周國海 尹鋼 陳清 曲廣財

摘要：目前按摩椅所使用的機芯，是通過肩位檢測確定身高后，來實現(xiàn)整個背部“游走”性揉刮與非定點性敲擊動作的。因當(dāng)前其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計慣例的原因，機械手擺臂的柔刮動作是通過主軸的偏角擺動動作來實現(xiàn)的，故無法實現(xiàn)對背部某特定區(qū)域進行仿形揉捏與定點敲擊的動作，不能很好滿足用戶這種特定的需求。而本案例是通過絲桿定位機械手的擺動，以及采用機械手支點“圓心前置法”，不僅保證了機械手可實現(xiàn)定點敲擊，而且還實現(xiàn)了雙凹形仿形柔刮動作。

關(guān)鍵詞：按摩椅? 機械手? 柔刮? 敲擊 定點? 仿形

Research on the Profiling Scraping and Fixed Point Knocking of Massage Chair Manipulator

ZHOU Guohai1? ?YIN Gang2? ?CHEN Qing1? ? QU Guangcai2

（1.Zhejiang Haozhonghao Health Products Co.， Ltd.， Wenzhou， Zhejiang? Province， 325409 China; 2.Haozhonghao Healthy Technology Co.， Ltd.， Wenzhou， Zhejiang Province， 325000 China; 3.Department of Sports Science， Wenzhou Medical University， Wenzhou， Zhejiang Province， 325035 China）

Abstract： At present， the movement used by the massage chair is determined by the shoulder position detection height， to achieve the "walking" kneading and scraping and non fixed-point percussion of the whole back. Due to the current mechanical structure design practice， the soft scraping action of the manipulator swing arm is realized through the deflection angle swing action of the main shaft， so it can not realize the action of profiling kneading and fixed-point knocking on a specific area of the back， and can not well meet the specific needs of users. In this case， the swing of the manipulator is positioned through the screw rod， and the "circle center front method" of the manipulator fulcrum is adopted， which not only ensures that the manipulator can realize fixed-point knocking， but also realizes the double concave profiling soft scraping action.

Key Words： Massage chair; Manipulator; Scraping; Knocking; Fixed point; Profiling

隨著現(xiàn)代社會人們學(xué)習(xí)和工作壓力的增大，亞健康問題越來越突出[1]。據(jù)研究表明按摩椅對改善睡眠質(zhì)量與微循環(huán)，以及降低疲勞等有較為理想的作用[2][3]，由此人們開始熱衷于使用按摩機進行保健按摩。然而傳統(tǒng)按摩椅機械手因其兩擺臂的擺弧呈“雙凸”弧形，故與人體背部相抵柔刮時，也就不可避免地出現(xiàn)人體上下起伏過大，且背部兩頰中心處受力也就隨之過大的現(xiàn)象發(fā)生。像這樣的按摩形式，對老年人實施按摩，或?qū)τ谄教伞⒌怪冒茨Φ挠脩魜碚f，就不太實用或使用的舒適性就變得更差[4]，以及還尚存有潛在危害性等風(fēng)險，且進一步要說明的是：該結(jié)構(gòu)形式的機械手還不能實現(xiàn)定點敲擊的功能。而本案例是通過絲桿定位機械手的擺動，以及采用機械手支點“圓心前置法”，不僅保證了機械手可實現(xiàn)定點敲擊，而且還實現(xiàn)了雙凹形仿形柔刮動作。

1. 機械手當(dāng)前常規(guī)結(jié)構(gòu)介紹

當(dāng)前3D機械手的定義是在2D機械手的x-y柔刮平面內(nèi)的基礎(chǔ)上，增加了z縱向伸出量的控制裝置，以實現(xiàn)其探肩、舉升等動作的機構(gòu)，其常規(guī)機構(gòu)見圖1。

由于2D機械手“游走”性揉刮與敲擊動作，是通過轉(zhuǎn)軸的偏角來實現(xiàn)的（見圖2（a）原理圖與2（b）實物實現(xiàn)主軸偏角的軸套），且該機構(gòu)又具有易應(yīng)用、設(shè)計簡單的特點，故該柔刮裝置在3D機械手上也就自然得到接承應(yīng)用[4]。

而針對開篇所述，不得不對當(dāng)前普遍采用的機械手結(jié)構(gòu)進行概念性創(chuàng)新。為此，諸多廠家展開了深入的研究。有的廠家試圖從軟件角度來展開探索，但由于其機械原固有的設(shè)計特點，其軟件驅(qū)動也不能較好地保障補償協(xié)作性，來實現(xiàn)其機械手的仿形功能，見圖2。

2. 機械手“仿形”運動的實現(xiàn)

由于人體背部兩側(cè)略有“外凸”的結(jié)構(gòu)特點，故為實現(xiàn)按摩機械手仿人體背部輪廓的運動，其機械手擺臂必須實現(xiàn)“雙凹”形擺動運動，其運動方式正好與當(dāng)前機械手擺臂運動曲率呈相反的方向。

專利“ZL2021 1 0398794.1一種仿形機械手”提出了兩種解決方案[5]：（1）圓心前置偏轉(zhuǎn)法（見圖3）;（2）擺臂聯(lián)動成形法（見圖4）。下文重點對“圓心前置偏轉(zhuǎn)法”作一深入分析，“擺臂聯(lián)動成形法”另做篇幅進行分析。

3. 圓心前置偏轉(zhuǎn)法仿形功能及其機構(gòu)

為實現(xiàn)定點敲擊功能，本方案中取消了圖2中的偏角機構(gòu)，而在其主軸上采用了球頭鉸連接結(jié)構(gòu)（即圖5中的A鉸鏈）。圖5 展示了球鉸鏈的作用，即移動B球鉸鏈頭時，其擺臂B-C段的長短，并不會影響O圍繞A球鉸鏈頭的旋轉(zhuǎn)。分解圖3圓心前置偏轉(zhuǎn)法，其基本結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。

圖5機構(gòu)的自由度計算如下。

由于A、B均為球鉸鏈，故該機構(gòu)為空間運動機構(gòu)。那么B、A約束3個水平移動自由度，故P3=2;C為復(fù)合鉸鏈，約束3個水平移動與2個旋轉(zhuǎn)方向，故P5 = 1;又因該機構(gòu)共2個運動副，故該空間機構(gòu)自由度按F 計算[6][7]，并將其展開為F = 6n - 5P5- 4 P4 - 3P3 -2 P2 - P1 ，因P4 = P2 = P1 =0，故可得F = 6×2 - 5×1 -3×2 = 1。

故可確定圖5機構(gòu)有惟一的運動軌跡存在，即輸入端i有旋擺運動時，輸出端O有唯一的運動形式輸出。其運動軌跡的分析見下，先對圖5建立坐標(biāo)系，見圖6。

為便于分析，設(shè)B、A、E三點在同一直線上，則上圖中這三點的連線與x軸有θ夾角關(guān)系。輸入端軌跡i在z-x平面內(nèi)，設(shè)軌跡為z = 。可采用瞬動法，設(shè)輸入端發(fā)生 瞬動，則輸出端B點瞬動值為 = 。 的瞬動值為輸出點E點的 的輸入值，故其切向瞬動值為? =? ?=? ?，即 由杠桿原理將 放大 倍。因 <90°且為恒角度值，故 ，所以E點軌跡輸出端投影到z-x平面內(nèi)，其圓心為“前置式”的，故可判定 掃略的軌跡同 掃略的軌跡曲率方向是一致的，均相對人體背部來說為凹形弧，即圓心“前置式”結(jié)構(gòu)。圖3這一圓心“前置式”結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的凹弧擺運動效果，也由數(shù)模的運動分析的結(jié)果所驗證。

換言之，從數(shù)理上講如果 >90°，則 則該機械手也就成了圖2（a）所示的機械手當(dāng)前常規(guī)結(jié)構(gòu)的形式了，即“凸弧擺”結(jié)構(gòu)形式。

4. 圓心前置偏轉(zhuǎn)法機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

（1）為提高機械手使用壽命，避免硬性沖擊，同時該機械手擺臂雖按“雙凹”形進行了設(shè)計，但人體背部非標(biāo)準(zhǔn)的“雙凹”圓弧輪廓，故此案例對雙擺臂均增設(shè)了彈性緩沖裝置，使該機構(gòu)對人體的作用更加完美，見圖7。

（2）脊椎托輪的運用。脊椎托輪既可作為人體靠背到位的一種判定裝置，而且其彈變讓位的作用也可對脊椎起到很好的按摩與支撐作用，該作用正好彌補了機械手兩擺臂的按摩頭所應(yīng)當(dāng)保持的20～25mm安全間隙[8][9]所帶來的“空白按摩區(qū)域”。其中，彈簧剛度設(shè)計以按摩頭所能產(chǎn)生的壓力為[10]10±2（N），進行目標(biāo)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)見圖8，而且其托輪的曲軸固定結(jié)構(gòu)，還使該托輪的支撐力也就具有了可調(diào)性。

5. 定點敲擊功能的設(shè)計

（1）本文案例在圖5輸入端i是由“雙向往復(fù)絲桿[11]”來帶動的，以避免其驅(qū)動電機來回往返地切換，以及往返時還必須的位置信號的截取，該絲桿可實現(xiàn)由電控往返轉(zhuǎn)改變?yōu)闄C械自我控制往返轉(zhuǎn)，這點上該絲桿提高了運動的可靠性。故當(dāng)該絲桿停止不旋轉(zhuǎn)時，再單獨驅(qū)動錘擊拉桿，即可實現(xiàn)“定點”敲擊動作。

（2）專利中[5]還設(shè)計了“氣壓式旋轉(zhuǎn)軸角度切換”，或“軸旋電磁離合器”裝置，以實現(xiàn)左、右兩擺臂采用同步，或30°～120°角度差的交錯錘擊動作（見圖7異同步切換器）。由于機械手中心脊椎托輪的支撐作用，故不管機械手采用同步錘擊，還是異步錘擊動作，均可保證使用者相對的穩(wěn)定性，極大限度地滿足了使用者的舒適性需求。按摩椅靠架結(jié)構(gòu)如圖9所示。

6. 按摩椅座架設(shè)計

由于該仿形機械手按摩寬度的加大，其探出的兩按摩臂運動寬度，已遠超出當(dāng)前按摩椅靠背座框的中部鏤空寬度尺寸，故專利“ZL2021 1 0398691.5”中提出了另一種座架方案[12]，即“一種自動張緊捫布按摩椅結(jié)構(gòu)”的方案，但由于該座架方案已超出非本篇闡述的“仿形機械手”所論述的范圍，此處不再闡述、論證。

參考文獻

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作者簡介

周國海，男，漢，1962年10月生，浙江溫州人，本科，總裁，研究方向：按摩健康器具.

尹鋼，男，漢，1968年12月生，四川廣元人，本科，高級工程師，研究方向：自動化控制.

陳清，男，漢，1974年6月生，浙江嘉興人，?？?，技術(shù)總監(jiān)，研究方向：按摩健康器具.

曲廣財，男，漢，1994年6月生，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，助教，研究方向：體育運動與健康.