腰部健身康復(fù)裝置的設(shè)計(jì)

摘要隨著我國(guó)人口老齡化的加快和人們生活水平的提高，群體的健康問(wèn)題日益受到關(guān)注.在日常生活中，腰背疼痛是一種非常普遍的現(xiàn)象，許多患者深受病痛之苦。根據(jù)最新的研究表明，老年人腰背疼痛有多方面的原因，在生理層面，年老體衰，肌肉骨骼的退行性改變以及常年累積的勞損是其根源：在心理層面，情感交流障礙和焦慮、抑郁等心理問(wèn)題加劇了疼痛的感受。此次針對(duì)腰背按摩器的設(shè)計(jì)研究，在生理層面通過(guò)分析了腰背按摩器原有機(jī)構(gòu)的人機(jī)關(guān)系，并就其存在的一系列缺陷總結(jié)岀解決問(wèn)題的關(guān)鍵因素。確定了工作原理并進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求出其運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。在分析其三維運(yùn)動(dòng)功能的同時(shí)給出了腰背部鍛煉效果的初步評(píng)估方法。制作了電動(dòng)腰背部鍛煉裝置的樣機(jī)，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)功能、腰背部鍛煉進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型電動(dòng)腰頸部鍛煉裝置具備辦公椅、腰背部和肩頸部鍛煉功能，其鍛煉效果良好。關(guān)鍵詞：腰背部按摩器腰背部鍛煉運(yùn)動(dòng)學(xué)ABSTRACTWiththeaccelerationofChina'sagingpopulationandtheimprovementofpeople'slivingstandards,thehealthproblemsofgroupshaveattractedincreasingattention.Indailylife,lowbackpainisaverycommonphenomenon,andmanypatientssufferfromthedisease.Accordingtothelatestresearch,therearemanycausesoflowbackpainintheelderly,atthephysiologicallevel,oldageandphysicaldecline,degenerativechangesinmusculoskeletalandperennialaccumulatedstraininjuriesareitsroots:atthepsychologicallevel,emotionalcommunicationdisordersandpsychologicalproblemssuchasanxietyanddepressionexacerbatethefeelingofpain.Thisresearchonthedesignofthelowbackmassageranalyzesthehuman-machinerelationshipoftheoriginalmechanismofthelowbackmassageratthephysiologicallevel,andsummarizesthekeyfactorstosolvetheproblemaccordingtoaseriesofdefects.Theworkingprinciplewasdeterminedandthedetailedmechanismdesignwascarriedout,andthekinematicinversesolutionwasobtainedbyestablishingthekinematicequation.Whileanalyzingitsthree-dimensionalmotorfunction,apreliminaryevaluationmethodfortheeffectoflowbackexerciseisgiven.Aprototypeoftheelectriclowbackexercisedevicewasmade,anditsmotorfunctionandlowbackexercisewereverifiedexperiments.Theresultsshowthatthedesignednewelectriclumbarneckexercisedevicehasthefunctionofofficechair,lowbackandshoulderandneckexercise,anditsexerciseeffectisgood.Keywords:lowbackmassager,lowbackexercise,kinesiology第1章引言1.1課題的背景腰背痛是最常見(jiàn)的腰背疾病臨床癥狀，也是本次研究主要面對(duì)的一個(gè)難題。根據(jù)最新的研究成果，可以從患者生理和心理兩個(gè)層面來(lái)看待腰背痛問(wèn)題[1]。生理層面，機(jī)體病變是造成腰背痛的直接原因，可概括為以下三點(diǎn)：1. 骨骼結(jié)構(gòu)病變。腰椎間盤(pán)突岀是這一類(lèi)病癥的典型代表。在1934年，美國(guó)醫(yī)生Mixter和Barr在《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》上首先提出了機(jī)械壓迫學(xué)說(shuō)⑵，發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)組織突出導(dǎo)致了患者的腰背疼痛。我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)在此方面也提出了“骨錯(cuò)縫、筋出槽”學(xué)說(shuō)[3]，論述了骨關(guān)節(jié)及其附屬軟組織損傷疾病的原理。其他相關(guān)病癥還包括老年性骨質(zhì)酥松、椎間盤(pán)退變、腰椎骨質(zhì)增生等[6]。2. 腰背肌肉群病變。根據(jù)部分流行病學(xué)調(diào)查的結(jié)果表明，此類(lèi)慢性腰背痛產(chǎn)生的原因與長(zhǎng)期的重體力勞動(dòng)[7]以及機(jī)械重復(fù)動(dòng)作[8]有明顯的相關(guān)性。比如腰肌勞損常因繁重彎腰勞動(dòng)或是急性腰扭傷治療不當(dāng)而積累，患者伸展腰部或叩擊腰部可以緩解疼痛；腰肌纖維織炎則是由于寒冷潮濕的氣候以及慢性勞損積累，引起腰背部肌肉組織水腫，晨起時(shí)加重，稍稍活動(dòng)后有所好轉(zhuǎn)，如果活動(dòng)過(guò)多則又會(huì)加重[9]。3. 內(nèi)臟疾病引發(fā)腰背疼痛。腎臟是腰部最重要的器官之一，腎臟疾病也會(huì)引發(fā)腰背疼痛。從現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看，腎周?chē)M織膿腫引起腰肌痙攣及局部壓痛，腎腫瘤造成腎的膨脹，壓迫脊神經(jīng)，引起腰背痛，肋脊角有叩擊痛[10].從傳統(tǒng)中醫(yī)角度來(lái)看，腎為先天之本，是人體生命的根本。腎虛疾病表現(xiàn)中所謂的腎虛、腎虧，癥狀表現(xiàn)為腰膝酸痛、腰背冷痛或畏寒肢冷，強(qiáng)腎健體是中醫(yī)保健的一大內(nèi)容。此外還有消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)疾病同樣可以引發(fā)腰背痛。心理層面；隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們生活工作節(jié)奏的加快，在重大精神壓力下，此類(lèi)疾病逐漸增多（如慢性疲勞綜合征，精神過(guò)敏的脊柱炎等）俱社會(huì)心理因素與腰背痛的主要關(guān)系有以下4點(diǎn)：1. 疑病與慢性下腰痛的關(guān)系。疑病是指對(duì)自身感覺(jué)作出不切實(shí)際的病態(tài)理解，致使整個(gè)心身處于疑慮、煩惱和恐懼之中。Pincus等調(diào)查顯示：患者對(duì)于腰背痛的過(guò)分憂慮恐懼，使自身處于巨大的壓力之下，對(duì)于由急性下腰痛向慢性下腰痛起著重要的作用網(wǎng)[11]。2. 抑郁與慢性下腰痛的關(guān)系。抑郁情緒是慢性疼痛患者所特有的個(gè)性特征，Hurwitz等統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)抑郁癥與慢性疼痛存在相互激發(fā)，合并發(fā)展的關(guān)系。比如慢性下腰痛會(huì)使回憶起諸多不愉快的往事，而這些不快又加劇了疼痛，形成惡性循環(huán)[12]。3. 瘡病與慢性下腰痛的關(guān)系。轉(zhuǎn)換性瘴癥是指轉(zhuǎn)換性運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)障礙卩門(mén)，患者自身對(duì)于腰背疼痛有感覺(jué)障礙，嚴(yán)重情況下會(huì)造成肢體癱瘓，不能站立、步行等?，F(xiàn)有研究已經(jīng)證實(shí)，慢性下腰痛患者在個(gè)性特征方面，往往是多種情緒問(wèn)題同時(shí)存在，互相影響，包括疑病、抑郁、療病即神經(jīng)三聯(lián)征[岫，也包括其他特征，比如焦慮、強(qiáng)迫癥等，會(huì)增加緊張情緒[13]，進(jìn)而增加不必要的骨骼運(yùn)動(dòng)，輕微的損傷也會(huì)加劇腰背疼痛。性別、年齡、職業(yè)及社會(huì)文化等因素與慢性下腰痛的關(guān)系。文化程度較低的中老年女性是慢性下腰痛的多發(fā)人群,她們不善于表達(dá)內(nèi)心情感，口述能力差,存在“述情障礙”[14],難以描述軀體感受和心理感受。在針對(duì)公交車(chē)司機(jī)于卡車(chē)司機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)中，調(diào)查顯示，兩組人員的腰背痛程度相近，但是由于卡車(chē)司機(jī)對(duì)自己工作的滿意度更高，所以其岀勤率遠(yuǎn)高于公交車(chē)司機(jī)，因此心理因素對(duì)腰背痛的感受有一定影響。1.1.1腰背按摩的重要性背部是一個(gè)非常廣泛的范圍，具體說(shuō)來(lái)，它包括背部、腰部、躲部等。背部最主要的結(jié)構(gòu)是脊柱，它是由多塊脊椎骨所構(gòu)成的含有若干關(guān)節(jié)的柱狀結(jié)構(gòu)。從側(cè)面看，脊柱呈一個(gè)舒緩的大S型，有4個(gè)生理彎曲。其中無(wú)論是站著，還是坐著，腰椎都一直承受著很大的重力，同時(shí)生活中又經(jīng)常要進(jìn)行像轉(zhuǎn)身、彎腰、伸腰等的動(dòng)作，加重了腰部負(fù)擔(dān)，因此，腰部是整個(gè)背部最重要的，也是最薄弱的環(huán)節(jié)，背部的大多數(shù)疾病都發(fā)生在這里。為了文中論述的方便，將頸部以下，腰部以上部位劃分為上背部；將腰部劃分為下背部，特此說(shuō)明。在此次的研究中將綜合考慮背部區(qū)域的病痛問(wèn)題，重點(diǎn)是腰部（下背部）的疾病問(wèn)題，上背部區(qū)域作為次要方面考慮。隨著我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)的發(fā)展、健康問(wèn)題日益突岀。腰背疼痛是一種非常普遍的現(xiàn)象，隨著年齡的不斷增長(zhǎng)，總會(huì)腰酸背痛，再加上腎氣逐漸衰退，骨質(zhì)脫鈣.腰部關(guān)節(jié)韌帶、肌肉和椎間盤(pán)易發(fā)生退行性改變，常會(huì)岀現(xiàn)腰部酸痛或不適’的日常腰背部保健以腰部鍛煉為主，能起到很好的預(yù)防腰背疼痛的作用。除了太極拳、易筋經(jīng)體操、球類(lèi)活動(dòng)等常見(jiàn)的鍛煉方式外，適當(dāng)?shù)难巢堪茨σ彩欠浅Ｖ匾腻憻挿绞?。如按摩腰部腎俞穴等部位，改善脊椎骨的血液循環(huán)及代謝，以及改善腎臟的血液供應(yīng)，提高腎臟排除代謝廢物的能力，延緩骨質(zhì)疏松、脫鈣等老化過(guò)程，使人體活動(dòng)敏捷，身體挺拔。當(dāng)治療腰肌勞損等常見(jiàn)腰部疾病時(shí)，除了藥物治療等化學(xué)方法，也可以采用腰部按摩這種完全無(wú)副作用的物理方法，能有效促使腰部血液循環(huán)，解除腰肌的痙攣和疲勞，再配合正確的身體姿勢(shì)，對(duì)治療中老年性腰肌勞損有良好效果。上背部區(qū)域時(shí)常發(fā)生酸痛癥狀，同樣也是由于機(jī)體老化，肌肉缺乏運(yùn)動(dòng)等原因造成，上背部的推拿按摩同樣有著緩解疼痛和加強(qiáng)背部肌肉鍛煉的功能。按摩背部諸多穴位，可以疏通經(jīng)絡(luò)，使氣暢通，調(diào)整相關(guān)肚腑功能，提高人體抗病能力。1.1.2腰背按摩器的存在價(jià)值市場(chǎng)上已有的腰背按摩器按使用環(huán)境分類(lèi)，可以分為室內(nèi)腰背按摩器和腰背按摩器。室內(nèi)腰背按摩器發(fā)展相對(duì)較為成熟，主要包括按摩腰靠、按摩靠背這兩大類(lèi)。按摩頭的設(shè)計(jì)和分工也比較細(xì)致，充分應(yīng)用了人體工程力學(xué)和中醫(yī)經(jīng)絡(luò)學(xué)原理，通過(guò)對(duì)腰部進(jìn)行或揉捏或遠(yuǎn)紅外線按摩的方法有效防止腰椎生理曲度下移、減少腰肌勞損、預(yù)防腰椎間盤(pán)突出癥。但是室內(nèi)腰背按摩器也存在著很多問(wèn)題值得我們注意。1、室內(nèi)腰背按摩器是完全自動(dòng)化的，用戶在使用中處于完全放松狀態(tài)，不知不覺(jué)中可能按摩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。正常時(shí)間的按摩，會(huì)緩釋腰部疲勞，但是如果長(zhǎng)時(shí)間按摩，會(huì)出現(xiàn)皮膚摩擦疼痛、起筋包、淤青等副作用，并對(duì)衣服造成損傷。2、紅外線按摩和磁場(chǎng)按摩等按摩方式造成的輻射問(wèn)題存在爭(zhēng)議，短期使用可能有較好的體驗(yàn)，但是長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)可能有一定的輻射危害。3、我國(guó)的按摩器行業(yè)以出口為主，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還處于開(kāi)發(fā)階段。由于室內(nèi)腰背按摩器是個(gè)人使用器材，也需要一定的消費(fèi)實(shí)力，相對(duì)于我國(guó)數(shù)量龐大的老齡人口而言，目前在數(shù)量上還不能滿足使用需求。我國(guó)全民健身計(jì)劃的實(shí)施，健身路徑的廣泛建設(shè)，腰背按摩器作為常用器材，在我國(guó)城市及農(nóng)村公共活動(dòng)場(chǎng)所都有大量分布。目前常見(jiàn)的腰背按摩器都有著基本類(lèi)似的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)，一般設(shè)計(jì)成雙人使用，一側(cè)安裝豎排滾輪按摩器，主要針對(duì)上背部按摩；另一側(cè)安裝橫排滾輪按摩器，主要針對(duì)腰部（下背部）按摩，兩人輪換使用，就可以完成整個(gè)背部的按摩鍛煉過(guò)程。根據(jù)資料顯示，健身路徑的使用者以中為主。這一部分人群根據(jù)其身體狀況，在使用器材的選擇上以休閑康復(fù)類(lèi)器材為主，力量型器材較少使用。腰背按摩器作為一種主要的休閑康復(fù)類(lèi)器材有著重要的地位和價(jià)值。相對(duì)于室內(nèi)腰背按摩器，腰背按摩器有以下優(yōu)點(diǎn)：1、器材完全由人力驅(qū)動(dòng)，且一般有使用者自身提供動(dòng)力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以根據(jù)自身狀況有效控制按摩時(shí)間，防止運(yùn)動(dòng)傷害。2、完全物理過(guò)程，不存在輻射問(wèn)題。3、由于是公共設(shè)施，只要合理控制成本，可以在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)廣泛設(shè)置，老人們可以在輕松的使用過(guò)程中與周?chē)巳鹤杂山徽?，促進(jìn)情感交流，有利于身心健康。第2章裝置的分析與總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1方案的設(shè)計(jì)從方便家庭和辦公環(huán)境使用出發(fā)，考慮結(jié)合常用靠椅的功能來(lái)開(kāi)發(fā)這一同時(shí)具有腰背部鍛煉功能和腰背部按摩功能的新型電動(dòng)鍛煉裝置。其中:腰背部鍛煉功能模塊設(shè)置在靠椅的靠背上、并由一臺(tái)電機(jī)通過(guò)偏心輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)腰背部的按摩功能;當(dāng)將靠椅的靠背折疊至與椅面重合的位置后，由另一臺(tái)電機(jī)通過(guò)組合機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)靠背進(jìn)行空間三維運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于乘馬療法的腰背部鍛煉功能。使用者用作靠椅、進(jìn)行腰背部按摩和使用腰背部鍛煉功能時(shí)的裝置狀態(tài)分別如圖1(a)－(c)所示。圖1整體設(shè)計(jì)方案圖2驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖腰背部鍛煉機(jī)構(gòu)設(shè)置在椅面下方，由直流電機(jī)2經(jīng)減速器和錐齒輪組把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給軸3，如圖2(b)所示。此時(shí)，靠背經(jīng)向椅面折疊后可讓使用者乘坐，軸3每旋轉(zhuǎn)一周整個(gè)靠背會(huì)按設(shè)定曲線擺動(dòng)一次，結(jié)構(gòu)原理如圖3(a)所示。同時(shí)，整個(gè)靠背、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)及軸3，在軸3上曲柄b的驅(qū)動(dòng)下，繞機(jī)架法線左右擺動(dòng)，結(jié)構(gòu)原理如圖3(b)所示。將曲柄a和曲柄b單獨(dú)作用引起的前后移動(dòng)和上下擺動(dòng)與左右擺動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成，即可得到類(lèi)似橫‘8’字的運(yùn)動(dòng)軌跡。椅背背面沿此三維軌跡曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使騎坐在上面的使用者在維持身體平衡的過(guò)程中下意識(shí)地使用腰背部肌肉，從而達(dá)到鍛煉腰背部肌肉的效果這種腰背部肌肉鍛煉類(lèi)似乘馬療法中使用者乘馬行走時(shí)得到的效果。第3章運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1坐標(biāo)系的建立確定腰背部鍛煉機(jī)構(gòu)由曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的組成后，進(jìn)一步推導(dǎo)椅背背面中心點(diǎn)Q的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。以軸2和空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架為研究對(duì)象，設(shè)定坐標(biāo)系如圖3(b)所示。其中:基準(zhǔn)坐標(biāo)系ΣO以空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架中點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸、y軸正方向分別為靠椅的右方向和前方向;剛體坐標(biāo)系ΣN以空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，xN軸、yN軸正方向分別為軸2右方向和前方向。在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中:軸3中點(diǎn)、左點(diǎn)、曲柄b頂點(diǎn)、左支架下點(diǎn)記為A、B、C、D;各點(diǎn)間距離分別用rb、l2、l3、l4和l5表示;OA與x軸正向間夾角記為β;曲柄b與平面xoz間夾角記為α，其值為90°+ω2t。在剛體坐標(biāo)系內(nèi):軸2頂點(diǎn)和滑動(dòng)桿頂點(diǎn)分別用S、P表示;曲柄a和軸2長(zhǎng)度記為ra和2l1;曲柄a與豎直方向的夾角記為θ，其值為0°+ω1t。在這里，Q點(diǎn)在剛體坐標(biāo)系ΣN內(nèi)的位置用向量PQd表示，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系ΣO內(nèi)的位置用向量PQj表示，兩坐標(biāo)向量之間的轉(zhuǎn)換有:先在基準(zhǔn)坐標(biāo)系內(nèi)的做一個(gè)平移變換，再在剛體坐標(biāo)系內(nèi)繞y軸做角度為β旋轉(zhuǎn)變換。3.2曲柄搖塊運(yùn)動(dòng)學(xué)分析單獨(dú)分析曲柄a做角速度為ω1轉(zhuǎn)中心S點(diǎn)始終保持在xNS點(diǎn)坐標(biāo)不變，記為(l1。從而推出旋轉(zhuǎn)頂點(diǎn)P的坐標(biāo)：在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)Q點(diǎn)的投影為Q只考慮曲柄搖塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)QQ點(diǎn)的xN軸坐標(biāo)相同并保持不變?nèi)缦聢D4(a)所示在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，分析yN、zN方向的位置關(guān)系有：YNQZtan圖4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖從而得到剛體坐標(biāo)系ΣN內(nèi)Q點(diǎn)的坐標(biāo):式(10)中只含有未知量α，其余均為已知量，而α為可用t的函數(shù)表示，故可解得β=fω2t的表達(dá)。綜上所述，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系ΣO內(nèi)，椅背背面中心點(diǎn)Q的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解:結(jié)合matalab軟件，對(duì)上述運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行仿真計(jì)算，得到角度β和基準(zhǔn)坐標(biāo)系ΣO內(nèi)Q點(diǎn)坐標(biāo)位置隨時(shí)間的變化如圖5所示。2．3 空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是一對(duì)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的曲柄b，考慮到兩曲柄間相位差為180°，其他機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，現(xiàn)分析左半部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，其簡(jiǎn)示圖如圖4(b)所示。在基準(zhǔn)坐標(biāo)系內(nèi)，四邊形AOBD始終保持在xoz平面內(nèi)，BC繞AB以ω2的角速度勻速旋轉(zhuǎn)，連接BD，推得BC繞AB轉(zhuǎn)過(guò)的角度α同為BC與xoz平面間夾角。在△BCD，DC為搖桿，其長(zhǎng)度l4保持不變。應(yīng)用余弦定理有:|CD|2=|BD|2+|BC|2－2·|BD|·|BC|cos(α)(9)聯(lián)立式(8)、式(9)，有:圖5運(yùn)動(dòng)變化仿真圖從圖5仿真結(jié)果得知，該新型腰頸部康復(fù)裝置的運(yùn)動(dòng)基本為對(duì)稱(chēng)的左右擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡基本符合空間橫‘8’字曲線，運(yùn)動(dòng)形式與乘馬運(yùn)動(dòng)相近。第4章機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析4.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)其工作原理，新型電動(dòng)腰頸部康復(fù)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。其主要由底座、腰背部鍛煉機(jī)構(gòu)、椅面、肩頸部按摩機(jī)構(gòu)和靠背組成，腰背部鍛煉機(jī)構(gòu)設(shè)置在椅面下方并安裝在底座上，肩頸部按摩機(jī)構(gòu)設(shè)置在靠背正面、其偏心輪可從靠背正面上的矩形窗口反復(fù)伸縮來(lái)對(duì)靠背上使用者的肩頸部進(jìn)行按摩。靠背通過(guò)轉(zhuǎn)軸與椅面連接并能繞此轉(zhuǎn)軸折疊至椅面上，靠背從人因工程學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其背面為兩端高中間低的波浪形曲面以便折疊后使用者騎坐。4.2腰部鍛煉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)腰背部鍛煉機(jī)構(gòu)可分為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2、曲柄搖塊機(jī)構(gòu)3和空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)1。其中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、減速器、機(jī)架。轉(zhuǎn)軸2和轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)分別驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰背部鍛煉所需的三維空間運(yùn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖所示。實(shí)現(xiàn)椅面在前后和上下方向的運(yùn)動(dòng)。空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)同樣有左右分布且曲柄轉(zhuǎn)角相位相差180°的兩組，曲柄搖塊機(jī)構(gòu)和空間曲柄擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合后使得整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)所要求的空間三維運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)使用者騎坐時(shí)腰背部鍛煉效果?？偨Y(jié)而言，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，該新型腰頸部康復(fù)裝置實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電機(jī)多種用途和各機(jī)構(gòu)之間的有效融合。輪椅基本構(gòu)架用鋁合金材料焊接而成，結(jié)構(gòu)緊湊，總體重量較輕，適合在室內(nèi)外使用。4.3電機(jī)的選擇為了選出合適的電動(dòng)機(jī)。需針對(duì)多方面因素進(jìn)行考慮。根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境，安裝方式，機(jī)構(gòu)所需的功率、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)等要求，并進(jìn)行綜合的分析，來(lái)查閱相關(guān)資料進(jìn)行選擇。選定額定功率為0.75kw，常用轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)，可選電機(jī)型號(hào)為55ZYT63表1電機(jī)參數(shù)型號(hào)額定功率（KW）轉(zhuǎn)速（r/min）電流（A）55ZYT630.75139015.64.4底部齒輪的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的校核動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重要點(diǎn)，推送裝置的原理就是通過(guò)錐齒輪進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，錐齒輪的動(dòng)力來(lái)自于設(shè)備，是主軸的傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)齒輪，錐齒輪帶動(dòng)設(shè)備進(jìn)行傳動(dòng)，合理分配傳動(dòng)比，可以進(jìn)行傳動(dòng)設(shè)置。實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速估算小齒輪直徑：轉(zhuǎn)動(dòng)系數(shù)K=1.2~1.8T1—小齒輪的額定扭矩，根據(jù)齒數(shù)定義傳動(dòng)比，主軸齒輪齒數(shù)Z1=40頂齒齒數(shù)Z2=40小齒齒數(shù)Z3=20T扭矩為主軸扭矩，通過(guò)計(jì)算已經(jīng)知道T1=2.4N*m傳動(dòng)比為：u=n1/n2=Z2/Z1=1:2T1=i*T=1.2N*m大齒輪轉(zhuǎn)速為300rpm小齒輪轉(zhuǎn)速n1=n/iN2=600rpm小齒輪扭矩T1=1.2N*m小齒輪轉(zhuǎn)速n=600rpm上述為已知條件齒輪采用不銹鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)估算不銹鋼的接觸強(qiáng)度的取值310N/mm2K取值1.5帶入計(jì)算公式，d1=1951*（1.5*1.2/2/310^2）1/3帶入計(jì)算得：d1=41.6174，分度圓直徑大于41.6174mm2.幾何計(jì)算：齒數(shù)：Z1=20，Z2=20*2=40模數(shù)：m=d1/z1根據(jù)實(shí)際情況選擇m*Z1>41.6174根據(jù)布局取模數(shù)為2.5，則d1=2*20=50mm分度圓直徑D1=2.5*20=50,mmD2=2.5*40=100mm分錐角：a1=arctan（20/40）=0.46弧度=26度，a2=90-26度=64度根據(jù)公式計(jì)算外錐距：帶入R=d1/2sin26=50/2/sin26=32.8齒寬系數(shù)：ΦR齒寬系數(shù)0.4齒寬b=0.4*R=0.4*32.8=13.12根據(jù)機(jī)械手冊(cè)，變位系數(shù)X為0，齒根間隙系數(shù)c為0.2齒頂高：ha=（ha1+X）*m=1*2.5=2.5齒根高：hf=（hf1+c-x）*m=（1+0.2）*2.5=3齒全高：h=（2+c）*m=2.2*2.5=4.4mm齒根角計(jì)算結(jié)果：=arctan（3/32.8）=4.18度齒頂角計(jì)算結(jié)果：=arctan（2.5/32.8）=3.49度小齒輪零件圖3.齒面疲勞強(qiáng)度計(jì)算中點(diǎn)模數(shù)：ΦR齒寬系數(shù)0.4M=2.5*（1-0.3*0.5）=4.25中點(diǎn)分度圓直徑：Dm1=50*（1-0.5*0.4）=40mmFt=2000T1/dm=2000*1.2/40=60N強(qiáng)度校核：使用系數(shù)Ka查表等于1.25動(dòng)載荷系數(shù)查表：kv=1.045動(dòng)載荷分布系數(shù)：Khp=1.65動(dòng)載荷系數(shù)：Kha=1.0節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)：Zh=2.5終點(diǎn)區(qū)域系數(shù)：Zmb=1.082齒輪中部投影：lbm=33.6彈性系數(shù)；Ze=189.8螺旋角系數(shù)：Zp=1錐齒輪系數(shù)Zk=0.8載荷分配系數(shù)Zls=1計(jì)算接觸應(yīng)力：將以上數(shù)據(jù)帶入公式；aH=((1.25*1.045*1.65*1*60/40/33.63)*2.5^0.5/2.5)^0.5*1.083*2.5*198.8*1*1*0.8=106N/mm2許用接觸應(yīng)力：查圖，選定最小接觸應(yīng)力為Qhmin=400N/mm2（按照最小碳鋼選擇）壽命系數(shù)查表：Zn=1潤(rùn)滑系數(shù)：Zlvr=0.95工作硬化系數(shù):Zw=1.1尺寸系數(shù)：Zx=1最小安全系數(shù)：Shmin=1帶入上式：計(jì)算的出許用接觸應(yīng)力應(yīng)力：Q=400/1.1*1*0.95*1*1=345N/mm2計(jì)算應(yīng)力170N/mm2<345N/mm2根據(jù)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算出的實(shí)際使用應(yīng)力170N/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需用接觸應(yīng)力345N/mm2，滿足條件.4.5腰背部按摩裝置齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算4.5.1選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1)根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，壓力取為α=20°，初選螺旋角β=13°。2)參考表10-6選用7級(jí)精度。3)材料選擇由表10-1選擇小齒輪40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪45（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS4)選小齒輪齒數(shù)z1=23，則大齒輪齒數(shù)z2=z1×i=23×3.46=84。小齒輪圖4.5.2按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)1)由式(10-24)試算小齒輪分度圓直徑，即d2)確定公式中的各參數(shù)值①試選KHt=1.3②計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩:T=9550×③由表10-7選取齒寬系數(shù)φd=1④由圖10-20查得區(qū)域系數(shù)ZH=2.46⑤由表10-5查得材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8√MPa。⑥由式(10-9)計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)Zε。αααεεZ⑦由公式可得螺旋角系數(shù)Zβ。Z⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]由圖10-25d查得小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為σ由式(10-15)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：NN由圖10-23查取接觸疲勞系數(shù)K取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得[σH][σH]取[σH]1和[σH]2中較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即σH3)試算小齒輪分度圓直徑d4.5.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為σ1)T、mn和d1同前齒寬b=b2=55齒形系數(shù)YFa和應(yīng)力修正系數(shù)YSa，當(dāng)量齒數(shù)為：小齒輪當(dāng)量齒數(shù)：Z大齒輪當(dāng)量齒數(shù)：Z由圖10-17查得齒形系數(shù)Y由圖10-18查得應(yīng)力修正系數(shù)Y①試選載荷系數(shù)KFt=1.3②由式(10-18)，可得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)Yε。αεαα上式得εβεYε③由式(10-19)，可得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)Yβ。Y2)圓周速度v=3)寬高比b/hh=b根據(jù)v=1.282m/s，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)Kv=1查表10-3得齒間載荷分配系數(shù)KFα=1.4由表10-4查得KHβ=1.314，結(jié)合b/h=55/4.5=12.222查圖10-13，得KFβ=1.061。則載荷系數(shù)為K由圖10-24c查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為σ由圖10-22查取彎曲疲勞系數(shù)K取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.25，由式(10-14)得σσ齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核σσ齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求，并且小齒輪抵抗彎曲疲勞破壞的能力大于大齒輪。4)齒輪的圓周速度v=選用7級(jí)精度是合適的主要設(shè)計(jì)結(jié)論齒數(shù)z1=25，z2=86，模數(shù)m=2mm，壓力角α=20°，螺旋角β=13.1736°=13°10'24"，中心距a=114mm，齒寬B1=60mm、B2=55mm第5章裝置的建模5.1腰背部按摩部件5.2底部驅(qū)動(dòng)裝置5.3整體裝置設(shè)計(jì) 第6章總結(jié)此次研究，從群體腰背疾病問(wèn)題入手，通過(guò)文獻(xiàn)分析以及人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用方法，并結(jié)合中醫(yī)經(jīng)絡(luò)學(xué)原理，在生理層面與心理層面對(duì)腰背按摩器的改良設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)路線，在具體結(jié)構(gòu)、布局設(shè)計(jì)中應(yīng)用調(diào)研分析結(jié)果，以期達(dá)到設(shè)計(jì)目的。將本文研究成果概述如下：本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)腰頸部鍛煉裝置針對(duì)腰背部肩頸部常見(jiàn)疾患，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使其能夠同時(shí)具備腰背部乘馬療法式康復(fù)鍛煉功能和肩頸部按摩式康復(fù)鍛煉功能運(yùn)。提出了腰背部鍛煉效果評(píng)估方法進(jìn)行，并通過(guò)制作的樣機(jī)進(jìn)行了基礎(chǔ)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，這種新型電動(dòng)腰頸部鍛煉裝置具有很好的康復(fù)效果。 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