基于LabVIEW的三自由度叩擊按摩系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)的三自由度叩擊按摩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體背部的自動(dòng)化叩擊按摩。首先設(shè)計(jì)了基于三自由度直角坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)的叩擊按摩系統(tǒng)機(jī)械本體，使用固高GE-400-PV-PCI型四軸運(yùn)動(dòng)控制卡控制直角坐標(biāo)平臺(tái)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)-叩擊按摩模塊的移動(dòng)和叩擊動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件采用了基于LabVIEW平臺(tái)的人機(jī)交互式界面，該界面提供了手動(dòng)和自動(dòng)兩種系統(tǒng)操作模式，提高了該系統(tǒng)的可操作性。通過(guò)按摩人體測(cè)試，兩種不同的系統(tǒng)操作模式均能滿(mǎn)足叩擊類(lèi)按摩手法的基本要求，進(jìn)而驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;叩擊按摩;運(yùn)動(dòng)控制;激振器

隨著社會(huì)老齡化程度加劇，越來(lái)越多長(zhǎng)期臥床的老年人需要進(jìn)行按摩以防止各種并發(fā)癥的發(fā)生。近年來(lái)，專(zhuān)業(yè)的按摩護(hù)理人員急劇短缺，現(xiàn)有的按摩護(hù)理從業(yè)者從事著繁重的按摩體力勞動(dòng)，這一現(xiàn)狀促進(jìn)了由物力代替人力對(duì)長(zhǎng)期臥床老年人進(jìn)行按摩護(hù)理的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的三自由度叩擊按摩系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體背部的定距離、定頻率叩擊按摩，可以使按摩護(hù)理進(jìn)入機(jī)械化、智能化、自動(dòng)化的發(fā)展階段。

1 叩擊按摩系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的三自由度叩擊按摩系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由懸臂柔性叩擊按摩模塊和三自由度直角坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)兩部分組成。以固高運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，來(lái)實(shí)現(xiàn)三自由度移動(dòng)平臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)和懸臂柔性叩擊按摩模塊叩擊動(dòng)作的產(chǎn)生。通過(guò)兩部分運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體背部不同位置、不同頻率的叩擊按摩。

圖1 三自由度叩擊按摩系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖懸臂柔性叩擊按摩模塊是用懸臂梁式的叩擊按摩臂代替人的手臂，該按摩臂具有一定的柔性，從而避免了剛性按摩對(duì)人體造成的傷害。通過(guò)激振器為按摩臂提供動(dòng)力，同時(shí)也可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡提供的可調(diào)頻率和可調(diào)幅度的正弦信號(hào)，改變激振器的振動(dòng)頻率和幅度，進(jìn)而改變懸臂柔性按摩臂的按摩方式，滿(mǎn)足不同的按摩需求。三自由度直角坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)是由三個(gè)線(xiàn)性模組組成，該平臺(tái)的最大移動(dòng)距離為1000mm×400mm×1000mm。三個(gè)軸采用笛卡爾坐標(biāo)系定義，分別定義為 X 軸、Y 軸、Z 軸，三個(gè)軸的方向分別對(duì)應(yīng)實(shí)際中的左右、前后和上下方向，使用線(xiàn)性模組搭建該三維坐標(biāo)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)方式上采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)方式上采用滾珠絲杠，和直線(xiàn)導(dǎo)軌輔助完成。三自由度叩擊按摩系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 叩擊按摩系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)叩擊按摩系統(tǒng)的功能分析，要求該系統(tǒng)能夠仿照傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)叩擊類(lèi)按摩手法進(jìn)行智能化按摩，按摩的位置、頻率、力度能夠在終端界面上實(shí)時(shí)顯示，并且在按摩過(guò)程中能夠隨時(shí)改變按摩的位置、頻率、力度。充分考慮按摩系統(tǒng)的控制要求，本文采用了“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維直角坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)和叩擊按摩模塊的精準(zhǔn)控制。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如上圖2所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

叩擊按摩系統(tǒng)的軟件功能要求實(shí)現(xiàn)叩擊按摩的自動(dòng)化全過(guò)程。軟件系統(tǒng)的編程方式以采用模塊化形式，主要包括人機(jī)交互式界面、運(yùn)動(dòng)控制模塊、人機(jī)距離監(jiān)測(cè)模塊等，其中運(yùn)動(dòng)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)控制兩種工作模式。開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用虛擬儀器LabVIEW，其具有編程簡(jiǎn)單、界面直觀等優(yōu)點(diǎn)。叩擊按摩系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件部分主要功能包括接收并響應(yīng)外部的操作指令、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)工作狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)工作中所產(chǎn)生故障的診斷及解決、系統(tǒng)工作信息的反饋等。控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論

本文結(jié)合叩擊類(lèi)按摩手法在護(hù)理中的應(yīng)用以及按摩康復(fù)類(lèi)設(shè)備的市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了一種基于三自由度直角坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)的叩擊按摩系統(tǒng)，采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的控制方式，基于LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)叩擊按摩過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制。通過(guò)按摩人體測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)控制方案的可行性。叩擊按摩系統(tǒng)的研制實(shí)現(xiàn)了叩擊按摩的機(jī)械化與自動(dòng)化，與其他按摩康復(fù)類(lèi)設(shè)備結(jié)合使用，可以將按摩護(hù)理人員從繁重的體力按摩工作中解放出來(lái)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可推廣性。

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作者簡(jiǎn)介：賈培奇（1990-），男，漢族，河北邯鄲人，碩士研究生，科員，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。