健身按摩椅結構設計與實現

陳紅波 葉佳偉 賴金濤 陳錦偉

（紹興文理學院 機械與電氣工程學院,浙江 紹興312000）

隨著現代社會生活節奏的不斷加快,人們長期處于一種高度壓力下,生活作息的不規律以及鍛煉的缺乏導致國民健康問題日益嚴峻,因此人們對于健身與按摩的需求將會更加的強烈,不僅青年需要鍛煉與按摩,中老年人也存在較大的需求。目前大多健身按摩椅通過機械滾動力與機械力擠壓作用進行按摩,按摩強度較大,對于適用的群體存在一定的限制,不適合中老年人中心臟病或骨質疏松人群,因此在設計中需要考慮這些問題并不斷地進行優化,使按摩機構工作強度較柔和。人機交互界面進行一定簡化,便于操作。現存在的大多機械健身按摩椅動力較為單一[2],可以將鍛煉的動力進行直接轉化或存儲,作為按摩機構的一種動力驅動按摩機構工作,使用者可以自主選擇與切換模式。健身按摩椅將健身與按摩巧妙地結合,在按摩功能的基礎上再融入健身功能后,對于人們生活作息的調整、生活壓力的釋放、人體免疫能力的提高都能起到很好的功效,具有一定保健的功效。最后通過對鍛煉踏板機構的改善節省一定的空間,踏板收納于按摩椅下方,只在使用時推出,閑置時收回即可[7]。通過對于機構的改善后不僅擴大適用范圍,還可以提高空間利用率。

1 健身按摩椅總體設計

GB1000-1988《中國成人人體尺寸》標準中的人體坐姿尺寸：

圖1 成年人體坐姿尺寸示意圖

首先根據人體工程學相關參數將健身按摩椅的大致高度與機構的尺寸進行初步設計,并用SolidWorks 進行三維建模。本健身按摩椅參數參考GB1000-1988《中國成人人體尺寸》標準中的人體坐姿尺寸,來進行尺寸設計[4]。

坐高是指按摩椅的座面距離地面的豎直高度,對健身按摩椅而言,如果坐高過高,很容易造成用戶上下不便,因此設計坐高為445mm。背高是指靠背的最高端距離座面的高度,在健身按摩椅設計中,它也代表了按摩捶肩的區間,對按摩椅的按摩效果有較大影響,現取背高為800mm,坐深指座面的前后距離,座面的前邊緣距座面后邊緣的水平距離,應該保證膝窩不受到壓迫的同時腰部能夠得到很好的支撐,設計坐深尺寸為460mm。坐寬指按摩椅內側容納用戶的水平寬度,它與人的臀寬密切相關,而過小的坐寬則會讓用戶覺得很擁擠,因此選取座寬為460mm。最后根據腿部踩動腳踏動作的舒適程度將腳踏距離椅面中心的距離定為650mm。

最后根據身體背部易出現酸痛或不適的地方安裝按摩機構與捶肩機構。按摩機構主要負責按摩腰部與背部,捶肩機構主要負責捶敲肩部,根據相關參數選擇按摩機構距椅面200-600mm 處,捶肩機構置于距椅面600-650mm 處,對重要部位進行按摩,且準確定位。

2 健身按摩椅機構設計

圖2 健身按摩整體結構

該健身按摩椅包含四個主要功能,為健身功能、動力切換功能、背部按摩功能、捶肩功能。按功能不同又主要由模式切換機構、行星輪系按摩機構、扇葉捶肩機構、鏈條伸縮與踏板伸縮機構組成。行星輪系按摩機構作為獨立的機構,由單獨的動力源驅動機構的正常運行。考慮到扇葉機構強度較大,需要較大的動力,因此可以將健身的動力直接轉化或將健身產生的能源存儲后作為扇葉機構運動的動力來源[6],因此扇葉機構的動力源分為兩種：人力和電機驅動,而兩種模式下的切換則由模式切換機構對于動力源進行切換。當最后確定腳踏動力源的輸入軸在空間位置后便再確定鏈條伸縮與踏板伸縮機構,提高空間利用率。

2.1 模式切換機構

健身按摩椅動力切換機構主要通過同一齒輪通過不同的嚙合方式實現不同動力源的輸入與輸出以及動力源間的相互切換,并且不同動力源之間互不干擾,并使健身按摩椅具備更好的環境適應能力,切合低碳環保主題[1]。

如圖3 所示,1 號齒輪作為電機動力源輸入齒輪,2 號為動力源輸出至扇葉捶肩機構的“中介”,無論何種動力源輸入,均需通過齒輪2 輸出至扇葉捶肩機構。齒輪3 為單向齒輪,在健身動力驅動情況下,避免正向與反向交替踩動踏板對捶肩機構產生干涉。齒輪4 是踏板動力的輸入,齒輪5 由舵機控制其擺動角度,使其分別與齒輪1、2 嚙合或轉動一定角度分別與齒輪3、4 嚙合,選擇不同的動力源作為機構的動力輸入。

行星輪系中齒輪需要承受較大阻力,并提高整體齒輪的互換性,齒輪模數應統一,主動輪1、4 尺寸應該選擇相對小一些。齒輪5 在其中相當于惰輪的作用,起過渡作用,需要不斷轉動切換,避免干涉其他齒輪的運動且使機構更加緊湊,因此齒輪5也應小一些。當齒輪5 轉過相應角度便能分別與齒輪1、2 相嚙合或分別與齒輪3、4 嚙合。最后需要保證在不同情況下齒輪2輸出的轉矩和最后的輸出傳動比不變,且要保證齒輪3、4 間中心距關系為：

圖3 人力模式齒輪位置

當處于圖3 狀態時為人力按摩模式,在人力按摩的模式下使用者可以通過踩動腳踏自行的調節按摩速度,從而實現按摩條件的自主控制,并能鍛煉腿部肌肉,強健身體素質。踏板動力傳至齒輪4 連接軸,再通過齒輪4、齒輪5、單向齒輪3 傳至齒輪2,最后通過齒輪2 輸出至扇葉捶肩機構。在此過程中踏板可以順時針踩動輸出轉矩,當逆時針踩動時當輸出至齒輪3 連接軸時,軸轉動但齒輪3 不傳遞運動與力矩,保證扇葉機構的正常運行。

表2 為人力按摩模式下機構的的相關參數：

表2 人力按摩模式下機構具體參數

圖4 電動模式齒輪位置

當處于圖4 狀態時為電力按摩,在電動按摩模式下使用者可以根據操作界面選擇合適的按摩速度,有助于背部肌肉的放松與經絡的疏通。電動機直接帶動齒輪1 轉動,齒輪1 作為主動輪將力與轉矩通過齒輪5、齒輪2 最后輸出至扇葉機構,驅動扇葉機構實現捶肩功能。

表3 為電力按摩模式下機構的相關參數。

2.2 行星輪系按摩機構

傳統的背部按摩方案主要包括：捶敲、旋轉按摩。傳統按摩椅主要以定軸輪系按摩機構為主,按摩裝置及按摩部位固定,有效按摩面積有限,只能實現局部部位的按摩,無法自行根據需要調節,存在一定的局限性。

表3 電力按摩模式下機構具體參數

圖5 行星輪系機構

行星輪系在工作轉速的調節中,在舒適范圍中可以分階調節轉速,且該機構的工作強度較小,因此直接由電機對主動輪進行控制。根據中醫按摩原理提出按摩椅相關技術要求得到適宜揉捏圈數為[0,40] r/min[5],按摩頻率與圈數通過電機的轉速進行調節,使主動輪轉速在[0,40] r/min 的調節范圍內分階調節,讓按摩強度多樣化。該機構主要由齒輪組成,有較好傳動穩定性,可以按摩到相關的穴位,避免傳動中出現剛性沖擊。機構相對更加緊湊,空間利用率較高,承載能力更強。表4 為主動輪與行星輪相關參數。

2.3 扇葉捶肩機構（圖6）

捶肩功能主要方案以敲打、振動為主。結合健身按摩的概念,將捶肩與健身兩功能串聯一起,實現多種動力源驅動機構運行,動力源切換由模式切換機構進行切換。捶肩機構工作相對強度較大,使用健身產生的動力作為捶肩機構動力源驅動,扇葉捶肩機構及與踏板運動相結合產生聯動,可根據自身體驗實時調節捶肩機構運動速度。當使用電機驅動機構的運行時,可以較為靈活的在調速范圍內調節捶肩速度。

表4 主動輪與行星輪相關參數表

圖6 扇葉捶肩機構圖

扇葉不斷地轉動帶動外殼前后的往復直線運動。依據傳統中醫按摩原理提出按摩相關技術指標,適宜的敲打頻率控制在[0,10]Hz[5],因此選擇調節范圍為[0,3] Hz,對于電機轉速的調節范圍為[0,60]r/min。錘肩按摩頭的工作行程選擇為20mm。確定按摩頭的推程為20mm 以及按摩框架的大小后,根據外框的大小與推程的距離初步確定單片扇葉的長度,最后根據三角勾股定理計算得到1、2 兩面的寬度大小。將多個扇葉通過緊定螺釘固定于光軸上,并通過錯開一定角度安裝調節按摩頭方式,錯開按摩頭推出的時間,讓按摩頭呈波浪式推出,使得捶肩強度更為柔和。動力輸出軸通過同步帶將動力輸送至光軸,同步帶長度根據靠背角度調節后兩同步輪最遠距離決定同步帶的長度。當處于圖3 狀態時為人力捶肩模式,踏板動力通過踏板動力輸入軸、踏板動力輸出軸、模式切換機構、扇葉捶肩機構光軸最后實現捶肩動作。當處于圖4 狀態時為電動捶肩模式時,直接通過模式切換機構將動力輸出至扇葉捶肩機構達到捶肩效果。

扇葉捶肩機構特點在于體積小,捶肩效率高,通過錯開一定角度角度來調節按摩頭推出順序,使得捶肩強度更為柔和。

2.4 鏈條伸縮與健身踏板伸縮機構

圖7 健身踏板伸縮機構

圖8 鏈條伸縮機構

無論是現有的健身按摩椅,還是傳統健身設備、按摩設備所占空間均較大,空間利用率較低,因此可以通過對于踏板的收納提升空間的利用率。前后鏈輪安裝中心距較大,因此選擇滾子鏈進行連接。踏板伸縮過程中中心距發生變化會影響按摩椅的正常運行,因此設計了鏈條伸縮機構對于鏈條部分長度進行約束,保證機構的正常運行,使其在不使用情況下對踏板進行收納,提高空間利用率。

如圖8 鏈條伸縮機構所示該機構為鏈條長度的限制裝置。根據踏板完全推出時的狀態確定滾子鏈的長度,收納時使用小鏈輪作為中間連接對滾子鏈進行一定的約束,保證滾子鏈一直保持張緊狀態,再次推出使用的時候保證不脫鏈,兩個小鏈輪間距離為踏板的最大行程距離。踏板伸縮機構滑槽采用燕尾槽,可以讓滑塊承受較大的剪切力,還能承受一定的傾覆力矩,踏板伸出使時,踏板的前端會受到一個向下的重力而發生微量的彈性變形,但不影響整體的使用情況。

3 各個機構仿真分析

圖9 伸出踏板的等效應力云圖與總體變形云圖

圖10 靠背的等效應力云圖與總體變形云圖

3.1 踏板伸出機構的有限元分析

伸出的踏板在實現腳踏運動或者雙腳懸掛在上面休息時,踏板前端會受到向下的一個剪切力,當踏板受到剪切力的作用時,對踏板的變形或材料強度是否能保證機構正常工作進行一定受力分析。對此運用ANSYS 軟件對踏板進行一定的受力與變形的分析。踏板的材料選擇的是45 鋼,其彈性模量為210MPa,泊松比為0.31,45 鋼的材料密度為7850kg/m3,在踏板前端施加相應的力,最后根據相關的數據對踏板進行靜力分析。靜力分析的結果如圖9 伸出踏板的等效應力云圖與總體變形云圖所示,根據等效應力云圖與總體變形云圖可以得知踏板在此受力情況下所受到的最大應力為201MPa 與最大的變形量為0.685mm。根據GB/T 699-1999 標準規定45 鋼抗拉強度為600MPa,屈服強度為355MPa,而踏板的最大應力小于45 鋼的屈服強度,踏板基本不會產生塑性變形。

3.2 靠背框架的有限元分析

行星輪系按摩機構與靠背相連接,人靠在椅背的力和機構自身重力都施加在靠背處,對于背部按摩機構而言,靠背的剛度也將極大程度影響按摩的效果,因此需要對靠背的剛度進行一定的分析。在按摩過程中所有的力都將間接或直接作用至靠背上,并且無論靠背角度如何調節,人作用于靠背上的力視為始終垂直于靠背向下,因此運用ANSYS 軟件對靠背進行靜力分析。靠背的材料選擇45 鋼,由圖10 靠背的等效應力云圖與總體變形云圖可以得知靠背所受的最大應力為20.8MPa,最大的位移為0.239mm,根據GB/T 699-1999 標準規定45 鋼抗拉強度為600MPa,屈服強度為355MPa,而踏板的最大應力小于45 鋼的屈服強度,靠背基本不會產生塑性變形。

4 結論

該健身按摩椅通過SolidWorks 進行建模,對相應的機構進行運動仿真,最后進行實物的裝配并對按摩椅機構運動調試,機構的剛度與受力情況利用ANSYS 軟件進行計算校核并分析。設計出一種集健身與按摩于一體的設備,該健身按摩椅主要具備的創新點：

（1）節省空間。在健身功能閑置時,將健身部分縮在椅子下方,減小了占地面積且不影響其他功能的使用。

（2）動力切換。用戶根據情況自主選擇動力模式,讓設備更實用,滿足更多使用環境。