基于壓電元件放電效應的足療按摩鞋設計

冷壽陽　李　華　韓東雪　謝　峰（安徽大學電氣工程與自動化學院機械工程系，安徽 合肥 230601）

基于壓電元件放電效應的足療按摩鞋設計

冷壽陽李華韓東雪謝峰
（安徽大學電氣工程與自動化學院機械工程系，安徽 合肥 230601）

人體足部有很多穴位，對足部進行按摩可以調節身體、增進健康。利用壓電元件的放電效應可以制成新型足療按摩健康鞋，這種鞋可以將產生的電荷作用于人體相應的穴位來達到按摩的效果，結構簡單、成本較低，具有廣闊的市場前景。本文針對所設計開發的足療按摩鞋，從壓電材料的選擇、基本數據的計算、足中穴位確定以及傳動機構的設計方面進行闡述，驗證了此方案的可行性，為應用到實際生產做準備。

壓電效應；壓電材料；按摩鞋；穴位

1 引言

在人們的日常生活中，每個人都離不開行走，而走路是離不開雙腳的，因此通常人們會感到疲勞，往往是腳的疲勞。而按照中醫的觀念，人們的雙足有許多穴位，通過按摩這些穴位可達到強生健體﹑恢復疲勞的作用。因此按摩鞋應運而生。現在已有的足底按摩器﹑足底按摩鞋等，采用凸模按摩的方法，對足底穴位進行壓迫刺激，這種方法可以利用人本身自然行走狀態達到保健按摩之功效，易于被人們接受；市場上還有一種磁療鞋，它是通過磁場作用于腳部相應的穴位來達到緩解疲勞的目的，但是這種磁療鞋制造成本較高。

2 壓電效應與壓電材料的選擇

2.1 壓電效應

某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。

2.2 壓電材料的選擇

壓電材料就是受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓即能產生壓電效應的晶體材料。壓電材料種類繁多，按晶體結構分有鈣鈦礦結構﹑鎢青銅結構﹑鉍層狀結構等，按用途或功能分有發射型和接收型壓電材料，按形狀分有粉體﹑纖維﹑薄膜及塊體材料；按性質和組成組元分為壓電單晶﹑壓電陶瓷﹑壓電聚合物和復合材料。常見的壓電材料有兩類：壓電單晶體和多晶壓電陶瓷，如圖1所示。

3 壓電陶瓷的放電電流和電壓的測定

3.1 壓電陶瓷等效計算參數

此健康足療保健鞋采用的是壓電陶瓷正壓電效應產生電荷和電壓的，壓電陶瓷片的性能將直接影響到新型健康足療保健鞋的功能和安全問題。影響壓電陶瓷材料性能的主要參數有相對介電常數εr，真空介電常數εo，壓電陶瓷片的壓電常數d等。

3.2 等效模型及計算

壓電陶瓷片在壓力作用下上下表面產生電荷和相應的電勢差，計算時其相當于一個電容。如圖為壓電陶瓷片，其作用面積為A，厚度為h，沿y軸極化，沿y軸方向施加應力F。

在外力F作用下，壓電陶瓷所能產生的電荷量為：

式中Cp為壓電陶瓷片等效電容的電容量，計算公式為：

3.3 機構與人體間作用時的電壓電流測量

對于人體而言，人體的感知電流，即人體能感到針刺和發麻感的最小工頻電流為男1.1mA﹑女0.7mA，直流電流為男5.2mA﹑女3.5mA。總體而言，對于機構終端與人體組成回路時，經過人體的電流為0.5mA到5mA。故須測量其放電電流。

4 足中穴位的確定

針灸學已經有了數千年的歷史，在中醫學中也是十分重要的組成部分，目前已經被180多個國家和地區所接受，針灸的基本規律是通過調控神經-內分泌-免疫網絡途徑實現其效應具有多環節和多靶向特征。腳掌部有許多重要的穴位，其中最重要的是涌泉穴，位于足底（腳趾除外）第二﹑三趾縫與腳跟成一直線上三份一與下三份二交匯點，為足少陰腎經的起點，具有清熱醒神交濟心腎的功能，且與耳﹑發有相當重要的關系；經常刺激此穴位，可消除疲勞，增長身高，對腎虛（腰酸﹑肢冷﹑精力減退﹑陽痿﹑脫發﹑少白發﹑夜尿）﹑老年癡呆癥等疾病有保健作用。

圖1 打火機中的壓電陶瓷

5 力轉換機構的設計

（1）杠桿：根據杠桿原理，可以將作用力按比例放大；

（2）凸輪：利用凸輪，可以將豎直方向的力轉換為水平方向的力。

結語

經過以上設計可以初步做出按摩鞋，其結構簡單﹑成本低，使用方便﹑效果好，易于被人們所接受，具有較為廣闊的市場前景。

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[3]王零森．特種陶瓷[M]．北京：中南大學出版社，2005（03）．

[4]李全祿，何濤，解妙霞．壓電陶瓷壓力與應電壓曲線測試分析[J]．陜西師范大學學報（自然科學版），2004， 32（04）．

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本文系2013年“大學生創新創業訓練計劃項目”階段性成果之一，項目編號：201310357075。