接單片機(jī)的PWM輸出，熱敷模塊提供四種溫度檔位：無、低、中、高，以滿足用戶對不同熱敷溫度的需求。

2.3 震動模塊

按摩儀的震動模塊由一塊微型震動馬達(dá)構(gòu)成。該部件部署于按摩儀后部，能通過震動幫助用戶緩解小腿后側(cè)腓腸肌部位的疲勞與緊張。震動模塊同樣連接至單片機(jī)的PWM輸出，通過控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與輸出力度，實(shí)現(xiàn)無、低、中、高四種震動力度，滿足用戶對不同震感強(qiáng)度的需求。

2.4 電刺激模塊

電刺激模塊由電極片和電刺激芯片構(gòu)成，考慮到部分用戶群體對神經(jīng)電刺激的生理性排斥[13]，故該模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立于儀器，用戶可根據(jù)自身需求選擇使用。電刺激芯片使用的是暖芯迦TENS_NS4，該芯片能通過輸出特定電流脈沖刺激肌肉和神經(jīng)元，實(shí)現(xiàn)TENS 鎮(zhèn)痛、EMS輔助增肌、EMSRP肌肉康復(fù)等多種功能。按摩儀在設(shè)計(jì)中采用TENS_NS4芯片的默認(rèn)綜合模式，在該模式下，電極片輸出能周期性改變刺激電流脈沖的大小和頻率，對貼合部位的肌肉神經(jīng)輪流實(shí)行模擬針灸、鎮(zhèn)痛、增肌等理療效果，進(jìn)一步豐富用戶的按摩體驗(yàn)。

2.5 交互模塊

交互模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)用戶對按摩儀的操作以及查看設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)的功能。該模塊包括物理按鍵和LED指示燈。共有10個LED指示燈，分別用于顯示溫度、壓力和按摩模式三個檔位，以及一個電源指示燈。其中電源指示燈采用三色混光LED，可根據(jù)正常工作狀態(tài)、低電量和充電狀態(tài)顯示不同顏色，實(shí)現(xiàn)功能指示與區(qū)分效果。按鍵輸入方面，使用五個物理按鍵分別控制按摩儀的開關(guān)機(jī)、模式、壓力、溫度和震動功能。當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，伴隨蜂鳴器短提示音，整體達(dá)到簡便的交互效果。

2.6 電源管理模塊

電源管理模塊負(fù)責(zé)低電量偵測報(bào)警和充電管理功能。在按摩儀的使用過程中，過度放電容易降低鋰電池的壽命。為了延長產(chǎn)品的使用壽命，設(shè)計(jì)了電源管理功能。該功能利用單片機(jī)內(nèi)部的低電壓檢測（LVD） ，當(dāng)檢測到電源電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，電源指示燈將持續(xù)閃爍紅燈，并伴隨蜂鳴器短促提示音，提醒用戶電量太低需要充電，并在5秒后自動關(guān)閉設(shè)備。充電功能采用集成充電芯片AP5058，該芯片能夠自動完成電源的充電管理和保護(hù)工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)環(huán)境簡介：本項(xiàng)目的軟件代碼采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境為九齊單片機(jī)所用的NYIDE 5.31編譯軟件。在完成程序編寫后，由編譯器生成.bin文件，然后使用燒錄軟件Q-Writer及相應(yīng)型號的燒錄器將該文件燒錄至單片機(jī)中。

3.1 整體程序流程設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)為循環(huán)狀態(tài)。開始工作時(shí)，執(zhí)行各功能模式的默認(rèn)設(shè)置，并點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈。隨后，單片機(jī)進(jìn)入LED閃爍、按鍵檢測、充電檢測3個模式的循環(huán)。當(dāng)檢測到按鍵按下時(shí)，更新相應(yīng)模式的狀態(tài)。整體程序流程如圖3所示。

3.2 氣壓程序流程設(shè)計(jì)

在按摩儀的主要功能中，按壓模式和氣壓大小主要取決于氣囊充放氣的時(shí)間。系統(tǒng)利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0產(chǎn)生定時(shí)中斷進(jìn)行時(shí)間計(jì)算。在創(chuàng)建工程時(shí)，通過配置菜單界面選擇特定的時(shí)鐘源、指令周期和分頻系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)2.48ms的定時(shí)中斷。在按摩儀工作過程中，每次定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)值累計(jì)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)邏輯并重置計(jì)數(shù)變量，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)控制。當(dāng)按下氣壓檔位按鍵時(shí)，新的計(jì)數(shù)值將在當(dāng)前充放氣流程結(jié)束后重新加載。氣壓相關(guān)程序如圖4所示。

4 實(shí)物測試

按摩儀的實(shí)物如圖5所示。為驗(yàn)證其效果，邀請了12名年齡分布在25～65歲、性別分布均衡的普通人參與測試。為全面評估產(chǎn)品性能，測試環(huán)節(jié)設(shè)定了五項(xiàng)評判指標(biāo)：操作簡便度、信息可視化、功能豐富度、綜合按摩效果和綜合評價(jià)。其中，操作簡便度反映用戶在無說明指導(dǎo)下對儀器的上手難易程度；信息可視化反映用戶對當(dāng)前按摩儀工作信息的獲取清晰程度；功能豐富度和綜合按摩效果則評估用戶對功能多樣性和效果明顯性的評價(jià)。在測試過程中，受試者分別用本設(shè)計(jì)的按摩儀和市面上某款普通按摩儀對左右腿進(jìn)行按摩，并根據(jù)自身體驗(yàn)認(rèn)同度由低到高給出1～5分的評分值，測試結(jié)果采用李克特量表統(tǒng)計(jì)表征，得分均值情況如圖6所示。

根據(jù)評測數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：所設(shè)計(jì)的按摩儀在操作簡便度、綜合按摩效果、功能豐富度和綜合評價(jià)四項(xiàng)指標(biāo)上均高于對照組，且分?jǐn)?shù)均超過4分，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷。

5 結(jié)束語

針對復(fù)雜多樣的腿部健康問題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款多功能小腿按摩儀。該儀器通過多種方式實(shí)現(xiàn)對腿部的擠壓、揉捏、捶打、熱敷和電刺激等按摩效果，能夠有效緩解腿部肌肉疲勞，并具有一定的輔助治療效果，尤其對腿部肌肉萎縮和中風(fēng)偏癱患者[14-15]。此外，由于按摩儀器基于包裹肢體的設(shè)計(jì)，不僅適用于小腿，還可以對大腿和手臂肌肉進(jìn)行按摩，展現(xiàn)出較強(qiáng)的拓展性和多樣性。本文所設(shè)計(jì)制作的按摩儀器操作簡便、工作穩(wěn)定、功能多樣，符合市場需求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。