基于LabVIEW的三自由度叩击按摩系统控制系统的设计
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摘 要：本文设计的三自由度叩击按摩系统实现了对人体背部的自动化叩击按摩。首先设计了基于三自由度直角坐标移动平台的叩击按摩系統机械本体，使用固高GE-400-PV-PCI型四轴运动控制卡控制直角坐标平台的末端执行机构-叩击按摩模块的移动和叩击动作的实现。系统软件采用了基于LabVIEW平台的人机交互式界面，该界面提供了手动和自动两种系统操作模式，提高了该系统的可操作性。通过按摩人体测试，两种不同的系统操作模式均能满足叩击类按摩手法的基本要求，进而验证了该控制系统设计方案的可行性。
关键词：LabVIEW;叩击按摩;运动控制;激振器
随着社会老龄化程度加剧，越来越多长期卧床的老年人需要进行按摩以防止各种并发症的发生。近年来，专业的按摩护理人员急剧短缺，现有的按摩护理从业者从事着繁重的按摩体力劳动，这一现状促进了由物力代替人力对长期卧床老年人进行按摩护理的发展。本文设计的三自由度叩击按摩系统，可以实现对人体背部的定距离、定频率叩击按摩，可以使按摩护理进入机械化、智能化、自动化的发展阶段。
1 叩击按摩系统的机械结构设计
本文设计的三自由度叩击按摩系统的机械结构设计主要由悬臂柔性叩击按摩模块和三自由度直角坐标移动平台两部分组成。以固高运动控制卡为核心，来实现三自由度移动平台在X、Y、Z三个方向上的运动和悬臂柔性叩击按摩模块叩击动作的产生。通过两部分运动的结合，实现对人体背部不同位置、不同频率的叩击按摩。
图1 三自由度叩击按摩系统机械结构图悬臂柔性叩击按摩模块是用悬臂梁式的叩击按摩臂代替人的手臂，该按摩臂具有一定的柔性，从而避免了刚性按摩对人体造成的伤害。通过激振器为按摩臂提供动力，同时也可以通过运动控制卡提供的可调频率和可调幅度的正弦信号，改变激振器的振动频率和幅度，进而改变悬臂柔性按摩臂的按摩方式，满足不同的按摩需求。三自由度直角坐标移动平台是由三个线性模组组成，该平台的最大移动距离为1000mm×400mm×1000mm。三个轴采用笛卡尔坐标系定义，分别定义为 X 轴、Y 轴、Z 轴，三个轴的方向分别对应实际中的左右、前后和上下方向，使用线性模组搭建该三维坐标平台，驱动方式上采用步进电机，传动方式上采用滚珠丝杠，和直线导轨辅助完成。三自由度叩击按摩系统机械结构图如图1所示。
2 叩击按摩系统的控制系统硬件设计
通过对叩击按摩系统的功能分析，要求该系统能够仿照传统医学叩击类按摩手法进行智能化按摩，按摩的位置、频率、力度能够在终端界面上实时显示，并且在按摩过程中能够随时改变按摩的位置、频率、力度。充分考虑按摩系统的控制要求，本文采用了“PC+运动控制卡”的控制方式，实现对三维直角坐标移动平台和叩击按摩模块的精准控制。控制系统硬件结构图如上图2所示。
3 控制系统软件设计
叩击按摩系统的软件功能要求实现叩击按摩的自动化全过程。软件系统的编程方式以采用模块化形式，主要包括人机交互式界面、运动控制模块、人机距离监测模块等，其中运动控制模块可以实现手动操作和自动控制两种工作模式。开发平台选用虚拟仪器LabVIEW，其具有编程简单、界面直观等优点。叩击按摩系统控制系统软件部分主要功能包括接收并响应外部的操作指令、控制执行机构的运动、系统工作状态的及时监测、系统工作中所产生故障的诊断及解决、系统工作信息的反馈等。控制系统软件流程图如图3所示。
4 结论
本文结合叩击类按摩手法在护理中的应用以及按摩康复类设备的市场需求，设计了一种基于三自由度直角坐标移动平台的叩击按摩系统，采用“PC+运动控制卡”的控制方式，基于LabVIEW软件平台对叩击按摩过程进行精准控制。通过按摩人体测试，验证了系统控制方案的可行性。叩击按摩系统的研制实现了叩击按摩的机械化与自动化，与其他按摩康复类设备结合使用，可以将按摩护理人员从繁重的体力按摩工作中解放出来，具有较强的实用性和可推广性。
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作者简介：贾培奇（1990-），男，汉族，河北邯郸人，硕士研究生，科员，助理工程师，研究方向：机械设计及理论。
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