一种按摩机芯的创新设计

【作 者】严金森

上海荣泰健康科技股份有限公司，上海市，201713

0 引言

按摩推拿是中医治疗疾病的一种手段，决定按摩疗效的一个重要因素是按摩手法。按摩手法要求有力、持久、均匀、柔和，以达到深透和渗透的目的。所谓有力是指按摩要有一定的力度：在按摩时应当根据患者的体质、病情、按摩部位以及采用手法的不同，选择适当的力量。按摩机芯是一种模仿人手对人体进行按摩的装置。为了增强按摩疗效，对于按摩机芯，按摩力度的智能检测、控制非常重要。

1 研究课题

如图1所示，目前常规的高端按摩机芯的结构主要包括：接触人体对人体实施揉、敲等按摩动作的揉敲装置，驱动揉敲装置转动以调节按摩强度的强度调节装置，带动按摩机芯沿按摩椅椅架（靠背）导轨上下移动的行走装置，为上述零部件提供固定或支撑的机架。

图1 常规按摩机芯结构图Fig.1 The structure diagram of conventional massage assembly

如图2所示,揉敲装置主要由按摩臂、按摩头、转轴、揉捏轴、揉敲支架、敲击轴、万向轴、揉捏驱动电机、皮带轮-齿轮机构、敲击驱动电机、皮带轮机构、支撑轴和扇形齿轮组成。装在按摩臂上端转轴上的按摩头是按摩机芯上唯一接触人体的部件，按摩机芯通过按摩头的运动对人体产生按摩效果。揉捏轴由左、中、右三个轴段构成，左、右轴段结构对称，均与中间轴段存在一定夹角(如170°)。揉捏轴以其中间轴段可旋转地安装在揉敲支架上。按摩臂左、右各一个，左按摩臂（下端部）以回转副形式联接在揉捏轴左轴段上，右按摩臂（下端部）以回转副形式联接在揉捏轴右轴段上。敲击轴由左、中、右三个轴段构成，左、右轴段的轴心与中间轴段轴心不重合。敲击轴以其中间轴段可旋转地安装在揉敲支架上。敲击轴左轴段与左按摩臂之间、敲击轴右轴段与右按摩臂之间均通过万向轴相连接。揉捏轴中间轴段和敲击轴中间轴段相平行。

图2 揉敲装置结构图Fig.2 The structure diagram of kneading and knocking device

当敲击轴不动，固定在揉敲支架上的揉捏驱动电机转动，经过皮带轮-齿轮机构减速后带动揉捏轴旋转，按摩臂摆动；当揉捏轴不动，固定在揉敲支架上的敲击驱动电机转动，经过皮带轮机构减速后带动敲击轴转动，按摩臂振动；当揉捏驱动电机和敲击驱动电机同时转动时，按摩臂既摆动又振动。装在左、右按摩臂上端的按摩头随按摩臂摆动时，对人体产生揉捏的按摩效果；随按摩臂振动时，对人体产生敲击的按摩效果。

揉敲装置上设有支撑轴和扇形齿轮，扇形齿轮以支撑轴中心线为旋转中心固定在揉敲装置的支架上。揉敲装置通过支撑轴枢接在机架上。强度调节装置主要包括调节驱动电机、调节变速器、调节驱动轴以及在固定调节驱动轴上的调节齿轮。调节齿轮与扇形齿轮相啮合。

调节驱动电机转动，经调节变速器变速后，由调节驱动轴和调节齿轮输出动力，带动扇形齿轮转动，使揉敲装置绕支撑轴转动，实现按摩头进退，实现按摩强度（力度）的调节。

行走装置包括行走驱动电机、行走变速箱、行走驱动轴、行走齿轮、轮轴、轮轴固定架和行走轮。行走驱动轴可转动地安装在机架下半部，行走驱动电机经过行走变速箱变速后带动行走驱动轴转动。行走齿轮有两个，分别固定在行走驱动轴的两端随之同步转动。轮轴通过轮轴固定架固定在机架上半部。四个行走轮可转动地安装在行走驱动轴和轮轴的两端。

如图3所示，按摩机芯安装在按摩椅椅架上。椅架上设有齿条轨道和导向槽，按摩机芯上的行走齿轮与齿条轨道相啮合，导向轮则可移动地装在导向槽内。通过以下方式调整按摩位置：行走驱动电机转动，经行走变速箱变速后，驱动行走驱动轴转动，使行走齿轮转动，带动按摩机芯沿齿条轨道移动；通过行走轮与导向槽相配合起到较好的导向作用，保证按摩机芯移动平稳。

图3 按摩示意图Fig.3 Massage diagram

目前，常规的按摩机芯对人体进行按摩时无法实时检知按摩力度，只能机械地执行预先设定的按摩动作。然而人有高矮胖瘦之别，故其按摩效果不尽理想。因此，如何实时检测按摩力度并智能调整，实现因人（部位）而异的理想按摩效果，成为本技术领域的一个重要课题。

专利CN201811490250提出的“将按摩头转轴改装成力检测传感器来实现按摩力实时检测”的方案存在着原理复杂、检测结果误差大、成本高等缺点，故无法实际应用。

也有人提出，将三轴力传感器设计成轴状，替换现有的按摩头转轴，这样就能实时检测到按摩头的受力情况，就能得知按摩机芯对人体的按摩力度。但三轴力传感器价格昂贵，因此该方案只能应用于实验，而无法在产品上推广。

还有人提出，以称重传感器替代轮轴固定架，其两个工作面分别与轮轴和机架连接，这样就可以实时检测到机架对轮轴的压力，而算出按摩机芯对人体的按摩力度。但按摩机芯工作时，对人体的按摩力变化频繁且无规律，这会严重妨害称重传感器的检测准确度和效率。

2 方案设计

常规的按摩机芯，其行走轮轴通过轮轴固定架紧固在机架上，仅起承载作用。本研究方案：改变这一常规结构，将行走轮轴设计成可浮动状态，并在该轴与机架之间装配新设计的测力装置。

如图4所示，该测力装置主要由壳体、滑块、弹簧、磁铁、限位片和线性霍尔传感器组成。壳体的内腔为一滑槽，滑块装在该滑槽内，可在滑槽内滑动。弹簧装在壳体滑槽内，介于壳体和滑块之间，其两端分别与壳体内滑槽顶面和滑块顶面相抵。故，滑块上移时，弹簧压缩；滑块下移时，弹簧伸展。磁铁固定在滑块底部，随滑块同步运动。限位片固定在壳体底面防止滑块脱离壳体。线性霍尔传感器固定在限位片上。因此，滑块上移，磁铁远离线性霍尔传感器；滑块下移，磁铁靠近线性霍尔传感器。壳体用螺丝紧固在机架上。滑块上开有通孔，行走轮轴穿过该孔（轴与孔过渡配合），行走轮轴与滑块同步浮动。壳体侧面开有便于行走轮轴浮动的避让孔。行走导向轮可旋转地安装在行走轮轴两端。测力装置有两个，平行地安装在机架左右两边。

图4 新设计按摩机芯结构Fig.4 The structure diagram of newly designed massage assembly

当按摩机芯给人按摩时，因行走导向轮受椅架导向槽约束而不能浮动，故可视滑块为静止状态，而人体对按摩头的反作用力会使机架连同测力装置壳体靠近滑块，同时压缩弹簧。此时，固定在壳体上的线性霍尔传感器朝远离磁铁方向移动，其移动量可通过线性霍尔传感器的感应电压值变化检测算出。该移动量与弹簧的形变量相等，弹簧的形变量又与人体对按摩机芯的反力相关联。因此，通过获取传感器感应电压值变化，可知移动量，即可知弹簧弹力，然后大致算出人体对按摩机芯的反力（力矩），即得知按摩机芯对人体的按摩力。说明：①因无实用价值，故忽略冲击、加速度的影响；②为简化问题，只考虑按摩头对人体的压力而不考虑夹力。

总之，该测力装置是建立在霍尔效应的基础上，首先，弹簧将人体对按摩头的反作用力（力矩）转换为磁铁的位移量，然后，再通过线性霍尔传感器及其测量电路将磁铁的位移量（磁强变化）转换为电压变化，从而将非电量转换成电信号输出，实现对非电量（按摩力）的测量。

若测力装置检测到按摩头对人体的按摩力过大，电控系统根据线性霍尔传感器的反馈信息，作出处理后，发出指令，控制调节驱动装置，带动揉敲装置以远离人体的方向转动，使按摩头撤离人体，从而减小其对人体按摩力，直到力度适合为止。同样，若测力装置检测到按摩力过小，电控系统也可控制揉敲装置转动，增大按摩力，直到力度适合为止。如此，实现按摩力的智能调控。

参见图5所示，本方案的电控系统主要包括控制端MCU、检测传感器、行走和调节电机等模块。检测传感器模块（线性霍尔传感器）实时地将机械变化量转化为电学变化量，通过控制端MCU的ADC来采集，通过软件算法将其转化为数字量与预设值相比较作出判断，并将驱动指令下发到行走和调节电机。同时行走电机和调节电机上自带的传感器也实时地反馈当前转速以及绝对位置来对软件算法作负反馈，以便提高控制准确度。

图5 检测装置的模块示意图Fig.5 Testing device block diagram

3 样机验证

进行详细设计，取①线性霍尔传感器：灵敏度2.5 mV/Gs；②钕铁硼磁铁：饼状，外径Φ 12 mm，厚度2.6 mm；③弹簧：线径2.5 mm，外径18 mm，自由长度25 mm，初始长度24 mm，总圈数6，有效圈数4，材料SUS304。

加工、组装样机，对样机进行实际测试。测得（图6）：①磁铁磁场强度与距离（检测点到磁铁表面）的关系曲线；②传感器感应电压与距离（磁铁与传感器之间）的关系曲线。

图6 磁场强度、传感器感应电压与距离之间的关系曲线Fig.6 The graph of relationship among magnetic field intensity,sensor induced voltage and distance

从图6可看出，离磁铁越远的地方磁场强度越弱，线性霍尔传感器越靠近磁铁其感应电压越高：测得的曲线图与理论相符。根据曲线图，可以由线性霍尔传感器感应电压，得知磁铁与线性霍尔传感器之间的距离；即得知弹簧的形变量，就可以算出弹簧弹力，进而可以算出按摩力（力矩）。

将该按摩机芯装在按摩椅上实测：让身高175 cm的模特躺在摩椅上，保持姿态，使按摩臂张开并伸出一定长度后，驱动按摩机芯从上限位开始向下行走，走到下限位后停止。记录按摩机芯（按摩头）的位置x与相应的传感器感应电压值y，绘制曲线图如下：

图7表明：按摩机芯运行在人体各部位时，测得的传感器感应电压与实际按摩头对人体的按摩力大小基本吻合。可见，新设计的测力装置能够实时检测出按摩机芯对人体的按摩力。

图7 实测按摩位置与传感器感应电压之间的关系曲线图Fig.7 The curve diagram of the relationship between the measured massage position and the induction voltage of the sensor

4 效果与应用

4.1 安全性、舒适性明显提高

常规的按摩机芯没有配备按摩力检测装置，其按摩臂的伸缩（即力度调节），由编定的程序执行，没有检测、反馈，无法自我智能调节，存在使用安全隐患，如戳伤使用者等。

我们设计的按摩机芯，其控制系统会根据测力装置反馈的按摩力信息，及时调控按摩臂伸缩，通常不会让按摩力度超出安全范围，即便发生意外，也会迅速将按摩力度调节到合适的范围内，避免戳伤使用者，同时提高按摩舒适度。这也使按摩机芯避免超负荷使用，提高其自身的使用寿命。

4.2 肩部位置检知更精准

人有高矮胖瘦之别,为达到更好的按摩效果，按摩机芯应当根据不同使用者的体型进行智能调节。检测使用者肩部位置，是判断其体型（身高）最常用的方法。

我们设计的按摩机芯，可通过检测人体对按摩头反作用力的变化情况，来确定其肩部位置：按摩臂伸出并张开后，让按摩机芯从上往下移动，当按摩头触及使用者肩膀时，按摩力会迅速增大；实时监视着按摩力的控制系统，可根据这一特性，及时判断按摩机芯是否到达肩部位置。经验证，这种方法，可忽略披风的阻尼干扰，比现行的“通过判断按摩机芯下行过程中行走电机是否突然降低转速来确定是否到达肩部位置”的检测方法更直接、更准确。

4.3 实现人体（背部）曲线准确检测

对不同的人体生理形态和不同的施疗部位，须采用不同的按摩手法和按摩力度。因此，要求按摩机芯具有精确检知使用者背部曲线的功能。常规的按摩机芯无此功能，我们设计的按摩机芯配备测力装置，具有此功能。

检测到肩部位置后，控制系统以肩部位置为起点，以按摩机芯行程的下限位为终点，在起点和终点之间选定若干采集点，并预设基准按摩力值（如按摩头轻触人体时的力度）。然后，驱动按摩机芯继续向下行走，到达第一采集点时，系统将测力装置检测到的按摩力与基准按摩力值相比较，若前者大于后者，则控制调节驱动装置，带动揉敲装置以远离人体的方向转动，按摩臂往回缩，按摩力变小（反之，则调大按摩力）。调整到基准按摩力值后，停止调节，记录此时揉敲装置的角度值（相对机架的角度值）。然后，驱动机芯继续向下行走，以同样的方法记录其他采集点揉敲装置角度值，直至机芯走完全程。以各采集点相对起点的行程作为x坐标值，以相应的揉敲装置角度值作为y坐标值，得到一组坐标点，再用最小二乘法拟合出曲线图，这就是人体背部曲线图。

使用者不同，测得的这种人体背部曲线图也不同。当然，它也并非人体背部形态的真实曲线，而是一条可用于按摩机芯调整按摩手法和力度的基准曲线。它表明：对于特定的使用者，按摩机芯处于某一位置x时，揉敲装置应该摆到相应角度y，按摩力正好是基准力度值。这条基准曲线有助于因人而异地合理设定各按摩手法的位置和力度。

4.4 智能地实现不同人体不同部位采用适当的按摩力度

当机芯检测出肩部位置后，即可根据肩部位置大致算出使用者身高，根据身高可划分出使用者身体各部位对应的位置。控制系统根据这一信息，结合人体背部曲线图，即可设定各部位应当使用的合适按摩力，并智能监控，达到符合中医按摩要求的不同部位使用不同按摩力度的要求。

5 结束语

设计了一种能实时检测并智能控制按摩力度的新型按摩机芯。实际测试结果表明，本设计（技术方案）可以达到预期的目标。实现按摩力智能控制，可明显提高按摩机芯的安全性、舒适性和施疗效果。新设计的测力装置还具有结构简单，成本低廉，使用寿命长等优点。