多功能小腿按摩儀的設計與實現

關鍵詞：小腿；按摩；NY8BE64A；多功能；氣壓擠壓

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）28-0105-03

0 引言

隨著現代城市化的發展，人類正逐漸脫離傳統的工作生活方式，日常缺乏鍛煉、久坐不動已成為現代人的常態。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聯，不論年輕還是年老，都面臨嚴重的腿部健康問題[3]。針對這類問題，設計出能夠滿足各個群體需求的按摩產品至關重要。

此前有學者在按摩儀設計方面做出了一些探索，如：李卓琪[4]設計了一種基于STM32為核心的氣壓式按摩儀，通過控制氣泵對氣囊進行充氣放氣，實現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節屈伸模塊，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]結合中醫經絡學理論設計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穴位，再根據使用者的病癥對特定穴位進行水壓沖擊按摩，對癥下藥使得治療效果更加顯著。王影影[7]基于單片機設計并實現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，通過調整輸出電壓波形和幅值，對電極貼合部位的神經進行電刺激從而促使肌肉主動發生跳動，該設計所用設備簡潔且功效顯著，具有較高的實用價值。

然而，現有很多按摩儀產品設計中存在一些問題。一方面，大多數儀器的按摩方式單一，普通按摩儀無法滿足多種復雜腿部癥狀的需求；另一方面，目前越來越多的按摩儀設計采用手機App遠程操控[8]，用戶操作流程復雜煩瑣，設備之間耦合度高，增加了用戶的學習和使用成本，對老年群體尤其不便。因此，開發一款功能全面、易于操作、成本低廉的按摩產品具有重要意義[9]。本文以九齊NY8BE64A單片機為核心，設計并實現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，體驗豐富，對緩解使用者肌肉疲勞、促進腿部血液循環和淋巴流動具有不錯的功效。

1 系統設計方案

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。在設計上，首先使用傳統氣壓擠壓的方式模擬推拿揉捏，以包裹肌肉，達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行捶打和熱敷，更有效地緩解肌肉緊張、促進血液流通和淋巴循環[10-11]。最后使用電脈沖刺激的方式刺激肌肉深層神經和脈絡，幫助消除疲勞受損的肌肉和神經，對缺乏運動或腿部疾病患者的康復過程起到更好的輔助效果。按摩系統設計如圖1所示。

2 硬件設計

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構，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，能夠穩定地貼合皮膚表皮傳導刺激電流。控制系統以九齊NY8BE64A單片機為核心，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現儀器的總體功能。在實際使用中，用戶首先通過按鍵選擇和切換按摩模式及檔位，并能從LED顯示獲知當前儀器工作狀態，通過氣壓模塊實現氣囊鼓脹擠壓所包裹肌肉，對小腿實現按壓效果，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行低頻電脈沖刺激貼合部位肌肉實現電療效果[12]。硬件模塊結構如圖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FP6293，工作時以5V電壓驅動向氣袋充氣。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。根據氣閥的開合周期及順序，設計了三種按摩模式：輪流按壓、接替按壓和同時按壓。通過氣壓模塊改變氣泵的充氣時間，控制氣囊的膨脹程度，模擬實現小、中、大三種按摩力度，用戶在使用時可根據自身體驗進行選擇。

2.2 熱敷模塊

熱敷模塊使用具有優異導熱性和穩定性的石墨烯加熱片作為發熱體。加熱片輕薄的片狀結構能夠很好地包裹腿部，實現熱敷功能。通過連接單片機的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構成。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腓腸肌部位的疲勞與緊張。震動模塊同樣連接至單片機的PWM輸出，通過控制馬達的轉速與輸出力度，實現無、低、中、高四種震動力度，滿足用戶對不同震感強度的需求。

2.4 電刺激模塊

電刺激模塊由電極片和電刺激芯片構成，考慮到部分用戶群體對神經電刺激的生理性排斥[13]，故該模塊設計獨立于儀器，用戶可根據自身需求選擇使用。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元，實現TENS 鎮痛、EMS輔助增肌、EMSRP肌肉康復等多種功能。按摩儀在設計中采用TENS_NS4芯片的默認綜合模式，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輪流實行模擬針灸、鎮痛、增肌等理療效果，進一步豐富用戶的按摩體驗。

2.5 交互模塊

交互模塊負責實現用戶對按摩儀的操作以及查看設備當前工作狀態的功能。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，可根據正常工作狀態、低電量和充電狀態顯示不同顏色，實現功能指示與區分效果。按鍵輸入方面，使用五個物理按鍵分別控制按摩儀的開關機、模式、壓力、溫度和震動功能。當用戶按下按鍵時，伴隨蜂鳴器短提示音，整體達到簡便的交互效果。

2.6 電源管理模塊

電源管理模塊負責低電量偵測報警和充電管理功能。在按摩儀的使用過程中，過度放電容易降低鋰電池的壽命。為了延長產品的使用壽命，設計了電源管理功能。該功能利用單片機內部的低電壓檢測（LVD） ，當檢測到電源電壓低于設定閾值時，電源指示燈將持續閃爍紅燈，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秒后自動關閉設備。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工作。

3 軟件設計

開發環境簡介：本項目的軟件代碼采用C語言編寫，開發環境為九齊單片機所用的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及相應型號的燒錄器將該文件燒錄至單片機中。

3.1 整體程序流程設計

整體系統為循環狀態。開始工作時，執行各功能模式的默認設置，并點亮相應的LED燈。隨后，單片機進入LED閃爍、按鍵檢測、充電檢測3個模式的循環。當檢測到按鍵按下時，更新相應模式的狀態。整體程序流程如圖3所示。

3.2 氣壓程序流程設計

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間。系統利用單片機內部定時器T0產生定時中斷進行時間計算。在創建工程時，通過配置菜單界面選擇特定的時鐘源、指令周期和分頻系數，以實現單片機2.48ms的定時中斷。在按摩儀工作過程中，每次定時中斷發生時進行一次計數。當計數值累計達到預設閾值時，執行相應邏輯并重置計數變量，從而實現計時控制。當按下氣壓檔位按鍵時，新的計數值將在當前充放氣流程結束后重新加載。氣壓相關程序如圖4所示。

4 實物測試

按摩儀的實物如圖5所示。為驗證其效果，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。為全面評估產品性能，測試環節設定了五項評判指標：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。其中，操作簡便度反映用戶在無說明指導下對儀器的上手難易程度；信息可視化反映用戶對當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。在測試過程中，受試者分別用本設計的按摩儀和市面上某款普通按摩儀對左右腿進行按摩，并根據自身體驗認同度由低到高給出1～5分的評分值，測試結果采用李克特量表統計表征，得分均值情況如圖6所示。

根據評測數據，可以得出結論：所設計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四項指標上均高于對照組，且分數均超過4分，基本達到了設計初衷。

5 結束語

針對復雜多樣的腿部健康問題，本文設計并實現了一款多功能小腿按摩儀。該儀器通過多種方式實現對腿部的擠壓、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偏癱患者[14-15]。此外，由于按摩儀器基于包裹肢體的設計，不僅適用于小腿，還可以對大腿和手臂肌肉進行按摩，展現出較強的拓展性和多樣性。本文所設計制作的按摩儀器操作簡便、工作穩定、功能多樣，符合市場需求，具有較高的實用價值。