一種電動腰頸部鍛煉裝置的設計與分析

徐光遠,陶衛軍,潘國義,孫明亮

(南京理工大學機械工程學院江蘇南京210094)

0 前言

由于工作壓力大、長時間伏案工作或身體機能退化而導致的腰背部和肩頸部不適或病痛,在職場人員和中老年人群中越來越呈現擴大發展趨勢,已成為影響人們工作生活的一種常見多發病[1,2]。針對這一現狀,非常有必要來開發具有腰背部和肩頸部健康增進功能的康復裝置,對腰背部和肩頸部進行疾病預防和輔助治療。

目前,在腰背部康復裝置的研究方面已有一些研究成果,其中楊劍雪等人開發的腰部助動康復器[3]、王克義等開發的繩索牽引康復機器人[4]和李先花等人開發的扭腰康復訓練機[5]主要通過機構促使腰部運動來鍛煉腰背部肌肉,但其機構運動限于一維空間,導致其僅對部分腰背部肌肉群具有鍛煉效果;日本學者Youichi Shinomiya等人[6~8]基于乘馬療法的原理開發了一種基于Staward并聯機構平臺的乘馬療法器械,通過機構的三維運動對腰背部肌肉進行全面鍛煉并進行了大量的實驗驗證。在肩頸部康復裝置的研究方面,現有技術主要采用運動按摩的原理,已有不少相應產品得到實際應用[9,10]。

針對腰肩疾患多發這一現狀,從綜合解決腰背部和肩頸部的康復鍛煉問題出發,提出了一種同時具備腰背部乘馬式療法康復鍛煉功能和肩頸部按摩式康復鍛煉功能的新型電動腰頸部鍛煉裝置,并對機械結構和控制系統進行了設計,在分析其機構運動學的基礎上對腰背部鍛煉效果評估方法進行研究,并通過制作的樣機進行了基礎的驗證實驗。

1 方案與工作原理

從方便家庭和辦公環境使用出發,考慮結合常用靠椅的功能來開發這一同時具有腰背部鍛煉功能和肩頸部按摩功能的新型電動鍛煉裝置。其中:肩頸部鍛煉功能模塊設置在靠椅的靠背上、并由一臺電機通過偏心輪驅動機構實現對肩頸部的按摩功能;當將靠椅的靠背折疊至與椅面重合的位置后,由另一臺電機通過組合機構驅動靠背進行空間三維運動來實現基于乘馬療法的腰背部鍛煉功能。使用者用作靠椅、進行肩頸部按摩和使用腰背部鍛煉功能時的裝置狀態分別如圖1(a)－(c)所示。

圖1 整體設計方案

肩頸部按摩機構設置在靠椅的正面,如圖2(a)所示。步進電機1通過齒輪組1驅動軸1旋轉并帶動軸1上固定安裝的一對偏心輪轉動,偏心輪每轉一周其輪緣伸出并按摩靠在靠背正面使用者的肩頸部一次。其按摩頻率和速度可通過控制步進電機的轉速來實現。

圖2 驅動結構原理圖

腰背部鍛煉機構設置在椅面下方,由直流電機2經減速器和錐齒輪組把旋轉運動傳遞給軸3,如圖2(b)所示。此時,靠背經向椅面折疊后可讓使用者乘坐,軸3每旋轉一周整個靠背會按設定曲線擺動一次,結構原理如圖3(a)所示。同時,整個靠背、曲柄搖塊機構及軸3,在軸3上曲柄b的驅動下,繞機架法線左右擺動,結構原理如圖3(b)所示。將曲柄a和曲柄b單獨作用引起的前后移動和上下擺動與左右擺動進行運動合成,即可得到類似橫‘8’字的運動軌跡。椅背背面沿此三維軌跡曲線運動時會使騎坐在上面的使用者在維持身體平衡的過程中下意識地使用腰背部肌肉,從而達到鍛煉腰背部肌肉的效果。這種腰背部肌肉鍛煉類似乘馬療法中使用者乘馬行走時得到的效果。

圖3 運動系統結構簡圖

2 運動學分析

2.1 坐標系的建立

確定腰背部鍛煉機構由曲柄搖塊機構和空間曲柄擺桿機構的組成后,進一步推導椅背背面中心點Q的運動學反解。以軸2和空間曲柄擺桿機構的機架為研究對象,設定坐標系如圖3(b)所示。其中:基準坐標系ΣO以空間曲柄擺桿機構的機架中點O為坐標原點,x軸、y軸正方向分別為靠椅的右方向和前方向;剛體坐標系ΣN以空間曲柄擺桿機構的機架中點為坐標原點,xN軸、yN軸正方向分別為軸2右方向和前方向。

在基準坐標系中:軸3中點、左點、曲柄b頂點、左支架下點記為 A、B、C、D;各點間距離分別用 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。

在剛體坐標系內:軸2頂點和滑動桿頂點分別用S、P表示;曲柄a和軸2長度記為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點在剛體坐標系ΣN內的位置用向量PQd表示,在基準坐標系ΣO內的位置用向量PQj表示,兩坐標向量之間的轉換有:先在基準坐標系內的做一個平移變換,再在剛體坐標系內繞y軸做角度為β旋轉變換,關系寫出如下:

2.2 曲柄搖塊機構運動學分析

單獨分析曲柄a做角速度為ω1的圓周運動時,其旋轉中心S點始終保持在xN軸上,故S點坐標不變,記為(l1,0,0)。從而推出旋轉頂點P的坐標:

在旋轉平面內,Q點的投影為Q',只考慮曲柄搖塊機構運動時,Q、Q'點的xN軸坐標相同并保持不變,如下圖4(a)所示。

在旋轉平面內,分析yN、zN方向的位置關系有:

依據圖中θ和γ的關系:

圖4 結構簡化圖

從而得到剛體坐標系ΣN內Q點的坐標:

2.3 空間曲柄擺桿機構運動學分析

空間曲柄擺桿機構的驅動結構是一對勻速圓周運動的曲柄b,考慮到兩曲柄間相位差為180°,其他機構對稱,現分析左半部結構的運動情況,其簡示圖如圖4(b)所示。

在基準坐標系內,四邊形AOBD始終保持在xoz平面內,BC繞AB以ω2的角速度勻速旋轉,連接BD,推得BC繞AB轉過的角度α同為BC與xoz平面間夾角。

在△BCD,DC為搖桿,其長度l4保持不變。應用余弦定理有:

聯立式(8)、式(9),有:

式(10)中只含有未知量α,其余均為已知量,而α為可用t的函數表示,故可解得β＝f ω2t( )的表達。

綜上所述,在基準坐標系ΣO內,椅背背面中心點Q的運動學反解:

結合matalab軟件,對上述運動方程進行仿真計算,得到角度β和基準坐標系ΣO內Q點坐標位置隨時間的變化如圖5所示。

圖5 運動變化仿真圖

從圖5仿真結果得知,該新型腰頸部康復裝置的運動基本為對稱的左右擺動,其運動軌跡基本符合空間橫‘8’字曲線,運動形式與乘馬運動相近。

3 機械結構設計與分析

3.1 整體結構設計

根據其工作原理,新型電動腰頸部康復裝置總體結構如圖6(a)所示。其主要由底座、腰背部鍛煉機構、椅面、肩頸部按摩機構和靠背組成,腰背部鍛煉機構設置在椅面下方并安裝在底座上,肩頸部按摩機構設置在靠背正面、其偏心輪可從靠背正面上的矩形窗口反復伸縮來對靠背上使用者的肩頸部進行按摩。靠背通過轉軸與椅面連接并能繞此轉軸折疊至椅面上,靠背從人因工程學的角度出發進行設計,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。

圖6 三維結構圖

3.2 肩部按摩器設計

所設計的肩頸部按摩機構設計成一個獨立模塊以便于在靠背上的安裝和高度調整,其具體結構如圖6(c)所示,主要包括固定板、步進電機、電機座、小齒輪、大齒輪、轉軸、一對軸承座和一對偏心尼龍輪,其中步進電機通過電機座固定在固定板上,其輸出軸上的大齒輪與轉軸1上安裝的小齒輪相嚙合,轉軸1通過兩側的一對安裝在固定板上的軸承座進行支撐,一對偏心尼龍輪固定在轉軸1上并在轉軸1轉動時對使用者肩頸部進行按摩。

3.3 腰部鍛煉機構設計

腰背部鍛煉機構可分為動力驅動機構、曲柄搖塊機構和空間曲柄擺桿機構。其中動力驅動機構由直流電機2、減速器、機架、如圖6(d)。轉軸2和轉軸3旋轉分別驅動曲柄搖塊機構和空間曲柄擺桿機構來實現腰背部鍛煉所需的三維空間運動,具體結構如圖6(b)所示。實現椅面在前后和上下方向的運動。空間曲柄擺桿機構同樣有左右分布且曲柄轉角相位相差180°的兩組,曲柄搖塊機構和空間曲柄擺桿機構運動綜合后使得整個裝置實現所要求的空間三維運動,以實現使用者騎坐時腰背部鍛煉效果。

總結而言,在機械結構設計方面,該新型腰頸部康復裝置實現了一個電機多種用途和各機構之間的有效融合。輪椅基本構架用鋁合金材料焊接而成,結構緊湊,總體重量較輕,適合在室內外使用。

4 控制系統設計與效果評估

4.1 控制系統設計

新型電動腰頸部鍛煉裝置控制系統包括運動控制系統和生理信息監測與評估系統。通過運動控制系統來控制腰背部鍛煉機構和肩頸部按摩機構的啟動和停止,并對其工作速度進行分檔調節。其中,腰背部鍛煉機構的工作速度設置為4檔,對應使用者對腰背部鍛煉強度的不同要求;而肩頸部按摩機構的工作速度為連續調節,可根據使用者的需求調整到合適的按摩工作速度。生理信息監測與評估系統主要通過對腰背部鍛煉過程中使用者心率變化進行監測,通過特定算法對其運動狀況和消耗能量進行分析和評價,以保證使用者對腰背部鍛煉功能的合理使用。整個運動控制系統基于51系列單片機系統進行開發,其控制系統構成如圖7所示。

圖7 控制系統構成圖

4.2 效果評估方法

鍛煉效果評估針對相對運動強度較大的腰背部鍛煉功能,通過監測使用者心率變化來評估其鍛煉過程中能量消耗情況。研究表明,人體在帶負載運動時,其平均能量代謝率隨運動負荷的增大而增大,使用者心率變化與所消耗能量間的存在一定相關性[11,12]。對腰部康復鍛煉這種運動強度適中的類有氧運動鍛煉過程,可用式(12)進行評價:

其中:W為能量代謝率;a和b為描述其相對心率與能量代謝率之間變化關系的參數。其值大小與男女和年齡等因素相關。

5 樣機驗證試驗

為驗證該新型腰頸部康復裝置的功能效果,從長期坐立的人群中選取研究對象,選取本校身體經過健康體檢的學生,在已制作好的樣機上進行驗證試驗,如圖8所示。

圖8 樣機使用示意圖

記錄下被測試者靜坐時和開始鍛煉15 min內的心率平均數據,整理如表1,根據現有的實驗研究結果,針對平均年輕為25歲左右的中青年男子,參照相關計算公式,取其參數 a＝13.9,b＝－10.7。

表1 心率數據

依據提出的計算方法,繪出鍛煉過程中心率和能量的變化曲線圖9,并對其變化趨勢進行分析:1)在0－6 min內,每個鍛煉者心率明顯加速,依據效果評估方法計算的能量數據,該時間段內鍛煉者的能量代謝呈線性增長;2)在6－15 min內,實驗者逐步適應腰部鍛煉裝置的鍛煉形式,心率趨于平穩,能量消耗也就維持在一個相對穩定的水平。

圖9 心率和能量變化曲線

6 結語

本文設計的電動腰頸部鍛煉裝置針對腰背部肩頸部常見疾患,通過機械設計和控制系統設計使其能夠同時具備腰背部乘馬療法式康復鍛煉功能和肩頸部按摩式康復鍛煉功能運。用Matalab進行運動學仿真,提出了腰背部鍛煉效果評估方法進行,并通過制作的樣機進行了基礎的驗證實驗,實驗表明,這種新型電動腰頸部鍛煉裝置具有很好的康復效果。

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