一种仿真手肩部按摩装置的设计

付晓凡 孙渊 陆超 孙利

摘 要：现在越来越多的人，长时间伏案在桌，对肩部、背部产生了巨大的负荷，因此设计了一个仿真手肩部按摩装置，可以实现肩部肌肉的按摩。本装置利用机械和控制原理，对按摩机械手进行上下、左右运动控制和按摩接触力控制，实现不同频率、不同力度、不同部位的按压或震动功能，并实时调节显示按摩力度及频率大小。

关键词：按摩；舵机；步进电机；51单片机

基金项目：本文系上海市大学生科创项目的研究成果（项目编号：A1-5701-15-012-01-036）。

1 引言

本设计主要应用于肩部、背部自动按摩，这是为了现在越来越多的人由于长时间坐在电脑前导致肩部、背部酸痛，通过控制系统实现按摩运动轨迹、按摩接触力大小、按摩接触持续性、按摩接触重复度、按摩接触频率等参数的调节，从而进行按摩动作，实现局部肌肉放松。

2 仿真手肩部按摩装置的结构设计

2.1 基本思路

仿真手肩部按摩装置由机械部分、控制部分、反馈部分和显示部分四部分组成，使用单片机产生PWM波和驱动器控制信号，控制舵机和步进电机，使得机械手臂进行左右运动、上下运动以及按压运动，达到精确定位按摩，并且可以自定义按摩频率、调节按摩力度等功能。

2.2 机械部分

仿真手肩部按摩装置，其立体示意图见图2（a）所示，通过固定卡子（2-1）和固定支架（2-2）固定在椅子（1）的背靠上，X向运动机构上连接着Y向运动机构，Y向运动机构上连接着按摩力的施加机构。X向运动轨迹主要通过X向步进电机（3-4），带动齿轮（3-3）旋转，齿条（3-2）固定在支承板（2-4）上，支承板（2-4）固定不动，使步进电机（3-4）和X向电机连接板（3-5）一起作直线运动，从而带动Y向运动机构和按摩力施加的机构作X向运动，见图2（b）所示。Y向步进电机（4-2），带动齿轮（4-3）旋转，从而使齿条（4-4）作Y向运动，齿条（4-4）固定在Y向支承板（4-6）上，Y向支承板（4-6）通过上支架（4-7）与伺服电机连接板（5-1）连接在一起，从而带动按摩力的施加机构作Y向运动，见图2（c）所示。伺服电机（5-2）安装在伺服电机连接板（5-1）上，由伺服电机（5-2）带动丝杠螺母（5-3）实现按摩接触力的施加动作，压力传感器（5-4）检测按摩接触力的信号，并反馈给控制系统，进行比较和分析，从而保证按摩接触力的大小。按摩持续性主要通过控制系统设置伺服电机（5-2）在（X、Y）位置处施加按摩力的点接触时间而实现。按摩重复度通过控制系统设置按摩接触力在某一位置（X、Y）处，连续施加按摩力的次数而实现。按摩接触频率通过控制系统设置伺服电机（5-2）在（X、Y）位置处，连续施加按摩力的间隔时间而实现。使用者通过触摸屏调节按摩运动轨迹（X、Y位置）、按摩接触力大小、按摩持续性（点接触时间）、接触重复度（在固定点的按摩次数）和按摩频率（每次点接触间隔时间），就可以启动按摩运动。

3 电路部分

3.1 电路设计

控制部分包括单片机电路、电机驱动器及控制按键。以单片机为处理器，控制按键负责发出指令，单片机接收控制按键，通过驱动器驱动步进电机和舵机。反馈部分由压力传感器和限位开关构成，压力传感器将模拟信号传送给单片机，单片机再进行判断来形成反馈系统。显示部分由数码管组成以及LED灯构成，LED灯用来显示按压力度等级，数码管用来显示按摩频率大小。整体电路图如图2所示。

本设计中的输入信号有按键输入、传感器模拟信号输入、限位开关输入，输出信号有PWM波信号、驱动器控制信号、数码管控制信号和LED灯控制信号。其中，按键输入为高低电平输入信号，传感器模拟信号是压敏电阻的电压信号，通过A/D转换器，输入进单片机，限位开关输入信号防止X轴步进电机运动超出滑轨范围。输出信号中的PWM波，用来通过电机驱动器来驱动舵机和步进电机，实现对舵机的角度、调速以及步进电机的步长、调速。通过对驱动器的信号控制，可以控制电机的正反转及分频。通过对数码管的控制可以显示按摩频率的大小。通过对LED灯的控制，可以显示按摩力度的大小。

3.2 反馈部分

反馈部分主要由压力传感器和两个限位开关所组成，当按摩手按压的时候，压力传感器实时将模拟信号传送到A/D转换器中，单片机读取信号后，经过处理筛选，判断当前压力是否在预设档位压力范围内。如果压力过大，将会通过单片机控制步进电机在不改变频率的情况下减小步长。如果压力过小，将会通过单片机控制步进电机在不改变频率的情况下增大步长。通过对压力传感器的信号，来调整按摩手臂的按压力度，使设计更加实用合理，更加智能化。

4 总结

目前市场上的按摩装置主要是与椅子合为一体，又或者功能单一、不智能化，本装置将便携性与多功能性结合在一起，能广泛地安装于大部分的椅子。按摩运动功能自动调节，模拟手的动作，能调节按摩运动轨迹、按摩接触力大小、按摩接触持续性、按摩接触重复度和按摩接触频率，能够让忙碌工作的人们随时感受到肩部按摩接触运动而使肌肉放松，即使坐在办公桌前也可以边按摩边工作，从而让使用者的身体健康，提高工作效率。

参考文献

[1] 张永宇，陆宁主.机械设计基础[M].清华大学出版社.2009.11.

[2] 张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社.2016.1

[3] 李瑞鹏. 多自由度机械手臂的控制技术研究[D].安徽工业大学，2017.

[4] 邹亚琪，李雅丽，薛同莲.便携式按摩"手"的设计与实现[J].廊坊师范学院学报（自然科学版），2016，16（01）：67-69.

作者简介

付晓凡：（1996-）男，上海电机学院，本科生，自动化专业。

孙渊：（1969-）女，上海电机学院，教授，博士，研究领域为机械电子工程。

陆超：（1995-）男，上海电机学院，本科生，电子信息工程。

孫利：（1995-）男，上海电机学院，研究生，电气工程。