“Massages-Robot”中医按摩床设计说明书

设计者：高浩、钟山、肖明阳、胡勇、胡焱明

指导教师：曾欣、覃智广

（宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003）

作品内容简介

本作品的设计主要是为了解决目前各类按摩器材按摩的局限性，同时将中医医学按摩有效地结合，从而实现对人体全身的穴位进行按摩的功效。

“Massages-Robot”中医按摩床主要针对人的肩部、背部以及四肢，实现中医按摩理疗手法中的“推、拍、按、捏、揉、震”手法，床中的背部按摩装置可以对人体背部进行有效按摩，同时结合传感器对人体体型进行信息采集，通过程序进行分析找到人体穴位，使机械手臂能够自动找到人体穴位，利用其机械手臂按摩装置实现对人体腹部及四肢的按摩，从而解决传统按摩器只能对人体背部按摩的问题，最终实现对穴位的按摩。使用电动控制系统控制机械手臂和背部按摩系统的移动，从而达到人体各个部位的按摩功能。它既能够帮助上班族在短时间内对全身进行按摩，对身体进行放松，缓解工作压力，也适合老年人使用。

联系人：田泽民，联系电话：189********，EMAIL：tianzem@163.com

1概述

1.1 研制背景及意义

当下都市人的生活节奏越来越快，忙碌的工作让人们身心疲惫，没有时间去运动，导致人们生活质量越来越差。我们的“Massages-Robot”中医按摩床就是为了改善人们的身体健康而制作的。按摩是通过手法作用于人体的肌表，以调节人体的亚健康状态，从而达到治病和保健的作用。依据中医医学的经络学说，其作用原理与各种手法有密切关系。经络贯通于人体内外、上下联络脏腑，贯通九窍，是气血运行的途径，也是津液输布的网络。经络壅阻，人体气血不畅，阴阳失调，就会产生疲劳和病变。中医医学典籍认为：按摩能调解阴阳平衡，疏通气血经络，而且还能够活血化瘀、增强人体抗病能力等。西医认为按摩不但可以调整内分泌、缓拿复位等作用，而且具有调节大脑皮层、皮质功能，使大脑神经产生冲动，进而达到兴奋或抑制神经作用。大量科学研究实践证明，各种按摩手法是由各种动作所产生的力在机体上引起的一系列反应，人体接受按摩以后，能使大小循环系统畅通，血流丰富，改善血液循环，加速人体各器官组织的新陈代谢，消除疲劳，解除病痛，具有延年益寿之功效。

1.2 现状分析与改进

1.2.1 目前按摩器具现状

目前的按摩工具主要有：按摩棒（如图1-1）、按摩椅（如图1-2）、充气式按摩袋等等，而这些工具都有一定的局限性。同时，现有按摩器具太过传统，按摩效果不够明显；并且大多按摩器材只能对人体的局部进行按摩，不能真正地给使用者带来舒适的按摩。

图1-1 按摩棒

图1-2 按摩椅

1.2.2 “Massages-Robot”中医按摩床的创新点

（1）“Massages-Robot”中医按摩床有效地结合中医按摩理疗手法中的“推、拍、按、捏、揉、震”手法，实现对人体的背部、腰部、四肢、腹部的按摩。较好地完善了现有市场上的按摩功能，非常适应如今的快节奏的生活，极大的提高了人们对保健的需求。“Massages-Robot”中医按摩床三维图及三视图如图1-3所示。

（2）“Massages-Robot”中医按摩床利用的是全自动式控制系统，人们在操作时只需用遥控器就可以轻松地控制按摩床地运行。

图1-3 “Massages-Robot”中医按摩床

2作品设计内容

2.1 材料的选择

本作品的床身是由长和宽分别为22×2mm不锈钢方形管加工而成，除拥有良好的塑性及加工性能外，还拥有良好的力学性能、可回收性以及较高的耐磨性，能承受机构变形时所产生的压力。行车装置由电机的正反转带动其前进或后退。行车由步距角1.8度转矩2.4的电机、￠75cm的轮子、￠24cm的滚动轴承。揉背装置和机械手臂装置由若干根宽为2cm、厚0.2cm的铝条组成。

2.2 机构设计

2.2.1 平面连杆机构概述

平面连杆机构是由若干个平面机构通过低副连接而成的机构，又称为平面低副机构。平面连杆机构广泛应用与各种机械和仪表中，其主要优点有：

（1）平面连杆机构以面接触承受的压强小，便于润滑，磨损较低，可以承受大的载荷。

（2）构件形状简单，构件工作可靠。

（3）可以使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。

（4）利用平面连杆机构中的连杆可满足多种运动轨迹的要求。

其主要缺点有：

（1）连杆设计较复杂且精度不高。

（2）不能用于高速场合。

我们所设计的“Massages-Robot”中医按摩床的机械手臂按摩系统能同时实现揉、捏按摩功能。而现有的健身机械都是部件实现单一功能。例如，北华大学机械工程学院第二届“挑战杯”竞赛的作品吊臂式仿生按摩机如图2-1所示。

通过平面四杆机构的优缺点总结及对现有情况的对比，因此我们将平面连杆机构用于我们的机械手臂系统。

2.2.2 平面连杆机构自由度计算

我们设计的平面连杆机构由1对齿轮、16根杆件、10颗销钉组成的平面连杆机构。根据自由度的计算公式2-1：

图2-1 吊臂式仿生按摩机

F1=3n－2Pl－Ph 公式（2-1）

平面连杆机构如公式2-1所示，其自由度计算为：

F1=3×7－2×10

=21－20

=1

按摩机械手臂端部的机构简图，如图所示2-2：

图2-2 机械手臂的平面连杆机构简图

2.2.3 平面连杆机构的摆动幅度及杆长计算

（1）摆动幅度计算：

从动摇杆往复摆动的角速度不一样，一慢（工作行程或正行程）一快（返回行程或反行程），用行程速比系数K表示为： = 公式（2-2）

则极位夹角：

= 公式（2-3） 可见：铰链四杆机构是否具有急回运动性质，取决于极位夹角是否存在。角越大，急回运动特征越明显。 因此，机构的急回特性也可用角来表征。由于与从动件极限位置对应的曲柄位置有关，故称其为极位夹角。

根据上述2-2、2-3计算公式：

K=

设角度=75°及角度1能达到的最大角度。

计算的行程速比系数K1=1.66

K2=

设角度=120°及角度2能达到的最大角度，

计算的行程速比系数：K1=1.55

计算极位夹角：

=44.661

（2）杆件计算

平面四杆机构有曲柄条件应满足：当最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和，最短杆的相邻杆为机架时得到曲柄摇杆机构。

设A=21.5、B=105、C=50、D=90

则A+B≤C+D

21.5+105≤50+90

所以假设成立，当A=21.5、B=105、C=50、D=90，机构能实现运动。

2.2.4 揉背机构概述

曾在第二届全国大学生机械创新大赛决赛中，作品双椭圆健身康复机的双椭圆机所采用的形式为曲柄滑块机构。双椭圆健身康复机利用曲柄滑块机构来实现椭圆运动轨迹，用于伤残者康复训练和正常人健身运动的器材。双椭圆健身康复机中的曲柄摇杆机构如图2-3所示：

图2-3 曲柄摇杆机构

现在市面上的搓背机是利用正弦机构的双滑块来实现对背部上下、左右的固定式按摩，如图2-4所示，并不能给人带来真人式地手法按摩，而且局限性大。

图2-4 搓背机机构

偏置曲柄滑块机构是曲柄滑块机构导路不通过曲柄的回转中心而形成的。偏置曲柄滑块机构广泛运用于传力较大的剪床、冲床、鄂式破碎机、内燃机等机械中应用。利用偏置曲柄滑块机构上多点连接处及多个主动力来实现多点运动轨迹。

平面机构的设计是根据已知条件来确定机构各构件的尺寸，其可以归纳为两种基本类型。

（1）实现给定的运动规律。

（2）实现给定的运动轨迹。

我们所设计的“Massages-Robot”中医按摩床的揉背系统不只是单一的对背部一处实现揉的功能，而是需要多处同时实现。

我们根据上述平面机构的这两个基本特性，再联系我们所需要的机构的运动轨迹，我们采用偏置曲柄摇杆机构作为该款按摩床的揉背系统的基本的机构。我们利用曲柄摇杆机构的运动稳定性来自动适应不同体型的按摩。

2.2.5 揉背机构自由度计算

我们设计该揉背机构由5根活动杆件、4颗销钉、2个轴承所组成。该机构共有2个主动件。根据自由度的计算公式：F1=3n-2Pl-Ph

偏心曲柄滑块机构自由度计算为：

F1=3×6-2×8-0=18-16=2

揉背机构简图如图2-5所示：

图2-5 揉背机构简图

2.2.6 揉背机构的摆动幅度及杆长计算

（1）从动摇杆往复摆动的角速度不一样，一慢（工作行程或正行程）一快（返回行程或反行程），用行程速比系数K表示为： =　　　 则极位夹角：　　　　

可见：铰链四杆机构是否具有急回运动性质，取决于极位夹角是否存在。角越大，急回运动特征越明显。 因此，机构的急回特性也可用角开表征。由于与从动件极限位置对应的曲柄位置有关，故称其为极位夹角。

根据上述计算公式：

设角度=75°及角度1能达到的最大角度

计算的行程速比系数=2.43

设角度=120°及角度2能达到的最大角度

计算的行程速比系数K2=5

计算极位夹角

=

=120°

（2）杆件计算

平面四杆机构有曲柄条件应满足：当最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和，最短杆的相邻杆为机架时得到曲柄摇杆机构。

设A=100、B=720、C=360、D=500

则A+B≤C+D 100+720≤360+500

所以假设成立，当A=100、B=720、C=360、D=500，机构能实现运动。

揉背机构三视图及其立体图2-6所示：

图2-6 偏置曲柄滑块机构

2.3 “Massages-Robot”中医按摩床设计

2.3.1 床身的设计

根据人体身高比例测算，我们采用的床身设计是运用一个长、宽、高为200100140mm的床架。将其分为三层：床面B、揉背机构层F和C、行车行走层D。我们采用此种位置摆放方式的原因在于以便于各个部件之间的相互连接，避免碰撞、合理运用空间。床架结构如图2-7所示：

图2-7 床架示意图

2.3.2 “Massages-Robot”中医按摩床各个系统

（1） 机械手臂系统：采用平面连杆机构来作为按摩机械手臂的端部，利用该机构的摆动轨迹，实现对肩部“拍、击、揉”的按摩手法。安装在机构中的球体，使按摩的受力面积更加多样化，使其适合不同体型的人群。机械手臂装置机构实物图2-8所示：

图2-8 机械手臂装置机构

（2） 背部按摩系统：背部按摩机构采用的形式为偏置曲柄滑块机构，利用双电机控制偏置曲柄滑块机构实现回转运动，达到对背部的移动式“推、震、揉”效果。

（3）人体感应系统：通过传感器接受人体自身的信息，可以更好地实施按摩，使按摩更加人性化。

（4）音乐装置： 在“Massages-Robot”中医按摩床上装有音乐播放器，采用音乐对神经进行舒缓，为按摩营造良好环境。让使用者充分的享受按摩。

（5）电动控制系统：由电动机为机械手臂及其背部按摩系统提供动能，同时由蓄电装置储存各个机构所做的机械能，最终可转换为动能。

（6）“Massages-Robot”中医按摩床三维图如图2-9所示：

图2-9 “Massages-Robot”中医按摩床

3电控部分原理介绍

“Massages-Robot”中医按摩床的硬件部分由核心控制器（单片机AT89S52）、电源模块、驱动模块组成。

3.1 AT89S52弹片机最小系统

本作品控制系统主要以AT89S52单片机为控制核心，加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成，来控制来实现全自动，具有成本低，控制可靠等优点。AT89S52单片机最小系统图如图所示3-1：

图3-1 AT89S52单片机最小系统图

3.2 电动机及驱动系统

3.2.1 电机驱动模块

固定于机身的直流电机提供系统动力。直流电机的控制采用L298N芯片，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电动机驱动芯片，其实物如图3-2所示。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高；输出电流大；额定功率高。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机、继电器线圈等感性负载。

图3-2 L298N芯片实物

（1）背部飞剪机构的双直流电机驱动板如图3-3所示：

图3-3 直流电机驱动板

（2）直流电动机驱动板PCB如图3-4所示：

图3-4 直流电动机驱动板PCB

（3）直流电机驱动板设计原理图如图3-5所示：

图3-5 直流电机驱动板设计原理图

3.2.2 电动机及其电机的选择

根据设计的行车整体重量和按摩情况的受力分析，计算出驱动电机的功率和扭矩力的大小，因此选择步进电机进行控制行车的移动。

“Massages-Robot”中医按摩床采用3额定电压为12V的直流减速电动机分别对背部按摩机构、机械手臂按摩机构提供动力；利用对步进电机的控制（57BYG250-112步进电机（3A、2.4NM、4线）、57BYG250-56两相步进电机（2A、0.9nm、4线）、57BYG250-50两相步进电机 （0.6A、0.7NM、4线））实现对行车、机械手臂的精确移动、升降。

其基本参数为有：步距角 1.8°， 额定电压 24V ，工作电压 12-32V，温升 80KMAX；环境温度 -40℃-~+55℃，绝缘电阻 500VDC100MΩ Min。绝缘强度 1000VAC50Hz1mA Min，轴径 9mm，机身长 112mm。

（1） 外形及电气原理图如图3-6所示：

图3-6 外形及电气原理图

（2） 步进电机接线实图如图3-7所示：

图3-7 步进电机接线实图

3.2.3 电控部分C程序

电控部分C程序见附录。

4市场推广价值

随着生活水平的提高及科学技术的发展，按摩器多功能化及自动化程度将逐步提升，人们对自己的健康更为重视。本作品是运用机构和遥控电动来实现其功能，其设计原理较简单，它的制造成本也较低，功能也较为完善，能满足“推、拍、按、捏、揉、震”中医手法。

本作品利用电动遥控装置让其按人们要求自由前进，每次到了指定位置后即可进行按摩，这样既省时省力又简便。

本作品还有很多可以扩展的空间，根据不同的按摩手法需求增加和减少一些装置，满足使用要求。

在我们设计过程中，通过多次实验，不断设计与改进，使其功能更加完善。而市场上也很少有此类多功能的按摩产品，且本作品的出现极大的提高了人们对保健的需求，一些老式简单按摩装置将会逐步被取代；所以我们的这项设计也具有很大的推广价值。通过上述分析，多功能中医按摩臂的市场推广前景较广阔。

5 参考文献

［1］ 闻邦椿．机械设计手册：第２卷［Ｍ］．５版．北京：机械工业出版社，2010．1．

［2］ 卜炎．机械传动传动装置设计手册．［Ｍ］北京：机械工业出版社，1999．

［3］ Ｃ·Ｈ柯热夫尼柯夫，等．机构［Ｍ］．北京：机械工业出版社，1981．

［4］ 沈允楣．机构设计的组合与变异方法［Ｍ］．北京：机械工业出版社，1982．

［5］ 鲁远栋．ＰＬＣ机电控制系统应用设计技术．［Ｍ］．２版．北京：电子工业出版，2010．3．

［6］ 薛卫国．中华保健按摩全书．［Ｍ］．初版．重庆出版社，2007．1．

［7］ 机械设计手册. ［Ｍ］．（新编软件版）．北京：机械工业出版社，2008.

6 附录

附录1 电控部分C程序

L298驱动步进电机正反转程序

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define speed 30//步进电机速度，数值越大，电机速度越慢

sbit ENA=P3^0;

sbit IN2=P3^1;

sbit IN1=P3^2;

sbit IN4=P3^3;

sbit IN3=P3^4;

sbit ENB=P3^5;

abit k-1-P2^0;

abit k-1-P2^1;

void delay(uint x)

{

uchar a;

for(;x>0;x--)

for(a=110;a>0;a--);

}

main()

{ ENA=1;

ENB=1;

if(p2^0==0)//接收器控制步进电机正传

{

IN1=0;IN2=0;IN3=1;IN4=0; delay(speed);

IN1=0;IN2=0;IN3=1;IN4=1; delay(speed);

IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=1; delay(speed);

IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1; delay(speed);

IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=1;IN2=1;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0; delay(speed);

}

if(p2^1==0)//步进电机反转

{

IN1=0;IN2=1;IN3=1;IN4=0; delay(speed);

IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=1;IN2=1;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=0; delay(speed);

IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=1; delay(speed);

IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=1; delay(speed);

IN1=0;IN2=0;IN3=1;IN4=1; delay(speed);

IN1=0;IN2=0;IN3=1;IN4=0; delay(speed);

}

}

直流电机调速程序

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

#define speed 30

uchar time0_val;

uchar time1_val;

sbit ENA=P1^0;

sbit IN2=P1^1;

sbit IN1=P1^2;

sbit IN4=P1^3;

sbit IN3=P1^4;

sbit ENB=P1^5;

void delay(uint x)

{

uchar a;

for(;x>0;x--)

for(a=110;a>0;a--);

}

void time0( ) interrupt 1

{

time0_val++;

}

void time1( ) interrupt 3

{

time1_val++;

}

zhiliudj()

{

if(time1_val>zhouji)

{

time1_val=0

IN1=1;

}

if(time0_val>maikuan)

{

time0_val=0

IN1=1;

}

}

main()

{

SCON = 0x52; /* SCON */

TMOD = 0x22; /* TMOD */

TCON = 0x69; /* TCON */

TH1 = 0xf3; /* TH1 */

TH0 = 0xf3;

}

利用脉宽驱动电机程序

#include

#include //Keil library (is used for _nop()_ operation)

#include //Keil library

#include //Keil library

unsigned char maikuan=0;

sbit diandj=P1^0; //电机驱动端口

void time0() interrupt 1 //定时器0定时20ms中断

{

Dianji=1;

ET1=1; //打开定时器1中断

TR1=1; //定时器1开始定时

TH1=0Xd8+maikuan; //定时器1定时10ms中断 maikuan越大，速度小

TL1=0Xf0;

}

void time1() interrupt 3 //定时器1定时maikuan ms中断

{

Dianji=0;

ET1=0; //关闭定时器1中断

TR1=0; //定时器1关闭定时

}

void main()

{

EA=1; // 打开中断总允许位

IT0=1; // 设置外部中断为边沿（下降沿）触发方式

IT1=1;

TH0=0XB1; //定时器0定时20ms中断

TL0=0XE0;

TH1=0Xd8; //定时器1定时10ms中断

TL1=0Xf0;

TMOD=0x11; // 设置T0/1为工作方式1(16位定时器）

ET0=1; //打开定时器0中断

TR0=1; //定时器0开始定时

maikuan=1;

while(1);

}

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