按摩椅機(jī)械手仿形柔刮與定點(diǎn)敲擊功能的研究

周國(guó)海 尹鋼 陳清 曲廣財(cái)

摘要：目前按摩椅所使用的機(jī)芯，是通過肩位檢測(cè)確定身高后，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)背部“游走”性揉刮與非定點(diǎn)性敲擊動(dòng)作的。因當(dāng)前其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慣例的原因，機(jī)械手?jǐn)[臂的柔刮動(dòng)作是通過主軸的偏角擺動(dòng)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，故無法實(shí)現(xiàn)對(duì)背部某特定區(qū)域進(jìn)行仿形揉捏與定點(diǎn)敲擊的動(dòng)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(jī)械手的擺動(dòng)，以及采用機(jī)械手支點(diǎn)“圓心前置法”，不僅保證了機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)敲擊，而且還實(shí)現(xiàn)了雙凹形仿形柔刮動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：按摩椅? 機(jī)械手? 柔刮? 敲擊 定點(diǎn)? 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(huì)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(duì)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(jī)進(jìn)行保健按摩。然而傳統(tǒng)按摩椅機(jī)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(shí)，也就不可避免地出現(xiàn)人體上下起伏過大，且背部?jī)深a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(duì)老年人實(shí)施按摩，或?qū)τ谄教伞⒌怪冒茨Φ挠脩魜碚f，就不太實(shí)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(xiǎn)，且進(jìn)一步要說明的是：該結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械手還不能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)敲擊的功能。而本案例是通過絲桿定位機(jī)械手的擺動(dòng)，以及采用機(jī)械手支點(diǎn)“圓心前置法”，不僅保證了機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)敲擊，而且還實(shí)現(xiàn)了雙凹形仿形柔刮動(dòng)作。

1. 機(jī)械手當(dāng)前常規(guī)結(jié)構(gòu)介紹

當(dāng)前3D機(jī)械手的定義是在2D機(jī)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(shí)現(xiàn)其探肩、舉升等動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，其常規(guī)機(jī)構(gòu)見圖1。

由于2D機(jī)械手“游走”性揉刮與敲擊動(dòng)作，是通過轉(zhuǎn)軸的偏角來實(shí)現(xiàn)的（見圖2（a）原理圖與2（b）實(shí)物實(shí)現(xiàn)主軸偏角的軸套），且該機(jī)構(gòu)又具有易應(yīng)用、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，故該柔刮裝置在3D機(jī)械手上也就自然得到接承應(yīng)用[4]。

而針對(duì)開篇所述，不得不對(duì)當(dāng)前普遍采用的機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)械原固有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其軟件驅(qū)動(dòng)也不能較好地保障補(bǔ)償協(xié)作性，來實(shí)現(xiàn)其機(jī)械手的仿形功能，見圖2。

2. 機(jī)械手“仿形”運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

由于人體背部?jī)蓚?cè)略有“外凸”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，故為實(shí)現(xiàn)按摩機(jī)械手仿人體背部輪廓的運(yùn)動(dòng)，其機(jī)械手?jǐn)[臂必須實(shí)現(xiàn)“雙凹”形擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式正好與當(dāng)前機(jī)械手?jǐn)[臂運(yùn)動(dòng)曲率呈相反的方向。

專利“ZL2021 1 0398794.1一種仿形機(jī)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(dòng)成形法（見圖4）。下文重點(diǎn)對(duì)“圓心前置偏轉(zhuǎn)法”作一深入分析，“擺臂聯(lián)動(dòng)成形法”另做篇幅進(jìn)行分析。

3. 圓心前置偏轉(zhuǎn)法仿形功能及其機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)敲擊功能，本方案中取消了圖2中的偏角機(jī)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(dòng)B球鉸鏈頭時(shí)，其擺臂B-C段的長(zhǎng)短，并不會(huì)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(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算如下。

由于A、B均為球鉸鏈，故該機(jī)構(gòu)為空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。那么B、A約束3個(gè)水平移動(dòng)自由度，故P3=2;C為復(fù)合鉸鏈，約束3個(gè)水平移動(dòng)與2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，故P5 = 1;又因該機(jī)構(gòu)共2個(gè)運(yùn)動(dòng)副，故該空間機(jī)構(gòu)自由度按F 計(jì)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(jī)構(gòu)有惟一的運(yùn)動(dòng)軌跡存在，即輸入端i有旋擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出端O有唯一的運(yùn)動(dòng)形式輸出。其運(yùn)動(dòng)軌跡的分析見下，先對(duì)圖5建立坐標(biāo)系，見圖6。

為便于分析，設(shè)B、A、E三點(diǎn)在同一直線上，則上圖中這三點(diǎn)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 = ?？刹捎盟矂?dòng)法，設(shè)輸入端發(fā)生 瞬動(dòng)，則輸出端B點(diǎn)瞬動(dòng)值為 = 。 的瞬動(dòng)值為輸出點(diǎn)E點(diǎn)的 的輸入值，故其切向瞬動(dòng)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(diǎn)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(duì)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(yùn)動(dòng)效果，也由數(shù)模的運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果所驗(yàn)證。

換言之，從數(shù)理上講如果 >90°，則 則該機(jī)械手也就成了圖2（a）所示的機(jī)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(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

（2）脊椎托輪的運(yùn)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(duì)脊椎起到很好的按摩與支撐作用，該作用正好彌補(bǔ)了機(jī)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(jì)以按摩頭所能產(chǎn)生的壓力為[10]10±2（N），進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)，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(diǎn)敲擊功能的設(shè)計(jì)

（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(dòng)的，以避免其驅(qū)動(dòng)電機(jī)來回往返地切換，以及往返時(shí)還必須的位置信號(hào)的截取，該絲桿可實(shí)現(xiàn)由電控往返轉(zhuǎn)改變?yōu)闄C(jī)械自我控制往返轉(zhuǎn)，這點(diǎn)上該絲桿提高了運(yùn)動(dòng)的可靠性。故當(dāng)該絲桿停止不旋轉(zhuǎn)時(shí)，再單獨(dú)驅(qū)動(dòng)錘擊拉桿，即可實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)”敲擊動(dòng)作。

（2）專利中[5]還設(shè)計(jì)了“氣壓式旋轉(zhuǎn)軸角度切換”，或“軸旋電磁離合器”裝置，以實(shí)現(xiàn)左、右兩擺臂采用同步，或30°～120°角度差的交錯(cuò)錘擊動(dòng)作（見圖7異同步切換器）。由于機(jī)械手中心脊椎托輪的支撐作用，故不管機(jī)械手采用同步錘擊，還是異步錘擊動(dòng)作，均可保證使用者相對(duì)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(jì)

由于該仿形機(jī)械手按摩寬度的加大，其探出的兩按摩臂運(yùn)動(dòng)寬度，已遠(yuǎn)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(dòng)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(jī)械手”所論述的范圍，此處不再闡述、論證。

參考文獻(xiàn)

[1]趙瑞芹，宋振峰.亞健康問題的研究進(jìn)展[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)（社會(huì)醫(yī)學(xué)分冊(cè)），2002（1）：10-13

[2]傅姍，趙瀅，陳熙 .按摩椅改善睡眠質(zhì)量的作用研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2015（3）：34-37，5.

[3]張士花，陳熙 .按摩椅在運(yùn)動(dòng)后清除血乳酸功效的應(yīng)用研究[C].2018年中國(guó)生理學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)生理學(xué)專業(yè)委員會(huì)會(huì)議暨“科技創(chuàng)新與運(yùn)動(dòng)生理學(xué)”學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集. 社會(huì)科學(xué)Ⅱ輯，2018：39-40.

[4]張寧.按摩椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2020.

[5]尹鋼.一種按摩椅用仿形機(jī)械手：中國(guó)專利，202110398794.1[P].2021-04-14.

[6]趙韻秋.參數(shù)化機(jī)構(gòu)自由度分析及軟件設(shè)計(jì)[D].廊坊：華北科技學(xué)院，2020.

[7]彭晨晨.按摩椅機(jī)芯的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2018.

[8]周國(guó)海，尹鋼，陳清，等.按摩椅機(jī)械手機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的研究[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2021，2（下）：96-98.

[9]《家用和類似用途保健按摩椅》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 26182）[S].

[10]仇高賀，華崗，林靜研.按摩椅按壓力度的控制方法[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30（4）：559-561.

[11]秦亞軍，甘文斌.往復(fù)絲桿的設(shè)計(jì)方法[J].傳動(dòng)技術(shù)，2017，31（2）：45-48.

[12]尹鋼.一種自動(dòng)張緊捫布按摩椅結(jié)構(gòu)：中國(guó)專利，202110398691.5[P].2021-04-14.

作者簡(jiǎn)介

周國(guó)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(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)化控制.

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

曲廣財(cái)，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(yùn)動(dòng)與健康.