本发明涉及保健器械类技术领域，具体涉及一种按压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，利用机械机构的运动或气囊挤压等方式进行按摩。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、需要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按摩控制，实现按摩力度实时可控，按人体需求设置按摩频率，这些是可行的，也是很有现实意义的。
技术实现要素：
本发明的目的在于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，提供一种按压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：一种按压式按摩装置，包括控制电机、连杆、按摩头、控制单元以及电机控制器，所述连杆的两端分别与控制电机的输出轴和按摩头连接，所述连杆与所述控制电机的输出轴垂直，所述按摩头与所述连杆垂直，所述按摩头与所述控制电机输出轴垂直；所述按摩头的前端设置有微动开关和/或力传感器；所述控制单元通过电机控制器控制所述控制电机转动，从而带动所述按摩头小角度往复摆动进行按压式按摩，其摆动角度与按摩头位移量的关系：
式中，l——连杆长度，mm；
δx——按摩位移量，mm；
δθ——按摩过程中的转过的角度，(°)；
且0＜δx≤20mm。
作为优选，所述微动开关与所述力传感器可拆卸、替换地安装在所述按摩头的前端。
作为优选，所述控制电机为步进电机或伺服电机。
一种按压式按摩装置的按摩力控制方法，包括：
开环控制，将微动开关安装在所述按摩头的前端，控制电机带动连杆及按摩头转动，当微动开关检测到按摩头与人体接触时，控制单元发送一定数量的脉冲给电机控制器，电机控制器驱动控制电机往复转动，按摩力：
式中：d——人体肌肉弹性系数；n——控制脉冲数；s——控制电机转一圈所需的脉冲数；
闭环控制，将力传感器安装于所述按摩头的前端，在按摩开始前设定一个期望按摩力f，按摩过程中根据力传感器实时反馈的按摩力值fs，采用数字pid控制方式，控制单元通过增加或减少输入电机控制器的脉冲量，使得fs接近f。
进一步的，所述人体肌肉弹性系数的测定方法如下：将力传感器安装于所述按摩头的前端，当按摩头与人体接触后，控制单元发送一定数量的脉冲给电机控制器，使按摩头对人体施加按摩力，该按摩力通过力传感器测量得到，人体肌肉弹性系数：
式中：f——力传感器测得的按摩力，n——控制脉冲数；s——控制电机转一圈所需的脉冲数；l——连杆长度，mm。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：
1、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。
2、本发明通过开环和闭环两种方法调节按摩力，并可对人体肌肉的弹性系数进行测定，能够根据特定对象的需要进行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是本发明按压式按摩装置的结构示意图。
图2是本发明按压式按摩装置的侧面结构示意图。
图3是本发明按摩控制测试原理图。
图4是本发明按摩力闭环控制原理图。
图5是本发明按摩力闭环控制中pid算法实现控制图。
图6是本发明按摩力pid控制实验曲线图。
图7是本发明中人体背部区域划分图。
图8是本发明中不同背部区域的弹性系数曲线图。
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。
本发明的按压式按摩装置包括控制电机、连杆、按摩头、控制单元以及电机控制器，如图1、2所示，连杆2的两端分别与控制电机1的输出轴和按摩头3连接，所述连杆2与所述控制电机1的输出轴垂直，所述按摩头3与所述连杆2垂直，所述按摩头3与所述控制电机1输出轴垂直。按摩头3的前端可拆卸替换地设有微动开关和力传感器，载有微动开关或力传感器的组件通过可拆卸的卡接或螺纹连接的方式安装在按摩头3的前端，即当按摩头3安装有微动开关时，可将微动开关拆下，并替换安装力传感器。控制单元通过电机控制器控制所述控制电机进行往复运动，从而带动按摩头往复摆动(即正负位移)。
本发明是通过控制按摩头的微小行程来实现的，其按摩力的控制方法具体有三部分，分别是按摩力的开环控制、按摩力的闭环控制和人体肌肉的弹性系数的测定。
按摩力的开环控制方法如下。
在按摩头3的前端安装微动开关，控制电机1带动连杆2及按摩头3转动，根据微动开关的信号变化确认按摩头3是否与人体4接触，当按摩头3与人体4接触后，控制电机1继续转动一定的角度，按摩头3就会对人体4施加一定的按摩压力，按摩力的大小取决于按摩头3的位移量。也就是说：当按摩头3与人体4接触之后，通过控制按摩头3位移量的大小可实现按摩力大小的控制。本实施例中控制电机1为步进或伺服电机，控制电机1的角位移可换算成当量脉冲数量，通过向控制电机1输入一定数量的脉冲即可实现按摩力值大小的控制，上述过程无反馈控制。
具体而言，在按摩力的开环控制方法中，按压过程：控制单元发送一定数量脉冲给电机控制器，然后电机控制器驱动控制电机1转动角度，将按摩头3的位移值换算成人体肌肉的受压位移值。
在按摩过程中，电机转过的角度与脉冲数之间的关系如下：
式中，δθ——按摩过程中的转过的角度，(°)；
n——控制脉冲数；
s——控制电机转一圈所需的脉冲数。
按摩位移量与电机转过的角度之间的关系如下：
由于δθ角度很小
式中，l——连杆长度，mm；
δx——按摩位移量，mm。
按摩力f与按摩时位移量之间的关系如下：
f＝d·δx(3)
式中，d——人体肌肉弹性系数
由式(1)、(2)、(3)可知按摩时，按摩力与输入电机的脉冲数之间的力学模型：
按摩力的闭环控制方法如下。
在按压式按摩实现过程中，为了能够更好的控制该装置输出力的大小，在上述开环控制的基础上，卸去按摩头3的前端的微动开关，替换成力传感器并将其固接于按摩头3的前端，在按摩的过程中，根据力传感器实时反馈的按摩力值，控制单元通过增加或者减少输入控制电机的脉冲量控制实电机角位移，从而实现按摩力大小的控制，按压式按摩力测试原理图如图3所示。在按摩开始前，设定一个初始恒定的期望按摩力f，开始按摩以后，力传感器检测到力fs，力控制器的目标是控制f和fs的差值|f-fs|，使其越小越好。力控制器使用数字pid方式控制。按压式按摩力闭环控制原理图如图4所示。
根据pid控制定理：
由于执行机构为控制电机，只要给一个增量信号即可，因此采用增量式pid控制算法，
的公式具体算法如下：
u(k)＝u(k―1) δu(k)
δu(k)＝kp[e(k)―e(k―1)] kie(k) kd
[e(k)―2e(k―1) e(k―2)](5)
式中，u(k)——第k次采样时控制器的输出信号；
e(k)——第k次采样时的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；
k——采样序号，k＝0,1,2，...
kp——比例系数；
影响到kp、ki、kd三个参数的因素很多，包括电机参数、转速采样时间等。需要考虑到系统中的各个参数情况，才能计算出来。根据公式(5)，具体算法实现示意图如图5所示。
人体肌肉的弹性系数测定方法如下。
对于人体肌肉的弹性系数的确定，可以通过查阅文献资料获取，考虑到人体肌肉弹性系数的个体差异性以及同一人体不同部位的肌肉弹性系数差异性，本实施例通过实时测量的方式获得关于个体肌肉弹性系数的信息。具体方法如下：测量时，将按摩头3的头部的微动开关换成力传感器，如图1所示，根据力传感器的信号变化确认按摩头3是否与人体4接触，当按摩头3与人体4接触后，控制电机1及连杆2继续转动一定的角度，按摩头3就会对人体4施加一定的按摩压力，该按摩力的力值可由力传感器测量得到，根据该力值和控制电机1的角位移可得到人体该部位的肌肉弹性系数值，其中控制电机1的角位移可通过输入控制电机1的脉冲数得出，根据式(4)，可得：
根据该力值和输入控制电机1的脉冲数，可得到人体某一部位的肌肉弹性系数值。
实施例1
本实施例分别从按摩力的开环控制、按摩力的闭环控制和人体肌肉的弹性系数的测定，对其具体实施方式分别举例加以说明。
对于按摩力的开环控制，实施实例如下：由式(1)、(2)、(3)、(4)可以知道按摩时，输入电机的脉冲数、电机转动角度、按摩位移量、按摩力之间的关系。如表1所示，本实施例中测定，s＝4096，d＝1.2n/mm，l＝200mm。
表1角度与脉冲数和位移量的关系
对于按摩力的闭环控制，实施实例如下：运用pid算法对任意期望按摩力进行控制实验，当期望的按摩力为7.5n时，取kp＝0.1、ki＝0.1、kd＝0.05，采样周期为20ms，实验得到的结果如表2所示，将实验数据做成曲线图，如图6所示。
表2pid控制实验实测数据
对于人体肌肉的弹性系数的测定，实施实例如下：将人体背部分成6块区域如图7所示，由于人体背部的左右两边的骨骼和肌肉是相同的，所以区域1和区域2、区域3和区域4、区域5和区域6的弹性系数是相同的。本次实验只测区域1、3、5的弹性系数，实验结果如表3所示，根据表3的数据绘制成图8。
表3不同背部区域的弹性系数
根据图7可知区域1、区域3、区域5的弹性系数，如表4所示。
表4人体背部区域弹性系数
1.一种按压式按摩装置，其特征在于，包括控制电机、连杆、按摩头、控制单元以及电机控制器，所述连杆的两端分别与控制电机的输出轴和按摩头连接，所述连杆与所述控制电机的输出轴垂直，所述按摩头与所述连杆垂直，所述按摩头与所述控制电机输出轴垂直；所述按摩头的前端设置有微动开关和/或力传感器；所述控制单元通过电机控制器控制所述控制电机转动，从而带动所述按摩头小角度往复摆动进行按压式按摩，其摆动角度与按摩头位移量的关系：
式中，l——连杆长度，mm；
δx——按摩位移量，mm；
δθ——按摩过程中的转过的角度，(°)；
且0＜δx≤20mm。
2.根据权利要求1所述的一种按压式按摩装置，其特征在于，所述微动开关与所述力传感器可拆卸、替换地安装在所述按摩头的前端。
3.根据权利要求1所述的一种按压式按摩装置，其特征在于，所述控制电机为步进电机或伺服电机。
4.如权利要求1所述的一种按压式按摩装置的按摩力控制方法，其特征在于，包括：
开环控制，将微动开关安装在所述按摩头的前端，控制电机带动连杆及按摩头转动，当微动开关检测到按摩头与人体接触时，控制单元发送一定数量的脉冲给电机控制器，电机控制器驱动控制电机往复转动，按摩力：
式中：d——人体肌肉弹性系数；n——控制脉冲数；s——控制电机转一圈所需的脉冲数；
闭环控制，将力传感器安装于所述按摩头的前端，在按摩开始前设定一个期望按摩力f，按摩过程中根据力传感器实时反馈的按摩力值fs，采用数字pid控制方式，控制单元通过增加或减少输入电机控制器的脉冲量，使得fs接近f。
5.根据权利要求4所述的一种按压式按摩装置的按摩力控制方法，其特征在于，所述人体肌肉弹性系数的测定方法如下：将力传感器安装于所述按摩头的前端，当按摩头与人体接触后，控制单元发送一定数量的脉冲给电机控制器，使按摩头对人体施加按摩力，该按摩力通过力传感器测量得到，人体肌肉弹性系数：
式中：f——力传感器测得的按摩力，n——控制脉冲数；s——控制电机转一圈所需的脉冲数；l——连杆长度，mm。
技术总结