王秉藩，王西珍，楊 帆，翁業(yè)東，黎 韜

（西安工程大學機電工程學院，西安 710048）

0 引言

目前市面上有許多輔助洗頭機產(chǎn)品。在國外像日本某公司的洗發(fā)機器人[1]，該設備無論是技術、外觀，還是功能、人機交互等各方面的性能都比較好，但是該設備的價格費用昂貴，不是大眾可以接受的。國內(nèi)產(chǎn)品像廣州市莎奴博智能科技有限公司的智能變頻洗頭機[2]，以水動力變頻技術為核心，突破日本封鎖，自主設計智能變頻洗頭機。但其只是完成了簡單的頭部“水療”，對頭發(fā)及頭皮沒有任何的接觸，達不到人工接觸式的頭皮清洗效果；廣州天工智能科技有限公司的杰絲林全自動雙臂水梳式智能變頻洗頭機[3]，主體結構為一個半圓形的清洗臂，內(nèi)部鑲嵌兩排接觸式氣囊，同時設置沖洗孔用以噴灑清水和洗發(fā)用品。用戶洗頭時，頭發(fā)與兩排清洗氣囊接觸，在清洗臂的不斷旋轉和接觸式氣囊的接觸清洗作用下，完成對用戶的洗頭作業(yè)。還在沖洗槽內(nèi)配有4 個氣囊洗頭枕頭，以達到對頭、頸部的支撐。但因為氣囊機械手和頭皮直接接觸，故清洗時的安全問題就存在一定程度上的隱患。因為氣囊固定，所以不能適應不同頭型大小的客戶，只能根據(jù)客戶的頭型大小訂做生產(chǎn)；卜安祥等[4]基于平面連桿機構的自動洗頭機和楊湘英等[5]的可自動控水臥床患者多功能洗頭裝置，其設計更多是側重用水沖洗頭部這一過程，這樣簡單的結構并不能滿足大部分老年人和殘疾人對洗頭的要求，因此有必要設計一種能夠滿足使用者需求，同時價格較為低廉，可以運用在家庭、醫(yī)院、養(yǎng)老院、美發(fā)店等多種場合的輔助洗頭裝置。

1 輔助洗頭裝置的方案設計

普通人洗發(fā)過程一般可分為濕發(fā)、洗發(fā)、風干3 個過程，所以本輔助洗頭裝置的核心功能就是幫助使用者完成洗發(fā)過程。其中，洗發(fā)方式主要有仰面平躺式和低頭俯臥式兩種。清洗方案主要有沖洗梳理式、頭罩式、氣囊/軟體機械手式等。通過對比分析本設計選用仰面平躺式及環(huán)臂形氣囊/軟體機械手式設計主體結構。通過對輔助洗頭機的空間運動進行分析，確定裝置的支撐點，定義了其另外的5 個自由度，得出最后一個自由度為本設計唯一所需的自由度[6-7]。最后根據(jù)國家統(tǒng)計的成年人頭面部尺寸[8]及用于技術設計的人體測量基礎項目[9]得到我國居民頭部各個部位的各項數(shù)據(jù)，并從中篩選出最重要的頭最大寬和頭最大長兩個數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)確定了輔助洗頭機的工作范圍和參考尺寸。如圖1所示。

圖1 輔助洗頭機擬定工作范圍

如圖2 所示，導軌的直徑為240 mm，即手指需安裝在導軌上且需預留5 mm的卡槽用來和導軌中間預留的間隙配合。

圖2 手指預定工作位置分析

已知擬定工作范圍最小圓弧直徑為140 mm，最大直徑為180 mm，而從導軌到這兩個圓弧的位置距離分別為（240 mm-140 mm）/2=50 mm，（240 mm-180 mm）/2=30 mm，也就是說手指結構在從導軌向內(nèi)側計算長度時，其最遠的伸出距離需要共50 mm，而不論手指是收縮狀態(tài)或是正常未伸長狀態(tài)，其所要到達的最短長度為30 mm，由此可得，手指的伸縮范圍為：50 mm-30 mm=20 mm。

綜上所述，由以上的計算可以得知：（1）手指從其與導軌裝配位置向內(nèi)圈計算其正常狀態(tài)的長度最少為50 mm；（2）手指可伸縮活動范圍即彈簧工作范圍為20 mm。

2 輔助洗頭裝置結構設計

輔助洗頭裝置主體機構的尺寸和形狀如圖3 所示。在主體結構上設計了導軌來與手指結構相配合，用以完成對手指的支撐或移動。手指部分設計了兩種方案。

圖3 主體結構

（1）方案一

利用固定推桿機構，如圖4 所示，按動按鈕，下方擋桿的伸出或收縮，實現(xiàn)插入或退出圖5所示槽孔1，即可實現(xiàn)固定手指結構或者放開手指，使其能夠在導軌上移動。完整的裝配圖如圖6所示。

圖4 固定擋桿裝配

圖5 手指裝配

圖6 輔助洗頭機裝配

（2）方案二

對手指結構進行改進，利用氣動活塞機構（圖7），壓縮空氣從左側進入后，會推動手指向右移動，壓力減小后，手指由于彈簧的作用回退，使其能夠在導軌的導向下向頭部靠近，直到接觸到頭部而停止移動（傳感器）。手指外觀如圖8所示。

圖7 手指內(nèi)部截面

圖8 手指外觀

3 輔助洗頭裝置的仿真分析

利用Solidworks 軟件的插件Simulation[10]對支撐軸和方案一的手指結構進行受力分析。主體結構中主要承擔力的部位是其兩邊的支撐及傳動軸，因此對主體結構的靜力學分析實際上是對這兩根軸的靜力分析，只需分析一根軸就可以同理推出另外一根軸。另外，本設計所描繪的三維圖中支撐軸和主體結構是一體的，而實際上兩者的材料選取不同，因此靜力分析中會將軸從主體結構上剝離出來進行仿真。軸在靜止狀態(tài)主要受到主體結構的重力，而在從靜止到運動的這一過程中，其同時受到主體結構的重力和傳動齒輪所帶給它的扭矩，因此選取這一極限時間點進行仿真分析，對軸的表面網(wǎng)格化以清晰的看出其受力分布。

手指結構部位的受力主要來源于使用者在洗頭時，其頭部與彈簧壓縮后彈性勢能給予手指后部彈簧安裝面的壓力，因為由于力的作用是相互的，所以在手指結構受到這個力的同時，使用者頭部會受到同樣大小的力，為了使得這個力的大小能恰好符合使用者的體感，就需要對彈簧的彈性系數(shù)進行篩選，系數(shù)過大可能會導致使用者感到力度太大，系數(shù)太小可能無法合格完成清洗動作，因此本次仿真的目的為得到合適彈性系數(shù)范圍的同時，手指結構可以完全承受住這些不同大小的力。

根據(jù)一組調(diào)查數(shù)據(jù)[11-13]，可以得知大部分居民在洗頭時所能接受的力的大小范圍，如表1 所示。由表可知力的范圍最好保持在15～20 N 之間，而由于彈簧的自由長度為20 mm，且當20 mm 全部壓縮完的情況為頭部最大使用者使用的極限情況，因此選用10 mm 為一般使用的壓縮量，由此可得彈簧的彈性系數(shù)為1.5～2.0 之間，此為選擇彈簧提供參考。

表1 使用者壓力感知數(shù)據(jù)表

本文對在支撐軸同時受到一個力20 N 和一個力矩8 N·m 時，進行仿真分析（如圖9和圖10所示）。仿真結果顯示，軸上最大應力為5.613×107N/m2，遠小于材料的屈服應力5.300×108N/m2，其最大位移為1.522×10-2mm，非常小，說明該軸都符合設計要求。

圖9 支撐軸仿真結果1

圖10 支撐軸仿真結果2

對手指結構進行同樣的分析。本文對方案一受力分析情況予以說明。手指結構部位的受力主要來源于使用者在洗頭時，其頭部與彈簧壓縮后彈性勢能給予手指后部彈簧安裝面的壓力，由于力的作用是相互的，所以在手指結構受到這個力的同時，使用者頭部會受到同樣大小的力，因此本次仿真主要分析手指結構承力情況。

由圖11～12可知，在受到最大的力15 N時，手指所受最大應力為1.456×106N/m2遠小于屈服力2.757×107N/m2，手指的最大位移為1.817×10-4mm，非常小可以忽略不計，手指結構完全符合設計要求。

圖11 手指結構仿真結果1

圖12 手指結構仿真結果2

4 結束語

本文首先分析了國內(nèi)外目前在這一方面的研究和技術成果，對比了這些產(chǎn)品的優(yōu)劣，進而明確了設計方案的特點和側重；然后分析了普通人洗頭的過程；確定了本輔助洗頭機的核心功能是進行洗發(fā)過程；對清洗方案進行了分析和選取，選擇了輔助洗頭裝置的主體結構；根據(jù)國家統(tǒng)計的相關數(shù)據(jù)從中篩選出的頭最大寬和頭最大長兩個數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)確定了輔助洗頭機的工作范圍，設計了輔助洗頭裝置的各個零件。

設計了兩種手指結構，并利用Simulation對支撐軸和第一種方案的手指結構進行了靜力學分析。分析結果顯示在同時承受這兩個力時，軸的應力保持在屈服強度內(nèi)且位移量非常微小。對于手指結構，給定其使用者所感知的最大受力，應力同樣保持在屈服強度內(nèi)且位移量非常微小，手指結構的仿真結果符合設計要求。