陳越，孫亮波，駱明炎，彭文凱，秦鴻程，劉婷婷

一種智能艾灸裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳越，孫亮波*，駱明炎，彭文凱，秦鴻程，劉婷婷

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

針對(duì)傳統(tǒng)艾灸智能化程度不高、家用艾灸儀器成本偏高、便攜性較差等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一款智能艾灸裝置。該裝置僅需將艾絨從進(jìn)料口放入，由艾條成型裝置將艾絨壓縮成型，剪切點(diǎn)燃一體裝置點(diǎn)燃已成型的艾條，便可進(jìn)行艾灸。艾灸過(guò)程中由傳感器采集溫度，單片機(jī)控制艾條推進(jìn)裝置推送艾條以及剪切點(diǎn)燃一體裝置剪切艾灰，使之達(dá)到控溫效果。該智能艾灸裝置具有智能控溫、整體結(jié)構(gòu)緊湊小巧、便攜程度高的優(yōu)點(diǎn)，有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

艾灸；艾條成型裝置；剪切點(diǎn)燃一體裝置；溫度控制

對(duì)于艾灸[1-2]，目前大多數(shù)中醫(yī)院還是選用傳統(tǒng)人工操作的木質(zhì)艾灸盒，既不方便也不安全。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些艾灸儀器，如表1、圖1所示，盡管功能較為豐富，但存在成本過(guò)高、便攜性不足、智能化程度不高、作用部位有限、操作不便、艾灸效果不明顯等問(wèn)題，并不適合家庭使用和推廣。

本文研究設(shè)計(jì)了一種智能艾灸裝置，使用者僅需將低成本的艾絨從進(jìn)料口放入，啟動(dòng)裝置，將手臂放于支撐平臺(tái)上，就可實(shí)現(xiàn)智能控溫的艾灸理療。此裝置成本低、操作方便、便攜性高，性能穩(wěn)定且安全，有利于家用推廣[3]。

1 智能艾灸裝置設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的智能艾灸裝置，設(shè)計(jì)思路如圖2所示、三維模型如圖3所示，其在保證產(chǎn)品療效的基礎(chǔ)之上，從艾灸原材料處理、降低艾灸成本、實(shí)現(xiàn)控溫與多穴位艾灸、便攜性等方面來(lái)解決優(yōu)化現(xiàn)有艾灸裝置存在的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便。

表1 市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品性能分析

圖1 市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品圖

圖2 設(shè)計(jì)思路圖

圖3 智能艾灸裝置外觀渲染圖

智能艾灸裝置主體長(zhǎng)535 mm、寬82 mm、高130 mm。其中，艾條成型裝置主要用于將艾絨壓縮成艾條；艾條推進(jìn)裝置主要用于推進(jìn)艾條，實(shí)時(shí)保持溫度，并便于后續(xù)艾灰的剪切；剪切點(diǎn)燃一體裝置主要用于點(diǎn)燃已成型的艾條，并定時(shí)剪切艾灰；支撐平臺(tái)裝置用于放置需要艾灸的手臂，使用者可以自主控制艾灸部位以及艾灸距離遠(yuǎn)近，實(shí)現(xiàn)人為控溫。

2 功能分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 艾條成型裝置

2.1.1 功能實(shí)現(xiàn)

艾條成型裝置由一對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、電機(jī)以及一對(duì)錐齒輪系組成，如圖4所示。對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用于將投入的艾絨壓縮成艾條，錐齒輪系起到降速的作用。第一電機(jī)為小錐齒輪提供動(dòng)力，小錐齒輪帶動(dòng)大錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大錐齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄同步轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄、連動(dòng)桿、推送套筒和推動(dòng)滑塊共同組成。其中，推動(dòng)滑塊的行程為30 mm，其在推送套筒內(nèi)來(lái)回滑動(dòng)，壓實(shí)從進(jìn)料口（圖5）投入的艾絨。推動(dòng)滑塊設(shè)計(jì)成與推送套筒同長(zhǎng)，能夠起到防止艾絨卡滯的作用。艾絨壓實(shí)后，電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)。

具體結(jié)構(gòu)連接如圖5所示，成型套筒與固定支架之間固定連接；成型套筒上分別設(shè)置有進(jìn)料口以及用于容納壓縮成型的艾條的中空腔（成型套筒的圓柱形部分）；推動(dòng)滑塊（圖4）與成型套筒的中空腔之間形成間隙配合。

為了方便改變第一電機(jī)的安裝位置，并減小艾條成型裝置的空間占用，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：連動(dòng)桿的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄活動(dòng)鉸接，另一端與推動(dòng)滑塊活動(dòng)鉸接；轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄與大錐齒輪固定連接，小錐齒輪和大錐齒輪之間形成嚙合傳動(dòng)。另外，小錐齒輪和大錐齒輪所形成的齒輪傳動(dòng)區(qū)域采用保護(hù)罩進(jìn)行包覆固定，以提高艾條成型裝置傳動(dòng)部分的安全性和可靠性。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力分析

根據(jù)推動(dòng)滑塊的行程為30 mm，以及考慮到艾灸裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性，借助SolidWorks初步仿真，將轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄長(zhǎng)度定為17 mm，連動(dòng)桿長(zhǎng)度定為45 mm，推動(dòng)滑塊長(zhǎng)度定為130 mm，如圖6所示。此時(shí)艾條成型裝置的各個(gè)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生干涉，用SolidWorks進(jìn)行motion分析，未出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。將SolidWorks模型轉(zhuǎn)換為x_t格式，導(dǎo)入ADAMS中，對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行材料設(shè)置（鋁材質(zhì)-(2740.0(kg/meter**3))）、重力設(shè)置、運(yùn)動(dòng)副設(shè)置，最后對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄添加驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

1.第一電機(jī)；2.小錐齒輪；3.大錐齒輪；4.轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄；5.連動(dòng)桿；6.推送套筒；7.推動(dòng)滑塊。

1.成型套筒；2.固定支架；3.進(jìn)料口；4.保護(hù)罩；5.盛灰盒。

1.轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄；2.連動(dòng)桿；3.推動(dòng)滑塊；4.推送套筒；A、B、C分別為機(jī)架和構(gòu)件1、構(gòu)件1和2、構(gòu)件2和3之間的活動(dòng)鉸鏈中心。

使用圖像處理模塊獲取相應(yīng)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線。其中，ADAMS驅(qū)動(dòng)的Function(time)參數(shù)取決于電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，選用合適的馬達(dá)作為艾條成型裝置的動(dòng)力源，經(jīng)錐齒輪系的減速作用，計(jì)算出曲柄的轉(zhuǎn)速：

式中：1為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min；2為曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；1為小錐齒輪齒數(shù)；2為大錐齒輪齒數(shù)。

設(shè)置：1＝240 r/min；1＝30，2＝60。

計(jì)算得：2＝120 r/min。

將曲柄轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為：

d*time＝2×360/60 （2）

式中：d*time為ADAMS中的函數(shù)時(shí)間，°/s

得到ADAMS中的Function(time)為720d* time，在驅(qū)動(dòng)設(shè)置中輸入該數(shù)值，得到推動(dòng)滑塊在軸上的位移/速度/加速度－時(shí)間圖，如圖7所示。

圖7 推動(dòng)滑塊在X軸上的位移/速度/加速度－時(shí)間圖

加速度[6]為：

式中：為加速度，m/s2；為曲柄角速度，rad/s；為的長(zhǎng)度，m；為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，s；為構(gòu)件2的長(zhǎng)度，m。

已知：＝4π rad/s，＝0.017 m，＝0.045 m。

計(jì)算得推動(dòng)滑塊加速度峰值約3.695 m/s2。

由圖7中的加速度－時(shí)間曲線，可得推動(dòng)滑塊加速度幅值約為3.7 m/s2，與計(jì)算結(jié)果相符。假定推動(dòng)滑塊所受的反力（艾絨對(duì)滑塊的壓力）為恒定值，易知：轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到某一時(shí)刻會(huì)有最大轉(zhuǎn)矩，而推動(dòng)滑塊所受的反力是變化的，故假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到最大轉(zhuǎn)矩時(shí)刻，推動(dòng)滑塊所受反力剛好與艾絨壓縮過(guò)程中出現(xiàn)的最大反力相等，為＝70 N（估計(jì)值），則此條件下算出的最大轉(zhuǎn)矩大于實(shí)際最大轉(zhuǎn)矩，其可作為電機(jī)選擇的參考依據(jù)。由ADAMS質(zhì)量分析可知，鋁質(zhì)滑塊質(zhì)量＝4.37×10-2kg，由推動(dòng)滑塊的加速度和質(zhì)量數(shù)值可知，推動(dòng)滑塊本身的質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響可以忽略，則有：

F×cos ∠－＝（4）

＝F××sin(∠＋∠) （5）

式中：F為連動(dòng)桿對(duì)推動(dòng)滑塊的作用力，N；為轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)矩，N·m。

又因?yàn)椋?/p>

財(cái)務(wù)信息安全是企業(yè)防范會(huì)計(jì)職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。因此企業(yè)一定要利用好現(xiàn)有資源，建立一道安全防護(hù)網(wǎng)，盡可能地把好企業(yè)信息資源安全的第一關(guān)。

sin(∠＋∠)≈

令∠＝，得到函數(shù)：

為求得的最大值，使用MATLAB編程：

x=0:0.1:7；y=sin(x)+17*sin(2*x)/90；plot(x,y)

得到函數(shù)的仿真圖[7]，如圖8所示，并可求得的極值為1.0621，此時(shí)＝1.2591 rad。

此時(shí)可求得cos ∠≈0.934，計(jì)算出的最大值約1.35 N·m。根據(jù)[6]：

式中：為大錐齒輪所在轉(zhuǎn)軸輸出功率kW。

計(jì)算得：≈17 W。

符合預(yù)期要求。

圖8 函數(shù)y的MATLAB仿真圖

2.2 艾條推進(jìn)裝置

艾條推進(jìn)裝置用于推送艾條，方便剪切點(diǎn)燃一體裝置及時(shí)剪切艾灰，保證艾灸效果。其由一個(gè)絲桿滑臺(tái)結(jié)構(gòu)組成，工程圖如圖9所示。其中，絲桿滑臺(tái)結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)絲桿和滑動(dòng)座。驅(qū)動(dòng)絲桿安裝在基座上，基座與盛灰盒固定連接。驅(qū)動(dòng)絲桿和滑動(dòng)座之間用螺紋活動(dòng)連接?；瑒?dòng)座和推送套筒固定連接，可以實(shí)現(xiàn)兩者同步運(yùn)動(dòng)。推送套筒與成型套筒之間形成間隙配合。驅(qū)動(dòng)絲桿的一端通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接；步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)滑動(dòng)座將會(huì)使推送套筒相對(duì)于基座作同步直線滑動(dòng)，由此推動(dòng)壓縮成型的艾條向剪切點(diǎn)燃一體裝置前進(jìn)。

1.步進(jìn)電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.驅(qū)動(dòng)絲桿；4.基座；5.滑動(dòng)座；6.推動(dòng)滑塊；7.推送套筒；8.成型套筒；9.第三電機(jī)；10.安裝座；11.盛灰盒。

滑臺(tái)的行程為130 mm。電機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)為核心，位于艾灸作用口處的DS18B20溫度傳感器（圖10）采集溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，通過(guò)PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向控制，從而實(shí)現(xiàn)艾條推進(jìn)裝置的相關(guān)要求[8]。

2.3 剪切點(diǎn)燃一體裝置

隨著艾灸的進(jìn)行，艾條燃燒部位開(kāi)始積累艾灰，影響艾灸效果，所以需定時(shí)去除艾灰。剪切點(diǎn)燃一體裝置不僅可以滿足以上需求，還可以用于引燃已成型的艾條。如圖10所示，剪切機(jī)構(gòu)中的滑塊和剪切板均有左右對(duì)稱(chēng)兩個(gè)，且二者固定連接。艾灸開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)裝置，艾條成型裝置開(kāi)始工作，同時(shí)安插在剪切板上的電熱絲開(kāi)始升溫，引燃緊靠在剪切板一端的艾條。剪切艾灰時(shí)，第三電機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)滑塊相對(duì)于導(dǎo)滑軌直線滑動(dòng)，帶動(dòng)左右兩個(gè)剪切板沿著導(dǎo)滑軌同步相向滑動(dòng)，此時(shí)兩剪切板做合攏運(yùn)動(dòng)，從而將艾條燃燒產(chǎn)生的艾灰剪下，被剪切的艾灰直接落入到盛灰盒中。當(dāng)剪切板去除掉艾灰后，第三電機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)曲柄順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，剪切板做張開(kāi)運(yùn)動(dòng)，再利用艾條推進(jìn)裝置將成型套筒內(nèi)腔中剩余的艾條向剪切點(diǎn)燃一體裝置推送。綜上，剪切點(diǎn)燃一體裝置是通過(guò)左右兩個(gè)剪切板的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)艾灰的剪切功能的。

1.支座；2.曲柄；3.第三電機(jī)輸出軸；4.連桿；5.導(dǎo)滑軌；6.滑塊；7.剪切板；8.電熱絲；9.溫度傳感器；10.散熱網(wǎng)。

剪切點(diǎn)燃一體裝置安裝在成型套筒的出口端。為了方便了各個(gè)構(gòu)件之間的連接，并提高裝置剪切動(dòng)作的靈活性和剪切艾灰的效率，剪切板采用半圓形結(jié)構(gòu)，其直徑端與剪切端相同；滑塊采用T形結(jié)構(gòu)件；連桿采用圓弧形結(jié)構(gòu)件。剪切點(diǎn)燃一體裝置可以簡(jiǎn)化為滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中一對(duì)分布呈中心對(duì)稱(chēng)的連桿兩端分別與曲柄和滑塊形成活動(dòng)鉸接，滑塊與導(dǎo)滑軌形成滑動(dòng)配合。曲柄由第三電機(jī)驅(qū)動(dòng)，第三電機(jī)與安裝座固定連接，安裝座與成型套筒固定連接[9]。

需要說(shuō)明的是，為了減小自動(dòng)艾灸裝置的體積，達(dá)到艾灸裝置家用以及外出便攜的目的，電熱絲固定安裝在了剪切板上，若干條電熱絲共同構(gòu)成X形結(jié)構(gòu)，較好地整合了艾條引燃功能和艾灰剪切功能。為了增加艾灸時(shí)艾條的受熱面積、提高艾灸效率，剪切板上可設(shè)置散熱網(wǎng)，以保證艾火熱力的擴(kuò)散。

2.4 支撐平臺(tái)裝置

支撐平臺(tái)裝置如圖11所示，用來(lái)放置手臂，使用者可通過(guò)該平臺(tái)隨意調(diào)節(jié)艾灸部位，以及手臂距離艾條燃燒端的遠(yuǎn)近，以控制艾灸溫度。底座支撐整個(gè)平臺(tái)，艾灸時(shí)先將艾灸部位放在托臺(tái)上，再調(diào)節(jié)托板的支撐高度，使艾灸裝置的燃燒端對(duì)準(zhǔn)需要艾灸的部位，即可通過(guò)艾條燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的艾熱進(jìn)行艾灸。艾灸過(guò)程中，松開(kāi)橫向調(diào)節(jié)旋鈕，就可以使滑座與托臺(tái)一起相對(duì)底座橫向滑動(dòng)；擰緊橫向調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)，滑座與托臺(tái)相對(duì)于底座保持鎖定狀態(tài)。當(dāng)使用者覺(jué)得艾灸溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，便可松開(kāi)橫向調(diào)節(jié)旋鈕以改變艾灸部位與艾條燃燒端的距離遠(yuǎn)近，從而手動(dòng)控制艾灸溫度，防止艾灸溫度過(guò)高造成灼傷，或艾灸溫度過(guò)低影響艾灸效果，保證了艾灸的安全可靠性。類(lèi)似地，松開(kāi)縱向調(diào)節(jié)旋鈕，就可以使托臺(tái)相對(duì)于底座縱向滑動(dòng)，從而滿足了艾灸使用者在艾灸過(guò)程中改變艾灸作用部位的需求[10]。

1.托板；2.托臺(tái)；3.容納槽；4.底座；5.滑軌；6.滑座；7.縱向調(diào)節(jié)旋鈕；8.橫向調(diào)節(jié)旋鈕。

支撐平臺(tái)裝置的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)連接如圖12所示，滑動(dòng)軸上設(shè)置有環(huán)形分布的若干限位卡槽；滑槽底部設(shè)置有一字型分布的若干定位凸起，滑槽頂部設(shè)置有與定位凸起對(duì)稱(chēng)的讓位槽。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了使限位卡槽與定位凸起、讓位槽之間形成卡合結(jié)構(gòu)，通過(guò)卡合結(jié)構(gòu)使托板相對(duì)于托臺(tái)的角度可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)變化，從而使得托板的支撐高度實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)節(jié)。需要說(shuō)明的是，可以使托板相對(duì)于托臺(tái)處于豎直狀態(tài)，此時(shí)托板的支撐高度最高；艾灸完成時(shí)，也可以將托板水平攤開(kāi)至平鋪狀態(tài)，即將托板收納入托臺(tái)的容納槽中。托臺(tái)上設(shè)置有排氣孔，排氣孔與容納槽連通，橫向滑軌與縱向滑軌也開(kāi)設(shè)有若干排氣孔[11]。設(shè)置排氣孔的目的，一方面是在一定程度上減重，提高艾灸裝置的便攜性，另一方面，可以有效地平衡支撐平臺(tái)裝置的內(nèi)外大氣壓，從而提高裝置各部分間相對(duì)滑動(dòng)的流暢性。

1.托臺(tái)；2.排氣孔；3.托板；4.容納槽；5.滑動(dòng)軸；6.銷(xiāo)軸；7.限位卡槽；8.滑槽；9.定位凸起；10.讓位槽。

3 結(jié)論

本款智能艾灸裝置，集艾條成型、艾條推進(jìn)、艾條點(diǎn)燃、艾灰剪切、溫度控制等功能于一體，與市場(chǎng)已有產(chǎn)品相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）選擇艾絨作為艾灸的原材料，利用艾條成型裝置將艾絨壓縮成型，降低原材料成本；

（2）利用傳感器控制艾條推進(jìn)裝置推送艾條，在實(shí)現(xiàn)智能控溫的同時(shí)，便于艾灰剪切；

（3）點(diǎn)燃與剪切功能由同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，位于艾條成型裝置的前端，提高裝置的空間利用率，保證艾火熱力的擴(kuò)散；

（4）艾條在成型套筒的空腔內(nèi)被剪切點(diǎn)燃一體裝置點(diǎn)燃，點(diǎn)燃后的艾條在燃燒過(guò)程中不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，不易發(fā)生艾火脫落，很好地避免了燒傷甚至火災(zāi)事故。

該裝置可以實(shí)現(xiàn)艾灸的基本流程，且安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便，為家用艾灸市場(chǎng)提供了一種可行性方案。

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Innovative Design of an Intelligent Moxibustion Device

CHEN Yue，SUN Liangbo，LUO Mingyan，PENG Wenkai，QIN Hongcheng，LIU Tingting

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,China)

In order to solve the problems of traditional moxibustion devices, such as low intelligent degree, high cost and poor portability, an intelligent moxibustion device was designed. We only need to put the moxa into the feed inlet. The moxa is compressed and molded by the moxa-stick forming device, and the molded moxa-stick is ignited by the shearing and igniting integrated device, so that moxibustion can be carried out. In the process of moxibustion, the temperature is collected by a sensor. The single-chip computer controls the moxa-stick propulsion device to push the moxa-stick and the shearing and igniting integrated device to cut the moxa ash to achieve the effect of temperature control. The intelligent moxibustion device has the advantages of intelligent temperature control, compact overall structure and high portability, which shows the good market promotion value.

moxibustion；moxa-stick forming device；shearing and igniting integrated device；temperature control

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.010

1006-0316 (2022) 07-0059-07

2021-09-24

國(guó)家自然科學(xué)基金（51875418）

陳越（2000－），男，湖北宜昌人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，E-mail：1052145822@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門(mén)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)學(xué)，E-mail：4117449@qq.com。