带有砭石加热温感功能及健康监测的按摩椅设计研究

2022-09-26李向菊郭小进杨少华

科技与创新 2022年19期

李向菊，郭小进，杨少华

（武汉电力职业技术学院，湖北武汉 430079）

1 研究背景与意义

目前，高血压、高血脂、高血糖等慢性疾病已经成为国民健康的主要杀手。各类疾病也在渐渐趋于年轻化。在中国，22%的中年人死于心脑血管疾病，白领亚健康比例也高达76%。长期高强度的电脑办公和久坐，人体内循环速度减缓，体内经络没有及时疏通，导致腰酸背痛、腰肌劳损等症状发生。亚健康问题不容小觑，应当重视此类问题的发生。

按摩刺激相关穴位，可以达到活血化瘀、疏通经络，使气血循环并保持机体的阴阳平衡，使人精神振奋、消除疲劳，还能提高睡眠质量，缓解全身疲劳[1]。本文主要是在传统按摩椅的基础上采用砭石加热产生对人体有益的红外线，对血液循环和微循环障碍引起的多种疾病均起到改善和预防作用，同时加装实时健康检测模块，针对人体健康数据进行分析，起到提醒和预警作用。

2 系统总体方案设计

2.1 方案原理设计

砭石加热疗法是中医几千年来积攒起来的宝贵经验，用于医疗保健方面已经由来已久，可以与中医疗法进行配合，刺激人体自身的调节能力，使失衡的内循环稳定，巩固身体的健康。砭石疗法可分为21种，分别为刮法、推法、抹法、摩法、擦法、揉法、缠法、滚法、划法、温法等[2]。本系统主要使用其中的温法对人体进行作用，温法即将砭石加热后敷于人体。当加热砭石时，产生的超声波可对人体的细胞产生一定的压力，使细胞出现微小的运动，从而改变病变细胞的状态，达到保健与治病的作用。而人体吸收超声波的能量后，皮肤的血液循环加快，可在组织内出现发热反应，所产生的热量具有镇痛、解除肌肉痉挛、改善组织微循环状态等作用，同时超声波可使胃肠道蠕动和胃肠分泌增加，并可使心脏的冠状动脉扩张，改善心肌的血液供应，而且可使肾脏的血管扩张，增加肾脏血流量。

选用PTC加热片技术对砭石进行加热。PTC加热片采用PTC陶瓷发热组件与波纹铝条经高温胶粘组成，有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。其突出特点在于安全性能上，任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器表面“发红”现象，不会存在烫伤、火灾等安全隐患。PTC加热片的优点如下：自动恒温且换热效率高，PTC加热时不发红、无明火，外观可根据需求任意设计，电压使用范围宽，在12～380 V均可使用。选用PTC加热片进行砭石加热，PTC加热片升温迅速、遇风机故障时也能自控温度，且成本低、寿命长，能够防止烧伤烫伤，作为机械按摩椅的温感功能模块十分适合。

随着社会经济和科学技术不断发展，高血压、糖尿病等“现代文明病”的发病率也与日俱增，人们的健康问题愈发备受关注。在临床医学上，血氧值、心率、脉搏等生理参数不仅具有广泛的传统诊断意义，而且也是人们监控自身健康状况的重要参考标准。本系统则针对此情况，使用健康检测模块完成对按摩椅使用者的健康检测。

2.2 系统硬件选型

系统的主控制器选择ST公司的STM32系列单片机STM32F407，此系列ARM Cortex-M4的32位微控制器具有高速可靠、资源丰富、低功耗、宽温度范围等优势，适合于手持设备和电子产品功能的扩展和升级，选用步进电机作为控制电机，可以在导轨中上下移动并控制机械手进行各种揉捏按摩动作。

健康监测模块选用MAX30102，其为集成的脉搏血氧饱和度和心率监测模块。它包括内部LED、光电探测器、光学元件和具有环境光抑制功能的低噪声电子设备。MAX30102提供完整的系统解决方案，以简化移动和可穿戴设备的设计过程。供电采用1.8 V单电源和独立的5.0 V电源供内部LED使用。通信是通过标准的I2C兼容接口进行，可以通过软件以零待机电流关闭，从而允许电源轨始终保持供电，如图1所示。根据相关需求和调查，在健康监测模块选用MAX30102的原因为：集成了玻璃盖可有效排除外界和内部光干扰，拥有最可靠的性能；同时还可通过软件关断模块，待机电源接近为零，实现电源始终维持供电状态。

图1 温感模块原理图

2.3 产品功能说明

本产品为新型砭石按摩椅，具备了砭石按摩、实时健康检测、指纹安全认证、智能声控等功能，相较老式按摩椅，产品具有多种按摩姿势，且使用砭术十六法中的感、压、刺、叩、振、擦、滚等揉法，不仅可以进行平面按摩，甚至可以进行3D立体式操作，在加上有不同的按摩组合方式，使按摩的效果达到最佳，并达到疏通经络、活血化瘀的疗效[3]。

砭石机械按摩臂利用砭石加热后能对人体发出的有利红外与专业的按摩方式，使得使用者经络得到疏通，座椅包裹式加热使得使用者有更好的保护感和归属感，温控系统则可以让使用者在不同的环境下有不同享受。

此新型砭石按摩椅优势如下：①一般采用温度监控。红外线治疗时皮肤温度不宜超过45°，否则将会出现烫伤等现象，新型砭石按摩椅中的温度传感器就发挥了重要的作用，保证温度实时检测，恒温在最佳治疗温度，让疗效达到最好。②行程开关限制。避免出现意外事故限制机械臂的使用范围，起到限制危险动作的功能。③供电系统。产品采用将220 V交流电压转变为24 V电压的方案，将电压控制在人体可接受的安全电压范围内，提高产品的安全性。④指纹认证、触摸式指纹认证。指纹认证成功后，开始座椅预热准备开始按摩。⑤人机交互语音识别，大数据采集。可以一键呼唤智能小助手，使用语音控制，针对用户所使用的最多最久的模式进行统计，在多次统计下，下次指纹识别认证成功后，便开始自动启动最适配模式。

2.4 按摩机械手功能设计

设计的按摩机械手主要针对的是人体背部以及颈部的按摩。传统按摩的方式是双手分别对背部进行按摩和按压，单一式机械手按摩背部的方式不仅效率低，而且按摩的效果也会大打折扣，因此根据实际情况，针对人体颈部和背部按摩设计了2对按摩机械手。整个按摩器除了要达到拟人化的按摩手法外，自由度也需要进行合理的设置，合理设置自由度的原则为，在能满足动作的前提下，尽量减少自由度。

根据设计需求，背部机械手采用对称设计，将2对单边机械手安装在移动装置上，使机械手整体可以通过滑轮在滑轨上移动，具体示意图如图2、图3所示。

图2 按摩机械手正面

图3 按摩机械手侧面

2.5 轨道座功能实现

为了实现对人体肩高定位的要求，同时实现按摩机械手对人体不同部位不同穴位的按摩，设计了肩背轨道座，结构如图4所示。轨道座整体结构由弧型轨道、同步导轨、限位行程开关构成[4]。按摩机构可在导轨上自由移动，因机械手的移动，其上方安装的与人体接触的控温砭石按摩机构会进行旋转并进行滚动按摩；在确定使用者肩部位置后，机械手可定位于肩部并利用设计的按摩动作对人体肩部的一些特定穴位进行按摩。

图4 肩臂轨道座结构图

按摩机械手装在弧形轨道座上和传动导轨连接，机械手能在肩臂轨道座内顺滑运行。利用按摩机械手上装设的行走控制电机即可实现整个按摩机械手在轨道内部的自由移动，并基于此来实现人体肩部不同部位、不同高度的按摩。同时，对于按摩椅来说，容易受到损害且又直接关系到人身安全的关键电器件是接触器。从机械角度来讲，主要是行程开关的角摆开关支杆发生过度位移而产生了对轨道座的破坏。为此，该机构中针对行程开关均设计了防止过度位移的保护结构，如在S形轨道的尾端设计上限位开关，防止按摩机械手过度位移损坏结构[5]。

3 控制系统特点介绍

3.1 主控制程序设计

本系统采用STM32F407作为主控制器，主要处理各个模块返回的数据及控制系统各部位协同工作。主控制器首先进行系统及各个模块的初始化，并设置对应的初始参数。在接收到人机交互模块返回的信号后，主控制器控制机械手在轨道上移动。当背部到肩部上方出现空位，机械手臂瞬时探出，主控制器接收到角度偏移信号，此时确定人体肩高位置，并开始执行下一步的按摩程序。若角度不符合设定，则主控芯片继续控制电机沿轨道调整至合适位置，直至角度信号符合条件。

3.2 砭石加热系统设计

温控系统采用PTC加热片加热，热电偶测温，通过温度传感器对环境温度自动进行采样并实时监控，当环境温度高于控制设定值时控制电路启动，可以设置控制回差。如温度还在上升且超过限定报警温度点时，启动超限报警功能。当被控制的温度不能得到有效控制时，为了防止设备毁坏直接进行保护动作，切断电源。

砭石加热系统采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：①预选择一个足够短的采样周期让系统工作；②加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；③在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

3.3 健康检测系统设计

系统首先进行初始化，包括MAX30102脉搏波传感器初始化，串口屏初始化，SPI、IIC和串口UART的初始化。STM32每10 ms通过串口从MAX30102脉搏波传感器FIFO中采样一次，直到采集500个点（5 s时间），得到脉搏波信号后，对其进行滤波处理。提取完脉搏波的特征点之后，根据心率血氧检测原理通过心率血氧算法计算出心率血氧值。得到心率血氧值后对其进行异常判定：若心率值小于60或大于100，血氧值小于94%，若判定为异常，则执行报警程序，同时上传异常信号；否则判定为正常，将数据实时显示在串口屏上，同时上传心率血氧值。

3.4 人机交互系统设计

3.4.1 指纹识别

典型的指纹识别系统应该包括指纹识别Sensor特征提取和匹配模块特征模板库应用软件。而指纹的匹配可分为2步：首先提取待验证的指纹的特征，然后将其和指纹模板库中的模板指纹进行相似度比较，从而判断2个指纹图像是否来自同一根手指[6]。指纹识别的核心是准确、高效地采集指纹并进行分析。

指纹识别采集方式采取按压式。将手指平放在设备上以便获取指纹图像，一般为了获得整个手指的指纹，必须使用比手指更大的传感器。按压式的优点是客户体验好，只用一次按压就可以采集图像，与客户在手机应用的操作习惯匹配。

3.4.2 交互系统使用说明

点击按摩椅触摸屏，首先会弹出来一个指纹认证界面，需要认证使用者的指纹方可进入系统进入系统，切换到操作界面时，有“手动模式”“自动模式”“健康检测”“智能助手唤醒”“停止”几个重要按钮。

手动模式。按下该按钮，拥有4种不同的组合按摩模式，点击其中任意模式后蹦出弹窗，选择定时时间，随后根据所选模式运行。砭石加热到指定温度后腿托抬起，机械臂根据传感器来定位使用者的位置，机械臂在传感器所给定限制范围内对使用者进行按摩。

自动模式。按下该按钮，系统开始运行，针对用户实际记录数据进行分析，实时健康检测系统启动，开始针对用户进行健康扫描，根据大数据库，自动组合不同动作来形成一套按摩模式运行，实时检测用户健康数据变化。此模式是为了更加方便用户使用。

健康监测。按下该按钮，跳转至身体检测数据界面，此界面定时更新使用者的健康状态，可显示数据，如血压、心率、脉搏等各种数据。

智能助手唤醒。按下该按钮，唤醒智能小助手，进行语音交互。

停止。按下该按钮，按摩椅首先结束所正在运行的模式，温控系统将砭石、按摩椅加热模块停止，腿托和靠椅同时复位，机械臂、中间核心按摩版块等依次复位。

4 产品落地性分析

4.1 经济性

根据企业成本、市场调研综合来看，产品零件选择如下：泰州欧力电器设备有限公司生产的尺寸为长300 mm×宽200 mm×厚20 mm、功率为24 V、300 W的PTC电子加热片，WLCA2-2型限位开关，4台型号为LS57A22的步进电机，1个型号为MAX30102的脉搏波传感器，1个型号为LYH158的温控箱，1个型号为LM35-20B24的隔离变压器，1个3p+n型漏电保护器，1个E型的热电偶温度传感器。本产品零件成本价格共计2 154.5元，成本较低，符合性价比高的原则。

4.2 易用性

此包裹性砭石按摩椅的整个体验系统包括从指纹认证到健康检测再到每一步的系统性按摩基本实现了自动化。体验者只需放松身体，平躺在按摩椅上，便可以根据个人喜好享受不同的按摩方式，也可以通过人机界面实时调节。对体验者来说极大地提高了用户体验感，无需讲解，可直接上手，操作简单可靠。

4.3 整体技术水平

此包裹性砭石按摩椅提高了用户的体验性，降低了潜在危险。产品的创新性和亮点主要体现在如下几个方面：①独特的PTC加热技术更加便捷与安全，智能控温节能的同时还可以将温度维持在体验者最舒服的温度；②引入人机交互系统，友好的人机界面更加人性化、智能化，给用户带来更好更直观的体验感；③首创的直接接触模式，在打破用户对传统按摩椅看法的同时也让用户直观接触到了“砭石”，不仅满足了用户的好奇心同时也是一次宣传，在推广产品的同时也丰富了用户的感官。