陸采連， 張洪軍，2， 莫德云，2， 弓滿鋒，2， 鄭劍鑫

（1.嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 湛江 524048； 2.粵西機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心， 廣東 湛江 524048 ）

0 引言

近年來(lái)，隨著生活節(jié)奏加快，長(zhǎng)時(shí)間伏案工作以及使用電腦、駕車、用高枕等諸多因素，都使人長(zhǎng)時(shí)間保持單一姿勢(shì)，導(dǎo)致頸部肌肉韌帶疲勞，從而加速了頸椎病的發(fā)生[1]。 非手術(shù)治療頸椎病方法主要有手法治療和醫(yī)療器械輔助康復(fù)治療[2]。 研究表明，臨床采用手法按摩推拿療法和旋提手法對(duì)頸椎病灶部位進(jìn)行推、揉、擠、壓、滾、上彎牽拉、下彎復(fù)位、回蹾震蕩等動(dòng)作，對(duì)治療神經(jīng)根型頸椎病具有顯著的療效，根據(jù)頸椎生理和病理特點(diǎn)，按照周期性加減載規(guī)律對(duì)頸椎進(jìn)行牽引能夠取得更好的治療效果[3，4]。 仿手法治療按摩儀是目前廣泛采用的臨床和家庭應(yīng)用的康復(fù)治療器械，按摩機(jī)構(gòu)是核心機(jī)構(gòu)，對(duì)治療效果起到至關(guān)重要的作用[5]。

1 按摩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

按摩機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示， 定位軸從滾輪里孔穿入連接偏心支架上的五個(gè)小孔，由螺栓緊固，其中心花健孔從花鍵軸的一端穿入， 另一個(gè)偏心支架上的中心花鍵孔，軸向自由度由花鍵軸的臺(tái)間限定，半圓卡環(huán)與偏心輪的溝槽連接，裝入按摩手輪的里孔，在與壓蓋里孔連接螺栓固定合為一體，將整體的按摩手輪、軟彈簧、花鍵墊、對(duì)向從花鍵軸兩端穿入，兩端鎖定，大齒型輪、軸承、軸承座依次穿入后，整體插入搖擺裝置底座上的槽中，實(shí)現(xiàn)按摩動(dòng)作。

工作原理：當(dāng)偏心支架處于初始狀態(tài)時(shí)，患者的頸椎進(jìn)入規(guī)定位置。 開機(jī)后， 偏心支架逆時(shí)針從0°轉(zhuǎn)至90°時(shí)，人頭部被偏心支架上的滾輪抬起，此時(shí)的頸椎節(jié)被逐個(gè)上升的滾輪向前推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)點(diǎn)形成圓周力的效果，故有對(duì)頑椎節(jié)產(chǎn)生了拉伸作用的同時(shí)，對(duì)向按摩手輪，同步向頸椎兩側(cè)進(jìn)行進(jìn)退、旋壓、以8 字軌跡的曲線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了人工按摩時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，推揉、擠壓的治療效果。當(dāng)偏心支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)至大于90°時(shí)， 此時(shí)的對(duì)向手輪，對(duì)人體頸椎部位兩側(cè)進(jìn)行的推揉、 擠壓動(dòng)作開始減壓分開運(yùn)行。當(dāng)偏心支架繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)至180°的極限時(shí)，人的頭部被偏心支架上的滾輪抬起到極限， 此時(shí)的頸椎節(jié)被逐個(gè)上升的滾輪向前推動(dòng)到頂峰， 實(shí)現(xiàn)了推動(dòng)點(diǎn)圓周力的極限效果， 故對(duì)頑椎節(jié)實(shí)現(xiàn)了全骨節(jié)的拉伸和向前彎曲的作用。此時(shí)的對(duì)向手輪，對(duì)人體頸椎部位的兩側(cè)進(jìn)行的推揉擠壓動(dòng)作切底分開。當(dāng)偏心支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)270°時(shí)，人的頭部被偏心支架上的滾輪抬起到極限快速下降至枕墊上， 此時(shí)的頸椎節(jié)達(dá)到向后彎曲和對(duì)頸椎節(jié)的軸向擠壓的效果。 此時(shí)的按摩手輪開始對(duì)人體頸椎部位的兩側(cè)進(jìn)行推揉擠壓動(dòng)作的循環(huán)。

圖1 按摩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Massage mechanism structure

采用NX 軟件對(duì)頸椎治療儀按摩機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬裝配，如圖2 所示，零部件配合良好，無(wú)干涉。 運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)作合理，偏心手輪符合8 字形運(yùn)動(dòng)軌跡，偏心輪與按摩手輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 按摩機(jī)構(gòu)三維模型圖Fig.2 3D model of massage mechanism

2 主要部件有限元分析

采用NX Nastran 高級(jí)仿真模塊對(duì)按摩機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸和偏心手輪定位軸進(jìn)行了有限元分析，按照頭部和頸部質(zhì)量10Kg，同時(shí)考慮花鍵軸上零部件的自重，約束為平移和旋轉(zhuǎn)共同作用，設(shè)定負(fù)載為300N。 網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)劃分網(wǎng)格，材料為45 號(hào)鋼。 分析結(jié)果如圖3～6。

圖3 花鍵軸工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of spline shaft in working state

圖4 花鍵軸工作狀態(tài)的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of spline shaft in working state

圖5 定位軸工作狀態(tài)的位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of positioning axis in working state

圖6 定位軸工作狀態(tài)的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of working state of positioning axis

從圖3 中數(shù)據(jù)可知， 花鍵軸在工作過程中最大應(yīng)力為2.799MPa，45 鋼應(yīng)力范圍為25～45MPa，滿足傳動(dòng)軸的強(qiáng)度要求。

從圖4 中數(shù)據(jù)可知， 花鍵軸在工作過程中最大位移為1.863×10-3mm，選擇材料滿足剛度要求。

從圖5 中數(shù)據(jù)可知， 定位軸在工作過程中最大位移為6.66×10-3mm，滿足剛度需求。

從圖6 中數(shù)據(jù)可知， 定位軸在工作過程中最大應(yīng)力為2.384MPa，滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)頸椎按摩椅仿手法治療的動(dòng)作， 設(shè)計(jì)了一種由花鍵軸傳動(dòng)，按摩手輪結(jié)合偏心輪組合式按摩機(jī)構(gòu)。具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。 采用NX 軟件進(jìn)行了按摩機(jī)構(gòu)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)干涉，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過有限元分析方法對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件花鍵軸和偏心輪定位軸進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度分析， 確保產(chǎn)品符合技術(shù)要求。