一種仿真手肩部按摩裝置的設計

付曉凡 孫淵 陸超 孫利

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

關鍵詞：按摩；舵機；步進電機；51單片機

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

1 引言

本設計主要應用于肩部、背部自動按摩，這是為了現在越來越多的人由于長時間坐在電腦前導致肩部、背部酸痛，通過控制系統實現按摩運動軌跡、按摩接觸力大小、按摩接觸持續性、按摩接觸重復度、按摩接觸頻率等參數的調節，從而進行按摩動作，實現局部肌肉放松。

2 仿真手肩部按摩裝置的結構設計

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，使用單片機產生PWM波和驅動器控制信號，控制舵機和步進電機，使得機械手臂進行左右運動、上下運動以及按壓運動，達到精確定位按摩，并且可以自定義按摩頻率、調節按摩力度等功能。

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向運動機構上連接著Y向運動機構，Y向運動機構上連接著按摩力的施加機構。X向運動軌跡主要通過X向步進電機（3-4），帶動齒輪（3-3）旋轉，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向運動機構和按摩力施加的機構作X向運動，見圖2（b）所示。Y向步進電機（4-2），帶動齒輪（4-3）旋轉，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，進行比較和分析，從而保證按摩接觸力的大小。按摩持續性主要通過控制系統設置伺服電機（5-2）在（X、Y）位置處施加按摩力的點接觸時間而實現。按摩重復度通過控制系統設置按摩接觸力在某一位置（X、Y）處，連續施加按摩力的次數而實現。按摩接觸頻率通過控制系統設置伺服電機（5-2）在（X、Y）位置處，連續施加按摩力的間隔時間而實現。使用者通過觸摸屏調節按摩運動軌跡（X、Y位置）、按摩接觸力大小、按摩持續性（點接觸時間）、接觸重復度（在固定點的按摩次數）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 電路設計

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

本設計中的輸入信號有按鍵輸入、傳感器模擬信號輸入、限位開關輸入，輸出信號有PWM波信號、驅動器控制信號、數碼管控制信號和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轉換器，輸入進單片機，限位開關輸入信號防止X軸步進電機運動超出滑軌范圍。輸出信號中的PWM波，用來通過電機驅動器來驅動舵機和步進電機，實現對舵機的角度、調速以及步進電機的步長、調速。通過對驅動器的信號控制，可以控制電機的正反轉及分頻。通過對數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所組成，當按摩手按壓的時候，壓力傳感器實時將模擬信號傳送到A/D轉換器中，單片機讀取信號后，經過處理篩選，判斷當前壓力是否在預設檔位壓力范圍內。如果壓力過大，將會通過單片機控制步進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，來調整按摩手臂的按壓力度，使設計更加實用合理，更加智能化。

4 總結

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節，模擬手的動作，能調節按摩運動軌跡、按摩接觸力大小、按摩接觸持續性、按摩接觸重復度和按摩接觸頻率，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

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作者簡介

付曉凡：（1996-）男，上海電機學院，本科生，自動化專業。

孫淵：（1969-）女，上海電機學院，教授，博士，研究領域為機械電子工程。

陸超：（1995-）男，上海電機學院，本科生，電子信息工程。

孫利：（1995-）男，上海電機學院，研究生，電氣工程。