帶有砭石加熱溫感功能及健康監(jiān)測的按摩椅設(shè)計研究

李向菊，郭小進，楊少華

（武漢電力職業(yè)技術(shù)學院，湖北 武漢 430079）

1 研究背景與意義

目前，高血壓、高血脂、高血糖等慢性疾病已經(jīng)成為國民健康的主要殺手。各類疾病也在漸漸趨于年輕化。在中國，22%的中年人死于心腦血管疾病，白領(lǐng)亞健康比例也高達76%。長期高強度的電腦辦公和久坐，人體內(nèi)循環(huán)速度減緩，體內(nèi)經(jīng)絡(luò)沒有及時疏通，導(dǎo)致腰酸背痛、腰肌勞損等癥狀發(fā)生。亞健康問題不容小覷，應(yīng)當重視此類問題的發(fā)生。

按摩刺激相關(guān)穴位，可以達到活血化瘀、疏通經(jīng)絡(luò)，使氣血循環(huán)并保持機體的陰陽平衡，使人精神振奮、消除疲勞，還能提高睡眠質(zhì)量，緩解全身疲勞[1]。本文主要是在傳統(tǒng)按摩椅的基礎(chǔ)上采用砭石加熱產(chǎn)生對人體有益的紅外線，對血液循環(huán)和微循環(huán)障礙引起的多種疾病均起到改善和預(yù)防作用，同時加裝實時健康檢測模塊，針對人體健康數(shù)據(jù)進行分析，起到提醒和預(yù)警作用。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

2.1 方案原理設(shè)計

砭石加熱療法是中醫(yī)幾千年來積攢起來的寶貴經(jīng)驗，用于醫(yī)療保健方面已經(jīng)由來已久，可以與中醫(yī)療法進行配合，刺激人體自身的調(diào)節(jié)能力，使失衡的內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定，鞏固身體的健康。砭石療法可分為21種，分別為刮法、推法、抹法、摩法、擦法、揉法、纏法、滾法、劃法、溫法等[2]。本系統(tǒng)主要使用其中的溫法對人體進行作用，溫法即將砭石加熱后敷于人體。當加熱砭石時，產(chǎn)生的超聲波可對人體的細胞產(chǎn)生一定的壓力，使細胞出現(xiàn)微小的運動，從而改變病變細胞的狀態(tài)，達到保健與治病的作用。而人體吸收超聲波的能量后，皮膚的血液循環(huán)加快，可在組織內(nèi)出現(xiàn)發(fā)熱反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量具有鎮(zhèn)痛、解除肌肉痙攣、改善組織微循環(huán)狀態(tài)等作用，同時超聲波可使胃腸道蠕動和胃腸分泌增加，并可使心臟的冠狀動脈擴張，改善心肌的血液供應(yīng)，而且可使腎臟的血管擴張，增加腎臟血流量。

選用PTC加熱片技術(shù)對砭石進行加熱。PTC加熱片采用PTC陶瓷發(fā)熱組件與波紋鋁條經(jīng)高溫膠粘組成，有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點，是一種自動恒溫、省電的電加熱器。其突出特點在于安全性能上，任何應(yīng)用情況下均不會產(chǎn)生如電熱管類加熱器表面“發(fā)紅”現(xiàn)象，不會存在燙傷、火災(zāi)等安全隱患。PTC加熱片的優(yōu)點如下：自動恒溫且換熱效率高，PTC加熱時不發(fā)紅、無明火，外觀可根據(jù)需求任意設(shè)計，電壓使用范圍寬，在12～380 V均可使用。選用PTC加熱片進行砭石加熱，PTC加熱片升溫迅速、遇風機故障時也能自控溫度，且成本低、壽命長，能夠防止燒傷燙傷，作為機械按摩椅的溫感功能模塊十分適合。

隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)不斷發(fā)展，高血壓、糖尿病等“現(xiàn)代文明病”的發(fā)病率也與日俱增，人們的健康問題愈發(fā)備受關(guān)注。在臨床醫(yī)學上，血氧值、心率、脈搏等生理參數(shù)不僅具有廣泛的傳統(tǒng)診斷意義，而且也是人們監(jiān)控自身健康狀況的重要參考標準。本系統(tǒng)則針對此情況，使用健康檢測模塊完成對按摩椅使用者的健康檢測。

2.2 系統(tǒng)硬件選型

系統(tǒng)的主控制器選擇ST公司的STM32系列單片機STM32F407，此系列ARM Cortex-M4的32位微控制器具有高速可靠、資源豐富、低功耗、寬溫度范圍等優(yōu)勢，適合于手持設(shè)備和電子產(chǎn)品功能的擴展和升級，選用步進電機作為控制電機，可以在導(dǎo)軌中上下移動并控制機械手進行各種揉捏按摩動作。

健康監(jiān)測模塊選用MAX30102，其為集成的脈搏血氧飽和度和心率監(jiān)測模塊。它包括內(nèi)部LED、光電探測器、光學元件和具有環(huán)境光抑制功能的低噪聲電子設(shè)備。MAX30102提供完整的系統(tǒng)解決方案，以簡化移動和可穿戴設(shè)備的設(shè)計過程。供電采用1.8 V單電源和獨立的5.0 V電源供內(nèi)部LED使用。通信是通過標準的I2C兼容接口進行，可以通過軟件以零待機電流關(guān)閉，從而允許電源軌始終保持供電，如圖1所示。根據(jù)相關(guān)需求和調(diào)查，在健康監(jiān)測模塊選用MAX30102的原因為：集成了玻璃蓋可有效排除外界和內(nèi)部光干擾，擁有最可靠的性能；同時還可通過軟件關(guān)斷模塊，待機電源接近為零，實現(xiàn)電源始終維持供電狀態(tài)。

圖1 溫感模塊原理圖

2.3 產(chǎn)品功能說明

本產(chǎn)品為新型砭石按摩椅，具備了砭石按摩、實時健康檢測、指紋安全認證、智能聲控等功能，相較老式按摩椅，產(chǎn)品具有多種按摩姿勢，且使用砭術(shù)十六法中的感、壓、刺、叩、振、擦、滾等揉法，不僅可以進行平面按摩，甚至可以進行3D立體式操作，在加上有不同的按摩組合方式，使按摩的效果達到最佳，并達到疏通經(jīng)絡(luò)、活血化瘀的療效[3]。

砭石機械按摩臂利用砭石加熱后能對人體發(fā)出的有利紅外與專業(yè)的按摩方式，使得使用者經(jīng)絡(luò)得到疏通，座椅包裹式加熱使得使用者有更好的保護感和歸屬感，溫控系統(tǒng)則可以讓使用者在不同的環(huán)境下有不同享受。

此新型砭石按摩椅優(yōu)勢如下：①一般采用溫度監(jiān)控。紅外線治療時皮膚溫度不宜超過45°，否則將會出現(xiàn)燙傷等現(xiàn)象，新型砭石按摩椅中的溫度傳感器就發(fā)揮了重要的作用，保證溫度實時檢測，恒溫在最佳治療溫度，讓療效達到最好。②行程開關(guān)限制。避免出現(xiàn)意外事故限制機械臂的使用范圍，起到限制危險動作的功能。③供電系統(tǒng)。產(chǎn)品采用將220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V電壓的方案，將電壓控制在人體可接受的安全電壓范圍內(nèi)，提高產(chǎn)品的安全性。④指紋認證、觸摸式指紋認證。指紋認證成功后，開始座椅預(yù)熱準備開始按摩。⑤人機交互語音識別，大數(shù)據(jù)采集?？梢砸绘I呼喚智能小助手，使用語音控制，針對用戶所使用的最多最久的模式進行統(tǒng)計，在多次統(tǒng)計下，下次指紋識別認證成功后，便開始自動啟動最適配模式。

2.4 按摩機械手功能設(shè)計

設(shè)計的按摩機械手主要針對的是人體背部以及頸部的按摩。傳統(tǒng)按摩的方式是雙手分別對背部進行按摩和按壓，單一式機械手按摩背部的方式不僅效率低，而且按摩的效果也會大打折扣，因此根據(jù)實際情況，針對人體頸部和背部按摩設(shè)計了2對按摩機械手。整個按摩器除了要達到擬人化的按摩手法外，自由度也需要進行合理的設(shè)置，合理設(shè)置自由度的原則為，在能滿足動作的前提下，盡量減少自由度。

根據(jù)設(shè)計需求，背部機械手采用對稱設(shè)計，將2對單邊機械手安裝在移動裝置上，使機械手整體可以通過滑輪在滑軌上移動，具體示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 按摩機械手正面

圖3 按摩機械手側(cè)面

2.5 軌道座功能實現(xiàn)

為了實現(xiàn)對人體肩高定位的要求，同時實現(xiàn)按摩機械手對人體不同部位不同穴位的按摩，設(shè)計了肩背軌道座，結(jié)構(gòu)如圖4所示。軌道座整體結(jié)構(gòu)由弧型軌道、同步導(dǎo)軌、限位行程開關(guān)構(gòu)成[4]。按摩機構(gòu)可在導(dǎo)軌上自由移動，因機械手的移動，其上方安裝的與人體接觸的控溫砭石按摩機構(gòu)會進行旋轉(zhuǎn)并進行滾動按摩；在確定使用者肩部位置后，機械手可定位于肩部并利用設(shè)計的按摩動作對人體肩部的一些特定穴位進行按摩。

圖4 肩臂軌道座結(jié)構(gòu)圖

按摩機械手裝在弧形軌道座上和傳動導(dǎo)軌連接，機械手能在肩臂軌道座內(nèi)順滑運行。利用按摩機械手上裝設(shè)的行走控制電機即可實現(xiàn)整個按摩機械手在軌道內(nèi)部的自由移動，并基于此來實現(xiàn)人體肩部不同部位、不同高度的按摩。同時，對于按摩椅來說，容易受到損害且又直接關(guān)系到人身安全的關(guān)鍵電器件是接觸器。從機械角度來講，主要是行程開關(guān)的角擺開關(guān)支桿發(fā)生過度位移而產(chǎn)生了對軌道座的破壞。為此，該機構(gòu)中針對行程開關(guān)均設(shè)計了防止過度位移的保護結(jié)構(gòu)，如在S形軌道的尾端設(shè)計上限位開關(guān)，防止按摩機械手過度位移損壞結(jié)構(gòu)[5]。

3 控制系統(tǒng)特點介紹

3.1 主控制程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F407作為主控制器，主要處理各個模塊返回的數(shù)據(jù)及控制系統(tǒng)各部位協(xié)同工作。主控制器首先進行系統(tǒng)及各個模塊的初始化，并設(shè)置對應(yīng)的初始參數(shù)。在接收到人機交互模塊返回的信號后，主控制器控制機械手在軌道上移動。當背部到肩部上方出現(xiàn)空位，機械手臂瞬時探出，主控制器接收到角度偏移信號，此時確定人體肩高位置，并開始執(zhí)行下一步的按摩程序。若角度不符合設(shè)定，則主控芯片繼續(xù)控制電機沿軌道調(diào)整至合適位置，直至角度信號符合條件。

3.2 砭石加熱系統(tǒng)設(shè)計

溫控系統(tǒng)采用PTC加熱片加熱，熱電偶測溫，通過溫度傳感器對環(huán)境溫度自動進行采樣并實時監(jiān)控，當環(huán)境溫度高于控制設(shè)定值時控制電路啟動，可以設(shè)置控制回差。如溫度還在上升且超過限定報警溫度點時，啟動超限報警功能。當被控制的溫度不能得到有效控制時，為了防止設(shè)備毀壞直接進行保護動作，切斷電源。

砭石加熱系統(tǒng)采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：①預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；②加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；③在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。

3.3 健康檢測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)首先進行初始化，包括MAX30102脈搏波傳感器初始化，串口屏初始化，SPI、IIC和串口UART的初始化。STM32每10 ms通過串口從MAX30102脈搏波傳感器FIFO中采樣一次，直到采集500個點（5 s時間），得到脈搏波信號后，對其進行濾波處理。提取完脈搏波的特征點之后，根據(jù)心率血氧檢測原理通過心率血氧算法計算出心率血氧值。得到心率血氧值后對其進行異常判定：若心率值小于60或大于100，血氧值小于94%，若判定為異常，則執(zhí)行報警程序，同時上傳異常信號；否則判定為正常，將數(shù)據(jù)實時顯示在串口屏上，同時上傳心率血氧值。

3.4 人機交互系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1 指紋識別

典型的指紋識別系統(tǒng)應(yīng)該包括指紋識別Sensor特征提取和匹配模塊特征模板庫應(yīng)用軟件。而指紋的匹配可分為2步：首先提取待驗證的指紋的特征，然后將其和指紋模板庫中的模板指紋進行相似度比較，從而判斷2個指紋圖像是否來自同一根手指[6]。指紋識別的核心是準確、高效地采集指紋并進行分析。

指紋識別采集方式采取按壓式。將手指平放在設(shè)備上以便獲取指紋圖像，一般為了獲得整個手指的指紋，必須使用比手指更大的傳感器。按壓式的優(yōu)點是客戶體驗好，只用一次按壓就可以采集圖像，與客戶在手機應(yīng)用的操作習慣匹配。

3.4.2 交互系統(tǒng)使用說明

點擊按摩椅觸摸屏，首先會彈出來一個指紋認證界面，需要認證使用者的指紋方可進入系統(tǒng)進入系統(tǒng)，切換到操作界面時，有“手動模式”“自動模式”“健康檢測”“智能助手喚醒”“停止”幾個重要按鈕。

手動模式。按下該按鈕，擁有4種不同的組合按摩模式，點擊其中任意模式后蹦出彈窗，選擇定時時間，隨后根據(jù)所選模式運行。砭石加熱到指定溫度后腿托抬起，機械臂根據(jù)傳感器來定位使用者的位置，機械臂在傳感器所給定限制范圍內(nèi)對使用者進行按摩。

自動模式。按下該按鈕，系統(tǒng)開始運行，針對用戶實際記錄數(shù)據(jù)進行分析，實時健康檢測系統(tǒng)啟動，開始針對用戶進行健康掃描，根據(jù)大數(shù)據(jù)庫，自動組合不同動作來形成一套按摩模式運行，實時檢測用戶健康數(shù)據(jù)變化。此模式是為了更加方便用戶使用。

健康監(jiān)測。按下該按鈕，跳轉(zhuǎn)至身體檢測數(shù)據(jù)界面，此界面定時更新使用者的健康狀態(tài)，可顯示數(shù)據(jù)，如血壓、心率、脈搏等各種數(shù)據(jù)。

智能助手喚醒。按下該按鈕，喚醒智能小助手，進行語音交互。

停止。按下該按鈕，按摩椅首先結(jié)束所正在運行的模式，溫控系統(tǒng)將砭石、按摩椅加熱模塊停止，腿托和靠椅同時復(fù)位，機械臂、中間核心按摩版塊等依次復(fù)位。

4 產(chǎn)品落地性分析

4.1 經(jīng)濟性

根據(jù)企業(yè)成本、市場調(diào)研綜合來看，產(chǎn)品零件選擇如下：泰州歐力電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的尺寸為長300 mm×寬200 mm×厚20 mm、功率為24 V、300 W的PTC電子加熱片，WLCA2-2型限位開關(guān)，4臺型號為LS57A22的步進電機，1個型號為MAX30102的脈搏波傳感器，1個型號為LYH158的溫控箱，1個型號為LM35-20B24的隔離變壓器，1個3p+n型漏電保護器，1個E型的熱電偶溫度傳感器。本產(chǎn)品零件成本價格共計2 154.5元，成本較低，符合性價比高的原則。

4.2 易用性

此包裹性砭石按摩椅的整個體驗系統(tǒng)包括從指紋認證到健康檢測再到每一步的系統(tǒng)性按摩基本實現(xiàn)了自動化。體驗者只需放松身體，平躺在按摩椅上，便可以根據(jù)個人喜好享受不同的按摩方式，也可以通過人機界面實時調(diào)節(jié)。對體驗者來說極大地提高了用戶體驗感，無需講解，可直接上手，操作簡單可靠。

4.3 整體技術(shù)水平

此包裹性砭石按摩椅提高了用戶的體驗性，降低了潛在危險。產(chǎn)品的創(chuàng)新性和亮點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：①獨特的PTC加熱技術(shù)更加便捷與安全，智能控溫節(jié)能的同時還可以將溫度維持在體驗者最舒服的溫度；②引入人機交互系統(tǒng)，友好的人機界面更加人性化、智能化，給用戶帶來更好更直觀的體驗感；③首創(chuàng)的直接接觸模式，在打破用戶對傳統(tǒng)按摩椅看法的同時也讓用戶直觀接觸到了“砭石”，不僅滿足了用戶的好奇心同時也是一次宣傳，在推廣產(chǎn)品的同時也豐富了用戶的感官。

5 總結(jié)

本產(chǎn)品設(shè)計基于STM32系列單片機STM32F407、MAX30102型健康監(jiān)測模塊和JCJ100TTPA型溫度傳感器，對步進電機、機械臂等進行控制。從指紋認證、健康檢測、加熱座椅、砭石按摩4個板塊展開，填補了市場空白并解決了按摩功能單一、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、按摩行程不長以及按摩效果不佳等缺點。