一種智能艾灸裝置的創新設計

陳越，孫亮波，駱明炎，彭文凱，秦鴻程，劉婷婷

一種智能艾灸裝置的創新設計

陳越，孫亮波*，駱明炎，彭文凱，秦鴻程，劉婷婷

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430048）

針對傳統艾灸智能化程度不高、家用艾灸儀器成本偏高、便攜性較差等問題，研究設計了一款智能艾灸裝置。該裝置僅需將艾絨從進料口放入，由艾條成型裝置將艾絨壓縮成型，剪切點燃一體裝置點燃已成型的艾條，便可進行艾灸。艾灸過程中由傳感器采集溫度，單片機控制艾條推進裝置推送艾條以及剪切點燃一體裝置剪切艾灰，使之達到控溫效果。該智能艾灸裝置具有智能控溫、整體結構緊湊小巧、便攜程度高的優點，有很好的市場推廣價值。

艾灸；艾條成型裝置；剪切點燃一體裝置；溫度控制

對于艾灸[1-2]，目前大多數中醫院還是選用傳統人工操作的木質艾灸盒，既不方便也不安全。目前市場上出現的一些艾灸儀器，如表1、圖1所示，盡管功能較為豐富，但存在成本過高、便攜性不足、智能化程度不高、作用部位有限、操作不便、艾灸效果不明顯等問題，并不適合家庭使用和推廣。

本文研究設計了一種智能艾灸裝置，使用者僅需將低成本的艾絨從進料口放入，啟動裝置，將手臂放于支撐平臺上，就可實現智能控溫的艾灸理療。此裝置成本低、操作方便、便攜性高，性能穩定且安全，有利于家用推廣[3]。

1 智能艾灸裝置設計思路

本文設計的智能艾灸裝置，設計思路如圖2所示、三維模型如圖3所示，其在保證產品療效的基礎之上，從艾灸原材料處理、降低艾灸成本、實現控溫與多穴位艾灸、便攜性等方面來解決優化現有艾灸裝置存在的問題，結構緊湊、使用方便。

表1 市場現有產品性能分析

圖1 市場現有產品圖

圖2 設計思路圖

圖3 智能艾灸裝置外觀渲染圖

智能艾灸裝置主體長535 mm、寬82 mm、高130 mm。其中，艾條成型裝置主要用于將艾絨壓縮成艾條；艾條推進裝置主要用于推進艾條，實時保持溫度，并便于后續艾灰的剪切；剪切點燃一體裝置主要用于點燃已成型的艾條，并定時剪切艾灰；支撐平臺裝置用于放置需要艾灸的手臂，使用者可以自主控制艾灸部位以及艾灸距離遠近，實現人為控溫。

2 功能分析與實現

2.1 艾條成型裝置

2.1.1 功能實現

艾條成型裝置由一對心曲柄滑塊機構、電機以及一對錐齒輪系組成，如圖4所示。對心曲柄滑塊機構用于將投入的艾絨壓縮成艾條，錐齒輪系起到降速的作用。第一電機為小錐齒輪提供動力，小錐齒輪帶動大錐齒輪轉動，大錐齒輪帶動轉動曲柄同步轉動。曲柄滑塊機構由轉動曲柄、連動桿、推送套筒和推動滑塊共同組成。其中，推動滑塊的行程為30 mm，其在推送套筒內來回滑動，壓實從進料口（圖5）投入的艾絨。推動滑塊設計成與推送套筒同長，能夠起到防止艾絨卡滯的作用。艾絨壓實后，電機停止驅動。

具體結構連接如圖5所示，成型套筒與固定支架之間固定連接；成型套筒上分別設置有進料口以及用于容納壓縮成型的艾條的中空腔（成型套筒的圓柱形部分）；推動滑塊（圖4）與成型套筒的中空腔之間形成間隙配合。

為了方便改變第一電機的安裝位置，并減小艾條成型裝置的空間占用，采用結構設計為：連動桿的一端與轉動曲柄活動鉸接，另一端與推動滑塊活動鉸接；轉動曲柄與大錐齒輪固定連接，小錐齒輪和大錐齒輪之間形成嚙合傳動。另外，小錐齒輪和大錐齒輪所形成的齒輪傳動區域采用保護罩進行包覆固定，以提高艾條成型裝置傳動部分的安全性和可靠性。

2.1.2 運動仿真和動力分析

根據推動滑塊的行程為30 mm，以及考慮到艾灸裝置的結構緊湊性，借助SolidWorks初步仿真，將轉動曲柄長度定為17 mm，連動桿長度定為45 mm，推動滑塊長度定為130 mm，如圖6所示。此時艾條成型裝置的各個構件不會發生干涉，用SolidWorks進行motion分析，未出現報錯。將SolidWorks模型轉換為x_t格式，導入ADAMS中，對各個構件進行材料設置（鋁材質-(2740.0(kg/meter**3))）、重力設置、運動副設置，最后對轉動曲柄添加驅動，并進行運動仿真。

1.第一電機；2.小錐齒輪；3.大錐齒輪；4.轉動曲柄；5.連動桿；6.推送套筒；7.推動滑塊。

1.成型套筒；2.固定支架；3.進料口；4.保護罩；5.盛灰盒。

1.轉動曲柄；2.連動桿；3.推動滑塊；4.推送套筒；A、B、C分別為機架和構件1、構件1和2、構件2和3之間的活動鉸鏈中心。

使用圖像處理模塊獲取相應各機構的運動曲線。其中，ADAMS驅動的Function(time)參數取決于電機的相關參數，選用合適的馬達作為艾條成型裝置的動力源，經錐齒輪系的減速作用，計算出曲柄的轉速：

式中：1為馬達轉速，r/min；2為曲柄轉速，r/min；1為小錐齒輪齒數；2為大錐齒輪齒數。

設置：1＝240 r/min；1＝30，2＝60。

計算得：2＝120 r/min。

將曲柄轉速轉換為：

d*time＝2×360/60 （2）

式中：d*time為ADAMS中的函數時間，°/s

得到ADAMS中的Function(time)為720d* time，在驅動設置中輸入該數值，得到推動滑塊在軸上的位移/速度/加速度－時間圖，如圖7所示。

圖7 推動滑塊在X軸上的位移/速度/加速度－時間圖

加速度[6]為：

式中：為加速度，m/s2；為曲柄角速度，rad/s；為的長度，m；為轉動時間，s；為構件2的長度，m。

已知：＝4π rad/s，＝0.017 m，＝0.045 m。

計算得推動滑塊加速度峰值約3.695 m/s2。

由圖7中的加速度－時間曲線，可得推動滑塊加速度幅值約為3.7 m/s2，與計算結果相符。假定推動滑塊所受的反力（艾絨對滑塊的壓力）為恒定值，易知：轉動曲柄轉動到某一時刻會有最大轉矩，而推動滑塊所受的反力是變化的，故假設轉動曲柄轉動到最大轉矩時刻，推動滑塊所受反力剛好與艾絨壓縮過程中出現的最大反力相等，為＝70 N（估計值），則此條件下算出的最大轉矩大于實際最大轉矩，其可作為電機選擇的參考依據。由ADAMS質量分析可知，鋁質滑塊質量＝4.37×10-2kg，由推動滑塊的加速度和質量數值可知，推動滑塊本身的質量對轉矩的影響可以忽略，則有：

F×cos ∠－＝（4）

＝F××sin(∠＋∠) （5）

式中：F為連動桿對推動滑塊的作用力，N；為轉動曲柄的轉矩，N·m。

又因為：

財務信息安全是企業防范會計職業風險的基礎。因此企業一定要利用好現有資源，建立一道安全防護網，盡可能地把好企業信息資源安全的第一關。

sin(∠＋∠)≈

令∠＝，得到函數：

為求得的最大值，使用MATLAB編程：

x=0:0.1:7；y=sin(x)+17*sin(2*x)/90；plot(x,y)

得到函數的仿真圖[7]，如圖8所示，并可求得的極值為1.0621，此時＝1.2591 rad。

此時可求得cos ∠≈0.934，計算出的最大值約1.35 N·m。根據[6]：

式中：為大錐齒輪所在轉軸輸出功率kW。

計算得：≈17 W。

符合預期要求。

圖8 函數y的MATLAB仿真圖

2.2 艾條推進裝置

艾條推進裝置用于推送艾條，方便剪切點燃一體裝置及時剪切艾灰，保證艾灸效果。其由一個絲桿滑臺結構組成，工程圖如圖9所示。其中，絲桿滑臺結構包括驅動絲桿和滑動座。驅動絲桿安裝在基座上，基座與盛灰盒固定連接。驅動絲桿和滑動座之間用螺紋活動連接。滑動座和推送套筒固定連接，可以實現兩者同步運動。推送套筒與成型套筒之間形成間隙配合。驅動絲桿的一端通過聯軸器與步進電機的輸出軸連接；步進電機帶動驅動絲桿轉動，此時滑動座將會使推送套筒相對于基座作同步直線滑動，由此推動壓縮成型的艾條向剪切點燃一體裝置前進。

1.步進電機；2.聯軸器；3.驅動絲桿；4.基座；5.滑動座；6.推動滑塊；7.推送套筒；8.成型套筒；9.第三電機；10.安裝座；11.盛灰盒。

滑臺的行程為130 mm。電機由單片機系統控制，該系統采用89C51單片機為核心，位于艾灸作用口處的DS18B20溫度傳感器（圖10）采集溫度數據，進行A/D轉換后送單片機處理，通過PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）控制技術和電機驅動模塊，實現電機的轉速轉向控制，從而實現艾條推進裝置的相關要求[8]。

2.3 剪切點燃一體裝置

隨著艾灸的進行，艾條燃燒部位開始積累艾灰，影響艾灸效果，所以需定時去除艾灰。剪切點燃一體裝置不僅可以滿足以上需求，還可以用于引燃已成型的艾條。如圖10所示，剪切機構中的滑塊和剪切板均有左右對稱兩個，且二者固定連接。艾灸開始時，啟動裝置，艾條成型裝置開始工作，同時安插在剪切板上的電熱絲開始升溫，引燃緊靠在剪切板一端的艾條。剪切艾灰時，第三電機輸出軸驅動曲柄逆時針轉動，曲柄通過連桿驅動左右兩個滑塊相對于導滑軌直線滑動，帶動左右兩個剪切板沿著導滑軌同步相向滑動，此時兩剪切板做合攏運動，從而將艾條燃燒產生的艾灰剪下，被剪切的艾灰直接落入到盛灰盒中。當剪切板去除掉艾灰后，第三電機輸出軸驅動曲柄順時針旋轉，剪切板做張開運動，再利用艾條推進裝置將成型套筒內腔中剩余的艾條向剪切點燃一體裝置推送。綜上，剪切點燃一體裝置是通過左右兩個剪切板的相互配合來實現艾灰的剪切功能的。

1.支座；2.曲柄；3.第三電機輸出軸；4.連桿；5.導滑軌；6.滑塊；7.剪切板；8.電熱絲；9.溫度傳感器；10.散熱網。

剪切點燃一體裝置安裝在成型套筒的出口端。為了方便了各個構件之間的連接，并提高裝置剪切動作的靈活性和剪切艾灰的效率，剪切板采用半圓形結構，其直徑端與剪切端相同；滑塊采用T形結構件；連桿采用圓弧形結構件。剪切點燃一體裝置可以簡化為滑塊驅動機構，其中一對分布呈中心對稱的連桿兩端分別與曲柄和滑塊形成活動鉸接，滑塊與導滑軌形成滑動配合。曲柄由第三電機驅動，第三電機與安裝座固定連接，安裝座與成型套筒固定連接[9]。

需要說明的是，為了減小自動艾灸裝置的體積，達到艾灸裝置家用以及外出便攜的目的，電熱絲固定安裝在了剪切板上，若干條電熱絲共同構成X形結構，較好地整合了艾條引燃功能和艾灰剪切功能。為了增加艾灸時艾條的受熱面積、提高艾灸效率，剪切板上可設置散熱網，以保證艾火熱力的擴散。

2.4 支撐平臺裝置

支撐平臺裝置如圖11所示，用來放置手臂，使用者可通過該平臺隨意調節艾灸部位，以及手臂距離艾條燃燒端的遠近，以控制艾灸溫度。底座支撐整個平臺，艾灸時先將艾灸部位放在托臺上，再調節托板的支撐高度，使艾灸裝置的燃燒端對準需要艾灸的部位，即可通過艾條燃燒過程中產生的艾熱進行艾灸。艾灸過程中，松開橫向調節旋鈕，就可以使滑座與托臺一起相對底座橫向滑動；擰緊橫向調節旋鈕時，滑座與托臺相對于底座保持鎖定狀態。當使用者覺得艾灸溫度過高或過低時，便可松開橫向調節旋鈕以改變艾灸部位與艾條燃燒端的距離遠近，從而手動控制艾灸溫度，防止艾灸溫度過高造成灼傷，或艾灸溫度過低影響艾灸效果，保證了艾灸的安全可靠性。類似地，松開縱向調節旋鈕，就可以使托臺相對于底座縱向滑動，從而滿足了艾灸使用者在艾灸過程中改變艾灸作用部位的需求[10]。

1.托板；2.托臺；3.容納槽；4.底座；5.滑軌；6.滑座；7.縱向調節旋鈕；8.橫向調節旋鈕。

支撐平臺裝置的局部結構設計和結構連接如圖12所示，滑動軸上設置有環形分布的若干限位卡槽；滑槽底部設置有一字型分布的若干定位凸起，滑槽頂部設置有與定位凸起對稱的讓位槽。這樣的結構設計是為了使限位卡槽與定位凸起、讓位槽之間形成卡合結構，通過卡合結構使托板相對于托臺的角度可以實現分級變化，從而使得托板的支撐高度實現多級調節。需要說明的是，可以使托板相對于托臺處于豎直狀態，此時托板的支撐高度最高；艾灸完成時，也可以將托板水平攤開至平鋪狀態，即將托板收納入托臺的容納槽中。托臺上設置有排氣孔，排氣孔與容納槽連通，橫向滑軌與縱向滑軌也開設有若干排氣孔[11]。設置排氣孔的目的，一方面是在一定程度上減重，提高艾灸裝置的便攜性，另一方面，可以有效地平衡支撐平臺裝置的內外大氣壓，從而提高裝置各部分間相對滑動的流暢性。

1.托臺；2.排氣孔；3.托板；4.容納槽；5.滑動軸；6.銷軸；7.限位卡槽；8.滑槽；9.定位凸起；10.讓位槽。

3 結論

本款智能艾灸裝置，集艾條成型、艾條推進、艾條點燃、艾灰剪切、溫度控制等功能于一體，與市場已有產品相比，有如下優點：

（1）選擇艾絨作為艾灸的原材料，利用艾條成型裝置將艾絨壓縮成型，降低原材料成本；

（2）利用傳感器控制艾條推進裝置推送艾條，在實現智能控溫的同時，便于艾灰剪切；

（3）點燃與剪切功能由同一機構實現，位于艾條成型裝置的前端，提高裝置的空間利用率，保證艾火熱力的擴散；

（4）艾條在成型套筒的空腔內被剪切點燃一體裝置點燃，點燃后的艾條在燃燒過程中不會發生扭轉，不易發生艾火脫落，很好地避免了燒傷甚至火災事故。

該裝置可以實現艾灸的基本流程，且安全可靠、結構緊湊、使用方便，為家用艾灸市場提供了一種可行性方案。

[1]徐森磊，張宏如，顧一煌. 艾灸溫熱刺激對血流量的增加作用及其相關機制探討[J]. 針刺研究，2018，43（11）：738-743.

[2]袁娟，胡玲，宋小鴿，等. 艾灸對類風濕性關節炎大鼠關節滑膜組織Toll樣受體4-骨髓樣分化因子88-核轉錄因子-κB信號通路的影響[J]. 針刺研究，2015，40（3）：199-204.

[3]王麗，王志剛. 智能控溫的艾灸裝置研究[J]. 數碼世界，2019（8）：117.

[4]何毅斌，胡榮博，劉慧，等. 基于ADAMS的曲柄滑塊機構運動仿真研究[C]. 湖北省機械工程學會機械設計與傳動專業委員會暨武漢市機械設計與傳動學會第22屆學術年會論文集，2014：42-44.

[5]王穎，張維強. 基于ADAMS的偏置曲柄滑塊機構的運動學及動力學仿真研究[J]. 科學技術與工程，2010，10（32）：8042-8045.

[6]潘銀松. 機械原理[M]. 重慶：重慶大學出版社，2016：241.

[7]李海珍. 基于MATLAB的函數極值實驗研究[J]. 內蒙古煤炭經濟，2020（6）：150-151.

[8]陳丁惠. 基于51單片機的溫度采集與直流電機控制[J]. 信息技術與信息化，2018（7）：24-26.

[9]孫亮波，駱明炎，朱高瑋，等. 一種剪切點燃一體裝置[P]. CN112245275A，2021-01-22

[10]楊培，劉麗媛，張穎，等. 智能艾灸操作裝置的研制[J]. 白求恩醫學雜志，2019，17（3）：269-270.

[11]桂慧，駱明炎，朱高瑋，等. 一種支撐平臺裝置[P]. CN112220672A，2021-01-15.

Innovative Design of an Intelligent Moxibustion Device

CHEN Yue，SUN Liangbo，LUO Mingyan，PENG Wenkai，QIN Hongcheng，LIU Tingting

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,China)

In order to solve the problems of traditional moxibustion devices, such as low intelligent degree, high cost and poor portability, an intelligent moxibustion device was designed. We only need to put the moxa into the feed inlet. The moxa is compressed and molded by the moxa-stick forming device, and the molded moxa-stick is ignited by the shearing and igniting integrated device, so that moxibustion can be carried out. In the process of moxibustion, the temperature is collected by a sensor. The single-chip computer controls the moxa-stick propulsion device to push the moxa-stick and the shearing and igniting integrated device to cut the moxa ash to achieve the effect of temperature control. The intelligent moxibustion device has the advantages of intelligent temperature control, compact overall structure and high portability, which shows the good market promotion value.

moxibustion；moxa-stick forming device；shearing and igniting integrated device；temperature control

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.010

1006-0316 (2022) 07-0059-07

2021-09-24

國家自然科學基金（51875418）

陳越（2000－），男，湖北宜昌人，主要研究方向為機械設計制造及其自動化，E-mail：1052145822@qq.com。*通訊作者：孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向為機械設計及理論、機械創新設計、機構學，E-mail：4117449@qq.com。