基于单片机的直角坐标系按摩机器人设计

摘 要：【目的】为了能提供多样化的按摩体验，并实现方便、快捷的效果，设计了基于单片机的直角坐标系按摩机器人。【方法】按摩机器人主要由机械臂、筋膜枪组成，将控制系统与单片机电路集成在一块控制板中，通过控制端或选择自动运行模式来控制按摩机器人的运行。【结果】通过控制板控制机械臂来带动筋膜枪运动，通过调节机械臂的力度和筋膜枪震动频率来实现放松肌肉和按摩等功能。【结论】基于单片机的直角坐标系按摩机器人设计对提高人们生活质量、促进健康产业的发展具有重要意义。

关键词：STC89C52RC单片机；步进电机；机械臂；直角坐标系

中图分类号：TP242.3" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）13-0010-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.002

Design of Massage Robot Based on Single-Chip Microcomputer in

Cartesian Coordinate System

ZHANG Jinhuan LI Zhaoliang HUANG Yu LI Ruili HU Junwan

（School of Electronic and Information Engineering， Wuzhou University， Wuzhou 543000，China）

Abstract：[Purposes] In order to provide a diverse massage experience with convenience and efficiency， a cartesian coordinate system massage robot based on microcontroller is designed.[Methods] The structure of the massage robot is mainly composed of a robotic arm and a fascia gun， and the control system and the single-chip microcomputer circuit are integrated into a control board， and the massage robot can be operated through the control end or by selecting the automatic operation mode.[Findings] The robot controls the mechanical arm through the control board to drive the fascia gun， and realizes the functions of relaxing muscles and massage by adjusting the strength of the mechanical arm and the vibration frequency of the fascia gun.[Conclusions] The design of massage robot based on single-chip microcomputer in Cartesian coordinate system is of great importance for improving people's quality of life and promoting the development of health industry .

Keywords： STC89C52RC SCM; stepping motor; mechanical arm; rectangular coordinate system

0 引言

按摩机器人是一种能够模拟人类按摩手法和技巧的机械装置，其利用机械结构、传感器和控制系统来提供全身或局部的按摩服务。在直角坐标系下对按摩机器人进行研究，通常涉及机器人运动学、力学和控制理论等领域。

基于现有设备和技术条件，设计出一款直角坐标系按摩机器人。相较于普通筋膜枪，该按摩机器人的功能更加全面，不仅实现了自动化，而且可用于全身按摩。同时，触摸屏的引入使该产品的操作更加方便，通过设定适合的模式，可以让按摩更加舒适、精准。该按摩机器人适用于大部分人群，如健身人群在健身后用来放松肌肉、康复治疗人群的日常按摩等。

1 总体设计

本研究设计一款基于单片机的直角坐标系按摩机器人，其机械按摩臂由机械手臂、筋膜枪、触摸屏组成。

机械手臂是目前机器人技术领域中应用最广泛的自动化机械装置。尽管机械手臂有不同的形态，但其能根据指令精确地定位到二维或三维空间上的某一坐标点进行工作。直角坐标系机械手臂有6个自由度，即X移动、Y移动、Z移动，在执行终端加装X转动、Y转动、Z转动从而实现轻松到达空间内的任何坐标点。

筋膜枪是一种用于软组织康复的工具，由无刷电机、控制主板、高速轴承、电机底座、防震胶圈、轴承、偏心轮、飞轮、连杆、电池、按摩头等部件组成。由高速电机带动前端按摩头震动，利用冲击来放松身体的软组织，从而达到放松肌肉、缓解疼痛、促进血液循环的作用［1］。

触摸屏是一种可接收触头等输入信号的感应式液晶显示装置。当触碰屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统会根据预先编好的程序来驱动各种连结装置，可以很好地代替机械式按钮面板。

1.1 机械手臂

1.1.1 驱动部件及原理。四相反应式步进电机是实现机械手臂运行的主要部件，如图1所示。步进电机四相绕组应按照合适的时序通电，使其产生的脉冲序列可以按照一定的时序送到绕组线圈上，实现步进电机转子逐步旋转。八拍的步距角为单四拍和双四拍步距角的一半，因此本研究采用的八拍工作方式具有较大的转动力矩和较高的控制精度［2］。八拍工作方式的通电顺序依次为：A-A、B-B-B、C-C-C、D-D-D、A-A。若步进电机反转，则通电顺序相反即可［3］。

1.1.2 运行程序设计。机械手臂采用三轴机械手控制进行设计，使用STC89C52RC芯片，选取8个端口来连接8个按键，分别控制x+、x-、 y+、y-、z+、z-的轨迹保存和自动模式。采用三路步进电机的驱动电路，每一路都由1个L298N芯片和8个二极管组成。设置位置传感器分别为x零点、y零点、z零点和物体到位。

1.2 筋膜枪

筋膜枪是利用其内部特制的高速电机来带动“枪头”产生高频震动，从而作用到肌肉深层，促进血液循环。但头颈椎、脊柱等含有大量神经、血管分布的部位不能使用。每个部位的使用时长大约为3～5 min。筋膜枪与机械臂的结合可以更安全地达到舒缓按摩的效果，只需通过更改内部电机程序，就可使筋膜枪在不同频率下运行，达到不同按摩效果。

1.3 智能触摸屏

将机械臂的运动轨迹、力度控制及筋膜枪的震动频率控制集成到同一个控制端，以智能触摸屏的形式呈现，方便使用者的控制，并可以设置适合自身的模式，达到期待的按摩效果。

2 硬件设计

本研究采用的主控芯片STC89C52RC是宏晶科技生产的一种高性能、高可靠、低功耗的8位51单片机，目前已广泛应用于众多单片机控制应用系统中。

本研究设计的按摩机器人由51单片机、LM2596S DC-DC直流可调降压稳压电源电路、L298N电机驱动电路及独立按键电路组成。在Keil5软件上用C语言进行编程，并通过stc-isp软件将程序下载到单片机中进行验证。系统硬件框架如图2所示。

2.1 单片机最小系统

本研究设计的基于STC89C52RC的单片机最小系统包括电源电路、复位电路和时钟电路。

2.1.1 电源电路。STC89C52RC单片机需要5 V直流电压供电，系统其他电路需要12 V的直流电压。因此，可以通过DC插座从外界获取12 V直流电压，利用以LM2596S芯片为主体来搭建降压电路，实现12 V直流电压降压到5 V直流电压，从而直接给单片机供电。电源电路如图3所示。

2.1.2 复位电路。STC89C52RC单片机的复位电路上电时会自动复位。其原理是在电源给电容C14充电时，会给RST引脚提供一个短暂的高电平信号，但该信号会随着电容C14的充电时长而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C14的充电时间。因此，为保证系统能可靠复位，RST引脚上的高电平必须大于复位所要求的高电平时间［4］。复位电路如图4所示。

2.1.3 时钟电路。以时钟控制信号为基准，STC89C52RC单片机的各外围部件才能有条不紊地运行。因此，时钟频率会直接影响单片机的运行速度，时钟电路质量会直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路为内部时钟方式和外部时钟方式［5］。本研究设计的时钟电路采用内部时钟方式，在STC89C52RC单片机内部输入端引脚XTAL1和输出端XTAL2的外部跨接1个12 MHz的石英晶振和2个33 pF的电容，构成一个稳定的自激振荡器。时钟电路如图4所示。

2.2 独立按键电路

由于要对3个步进电机的正转、反转、记录状态和自动运行进行控制，因此，需要8个独立按键K1～K8分别接单片机的P1.0～P1.7换口。其中，K1用于实现步进电机自动运行；K2用于记录每个步进电机的位置；K3用于控制1号步进电机的正转；K4用于控制1号步进电机的反转；K5用于控制2号步进电机的正转；K6用于控制2号步进电机的反转；K7用于控制3号步进电机的正转；K8用于控制3号步进电机的反转。独立按键电路如图5所示。

2.3 下载电路

在Keil5上编写好程序后，需要通过stc-isp软件和下载电路将编译好的目标程序烧写到单片机中，然后由单片机执行。STC单片机采用串口烧写方式，即通过单片机的UART口（RXD口、TXD口）实现程序烧写功能。

2.4 电机驱动电路

由于步进电机的驱动电流比较大，而单片机端口输出的电流较小，不能直接驱动步进电机，需要用到放大电流的电机驱动电路。本研究采用3片L298N芯片和24个二极管搭建而成的电机驱动电路来驱动3个步进电机。其中，L298N是一款能接受高电压的电机驱动芯片，可直接驱动直流电机和步进电机。除了3个L298N芯片外，其余的是用于保护内部三极管的续流二极管。电机驱动电路如图6所示。

3 软件设计

机械手臂由51单片机控制板上的独立按键控制。当按下K1时，执行机械手臂自动运行功能；当按下K2时，记录机械手臂位置坐标，按指定位置运行；当按下K3时，机械手臂沿X轴方向伸展；当按下K4时，机械手臂沿x轴方向收缩；当按下K5时，机械手臂沿Y轴方向伸展；当按下K6时，机械手臂沿Y轴方向收缩；当按下K7时，机械手臂沿Z轴方向伸展；当按下K8时，机械手臂沿Z轴方向收缩。整体程序设计流程如图7所示。

4 结语

本研究通过对直角坐标系按摩机器人进行设计，对直角坐标系按摩机器人进行三轴控制，并自定义调节按摩位置，通过分析对比，该按摩机器人具有对人体大部分穴位的按摩功能。就目前按摩机器人发展趋势来看，该研究具有一定的实用性。但因模拟测试环境单一、开机初始化定位时间较长及舒适度有待提高，后续可以通过优化算法或更换电机来进一步提升用户体验。

参考文献：

［1］李雪，孟香玲，毕乾岩.基于感性工学的筋膜枪外观设计［J］.工业设计，2021（11）：56-57.

［2］李瑾，杨昌永.基于51单片机的步进电机调速控制风扇系统设计［J］.机械工程与自动化，2023（2）：173-175，178.

［3］史敬灼，王宗培.步进电动机驱动控制技术的发展［J］.微特电机，2007（7）：50-54.

［4］江世明，许建明，朱群峰，等.单片机原理及应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2013.

［5］张翮，熊蓉，褚健，等.一种全方位移动机器人的运动分析与控制实现［J］.浙江大学学报（工学版），2004（12）：117-120，139.