本发明涉及保健器械类技术领域，具体涉及一种叩击式按摩装置及其按摩力控制方法。
背景技术：
随着人民生活水平的日益提高和对养生健康关注程度的上升，按摩器材得到了普及，各种多功能新型按摩器具逐渐被人们所接受。
在现有的按摩器具中，它的工作原理主要是利用电机或气泵进行工作，依靠机械手(仿人手设计)和气囊对人体的多个部位进行按摩，利用机械机构的不同运动方式来实现多种按摩手法。这些按摩器具普遍存在一些问题，例如按摩区域相对单一、按摩力度不易控制、按摩频率不适合人体需求等缺陷。考虑到不同的人需要按摩的位置不同、所需的按摩力也不尽相同，现有的按摩器具难以达到精确定位按摩，也难以对按摩力值进行精确控制。将机电一体化技术中的位置伺服技术、力度控制技术应用于人体按摩，实现按摩位置及按摩力度实时可控、按摩频率符合人体需求，这是可行的，也是很有现实意义的。
技术实现要素：
本发明的目的是根据不同的按摩对象所需大小不同的按摩力、同一按摩对象的不同按摩区域所需大小不同的按摩力，提供一种叩击式按摩装置及其按摩力控制方法。
为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种叩击式按摩装置，包括控制电机、减速箱、连杆以及按摩头，所述控制电机的输出轴与所述减速箱的输入端连接，所述连杆的两端分别与减速箱的输出轴和按摩头连接，所述连杆与所述减速箱的输出轴垂直，所述按摩头与所述连杆垂直，所述按摩头与所述减速箱输出轴垂直；所述控制电机驱动所述连杆以及按摩头转动角位移θ到接近人体时控制电机停止转动，所述连杆以及按摩头依靠运动惯性对人体进行叩击式按摩；
其中，10°＜θ＜180°。
作为优选，所述按摩头和连杆的材质为铜。
作为优选，所述连杆的长度为100-250mm。
作为优选，所述控制电机为步进电机或伺服电机。
一种叩击式按摩装置的按摩力控制方法，向控制电机输入一定频率的脉冲，按摩头对人体的按摩力：
式中：k——人体背部的弹性系数，n/mm；
l——连杆杆长，m；
i——减速器传动比；
s——控制电机分辨率，p/r；
ρ——连杆和按摩头的材料密度；
r——连杆的半径；
m2——按摩头质量，kg；
f——控制脉冲频率，hz。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：本发明将机电一体化技术中的伺服技术应用于人体按摩，实现按压式按摩力度实时可控，可靠性高，可行性较好，能够根据特定对象的需要进行叩击按摩力值大小的调节，以提升按摩舒适度和按摩效果。
附图说明
图1是本发明叩击式按摩装置的结构示意图。
图2是本发明叩击式按摩装置的侧面结构示意图。
图3是本发明中按摩头及连杆的尺寸示意图。
图4是本发明中脉冲频率为8khz时的实际按摩曲线图。
图5是本发明中脉冲频率为12khz时的实际按摩曲线图。
图6是本发明中脉冲频率为16khz时的实际按摩曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
根据中医叩击按摩机理，按摩护理人员通过大臂带动小臂，利用手臂运动惯性实现叩击按摩效果。在按摩的过程中，手臂就类似一个具有一定柔性的连杆，按照一定的频率进行往复叩击。机械叩击式按摩是通过控制电机转动，带动连杆转动，连杆在转动的过程中会产生转动惯量，利用连杆的转动惯性来实现叩击式按摩，从而达到拟人手叩击式按摩的效果。
本发明中叩击式按摩装置由控制电机1、减速箱2、连杆3、按摩头4组成，如图1-3所示。连杆3的两端分别与控制电机1及按摩头4相连接，控制电机1带动连杆3及按摩头4转动。控制电机1驱动连杆3及按摩头4从位置ⅰ转过角位移θ到位置ⅱ，然后电机停止运动；依靠运动惯性，连杆3及按摩头4从位置ⅱ转过角位移δθ到位置ⅲ，实现对人体的叩击式按摩。
按摩力的大小取决于按摩装置的转动惯量及运动速度，按摩装置的转动惯量取决于按摩装置的机械结构特征，运动速度取决于控制电机1。本实施例中控制电机1为步进电机或伺服电机，控制电机1的角速度可换算成当量脉冲频率，通过向控制电机1输入一定频率的脉冲可实现按摩力值大小的控制。
按摩装置进行工作时，通过控制电机1的转动，从而带动连杆3及按摩头4转动，实现对人体背部的叩击式按摩，控制电机1及减速箱2的转动惯量忽略不计，连杆3及按摩头4的转动惯量公式如下：
式中，j——转动惯量，kg·m2；
l——连杆杆长，m；
m1——连杆质量，kg；
m2——按摩头质量，kg；
h——按摩头高度，m。
由于按摩头的高度相对于连杆的长度可以忽略不计，故按摩装置的转动惯量可以简化为：
连杆质量主要与它的半径有关：
m1＝ρ·π·r2·l
式中，r-连杆的半径
ρ-连杆和按摩头的材料密度
连杆及按摩头的动能为：
根据能量守恒原理，按摩装置所作的功等于按摩人体背部时产生的弹性势能。
式中，f——按摩力，n；
ω——连杆角速度，rad/s；
k——人体背部的弹性系数，n/mm。
连杆转动时的角速度ω与输入控制电机的脉冲频率f的关系，
式中，
f——控制脉冲频率，hz；
s——控制电机分辨率，p/r。
i——减速器传动比；
由式(3)和(4)可以知道按摩力与脉冲频率之间的关系如下，
由式(5)可知，影响按摩力大小的主要因素有人体背部弹性系数、按摩时输入电机的脉冲频率、连杆长度、连杆半径和按摩头质量。
本实施例选用的按摩头和连杆的材料是铜棒，它的密度为8.9g/cm3，控制电机分辨率s为32768p/r。假定人体背部弹性系数k的取值为1.2n/mm，按摩头质量m2为10g，连杆半径r为4mm，连杆杆长l为150mm。由式(3)和式(5)可以知道脉冲频率对连杆角速度和按摩力影响，这3者之间的关系如表1所示。
表1脉冲频率对连杆角速度和按摩力影响
由表1可以知道当脉冲频率为8khz时，理论的按摩力大小为10.54n。图4为脉冲频率为8khz时的实际按摩力测试图，实际的按摩力约为5.32n。
由表1可以知道当脉冲频率为12khz时，理论的按摩力大小为15.81n。图5为脉冲频率为12khz时的实际按摩力测试图，实际的按摩力大小约为8.51n。
由表1可以知道当脉冲频率为16kh时，理论的按摩力大小为21.07n。图6为脉冲频率为16khz时的实际按摩力测试图，实际的按摩力大小约为12.22n。
通过观察图4、图5、图6可以知道，实际按摩力大小约为理论按摩力的50％-60％左右。造成这一现象的主要原因是：
(1)转换效率。连杆转动是通过电机来驱动的，电机的输出轴与连杆的连接是通过联轴器和连接轴来连接的，在电机转动的过程中与连杆之间会存在一定的转动摩擦，这将会减少一部分动能。
(2)停止时的能量消耗。叩击式按摩的按摩过程时在电机转到一定的角度时，电机开始停止转动，依靠转动惯量来实现按摩。在电机停止转动时会消耗一部分动能。
(3)人体背部阻尼系数。在按摩力理论计算过程中，只考虑了背部的弹性系数，没有考虑到阻尼系数。在实际按摩过程中，叩击人体背部时会有一部分能量消耗掉，这就导致了实际按摩力会比较小的原因之一。
综上，造成实际按摩力比理论按摩力小的主要原因是电机输出轴与连杆之间存在摩擦、电机停止转动消耗能量、计算理论按摩力时未考虑人体背部阻尼。因此在实际对按摩力的大小进行控制时，需要按照50％-60％的比例对理论按摩力值进行换算。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种叩击式按摩装置，其特征在于，包括控制电机、减速箱、连杆以及按摩头，所述控制电机的输出轴与所述减速箱的输入端连接，所述连杆的两端分别与减速箱的输出轴和按摩头连接，所述连杆与所述减速箱的输出轴垂直，所述按摩头与所述连杆垂直，所述按摩头与所述减速箱输出轴垂直；所述控制电机驱动所述连杆以及按摩头转动角位移θ到接近人体时控制电机停止转动，所述连杆以及按摩头依靠运动惯性对人体进行叩击式按摩；
其中，10°＜θ＜180°。
2.根据权利要求1所述的一种叩击式按摩装置，其特征在于，所述按摩头和连杆的材质为铜。
3.根据权利要求1所述的一种叩击式按摩装置，其特征在于，所述连杆的长度为100-250mm。
4.根据权利要求1所述的一种叩击式按摩装置，其特征在于，所述控制电机为步进电机或伺服电机。
5.如权利要求1所述的一种叩击式按摩装置的按摩力控制方法，其特征在于，向控制电机输入一定频率的脉冲，按摩头对人体的按摩力与脉冲频率的关系：
式中：k——人体背部的弹性系数，n/mm；
l——连杆杆长，m；
i——减速器传动比；
s——控制电机分辨率，p/r；
ρ——连杆和按摩头的材料密度；
r——连杆的半径；
m2——按摩头质量，kg；
f——控制脉冲频率，hz。
技术总结