多功能小腿按摩仪的设计与实现

关键词：小腿；按摩；NY8BE64A；多功能；气压挤压

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）28-0105-03

0 引言

随着现代城市化的发展，人类正逐渐脱离传统的工作生活方式，日常缺乏锻炼、久坐不动已成为现代人的常态。临床研究表明[1-2]，久坐行为与高血压、血栓、肌肉萎缩等多种疾病存在显著关联，不论年轻还是年老，都面临严重的腿部健康问题[3]。针对这类问题，设计出能够满足各个群体需求的按摩产品至关重要。

此前有学者在按摩仪设计方面做出了一些探索，如：李卓琪[4]设计了一种基于STM32为核心的气压式按摩仪，通过控制气泵对气囊进行充气放气，实现对人体腿部及下肢的按摩功能，并具备语音识别模块和膝关节屈伸模块，为行动受限的瘫痪患者提供了一定的治疗保健效果。黄文禧[5-6]结合中医经络学理论设计了一种自动穴位定位的水压式按摩仪，该按摩仪也是基于STM32单片机为主控，利用激光测距和薄膜压力传感器测量定位出人体背部相关穴位，再根据使用者的病症对特定穴位进行水压冲击按摩，对症下药使得治疗效果更加显著。王影影[7]基于单片机设计并实现了一款电刺激按摩仪，该电疗按摩仪基于EMS电脉冲肌肉刺激原理，通过调整输出电压波形和幅值，对电极贴合部位的神经进行电刺激从而促使肌肉主动发生跳动，该设计所用设备简洁且功效显著，具有较高的实用价值。

然而，现有很多按摩仪产品设计中存在一些问题。一方面，大多数仪器的按摩方式单一，普通按摩仪无法满足多种复杂腿部症状的需求；另一方面，目前越来越多的按摩仪设计采用手机App远程操控[8]，用户操作流程复杂烦琐，设备之间耦合度高，增加了用户的学习和使用成本，对老年群体尤其不便。因此，开发一款功能全面、易于操作、成本低廉的按摩产品具有重要意义[9]。本文以九齐NY8BE64A单片机为核心，设计并实现了一款面向小腿肌肉的多功能按摩仪，该按摩仪使用按键进行输入操作，具备按压、热敷、震动、电刺激等多种功能，交互简单，体验丰富，对缓解使用者肌肉疲劳、促进腿部血液循环和淋巴流动具有不错的功效。

1 系统设计方案

为满足多种人群的腿部健康需求，按摩仪需要融合按压、揉捏、捶打、热敷、电击、针灸等多种按摩方式。在设计上，首先使用传统气压挤压的方式模拟推拿揉捏，以包裹肌肉，达到舒缓身心疲劳的效果。接着通过震动和加热方式对腿部进行捶打和热敷，更有效地缓解肌肉紧张、促进血液流通和淋巴循环[10-11]。最后使用电脉冲刺激的方式刺激肌肉深层神经和脉络，帮助消除疲劳受损的肌肉和神经，对缺乏运动或腿部疾病患者的康复过程起到更好的辅助效果。按摩系统设计如图1所示。

2 硬件设计

按摩仪外表层材料采用透气的纺织布，形状为穿戴式筒状结构，能很好地包裹腿部及臂部肢体。电击按摩媒介采用通用理疗电极片，能够稳定地贴合皮肤表皮传导刺激电流。控制系统以九齐NY8BE64A单片机为核心，配合交互模块、气压模块、震动模块、热敷模块、电刺激模块和电源管理模块实现仪器的总体功能。在实际使用中，用户首先通过按键选择和切换按摩模式及档位，并能从LED显示获知当前仪器工作状态，通过气压模块实现气囊鼓胀挤压所包裹肌肉，对小腿实现按压效果，然后基于震动模块和热敷模块分别完成震动和热敷功能，最后通过电刺激模块实行低频电脉冲刺激贴合部位肌肉实现电疗效果[12]。硬件模块结构如图2所示。

2.1 气压模块

气压模块由一个小型充气泵、两个气袋和气阀组成。充气泵连接升压芯片FP6293，工作时以5V电压驱动向气袋充气。两个气袋上的泄气阀通过周期性开合控制气袋的膨胀程度。根据气阀的开合周期及顺序，设计了三种按摩模式：轮流按压、接替按压和同时按压。通过气压模块改变气泵的充气时间，控制气囊的膨胀程度，模拟实现小、中、大三种按摩力度，用户在使用时可根据自身体验进行选择。

2.2 热敷模块

热敷模块使用具有优异导热性和稳定性的石墨烯加热片作为发热体。加热片轻薄的片状结构能够很好地包裹腿部，实现热敷功能。通过连接单片机的PWM输出，热敷模块提供四种温度档位：无、低、中、高，以满足用户对不同热敷温度的需求。

2.3 震动模块

按摩仪的震动模块由一块微型震动马达构成。该部件部署于按摩仪后部，能通过震动帮助用户缓解小腿后侧腓肠肌部位的疲劳与紧张。震动模块同样连接至单片机的PWM输出，通过控制马达的转速与输出力度，实现无、低、中、高四种震动力度，满足用户对不同震感强度的需求。

2.4 电刺激模块

电刺激模块由电极片和电刺激芯片构成，考虑到部分用户群体对神经电刺激的生理性排斥[13]，故该模块设计独立于仪器，用户可根据自身需求选择使用。电刺激芯片使用的是暖芯迦TENS_NS4，该芯片能通过输出特定电流脉冲刺激肌肉和神经元，实现TENS 镇痛、EMS辅助增肌、EMSRP肌肉康复等多种功能。按摩仪在设计中采用TENS_NS4芯片的默认综合模式，在该模式下，电极片输出能周期性改变刺激电流脉冲的大小和频率，对贴合部位的肌肉神经轮流实行模拟针灸、镇痛、增肌等理疗效果，进一步丰富用户的按摩体验。

2.5 交互模块

交互模块负责实现用户对按摩仪的操作以及查看设备当前工作状态的功能。该模块包括物理按键和LED指示灯。共有10个LED指示灯，分别用于显示温度、压力和按摩模式三个档位，以及一个电源指示灯。其中电源指示灯采用三色混光LED，可根据正常工作状态、低电量和充电状态显示不同颜色，实现功能指示与区分效果。按键输入方面，使用五个物理按键分别控制按摩仪的开关机、模式、压力、温度和震动功能。当用户按下按键时，伴随蜂鸣器短提示音，整体达到简便的交互效果。

2.6 电源管理模块

电源管理模块负责低电量侦测报警和充电管理功能。在按摩仪的使用过程中，过度放电容易降低锂电池的寿命。为了延长产品的使用寿命，设计了电源管理功能。该功能利用单片机内部的低电压检测（LVD） ，当检测到电源电压低于设定阈值时，电源指示灯将持续闪烁红灯，并伴随蜂鸣器短促提示音，提醒用户电量太低需要充电，并在5秒后自动关闭设备。充电功能采用集成充电芯片AP5058，该芯片能够自动完成电源的充电管理和保护工作。

3 软件设计

开发环境简介：本项目的软件代码采用C语言编写，开发环境为九齐单片机所用的NYIDE 5.31编译软件。在完成程序编写后，由编译器生成.bin文件，然后使用烧录软件Q-Writer及相应型号的烧录器将该文件烧录至单片机中。

3.1 整体程序流程设计

整体系统为循环状态。开始工作时，执行各功能模式的默认设置，并点亮相应的LED灯。随后，单片机进入LED闪烁、按键检测、充电检测3个模式的循环。当检测到按键按下时，更新相应模式的状态。整体程序流程如图3所示。

3.2 气压程序流程设计

在按摩仪的主要功能中，按压模式和气压大小主要取决于气囊充放气的时间。系统利用单片机内部定时器T0产生定时中断进行时间计算。在创建工程时，通过配置菜单界面选择特定的时钟源、指令周期和分频系数，以实现单片机2.48ms的定时中断。在按摩仪工作过程中，每次定时中断发生时进行一次计数。当计数值累计达到预设阈值时，执行相应逻辑并重置计数变量，从而实现计时控制。当按下气压档位按键时，新的计数值将在当前充放气流程结束后重新加载。气压相关程序如图4所示。

4 实物测试

按摩仪的实物如图5所示。为验证其效果，邀请了12名年龄分布在25～65岁、性别分布均衡的普通人参与测试。为全面评估产品性能，测试环节设定了五项评判指标：操作简便度、信息可视化、功能丰富度、综合按摩效果和综合评价。其中，操作简便度反映用户在无说明指导下对仪器的上手难易程度；信息可视化反映用户对当前按摩仪工作信息的获取清晰程度；功能丰富度和综合按摩效果则评估用户对功能多样性和效果明显性的评价。在测试过程中，受试者分别用本设计的按摩仪和市面上某款普通按摩仪对左右腿进行按摩，并根据自身体验认同度由低到高给出1～5分的评分值，测试结果采用李克特量表统计表征，得分均值情况如图6所示。

根据评测数据，可以得出结论：所设计的按摩仪在操作简便度、综合按摩效果、功能丰富度和综合评价四项指标上均高于对照组，且分数均超过4分，基本达到了设计初衷。

5 结束语

针对复杂多样的腿部健康问题，本文设计并实现了一款多功能小腿按摩仪。该仪器通过多种方式实现对腿部的挤压、揉捏、捶打、热敷和电刺激等按摩效果，能够有效缓解腿部肌肉疲劳，并具有一定的辅助治疗效果，尤其对腿部肌肉萎缩和中风偏瘫患者[14-15]。此外，由于按摩仪器基于包裹肢体的设计，不仅适用于小腿，还可以对大腿和手臂肌肉进行按摩，展现出较强的拓展性和多样性。本文所设计制作的按摩仪器操作简便、工作稳定、功能多样，符合市场需求，具有较高的实用价值。