陳紅波 葉佳偉 賴金濤 陳錦偉

（紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,浙江 紹興312000）

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的不斷加快,人們長(zhǎng)期處于一種高度壓力下,生活作息的不規(guī)律以及鍛煉的缺乏導(dǎo)致國(guó)民健康問(wèn)題日益嚴(yán)峻,因此人們對(duì)于健身與按摩的需求將會(huì)更加的強(qiáng)烈,不僅青年需要鍛煉與按摩,中老年人也存在較大的需求。目前大多健身按摩椅通過(guò)機(jī)械滾動(dòng)力與機(jī)械力擠壓作用進(jìn)行按摩,按摩強(qiáng)度較大,對(duì)于適用的群體存在一定的限制,不適合中老年人中心臟病或骨質(zhì)疏松人群,因此在設(shè)計(jì)中需要考慮這些問(wèn)題并不斷地進(jìn)行優(yōu)化,使按摩機(jī)構(gòu)工作強(qiáng)度較柔和。人機(jī)交互界面進(jìn)行一定簡(jiǎn)化,便于操作?，F(xiàn)存在的大多機(jī)械健身按摩椅動(dòng)力較為單一[2],可以將鍛煉的動(dòng)力進(jìn)行直接轉(zhuǎn)化或存儲(chǔ),作為按摩機(jī)構(gòu)的一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)按摩機(jī)構(gòu)工作,使用者可以自主選擇與切換模式。健身按摩椅將健身與按摩巧妙地結(jié)合,在按摩功能的基礎(chǔ)上再融入健身功能后,對(duì)于人們生活作息的調(diào)整、生活壓力的釋放、人體免疫能力的提高都能起到很好的功效,具有一定保健的功效。最后通過(guò)對(duì)鍛煉踏板機(jī)構(gòu)的改善節(jié)省一定的空間,踏板收納于按摩椅下方,只在使用時(shí)推出,閑置時(shí)收回即可[7]。通過(guò)對(duì)于機(jī)構(gòu)的改善后不僅擴(kuò)大適用范圍,還可以提高空間利用率。

1 健身按摩椅總體設(shè)計(jì)

GB1000-1988《中國(guó)成人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)中的人體坐姿尺寸：

圖1 成年人體坐姿尺寸示意圖

首先根據(jù)人體工程學(xué)相關(guān)參數(shù)將健身按摩椅的大致高度與機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì),并用SolidWorks 進(jìn)行三維建模。本健身按摩椅參數(shù)參考GB1000-1988《中國(guó)成人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)中的人體坐姿尺寸,來(lái)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)[4]。

坐高是指按摩椅的座面距離地面的豎直高度,對(duì)健身按摩椅而言,如果坐高過(guò)高,很容易造成用戶上下不便,因此設(shè)計(jì)坐高為445mm。背高是指靠背的最高端距離座面的高度,在健身按摩椅設(shè)計(jì)中,它也代表了按摩捶肩的區(qū)間,對(duì)按摩椅的按摩效果有較大影響,現(xiàn)取背高為800mm,坐深指座面的前后距離,座面的前邊緣距座面后邊緣的水平距離,應(yīng)該保證膝窩不受到壓迫的同時(shí)腰部能夠得到很好的支撐,設(shè)計(jì)坐深尺寸為460mm。坐寬指按摩椅內(nèi)側(cè)容納用戶的水平寬度,它與人的臀寬密切相關(guān),而過(guò)小的坐寬則會(huì)讓用戶覺(jué)得很擁擠,因此選取座寬為460mm。最后根據(jù)腿部踩動(dòng)腳踏動(dòng)作的舒適程度將腳踏距離椅面中心的距離定為650mm。

最后根據(jù)身體背部易出現(xiàn)酸痛或不適的地方安裝按摩機(jī)構(gòu)與捶肩機(jī)構(gòu)。按摩機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)按摩腰部與背部,捶肩機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)捶敲肩部,根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇按摩機(jī)構(gòu)距椅面200-600mm 處,捶肩機(jī)構(gòu)置于距椅面600-650mm 處,對(duì)重要部位進(jìn)行按摩,且準(zhǔn)確定位。

2 健身按摩椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 健身按摩整體結(jié)構(gòu)

該健身按摩椅包含四個(gè)主要功能,為健身功能、動(dòng)力切換功能、背部按摩功能、捶肩功能。按功能不同又主要由模式切換機(jī)構(gòu)、行星輪系按摩機(jī)構(gòu)、扇葉捶肩機(jī)構(gòu)、鏈條伸縮與踏板伸縮機(jī)構(gòu)組成。行星輪系按摩機(jī)構(gòu)作為獨(dú)立的機(jī)構(gòu),由單獨(dú)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行?？紤]到扇葉機(jī)構(gòu)強(qiáng)度較大,需要較大的動(dòng)力,因此可以將健身的動(dòng)力直接轉(zhuǎn)化或?qū)⒔∩懋a(chǎn)生的能源存儲(chǔ)后作為扇葉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源[6],因此扇葉機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源分為兩種：人力和電機(jī)驅(qū)動(dòng),而兩種模式下的切換則由模式切換機(jī)構(gòu)對(duì)于動(dòng)力源進(jìn)行切換。當(dāng)最后確定腳踏動(dòng)力源的輸入軸在空間位置后便再確定鏈條伸縮與踏板伸縮機(jī)構(gòu),提高空間利用率。

2.1 模式切換機(jī)構(gòu)

健身按摩椅動(dòng)力切換機(jī)構(gòu)主要通過(guò)同一齒輪通過(guò)不同的嚙合方式實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)力源的輸入與輸出以及動(dòng)力源間的相互切換,并且不同動(dòng)力源之間互不干擾,并使健身按摩椅具備更好的環(huán)境適應(yīng)能力,切合低碳環(huán)保主題[1]。

如圖3 所示,1 號(hào)齒輪作為電機(jī)動(dòng)力源輸入齒輪,2 號(hào)為動(dòng)力源輸出至扇葉捶肩機(jī)構(gòu)的“中介”,無(wú)論何種動(dòng)力源輸入,均需通過(guò)齒輪2 輸出至扇葉捶肩機(jī)構(gòu)。齒輪3 為單向齒輪,在健身動(dòng)力驅(qū)動(dòng)情況下,避免正向與反向交替踩動(dòng)踏板對(duì)捶肩機(jī)構(gòu)產(chǎn)生干涉。齒輪4 是踏板動(dòng)力的輸入,齒輪5 由舵機(jī)控制其擺動(dòng)角度,使其分別與齒輪1、2 嚙合或轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度分別與齒輪3、4 嚙合,選擇不同的動(dòng)力源作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入。

行星輪系中齒輪需要承受較大阻力,并提高整體齒輪的互換性,齒輪模數(shù)應(yīng)統(tǒng)一,主動(dòng)輪1、4 尺寸應(yīng)該選擇相對(duì)小一些。齒輪5 在其中相當(dāng)于惰輪的作用,起過(guò)渡作用,需要不斷轉(zhuǎn)動(dòng)切換,避免干涉其他齒輪的運(yùn)動(dòng)且使機(jī)構(gòu)更加緊湊,因此齒輪5也應(yīng)小一些。當(dāng)齒輪5 轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度便能分別與齒輪1、2 相嚙合或分別與齒輪3、4 嚙合。最后需要保證在不同情況下齒輪2輸出的轉(zhuǎn)矩和最后的輸出傳動(dòng)比不變,且要保證齒輪3、4 間中心距關(guān)系為：

圖3 人力模式齒輪位置

當(dāng)處于圖3 狀態(tài)時(shí)為人力按摩模式,在人力按摩的模式下使用者可以通過(guò)踩動(dòng)腳踏自行的調(diào)節(jié)按摩速度,從而實(shí)現(xiàn)按摩條件的自主控制,并能鍛煉腿部肌肉,強(qiáng)健身體素質(zhì)。踏板動(dòng)力傳至齒輪4 連接軸,再通過(guò)齒輪4、齒輪5、單向齒輪3 傳至齒輪2,最后通過(guò)齒輪2 輸出至扇葉捶肩機(jī)構(gòu)。在此過(guò)程中踏板可以順時(shí)針踩動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩,當(dāng)逆時(shí)針踩動(dòng)時(shí)當(dāng)輸出至齒輪3 連接軸時(shí),軸轉(zhuǎn)動(dòng)但齒輪3 不傳遞運(yùn)動(dòng)與力矩,保證扇葉機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。

表2 為人力按摩模式下機(jī)構(gòu)的的相關(guān)參數(shù)：

表2 人力按摩模式下機(jī)構(gòu)具體參數(shù)

圖4 電動(dòng)模式齒輪位置

當(dāng)處于圖4 狀態(tài)時(shí)為電力按摩,在電動(dòng)按摩模式下使用者可以根據(jù)操作界面選擇合適的按摩速度,有助于背部肌肉的放松與經(jīng)絡(luò)的疏通。電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)齒輪1 轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪1 作為主動(dòng)輪將力與轉(zhuǎn)矩通過(guò)齒輪5、齒輪2 最后輸出至扇葉機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)扇葉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)捶肩功能。

表3 為電力按摩模式下機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

2.2 行星輪系按摩機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的背部按摩方案主要包括：捶敲、旋轉(zhuǎn)按摩。傳統(tǒng)按摩椅主要以定軸輪系按摩機(jī)構(gòu)為主,按摩裝置及按摩部位固定,有效按摩面積有限,只能實(shí)現(xiàn)局部部位的按摩,無(wú)法自行根據(jù)需要調(diào)節(jié),存在一定的局限性。

表3 電力按摩模式下機(jī)構(gòu)具體參數(shù)

圖5 行星輪系機(jī)構(gòu)

行星輪系在工作轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)中,在舒適范圍中可以分階調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,且該機(jī)構(gòu)的工作強(qiáng)度較小,因此直接由電機(jī)對(duì)主動(dòng)輪進(jìn)行控制。根據(jù)中醫(yī)按摩原理提出按摩椅相關(guān)技術(shù)要求得到適宜揉捏圈數(shù)為[0,40] r/min[5],按摩頻率與圈數(shù)通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),使主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速在[0,40] r/min 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)分階調(diào)節(jié),讓按摩強(qiáng)度多樣化。該機(jī)構(gòu)主要由齒輪組成,有較好傳動(dòng)穩(wěn)定性,可以按摩到相關(guān)的穴位,避免傳動(dòng)中出現(xiàn)剛性沖擊。機(jī)構(gòu)相對(duì)更加緊湊,空間利用率較高,承載能力更強(qiáng)。表4 為主動(dòng)輪與行星輪相關(guān)參數(shù)。

2.3 扇葉捶肩機(jī)構(gòu)（圖6）

捶肩功能主要方案以敲打、振動(dòng)為主。結(jié)合健身按摩的概念,將捶肩與健身兩功能串聯(lián)一起,實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行,動(dòng)力源切換由模式切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行切換。捶肩機(jī)構(gòu)工作相對(duì)強(qiáng)度較大,使用健身產(chǎn)生的動(dòng)力作為捶肩機(jī)構(gòu)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng),扇葉捶肩機(jī)構(gòu)及與踏板運(yùn)動(dòng)相結(jié)合產(chǎn)生聯(lián)動(dòng),可根據(jù)自身體驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)捶肩機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí),可以較為靈活的在調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)捶肩速度。

表4 主動(dòng)輪與行星輪相關(guān)參數(shù)表

圖6 扇葉捶肩機(jī)構(gòu)圖

扇葉不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)外殼前后的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依據(jù)傳統(tǒng)中醫(yī)按摩原理提出按摩相關(guān)技術(shù)指標(biāo),適宜的敲打頻率控制在[0,10]Hz[5],因此選擇調(diào)節(jié)范圍為[0,3] Hz,對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為[0,60]r/min。錘肩按摩頭的工作行程選擇為20mm。確定按摩頭的推程為20mm 以及按摩框架的大小后,根據(jù)外框的大小與推程的距離初步確定單片扇葉的長(zhǎng)度,最后根據(jù)三角勾股定理計(jì)算得到1、2 兩面的寬度大小。將多個(gè)扇葉通過(guò)緊定螺釘固定于光軸上,并通過(guò)錯(cuò)開(kāi)一定角度安裝調(diào)節(jié)按摩頭方式,錯(cuò)開(kāi)按摩頭推出的時(shí)間,讓按摩頭呈波浪式推出,使得捶肩強(qiáng)度更為柔和。動(dòng)力輸出軸通過(guò)同步帶將動(dòng)力輸送至光軸,同步帶長(zhǎng)度根據(jù)靠背角度調(diào)節(jié)后兩同步輪最遠(yuǎn)距離決定同步帶的長(zhǎng)度。當(dāng)處于圖3 狀態(tài)時(shí)為人力捶肩模式,踏板動(dòng)力通過(guò)踏板動(dòng)力輸入軸、踏板動(dòng)力輸出軸、模式切換機(jī)構(gòu)、扇葉捶肩機(jī)構(gòu)光軸最后實(shí)現(xiàn)捶肩動(dòng)作。當(dāng)處于圖4 狀態(tài)時(shí)為電動(dòng)捶肩模式時(shí),直接通過(guò)模式切換機(jī)構(gòu)將動(dòng)力輸出至扇葉捶肩機(jī)構(gòu)達(dá)到捶肩效果。

扇葉捶肩機(jī)構(gòu)特點(diǎn)在于體積小,捶肩效率高,通過(guò)錯(cuò)開(kāi)一定角度角度來(lái)調(diào)節(jié)按摩頭推出順序,使得捶肩強(qiáng)度更為柔和。

2.4 鏈條伸縮與健身踏板伸縮機(jī)構(gòu)

圖7 健身踏板伸縮機(jī)構(gòu)

圖8 鏈條伸縮機(jī)構(gòu)

無(wú)論是現(xiàn)有的健身按摩椅,還是傳統(tǒng)健身設(shè)備、按摩設(shè)備所占空間均較大,空間利用率較低,因此可以通過(guò)對(duì)于踏板的收納提升空間的利用率。前后鏈輪安裝中心距較大,因此選擇滾子鏈進(jìn)行連接。踏板伸縮過(guò)程中中心距發(fā)生變化會(huì)影響按摩椅的正常運(yùn)行,因此設(shè)計(jì)了鏈條伸縮機(jī)構(gòu)對(duì)于鏈條部分長(zhǎng)度進(jìn)行約束,保證機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行,使其在不使用情況下對(duì)踏板進(jìn)行收納,提高空間利用率。

如圖8 鏈條伸縮機(jī)構(gòu)所示該機(jī)構(gòu)為鏈條長(zhǎng)度的限制裝置。根據(jù)踏板完全推出時(shí)的狀態(tài)確定滾子鏈的長(zhǎng)度,收納時(shí)使用小鏈輪作為中間連接對(duì)滾子鏈進(jìn)行一定的約束,保證滾子鏈一直保持張緊狀態(tài),再次推出使用的時(shí)候保證不脫鏈,兩個(gè)小鏈輪間距離為踏板的最大行程距離。踏板伸縮機(jī)構(gòu)滑槽采用燕尾槽,可以讓滑塊承受較大的剪切力,還能承受一定的傾覆力矩,踏板伸出使時(shí),踏板的前端會(huì)受到一個(gè)向下的重力而發(fā)生微量的彈性變形,但不影響整體的使用情況。

3 各個(gè)機(jī)構(gòu)仿真分析

圖9 伸出踏板的等效應(yīng)力云圖與總體變形云圖

圖10 靠背的等效應(yīng)力云圖與總體變形云圖

3.1 踏板伸出機(jī)構(gòu)的有限元分析

伸出的踏板在實(shí)現(xiàn)腳踏運(yùn)動(dòng)或者雙腳懸掛在上面休息時(shí),踏板前端會(huì)受到向下的一個(gè)剪切力,當(dāng)踏板受到剪切力的作用時(shí),對(duì)踏板的變形或材料強(qiáng)度是否能保證機(jī)構(gòu)正常工作進(jìn)行一定受力分析。對(duì)此運(yùn)用ANSYS 軟件對(duì)踏板進(jìn)行一定的受力與變形的分析。踏板的材料選擇的是45 鋼,其彈性模量為210MPa,泊松比為0.31,45 鋼的材料密度為7850kg/m3,在踏板前端施加相應(yīng)的力,最后根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)踏板進(jìn)行靜力分析。靜力分析的結(jié)果如圖9 伸出踏板的等效應(yīng)力云圖與總體變形云圖所示,根據(jù)等效應(yīng)力云圖與總體變形云圖可以得知踏板在此受力情況下所受到的最大應(yīng)力為201MPa 與最大的變形量為0.685mm。根據(jù)GB/T 699-1999 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45 鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa,屈服強(qiáng)度為355MPa,而踏板的最大應(yīng)力小于45 鋼的屈服強(qiáng)度,踏板基本不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

3.2 靠背框架的有限元分析

行星輪系按摩機(jī)構(gòu)與靠背相連接,人靠在椅背的力和機(jī)構(gòu)自身重力都施加在靠背處,對(duì)于背部按摩機(jī)構(gòu)而言,靠背的剛度也將極大程度影響按摩的效果,因此需要對(duì)靠背的剛度進(jìn)行一定的分析。在按摩過(guò)程中所有的力都將間接或直接作用至靠背上,并且無(wú)論靠背角度如何調(diào)節(jié),人作用于靠背上的力視為始終垂直于靠背向下,因此運(yùn)用ANSYS 軟件對(duì)靠背進(jìn)行靜力分析。靠背的材料選擇45 鋼,由圖10 靠背的等效應(yīng)力云圖與總體變形云圖可以得知靠背所受的最大應(yīng)力為20.8MPa,最大的位移為0.239mm,根據(jù)GB/T 699-1999 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45 鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa,屈服強(qiáng)度為355MPa,而踏板的最大應(yīng)力小于45 鋼的屈服強(qiáng)度,靠背基本不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

4 結(jié)論

該健身按摩椅通過(guò)SolidWorks 進(jìn)行建模,對(duì)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,最后進(jìn)行實(shí)物的裝配并對(duì)按摩椅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)調(diào)試,機(jī)構(gòu)的剛度與受力情況利用ANSYS 軟件進(jìn)行計(jì)算校核并分析。設(shè)計(jì)出一種集健身與按摩于一體的設(shè)備,該健身按摩椅主要具備的創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）節(jié)省空間。在健身功能閑置時(shí),將健身部分縮在椅子下方,減小了占地面積且不影響其他功能的使用。

（2）動(dòng)力切換。用戶根據(jù)情況自主選擇動(dòng)力模式,讓設(shè)備更實(shí)用,滿足更多使用環(huán)境。