CN105167988B - 人体穴位指按法按摩机及其按摩力度自动反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体穴位指按法按摩机及其按摩力度自动反馈控制方法，该按摩机包括外架，以及设于外架内的电机、偏心凸轮、按摩棒、按摩头和微处理器，电机的转动轴连接偏心凸轮的中心轴，偏心凸轮抵着按摩棒的一端，按摩棒的另一端连接按摩头，外架上设有用于按摩头穿过的通孔，通孔和按摩棒之间设有弹簧组件，按摩头内部设有压力传感器，微处理器分别连接电机和压力传感器。与现有技术相比，本发明实时测量穴位按摩力度，并根据测量得的被按摩穴位的受力情况，对按摩棒的按压力度、按摩频率和按压时间进行自动控制，实现了穴位指按法按摩参数的定量化，使得按摩的力度、频率和时间定量可控，按摩过程更加符合治疗需求。

Description

人体穴位指按法按摩机及其按摩力度自动反馈控制方法

技术领域

本发明涉及一种按摩机，尤其是涉及一种人体穴位指按法按摩机及其按摩力度自动反馈控制方法。

背景技术

在中医治疗方法中，穴位按摩是指操作者在人体体表某些部位或穴位用手或肢体其他部位以及辅助器械，施于一定力量的、有目的的、有规律的各种操作方法活动，用以调节人体生理功能，使人们自身机体的气血流畅，阴阳调和，脏腑生机旺盛，以达到驱除病邪的目的。由于按摩疗法属中医外治法，它既能疏通经络，调和气血，提高机体免疫能力，又具有简便易行，施用安全、无副作用等特点。对正常人来说，能增强人体的自然抗病能力，取得保健效果；对病人来说，既可使局部症状消退，又可加速恢复患部的功能，从而收到良好的治疗效果。所以，按摩数千年以来广泛流传，不断地得到发展和提升，正被越来越多的国家所认识和接受，逐渐成为西方医学的重要的辅助治疗的手段。

然而，中医中虽明确规定有温、通、补、泄、汗、和、散、清八种基本的按摩治疗方法和推、拿、按、摩、揉、擦、滚、搓等多种临床手法。还指出不同的按摩方法，调节效果也会不同。但是由于按摩仅凭手操作、个体差异很大，特别是当样本数较多时，几乎不能达到操作的同一性，故临床及实验研究中操作的可控性较差。在应用方面，尽管为适应人们生活的需求，市场上也出现了各式各样的经络穴位按摩仪器。但是由于按摩参数缺乏量化的统一规范化的要求，市面上这些层出不穷的按摩器械不仅按摩参数范围模糊，而且按摩力度等参数不能根据不同人体的不同反应进行精确调整，无法达到预期疗效。此外，大多数小型仪器按摩参数缺乏实时显示，这使得社会中的各种按摩机构因按摩手法或按摩器械使用不当而引起的医疗事故时有发生。因此，实现按摩仪器参数的检测，特别是对力度的实时测量和显示，有助于提高按摩仪器的治疗效果，确保仪器使用的安全性和科学性。

发明内容

本发明的目的就是针对目前按摩设备无法根据不同患者人体的不同反应进行相应的按摩力度调节，难以对患者进行按摩治疗时的按摩力度和预期疗效等参数进行准确控制的问题，而提供一种人体穴位指按法按摩机及其按摩力度自动反馈控制方法，实时测量穴位按摩力度，并根据测量得的被按摩穴位的受力情况，实现按摩棒的按压力度、按摩频率和按压时间的自动控制，有助于提高按摩仪器的治疗效果，确保仪器使用的安全性和科学性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种人体穴位指按法按摩机，包括外架，以及设于外架内的电机、偏心凸轮、按摩棒、按摩头和微处理器，所述电机的转动轴连接偏心凸轮的中心轴，所述偏心凸轮抵着按摩棒的一端，所述按摩棒的另一端连接按摩头，所述外架上设有用于按摩头穿过的通孔，所述通孔和按摩棒之间设有弹簧组件，所述按摩头内部设有压力传感器，所述微处理器分别连接电机和压力传感器。

所述弹簧组件包括弹簧固定环和弹簧，所述弹簧固定环套设于按摩棒上，所述弹簧的一端连接弹簧固定环，弹簧的另一端连接对应通孔处的外架。

所述按摩头的形状为半球状。

一种基于上述的人体穴位指按法按摩机的按摩力度自动反馈控制方法，包括以下步骤：

1)通过测量给定体表形变量下按摩作用力的大小来获得穴位处体表形变系数α；

2)初始设定按摩总次数N和按摩力设定值F_s，N＝Tf，f为按摩频率(单位：次/分钟)、T为按摩时间(单位：分钟)，并开始记录按摩次数K；

3)微处理器根据穴位处体表形变系数α、按摩力设定值F_s和压力传感器实时检测的按摩头上的按摩力测量值F_t，得到电机控制脉冲数n；

4)步进电机根据电机控制脉冲数n驱动偏心凸轮旋转，按摩棒在偏心凸轮和弹簧组件的作用下上下按摩运动一次；

5)判断按摩次数K是否达到按摩总次数N，若是，则按摩结束，若否，跳转步骤3)。

所述穴位处体表形变系数α取值为穴位处弹性模数α₀，所述穴位处弹性模数α₀为按摩作用力与穴位处体表形变量之比。

所述按摩头的形状为半球状，则所述穴位处弹性模数α₀满足以下公式：

式中，F₀、ΔV₁分别为当按摩头正好完全深入穴位处体表时的按摩作用力和穴位处体表形变量，r为按摩头的半球半径。

所述步骤3)包括以下步骤：

301：微处理器采用PID算法，根据按摩力设定值F_s与按摩力测量值F_t之差获得按摩力度控制量u_n；

302：根据按摩力度控制量u_n和穴位处体表形变系数α获得按摩棒下行位移ΔL；

303：根据按摩棒下行位移ΔL得到偏心凸轮旋转角度θ；

304：根据偏心凸轮旋转角度θ得到电机控制脉冲数n。

所述按摩头的形状为半球状，则所述按摩棒下行位移ΔL满足以下公式：

式中，r为按摩头的半球半径。

所述偏心凸轮旋转角度θ满足以下公式：

式中，R₁为偏心凸轮的半径，e为偏心距。

所述电机控制脉冲数n满足以下公式：

式中，S₀为电机的细分数，M为电机的齿数，N为电机的拍数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过电机、偏心凸轮、按摩棒、按摩头以及弹簧组件模拟了中医穴位按摩治疗中指按方法，同时采用嵌入式微处理器，按照设定参数进行自动化人体穴位按摩。

2)采用压力传感器和微处理器对按摩的力度、频率和时间进行实时精确测定和反馈控制，实现穴位指按法按摩参数的定量化，按摩的力度、频率和时间能够实时定量可控，使得按摩过程更加符合治疗需求。在按摩头中设置压力传感器，实时获得按摩力测量值，嵌入式微处理器将按压力度测量结果与按摩力设定值进行对比，根据所产生的偏差按预定的反馈控制方法对步进电机进行控制，进而控制凸轮机构的转动角度和速度，实现按摩棒的上下运动的行程、按压时间和按压频率的控制，具有按压点穴的按摩力度、频率和时间实时自动调节控制的功能。

3)微处理器采用PID算法由按摩力度偏差获得反馈后的所需控制量，利用按摩棒进行穴位按压致使人体体表产生弹性形变量以及数学几何模型，依次获得对应所需控制量的按摩棒下行位移、偏心凸轮旋转角度和电机控制脉冲数，进而控制电机、偏心凸轮和按摩棒进行按摩，方法简单有效，数据处理效率和精度高。

附图说明

图1为本发明人体穴位指按法按摩机的结构示意图；

图2为按摩棒下行位移的示意图；

图3为本发明人体穴位指按法按摩机的按摩力度自动反馈控制方法的控制框图。

图中：1、人体穴位，2、外架，3、电机，4、偏心凸轮，5、按摩棒，6、按摩头，7、压力传感器，8、微处理器，9、弹簧固定环，10、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种人体穴位指按法按摩机包括外架2，以及分别设于外架2内的电机3、偏心凸轮4、按摩棒5、按摩头6和微处理器8，电机3的转动轴连接偏心凸轮4的中心轴，偏心凸轮4抵着按摩棒5的一端，按摩棒5的另一端连接按摩头6，外架2上设有用于按摩头6穿过的通孔，通孔和按摩棒5之间设有弹簧10组件，按摩头6内部设有压力传感器7，微处理器8分别连接电机3和压力传感器7。其中，弹簧10组件包括弹簧固定环9和弹簧10，弹簧固定环9套设于按摩棒5上，弹簧10的一端连接弹簧固定环9，弹簧10的另一端连接对应通孔处的外架。按摩头6的形状为半球状。本实施例中压力传感器7采用压电陶瓷压力传感器，安装在按摩头6顶端的压电陶瓷压力传感器在按摩头6接触人体穴位1时，按摩头6与人体穴位1之间接触产生的压力作用使压电陶瓷压力传感器产生形变，从而产生与按摩压力对应的电压信号，经放大后，由AD转换器采样变成数字信号送入微控制器；电机3采用步进电机。

图1中按摩棒5上下运动实现过程为：安装在按摩头6顶端的压电陶瓷压力传感器在按摩头6接触人体穴位1时，按摩头6与人体穴位1之间的接触产生的压力作用使压电陶瓷压力传感器产生形变，从而产生与按摩压力对应的电压信号，经放大后，由AD转换器采样变成数字信号送入嵌入式的微控制器，微控制器控制步进电机运转步距，进而驱动偏心凸轮4旋转至相应的角度，偏心凸轮4与按摩棒5顶部接触。将凸轮的旋转运动变为按摩棒5上下直线运动。在偏心凸轮4旋转的过程中，在垂直方向产生一个偏移量，即偏心距，这个偏移量大小决定所驱动的按摩棒5上下运动的距离的大小。当凸轮旋转至最大偏移量时，按摩棒5将向下运动至最低点。在按摩棒5受压下行时，弹簧10受压缩短，凸轮旋转致使按摩棒5受力减少时，弹簧10反弹伸长带动按摩棒5上行。则在弹簧10的作用下可实现按摩棒5向上复位运动。

对图1结构的数学几何模型进行分析，可以得到按摩力度F的计算。分析过程如下：

(1)确定穴位处体表形变系数

穴位处体表形变系数是通过测量给定体表形变量下按摩作用力的大小而确定的。穴位处体表形变系数α取值为穴位处弹性模数α₀，穴位处弹性模数α₀为按摩作用力与穴位处体表形变量之比。图2是按摩机执行机构的按摩头6部位，按摩头6的凸出半球半径为r。设当按摩头6半球底面正好与人体肢体表面在同一平面时，则穴位处体表形变量为ΔV₁，由压力传感器7测得的按摩力为F₀，则被测对象穴位处弹性模数α₀满足以下公式：

式中，F₀、ΔV₁分别为当按摩头6正好完全深入穴位处体表时的按摩作用力和穴位处体表形变量，r为按摩头6的半球半径。

(2)确定按摩棒下行位移

设N拍步进电机转子的齿数是M，则步进电机每发出一个脉冲转动的步距角为θ₀，设驱动电机3的电机控制脉冲数为n，电机3的细分数为S₀，电机3的拍数为N，电机3的齿数为M，则电机旋转角度为：

则电机控制脉冲数n满足以下公式：

相应的步进电机带动偏心凸轮4旋转产生的向下直线位移可以表示为：

其中：ΔL为按摩棒下行位移；R₁为偏心凸轮4的半径；e为偏心距；把上式中的用二项式定理展开、化简得位移方程为：

因此当ΔL已知时，步进电机旋转角度，即偏心凸轮旋转角度θ有如下等式：

设上述等式的根为cosθ＝x，则

θ＝acr cos x (6)

(3)确定按摩棒5的按摩力度F

如图2所示，按摩棒下行位移ΔL又可以表示为：

ΔL＝ΔL₁+ΔL₂ (7)

其中，ΔL₁为将按摩棒5按入体表中球形按摩头6的深度，即为按摩头6半径r，产生的形变体积ΔV₁。ΔL₂为体表被按摩头6圆柱部分按压的深度，其产生的形变体积为ΔV₂，且分别有：

ΔV₂＝π·r²·ΔL₂＝πr²·(ΔL-r) (9)

由此可以计算得出按摩棒5的按摩力度F如下式所示，其大小与电机控制脉冲数、偏心凸轮旋转角度、按摩棒下行位移都成正比。

F＝α₀·(ΔV₁+ΔV₂) (10)

设按摩棒下行位移ΔL≥r，若按摩棒5的按摩力度为F，由公式(7)-(10)可得：

根据以上数学几何模型的分析，按摩力度F的控制主要是通过调节按摩棒5按摩穴位的深度来实现的。当按摩棒5向下运动的位移越大，按摩机按摩的力度就越大；反之，则作用于人体穴位1上的力度就越小。

对人体穴位1做“指按”按摩时，是先以一定的力按压于人体穴位1处，然后缓慢移开，稍有一个停顿时间后，再以同样大小的力作用于相同穴位处，这样重复进行下去，一段时间后停止。指按法定量按摩是指针对不同的对象所施按摩力度、频率和时间是一定的，为了实现指按法定量按摩，本发明提出了一种基于上述的人体穴位指按法按摩机的按摩力度自动反馈控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)通过测量给定体表形变量下按摩作用力的大小来获得穴位处体表形变系数α；穴位处体表形变系数α取值为穴位处弹性模数α₀，通过公式(1)获得。

2)初始设定按摩总次数N和按摩力设定值F_s，N＝Tf，f为按摩频率(单位：次/分钟)、T为按摩时间(单位：分钟)，并开始记录按摩次数K。

3)压力传感器7实时检测按摩头6上的按摩力测量值F_t，并将按摩力测量值F_t传送至微处理器8，微处理器8根据穴位处体表形变系数α、按摩力设定值F_s和按摩力测量值F_t，得到电机控制脉冲数n，具体包括以下步骤：

301：微处理器8采用PID算法，根据按摩力设定值F_s与按摩力测量值F_t之差e_s获得按摩力度控制量u_n，e_s＝F_s-F_t；

302：利用按摩力度控制量u_n和穴位处体表形变系数α获得按摩棒下行位移ΔL，根据公式(11)得到以下公式：

303：根据公式(5)和(6)，利用按摩棒下行位移ΔL得到偏心凸轮旋转角度θ；

304：根据公式(3)，利用偏心凸轮旋转角度θ得到电机控制脉冲数n。

4)步进电机根据电机控制脉冲数n驱动偏心凸轮4旋转，按摩棒5在偏心凸轮4和弹簧10组件的作用下上下按摩运动一次。

5)判断按摩次数K是否达到按摩总次数N，若是，则指按法按摩结束，若否，跳转步骤3)。

上述整个过程检测按摩力为一个反馈量来调节步进电机旋转速度。由于压力传感器7采集的压力电信号是比较微弱的模拟信号，所以微处理器8计算偏差e_s前，首先对压力信号进行放大、采样转换成数字信号。为实现按摩力度实时控制，微处理器8采用现有的增量式PID算法，其公式如下：

式中，u_n和e_n分别为nT_s采样时刻的值(T_s为微处理器采样周期)。

综上，本发明首先针对人体的穴位，根据不同按摩对象的体表形变量确定该对象的穴位处体表形变系数，然后基于人体体表的穴位处体表形变系数和预设参数，通过控制步进电机旋转转角驱动偏心凸轮4，并带动按摩棒5上下运动，以对人体穴位1体表进行按压，实现中医按摩中的指按法的定量按摩，为准确控制穴位的按压力度、频率和时间，将压电陶瓷传感器嵌置于按摩头6的顶部，用于测量按摩棒5对穴位的按摩压力，将按摩压力转换为相应的电压信号，经放大调理后，由AD转换器采样变成数字信号送入，由微处理器8构成的控制器实现按摩参数的准确测定和控制，确保按摩的有效与安全。

Claims (5)

1.一种按摩力度自动反馈控制方法，其特征在于，用于控制人体穴位指按法按摩机，所述人体穴位指按法按摩机包括外架，以及设于外架内的电机、偏心凸轮、按摩棒、按摩头和微处理器，所述电机的转动轴连接偏心凸轮的中心轴，所述偏心凸轮抵着按摩棒的一端，所述按摩棒的另一端连接按摩头，所述外架上设有用于按摩头穿过的通孔，所述通孔和按摩棒之间设有弹簧组件，所述按摩头内部设有压力传感器，所述微处理器分别连接电机和压力传感器；

该按摩力度自动反馈控制方法包括以下步骤：

1)通过测量给定体表形变量下按摩作用力的大小来获得穴位处体表形变系数α；

2)初始设定按摩总次数N和按摩力设定值F_s，并开始记录按摩次数K；

3)微处理器根据穴位处体表形变系数α、按摩力设定值F_s和压力传感器实时检测的按摩头上的按摩力测量值F_t，得到电机控制脉冲数n；

4)步进电机根据电机控制脉冲数n驱动偏心凸轮旋转，按摩棒在偏心凸轮和弹簧组件的作用下上下按摩运动一次；

5)判断按摩次数K是否达到按摩总次数N，若是，则按摩结束，若否，跳转步骤3)；

所述穴位处体表形变系数α取值为穴位处弹性模数α₀，所述穴位处弹性模数α₀为按摩作用力与穴位处体表形变量之比；

所述按摩头的形状为半球状，则所述穴位处弹性模数α₀满足以下公式：

${\mathrm{\α}}_0=\frac{F_0}{{\mathrm{\ΔV}}_1}$

${\mathrm{\ΔV}}_1=\frac{1}{2}\·\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3$

式中，F₀、ΔV₁分别为当按摩头正好完全深入穴位处体表时的按摩作用力和穴位处体表形变量，r为按摩头的半球半径；

所述步骤3)包括以下步骤：

301：微处理器采用PID算法，根据按摩力设定值F_s与按摩力测量值F_t之差获得按摩力度控制量u_n；

302：根据按摩力度控制量u_n和穴位处体表形变系数α获得按摩棒下行位移ΔL；

303：根据按摩棒下行位移ΔL得到偏心凸轮旋转角度θ；

304：根据偏心凸轮旋转角度θ得到电机控制脉冲数n。

2.根据权利要求1所述的按摩力度自动反馈控制方法，其特征在于，所述弹簧组件包括弹簧固定环和弹簧，所述弹簧固定环套设于按摩棒上，所述弹簧的一端连接弹簧固定环，弹簧的另一端连接对应通孔处的外架。

3.根据权利要求1所述的按摩力度自动反馈控制方法，其特征在于，所述按摩棒下行位移ΔL满足以下公式：

$\mathrm{\Δ}L=\frac{u_n}{{\mathrm{\πr}}^2\mathrm{\α}}+\frac{1}{3}r.$

4.根据权利要求1所述的按摩力度自动反馈控制方法，其特征在于，所述偏心凸轮旋转角度θ满足以下公式：

${\cos }^2\mathrm{\θ}-\frac{2R_1}{e}cos\mathrm{\θ}+\left(\frac{2R_{1}e-2{\mathrm{\ΔLR}}_1-e^2}{e^2}\right)=0$

式中，R₁为偏心凸轮的半径，e为偏心距。

5.根据权利要求1所述的按摩力度自动反馈控制方法，其特征在于，所述电机控制脉冲数n满足以下公式：

$n=\frac{{\mathrm{\θS}}_{0}MN}{360}$

式中，S₀为电机的细分数，M为电机的齿数，N为电机的拍数。