周国海 尹钢 陈清 曲广财
摘要：目前按摩椅所使用的机芯，是通过肩位检测确定身高后，来实现整个背部“游走”性揉刮与非定点性敲击动作的。因当前其机械结构设计惯例的原因，机械手摆臂的柔刮动作是通过主轴的偏角摆动动作来实现的，故无法实现对背部某特定区域进行仿形揉捏与定点敲击的动作，不能很好满足用户这种特定的需求。而本案例是通过丝杆定位机械手的摆动，以及采用机械手支点“圆心前置法”，不仅保证了机械手可实现定点敲击，而且还实现了双凹形仿形柔刮动作。
关键词：按摩椅 机械手 柔刮 敲击 定点 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
隨着现代社会人们学习和工作压力的增大，亚健康问题越来越突出[1]。据研究表明按摩椅对改善睡眠质量与微循环，以及降低疲劳等有较为理想的作用[2][3]，由此人们开始热衷于使用按摩机进行保健按摩。然而传统按摩椅机械手因其两摆臂的摆弧呈“双凸”弧形，故与人体背部相抵柔刮时，也就不可避免地出现人体上下起伏过大，且背部两颊中心处受力也就随之过大的现象发生。像这样的按摩形式，对老年人实施按摩，或对于平躺、倒置按摩的用户来说，就不太实用或使用的舒适性就变得更差[4]，以及还尚存有潜在危害性等风险，且进一步要说明的是：该结构形式的机械手还不能实现定点敲击的功能。而本案例是通过丝杆定位机械手的摆动，以及采用机械手支点“圆心前置法”，不仅保证了机械手可实现定点敲击，而且还实现了双凹形仿形柔刮动作。
1. 机械手当前常规结构介绍
当前3D机械手的定义是在2D机械手的x-y柔刮平面内的基础上，增加了z纵向伸出量的控制装置，以实现其探肩、举升等动作的机构，其常规机构见图1。
由于2D机械手“游走”性揉刮与敲击动作，是通过转轴的偏角来实现的（见图2（a）原理图与2（b）实物实现主轴偏角的轴套），且该机构又具有易应用、设计简单的特点，故该柔刮装置在3D机械手上也就自然得到接承应用[4]。
而针对开篇所述，不得不对当前普遍采用的机械手结构进行概念性创新。为此，诸多厂家展开了深入的研究。有的厂家试图从软件角度来展开探索，但由于其机械原固有的设计特点，其软件驱动也不能较好地保障补偿协作性，来实现其机械手的仿形功能，见图2。
2. 机械手“仿形”运动的实现
由于人体背部两侧略有“外凸”的结构特点，故为实现按摩机械手仿人体背部轮廓的运动，其机械手摆臂必须实现“双凹”形摆动运动，其运动方式正好与当前机械手摆臂运动曲率呈相反的方向。
专利“ZL2021 1 0398794.1一种仿形机械手”提出了两种解决方案[5]：（1）圆心前置偏转法（见图3）;（2）摆臂联动成形法（见图4）。下文重点对“圆心前置偏转法”作一深入分析，“摆臂联动成形法”另做篇幅进行分析。
3. 圆心前置偏转法仿形功能及其机构
为实现定点敲击功能，本方案中取消了图2中的偏角机构，而在其主轴上采用了球头铰连接结构（即图5中的A铰链）。图5 展示了球铰链的作用，即移动B球铰链头时，其摆臂B-C段的长短，并不会影响O围绕A球铰链头的旋转。分解图3圆心前置偏转法，其基本结构原理图如图5所示。
图5机构的自由度计算如下。
由于A、B均为球铰链，故该机构为空间运动机构。那么B、A约束3个水平移动自由度，故P3=2;C为复合铰链，约束3个水平移动与2个旋转方向，故P5 = 1;又因该机构共2个运动副，故该空间机构自由度按F 计算[6][7]，并将其展开为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。
故可确定图5机构有惟一的运动轨迹存在，即输入端i有旋摆运动时，输出端O有唯一的运动形式输出。其运动轨迹的分析见下，先对图5建立坐标系，见图6。
为便于分析，设B、A、E三点在同一直线上，则上图中这三点的连线与x轴有θ夹角关系。输入端轨迹i在z-x平面内，设轨迹为z = 。可采用瞬动法，设输入端发生 瞬动，则输出端B点瞬动值为 = 。 的瞬动值为输出点E点的 的输入值，故其切向瞬动值为 = = ，即 由杠杆原理将 放大 倍。因 <90°且为恒角度值，故 ，所以E点轨迹输出端投影到z-x平面内，其圆心为“前置式”的，故可判定 扫略的轨迹同 扫略的轨迹曲率方向是一致的，均相对人体背部来说为凹形弧，即圆心“前置式”结构。图3这一圆心“前置式”结构，所产生的凹弧摆运动效果，也由数模的运动分析的结果所验证。
换言之，从数理上讲如果 >90°，则 则该机械手也就成了图2（a）所示的机械手当前常规结构的形式了，即“凸弧摆”结构形式。
4. 圆心前置偏转法机构的优化设计
（1）为提高机械手使用寿命，避免硬性冲击，同时该机械手摆臂虽按“双凹”形进行了设计，但人体背部非标准的“双凹”圆弧轮廓，故此案例对双摆臂均增设了弹性缓冲装置，使该机构对人体的作用更加完美，见图7。
（2）脊椎托轮的运用。脊椎托轮既可作为人体靠背到位的一种判定装置，而且其弹变让位的作用也可对脊椎起到很好的按摩与支撑作用，该作用正好弥补了机械手两摆臂的按摩头所应当保持的20～25mm安全间隙[8][9]所带来的“空白按摩区域”。其中，弹簧刚度设计以按摩头所能产生的压力为[10]10±2（N），进行目标设计，其结构见图8，而且其托轮的曲轴固定结构，还使该托轮的支撑力也就具有了可调性。
5. 定点敲击功能的设计
（1）本文案例在图5输入端i是由“双向往复丝杆[11]”来带动的，以避免其驱动电机来回往返地切换，以及往返时还必须的位置信号的截取，该丝杆可实现由电控往返转改变为机械自我控制往返转，这点上该丝杆提高了运动的可靠性。故当该丝杆停止不旋转时，再单独驱动锤击拉杆，即可实现“定点”敲击动作。
（2）专利中[5]还设计了“气压式旋转轴角度切换”，或“轴旋电磁离合器”装置，以实现左、右两摆臂采用同步，或30°～120°角度差的交错锤击动作（见图7异同步切换器）。由于机械手中心脊椎托轮的支撑作用，故不管机械手采用同步锤击，还是异步锤击动作，均可保证使用者相对的稳定性，极大限度地满足了使用者的舒适性需求。按摩椅靠架结构如图9所示。
6. 按摩椅座架设计
由于该仿形机械手按摩宽度的加大，其探出的两按摩臂运动宽度，已远超出当前按摩椅靠背座框的中部镂空宽度尺寸，故专利“ZL2021 1 0398691.5”中提出了另一种座架方案[12]，即“一种自动张紧扪布按摩椅结构”的方案，但由于该座架方案已超出非本篇阐述的“仿形机械手”所论述的范围，此处不再阐述、论证。
参考文献
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[2]傅姗，赵滢，陈熙 .按摩椅改善睡眠质量的作用研究[J].中国医疗器械信息，2015（3）：34-37，5.
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[5]尹钢.一种按摩椅用仿形机械手：中国专利，202110398794.1[P].2021-04-14.
[6]赵韵秋.参数化机构自由度分析及软件设计[D].廊坊：华北科技学院，2020.
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[8]周国海，尹钢，陈清，等.按摩椅机械手机构数学模型设计的研究[J].产业创新研究，2021，2（下）：96-98.
[9]《家用和类似用途保健按摩椅》标准（GB/T 26182）[S].
[10]仇高賀，华岗，林静研.按摩椅按压力度的控制方法[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30（4）：559-561.
[11]秦亚军，甘文斌.往复丝杆的设计方法[J].传动技术，2017，31（2）：45-48.
[12]尹钢.一种自动张紧扪布按摩椅结构：中国专利，202110398691.5[P].2021-04-14.
作者简介
周国海，男，汉，1962年10月生，浙江温州人，本科，总裁，研究方向：按摩健康器具.
尹钢，男，汉，1968年12月生，四川广元人，本科，高级工程师，研究方向：自动化控制.
陈清，男，汉，1974年6月生，浙江嘉兴人，专科，技术总监，研究方向：按摩健康器具.
曲广财，男，汉，1994年6月生，内蒙古通辽人，硕士研究生，助教，研究方向：体育运动与健康.
