冷壽陽　李　華　韓東雪　謝　峰（安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601）

基于壓電元件放電效應(yīng)的足療按摩鞋設(shè)計

冷壽陽李華韓東雪謝峰
（安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 合肥 230601）

人體足部有很多穴位，對足部進(jìn)行按摩可以調(diào)節(jié)身體、增進(jìn)健康。利用壓電元件的放電效應(yīng)可以制成新型足療按摩健康鞋，這種鞋可以將產(chǎn)生的電荷作用于人體相應(yīng)的穴位來達(dá)到按摩的效果，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有廣闊的市場前景。本文針對所設(shè)計開發(fā)的足療按摩鞋，從壓電材料的選擇、基本數(shù)據(jù)的計算、足中穴位確定以及傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計方面進(jìn)行闡述，驗證了此方案的可行性，為應(yīng)用到實際生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

壓電效應(yīng)；壓電材料；按摩鞋；穴位

1 引言

在人們的日常生活中，每個人都離不開行走，而走路是離不開雙腳的，因此通常人們會感到疲勞，往往是腳的疲勞。而按照中醫(yī)的觀念，人們的雙足有許多穴位，通過按摩這些穴位可達(dá)到強(qiáng)生健體﹑恢復(fù)疲勞的作用。因此按摩鞋應(yīng)運而生。現(xiàn)在已有的足底按摩器﹑足底按摩鞋等，采用凸模按摩的方法，對足底穴位進(jìn)行壓迫刺激，這種方法可以利用人本身自然行走狀態(tài)達(dá)到保健按摩之功效，易于被人們接受；市場上還有一種磁療鞋，它是通過磁場作用于腳部相應(yīng)的穴位來達(dá)到緩解疲勞的目的，但是這種磁療鞋制造成本較高。

2 壓電效應(yīng)與壓電材料的選擇

2.1 壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。

2.2 壓電材料的選擇

壓電材料就是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓即能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體材料。壓電材料種類繁多，按晶體結(jié)構(gòu)分有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)﹑鎢青銅結(jié)構(gòu)﹑鉍層狀結(jié)構(gòu)等，按用途或功能分有發(fā)射型和接收型壓電材料，按形狀分有粉體﹑纖維﹑薄膜及塊體材料；按性質(zhì)和組成組元分為壓電單晶﹑壓電陶瓷﹑壓電聚合物和復(fù)合材料。常見的壓電材料有兩類：壓電單晶體和多晶壓電陶瓷，如圖1所示。

3 壓電陶瓷的放電電流和電壓的測定

3.1 壓電陶瓷等效計算參數(shù)

此健康足療保健鞋采用的是壓電陶瓷正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷和電壓的，壓電陶瓷片的性能將直接影響到新型健康足療保健鞋的功能和安全問題。影響壓電陶瓷材料性能的主要參數(shù)有相對介電常數(shù)εr，真空介電常數(shù)εo，壓電陶瓷片的壓電常數(shù)d等。

3.2 等效模型及計算

壓電陶瓷片在壓力作用下上下表面產(chǎn)生電荷和相應(yīng)的電勢差，計算時其相當(dāng)于一個電容。如圖為壓電陶瓷片，其作用面積為A，厚度為h，沿y軸極化，沿y軸方向施加應(yīng)力F。

在外力F作用下，壓電陶瓷所能產(chǎn)生的電荷量為：

式中Cp為壓電陶瓷片等效電容的電容量，計算公式為：

3.3 機(jī)構(gòu)與人體間作用時的電壓電流測量

對于人體而言，人體的感知電流，即人體能感到針刺和發(fā)麻感的最小工頻電流為男1.1mA﹑女0.7mA，直流電流為男5.2mA﹑女3.5mA。總體而言，對于機(jī)構(gòu)終端與人體組成回路時，經(jīng)過人體的電流為0.5mA到5mA。故須測量其放電電流。

4 足中穴位的確定

針灸學(xué)已經(jīng)有了數(shù)千年的歷史，在中醫(yī)學(xué)中也是十分重要的組成部分，目前已經(jīng)被180多個國家和地區(qū)所接受，針灸的基本規(guī)律是通過調(diào)控神經(jīng)-內(nèi)分泌-免疫網(wǎng)絡(luò)途徑實現(xiàn)其效應(yīng)具有多環(huán)節(jié)和多靶向特征。腳掌部有許多重要的穴位，其中最重要的是涌泉穴，位于足底（腳趾除外）第二﹑三趾縫與腳跟成一直線上三份一與下三份二交匯點，為足少陰腎經(jīng)的起點，具有清熱醒神交濟(jì)心腎的功能，且與耳﹑發(fā)有相當(dāng)重要的關(guān)系；經(jīng)常刺激此穴位，可消除疲勞，增長身高，對腎虛（腰酸﹑肢冷﹑精力減退﹑陽痿﹑脫發(fā)﹑少白發(fā)﹑夜尿）﹑老年癡呆癥等疾病有保健作用。

圖1 打火機(jī)中的壓電陶瓷

5 力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計

（1）杠桿：根據(jù)杠桿原理，可以將作用力按比例放大；

（2）凸輪：利用凸輪，可以將豎直方向的力轉(zhuǎn)換為水平方向的力。

結(jié)語

經(jīng)過以上設(shè)計可以初步做出按摩鞋，其結(jié)構(gòu)簡單﹑成本低，使用方便﹑效果好，易于被人們所接受，具有較為廣闊的市場前景。

[1]王保林．壓電材料及其結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2003（05）．

[2]何超，陳文革．壓電材料的制備應(yīng)用及其研究現(xiàn)狀[J]．功能材料，2010（S1）．

[3]王零森．特種陶瓷[M]．北京：中南大學(xué)出版社，2005（03）．

[4]李全祿，何濤，解妙霞．壓電陶瓷壓力與應(yīng)電壓曲線測試分析[J]．陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004， 32（04）．

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本文系2013年“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”階段性成果之一，項目編號：201310357075。