本發(fā)明涉及一種按摩機，尤其是涉及一種人體穴位指按法按摩機及其按摩力度自動反饋控制方法。

背景技術(shù)：
在中醫(yī)治療方法中，穴位按摩是指操作者在人體體表某些部位或穴位用手或肢體其他部位以及輔助器械，施于一定力量的、有目的的、有規(guī)律的各種操作方法活動，用以調(diào)節(jié)人體生理功能，使人們自身機體的氣血流暢，陰陽調(diào)和，臟腑生機旺盛，以達(dá)到驅(qū)除病邪的目的。由于按摩療法屬中醫(yī)外治法，它既能疏通經(jīng)絡(luò)，調(diào)和氣血，提高機體免疫能力，又具有簡便易行，施用安全、無副作用等特點。對正常人來說，能增強人體的自然抗病能力，取得保健效果；對病人來說，既可使局部癥狀消退，又可加速恢復(fù)患部的功能，從而收到良好的治療效果。所以，按摩數(shù)千年以來廣泛流傳，不斷地得到發(fā)展和提升，正被越來越多的國家所認(rèn)識和接受，逐漸成為西方醫(yī)學(xué)的重要的輔助治療的手段。然而，中醫(yī)中雖明確規(guī)定有溫、通、補、泄、汗、和、散、清八種基本的按摩治療方法和推、拿、按、摩、揉、擦、滾、搓等多種臨床手法。還指出不同的按摩方法，調(diào)節(jié)效果也會不同。但是由于按摩僅憑手操作、個體差異很大，特別是當(dāng)樣本數(shù)較多時，幾乎不能達(dá)到操作的同一性，故臨床及實驗研究中操作的可控性較差。在應(yīng)用方面，盡管為適應(yīng)人們生活的需求，市場上也出現(xiàn)了各式各樣的經(jīng)絡(luò)穴位按摩儀器。但是由于按摩參數(shù)缺乏量化的統(tǒng)一規(guī)范化的要求，市面上這些層出不窮的按摩器械不僅按摩參數(shù)范圍模糊，而且按摩力度等參數(shù)不能根據(jù)不同人體的不同反應(yīng)進(jìn)行精確調(diào)整，無法達(dá)到預(yù)期療效。此外，大多數(shù)小型儀器按摩參數(shù)缺乏實時顯示，這使得社會中的各種按摩機構(gòu)因按摩手法或按摩器械使用不當(dāng)而引起的醫(yī)療事故時有發(fā)生。因此，實現(xiàn)按摩儀器參數(shù)的檢測，特別是對力度的實時測量和顯示，有助于提高按摩儀器的治療效果，確保儀器使用的安全性和科學(xué)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是針對目前按摩設(shè)備無法根據(jù)不同患者人體的不同反應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的按摩力度調(diào)節(jié)，難以對患者進(jìn)行按摩治療時的按摩力度和預(yù)期療效等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制的問題，而提供一種人體穴位指按法按摩機及其按摩力度自動反饋控制方法，實時測量穴位按摩力度，并根據(jù)測量得的被按摩穴位的受力情況，實現(xiàn)按摩棒的按壓力度、按摩頻率和按壓時間的自動控制，有助于提高按摩儀器的治療效果，確保儀器使用的安全性和科學(xué)性。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種人體穴位指按法按摩機，包括外架，以及設(shè)于外架內(nèi)的電機、偏心凸輪、按摩棒、按摩頭和微處理器，所述電機的轉(zhuǎn)動軸連接偏心凸輪的中心軸，所述偏心凸輪抵著按摩棒的一端，所述按摩棒的另一端連接按摩頭，所述外架上設(shè)有用于按摩頭穿過的通孔，所述通孔和按摩棒之間設(shè)有彈簧組件，所述按摩頭內(nèi)部設(shè)有壓力傳感器，所述微處理器分別連接電機和壓力傳感器。所述彈簧組件包括彈簧固定環(huán)和彈簧，所述彈簧固定環(huán)套設(shè)于按摩棒上，所述彈簧的一端連接彈簧固定環(huán)，彈簧的另一端連接對應(yīng)通孔處的外架。所述按摩頭的形狀為半球狀。一種基于上述的人體穴位指按法按摩機的按摩力度自動反饋控制方法，包括以下步驟：1)通過測量給定體表形變量下按摩作用力的大小來獲得穴位處體表形變系數(shù)α；2)初始設(shè)定按摩總次數(shù)N和按摩力設(shè)定值Fs，N＝Tf，f為按摩頻率(單位：次/分鐘)、T為按摩時間(單位：分鐘)，并開始記錄按摩次數(shù)K；3)微處理器根據(jù)穴位處體表形變系數(shù)α、按摩力設(shè)定值Fs和壓力傳感器實時檢測的按摩頭上的按摩力測量值Ft，得到電機控制脈沖數(shù)n；4)步進(jìn)電機根據(jù)電機控制脈沖數(shù)n驅(qū)動偏心凸輪旋轉(zhuǎn)，按摩棒在偏心凸輪和彈簧組件的作用下上下按摩運動一次；5)判斷按摩次數(shù)K是否達(dá)到按摩總次數(shù)N，若是，則按摩結(jié)束，若否，跳轉(zhuǎn)步驟3)。所述穴位處體表形變系數(shù)α取值為穴位處彈性模數(shù)α0，所述穴位處彈性模數(shù)α0為按摩作用力與穴位處體表形變量之比。所述按摩頭的形狀為半球狀，則所述穴位處彈性模數(shù)α0滿足以下公式：式中，F(xiàn)0、ΔV1分別為當(dāng)按摩頭正好完全深入穴位處體表時的按摩作用力和穴位處體表形變量，r為按摩頭的半球半徑。所述步驟3)包括以下步驟：301：微處理器采用PID算法，根據(jù)按摩力設(shè)定值Fs與按摩力測量值Ft之差獲得按摩力度控制量un；302：根據(jù)按摩力度控制量un和穴位處體表形變系數(shù)α獲得按摩棒下行位移ΔL；303：根據(jù)按摩棒下行位移ΔL得到偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ；304：根據(jù)偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ得到電機控制脈沖數(shù)n。所述按摩頭的形狀為半球狀，則所述按摩棒下行位移ΔL滿足以下公式：式中，r為按摩頭的半球半徑。所述偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ滿足以下公式：式中，R1為偏心凸輪的半徑，e為偏心距。所述電機控制脈沖數(shù)n滿足以下公式：式中，S0為電機的細(xì)分?jǐn)?shù)，M為電機的齒數(shù)，N為電機的拍數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：1)通過電機、偏心凸輪、按摩棒、按摩頭以及彈簧組件模擬了中醫(yī)穴位按摩治療中指按方法，同時采用嵌入式微處理器，按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行自動化人體穴位按摩。2)采用壓力傳感器和微處理器對按摩的力度、頻率和時間進(jìn)行實時精確測定和反饋控制，實現(xiàn)穴位指按法按摩參數(shù)的定量化，按摩的力度、頻率和時間能夠?qū)崟r定量可控，使得按摩過程更加符合治療需求。在按摩頭中設(shè)置壓力傳感器，實時獲得按摩力測量值，嵌入式微處理器將按壓力度測量結(jié)果與按摩力設(shè)定值進(jìn)行對比，根據(jù)所產(chǎn)生的偏差按預(yù)定的反饋控制方法對步進(jìn)電機進(jìn)行控制，進(jìn)而控制凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度和速度，實現(xiàn)按摩棒的上下運動的行程、按壓時間和按壓頻率的控制，具有按壓點穴的按摩力度、頻率和時間實時自動調(diào)節(jié)控制的功能。3)微處理器采用PID算法由按摩力度偏差獲得反饋后的所需控制量，利用按摩棒進(jìn)行穴位按壓致使人體體表產(chǎn)生彈性形變量以及數(shù)學(xué)幾何模型，依次獲得對應(yīng)所需控制量的按摩棒下行位移、偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度和電機控制脈沖數(shù)，進(jìn)而控制電機、偏心凸輪和按摩棒進(jìn)行按摩，方法簡單有效，數(shù)據(jù)處理效率和精度高。附圖說明圖1為本發(fā)明人體穴位指按法按摩機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為按摩棒下行位移的示意圖；圖3為本發(fā)明人體穴位指按法按摩機的按摩力度自動反饋控制方法的控制框圖。圖中：1、人體穴位，2、外架，3、電機，4、偏心凸輪，5、按摩棒，6、按摩頭，7、壓力傳感器，8、微處理器，9、彈簧固定環(huán)，10、彈簧。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，一種人體穴位指按法按摩機包括外架2，以及分別設(shè)于外架2內(nèi)的電機3、偏心凸輪4、按摩棒5、按摩頭6和微處理器8，電機3的轉(zhuǎn)動軸連接偏心凸輪4的中心軸，偏心凸輪4抵著按摩棒5的一端，按摩棒5的另一端連接按摩頭6，外架2上設(shè)有用于按摩頭6穿過的通孔，通孔和按摩棒5之間設(shè)有彈簧10組件，按摩頭6內(nèi)部設(shè)有壓力傳感器7，微處理器8分別連接電機3和壓力傳感器7。其中，彈簧10組件包括彈簧固定環(huán)9和彈簧10，彈簧固定環(huán)9套設(shè)于按摩棒5上，彈簧10的一端連接彈簧固定環(huán)9，彈簧10的另一端連接對應(yīng)通孔處的外架。按摩頭6的形狀為半球狀。本實施例中壓力傳感器7采用壓電陶瓷壓力傳感器，安裝在按摩頭6頂端的壓電陶瓷壓力傳感器在按摩頭6接觸人體穴位1時，按摩頭6與人體穴位1之間接觸產(chǎn)生的壓力作用使壓電陶瓷壓力傳感器產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生與按摩壓力對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)放大后，由AD轉(zhuǎn)換器采樣變成數(shù)字信號送入微控制器；電機3采用步進(jìn)電機。圖1中按摩棒5上下運動實現(xiàn)過程為：安裝在按摩頭6頂端的壓電陶瓷壓力傳感器在按摩頭6接觸人體穴位1時，按摩頭6與人體穴位1之間的接觸產(chǎn)生的壓力作用使壓電陶瓷壓力傳感器產(chǎn)生形變，從而產(chǎn)生與按摩壓力對應(yīng)的電壓信號，經(jīng)放大后，由AD轉(zhuǎn)換器采樣變成數(shù)字信號送入嵌入式的微控制器，微控制器控制步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)步距，進(jìn)而驅(qū)動偏心凸輪4旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的角度，偏心凸輪4與按摩棒5頂部接觸。將凸輪的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榘茨Π?上下直線運動。在偏心凸輪4旋轉(zhuǎn)的過程中，在垂直方向產(chǎn)生一個偏移量，即偏心距，這個偏移量大小決定所驅(qū)動的按摩棒5上下運動的距離的大小。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)至最大偏移量時，按摩棒5將向下運動至最低點。在按摩棒5受壓下行時，彈簧10受壓縮短，凸輪旋轉(zhuǎn)致使按摩棒5受力減少時，彈簧10反彈伸長帶動按摩棒5上行。則在彈簧10的作用下可實現(xiàn)按摩棒5向上復(fù)位運動。對圖1結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)幾何模型進(jìn)行分析，可以得到按摩力度F的計算。分析過程如下：(1)確定穴位處體表形變系數(shù)穴位處體表形變系數(shù)是通過測量給定體表形變量下按摩作用力的大小而確定的。穴位處體表形變系數(shù)α取值為穴位處彈性模數(shù)α0，穴位處彈性模數(shù)α0為按摩作用力與穴位處體表形變量之比。圖2是按摩機執(zhí)行機構(gòu)的按摩頭6部位，按摩頭6的凸出半球半徑為r。設(shè)當(dāng)按摩頭6半球底面正好與人體肢體表面在同一平面時，則穴位處體表形變量為ΔV1，由壓力傳感器7測得的按摩力為F0，則被測對象穴位處彈性模數(shù)α0滿足以下公式：式中，F(xiàn)0、ΔV1分別為當(dāng)按摩頭6正好完全深入穴位處體表時的按摩作用力和穴位處體表形變量，r為按摩頭6的半球半徑。(2)確定按摩棒下行位移設(shè)N拍步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是M，則步進(jìn)電機每發(fā)出一個脈沖轉(zhuǎn)動的步距角為θ0，設(shè)驅(qū)動電機3的電機控制脈沖數(shù)為n，電機3的細(xì)分?jǐn)?shù)為S0，電機3的拍數(shù)為N，電機3的齒數(shù)為M，則電機旋轉(zhuǎn)角度為：則電機控制脈沖數(shù)n滿足以下公式：相應(yīng)的步進(jìn)電機帶動偏心凸輪4旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下直線位移可以表示為：其中：ΔL為按摩棒下行位移；R1為偏心凸輪4的半徑；e為偏心距；把上式中的用二項式定理展開、化簡得位移方程為：因此當(dāng)ΔL已知時，步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)角度，即偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ有如下等式：設(shè)上述等式的根為cosθ＝x，則θ＝acrcosx(6)(3)確定按摩棒5的按摩力度F如圖2所示，按摩棒下行位移ΔL又可以表示為：ΔL＝ΔL1+ΔL2(7)其中，ΔL1為將按摩棒5按入體表中球形按摩頭6的深度，即為按摩頭6半徑r，產(chǎn)生的形變體積ΔV1。ΔL2為體表被按摩頭6圓柱部分按壓的深度，其產(chǎn)生的形變體積為ΔV2，且分別有：ΔV2＝π·r2·ΔL2＝πr2·(ΔL-r)(9)由此可以計算得出按摩棒5的按摩力度F如下式所示，其大小與電機控制脈沖數(shù)、偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度、按摩棒下行位移都成正比。F＝α0·(ΔV1+ΔV2)(10)設(shè)按摩棒下行位移ΔL≥r，若按摩棒5的按摩力度為F，由公式(7)-(10)可得：根據(jù)以上數(shù)學(xué)幾何模型的分析，按摩力度F的控制主要是通過調(diào)節(jié)按摩棒5按摩穴位的深度來實現(xiàn)的。當(dāng)按摩棒5向下運動的位移越大，按摩機按摩的力度就越大；反之，則作用于人體穴位1上的力度就越小。對人體穴位1做“指按”按摩時，是先以一定的力按壓于人體穴位1處，然后緩慢移開，稍有一個停頓時間后，再以同樣大小的力作用于相同穴位處，這樣重復(fù)進(jìn)行下去，一段時間后停止。指按法定量按摩是指針對不同的對象所施按摩力度、頻率和時間是一定的，為了實現(xiàn)指按法定量按摩，本發(fā)明提出了一種基于上述的人體穴位指按法按摩機的按摩力度自動反饋控制方法，如圖3所示，包括以下步驟：1)通過測量給定體表形變量下按摩作用力的大小來獲得穴位處體表形變系數(shù)α；穴位處體表形變系數(shù)α取值為穴位處彈性模數(shù)α0，通過公式(1)獲得。2)初始設(shè)定按摩總次數(shù)N和按摩力設(shè)定值Fs，N＝Tf，f為按摩頻率(單位：次/分鐘)、T為按摩時間(單位：分鐘)，并開始記錄按摩次數(shù)K。3)壓力傳感器7實時檢測按摩頭6上的按摩力測量值Ft，并將按摩力測量值Ft傳送至微處理器8，微處理器8根據(jù)穴位處體表形變系數(shù)α、按摩力設(shè)定值Fs和按摩力測量值Ft，得到電機控制脈沖數(shù)n，具體包括以下步驟：301：微處理器8采用PID算法，根據(jù)按摩力設(shè)定值Fs與按摩力測量值Ft之差es獲得按摩力度控制量un，es＝Fs-Ft；302：利用按摩力度控制量un和穴位處體表形變系數(shù)α獲得按摩棒下行位移ΔL，根據(jù)公式(11)得到以下公式：303：根據(jù)公式(5)和(6)，利用按摩棒下行位移ΔL得到偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ；304：根據(jù)公式(3)，利用偏心凸輪旋轉(zhuǎn)角度θ得到電機控制脈沖數(shù)n。4)步進(jìn)電機根據(jù)電機控制脈沖數(shù)n驅(qū)動偏心凸輪4旋轉(zhuǎn)，按摩棒5在偏心凸輪4和彈簧10組件的作用下上下按摩運動一次。5)判斷按摩次數(shù)K是否達(dá)到按摩總次數(shù)N，若是，則指按法按摩結(jié)束，若否，跳轉(zhuǎn)步驟3)。上述整個過程檢測按摩力為一個反饋量來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)速度。由于壓力傳感器7采集的壓力電信號是比較微弱的模擬信號，所以微處理器8計算偏差es前，首先對壓力信號進(jìn)行放大、采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。為實現(xiàn)按摩力度實時控制，微處理器8采用現(xiàn)有的增量式PID算法，其公式如下：式中，un和en分別為nTs采樣時刻的值(Ts為微處理器采樣周期)。綜上，本發(fā)明首先針對人體的穴位，根據(jù)不同按摩對象的體表形變量確定該對象的穴位處體表形變系數(shù)，然后基于人體體表的穴位處體表形變系數(shù)和預(yù)設(shè)參數(shù)，通過控制步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角驅(qū)動偏心凸輪4，并帶動按摩棒5上下運動，以對人體穴位1體表進(jìn)行按壓，實現(xiàn)中醫(yī)按摩中的指按法的定量按摩，為準(zhǔn)確控制穴位的按壓力度、頻率和時間，將壓電陶瓷傳感器嵌置于按摩頭6的頂部，用于測量按摩棒5對穴位的按摩壓力，將按摩壓力轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，經(jīng)放大調(diào)理后，由AD轉(zhuǎn)換器采樣變成數(shù)字信號送入，由微處理器8構(gòu)成的控制器實現(xiàn)按摩參數(shù)的準(zhǔn)確測定和控制，確保按摩的有效與安全。