頸椎治療儀按摩機構設計及關鍵部件分析

陸采連， 張洪軍，2， 莫德云，2， 弓滿鋒，2， 鄭劍鑫

（1.嶺南師范學院 機電工程學院， 廣東 湛江 524048； 2.粵西機電產品設計與制造工程技術研究中心， 廣東 湛江 524048 ）

0 引言

近年來，隨著生活節(jié)奏加快，長時間伏案工作以及使用電腦、駕車、用高枕等諸多因素，都使人長時間保持單一姿勢，導致頸部肌肉韌帶疲勞，從而加速了頸椎病的發(fā)生[1]。 非手術治療頸椎病方法主要有手法治療和醫(yī)療器械輔助康復治療[2]。 研究表明，臨床采用手法按摩推拿療法和旋提手法對頸椎病灶部位進行推、揉、擠、壓、滾、上彎牽拉、下彎復位、回蹾震蕩等動作，對治療神經根型頸椎病具有顯著的療效，根據頸椎生理和病理特點，按照周期性加減載規(guī)律對頸椎進行牽引能夠取得更好的治療效果[3，4]。 仿手法治療按摩儀是目前廣泛采用的臨床和家庭應用的康復治療器械，按摩機構是核心機構，對治療效果起到至關重要的作用[5]。

1 按摩機構結構及工作原理

按摩機構的結構組成如圖1 所示， 定位軸從滾輪里孔穿入連接偏心支架上的五個小孔，由螺栓緊固，其中心花健孔從花鍵軸的一端穿入， 另一個偏心支架上的中心花鍵孔，軸向自由度由花鍵軸的臺間限定，半圓卡環(huán)與偏心輪的溝槽連接，裝入按摩手輪的里孔，在與壓蓋里孔連接螺栓固定合為一體，將整體的按摩手輪、軟彈簧、花鍵墊、對向從花鍵軸兩端穿入，兩端鎖定，大齒型輪、軸承、軸承座依次穿入后，整體插入搖擺裝置底座上的槽中，實現按摩動作。

工作原理：當偏心支架處于初始狀態(tài)時，患者的頸椎進入規(guī)定位置。 開機后， 偏心支架逆時針從0°轉至90°時，人頭部被偏心支架上的滾輪抬起，此時的頸椎節(jié)被逐個上升的滾輪向前推動，實現推動點形成圓周力的效果，故有對頑椎節(jié)產生了拉伸作用的同時，對向按摩手輪，同步向頸椎兩側進行進退、旋壓、以8 字軌跡的曲線運行，實現了人工按摩時的標準動作，推揉、擠壓的治療效果。當偏心支架逆時針轉至大于90°時， 此時的對向手輪，對人體頸椎部位兩側進行的推揉、 擠壓動作開始減壓分開運行。當偏心支架繼續(xù)逆時針轉至180°的極限時，人的頭部被偏心支架上的滾輪抬起到極限， 此時的頸椎節(jié)被逐個上升的滾輪向前推動到頂峰， 實現了推動點圓周力的極限效果， 故對頑椎節(jié)實現了全骨節(jié)的拉伸和向前彎曲的作用。此時的對向手輪，對人體頸椎部位的兩側進行的推揉擠壓動作切底分開。當偏心支架逆時針轉270°時，人的頭部被偏心支架上的滾輪抬起到極限快速下降至枕墊上， 此時的頸椎節(jié)達到向后彎曲和對頸椎節(jié)的軸向擠壓的效果。 此時的按摩手輪開始對人體頸椎部位的兩側進行推揉擠壓動作的循環(huán)。

圖1 按摩機構結構圖Fig.1 Massage mechanism structure

采用NX 軟件對頸椎治療儀按摩機構進行了虛擬裝配，如圖2 所示，零部件配合良好，無干涉。 運動仿真動作合理，偏心手輪符合8 字形運動軌跡，偏心輪與按摩手輪轉動角度符合設計要求。

圖2 按摩機構三維模型圖Fig.2 3D model of massage mechanism

2 主要部件有限元分析

采用NX Nastran 高級仿真模塊對按摩機構傳動軸和偏心手輪定位軸進行了有限元分析，按照頭部和頸部質量10Kg，同時考慮花鍵軸上零部件的自重，約束為平移和旋轉共同作用，設定負載為300N。 網格劃分采用四面體網絡，自動劃分網格，材料為45 號鋼。 分析結果如圖3～6。

圖3 花鍵軸工作狀態(tài)的應力云圖Fig.3 Stress nephogram of spline shaft in working state

圖4 花鍵軸工作狀態(tài)的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of spline shaft in working state

圖5 定位軸工作狀態(tài)的位移云圖Fig.5 Displacement nephogram of positioning axis in working state

圖6 定位軸工作狀態(tài)的應力云圖Fig.6 Stress nephogram of working state of positioning axis

從圖3 中數據可知， 花鍵軸在工作過程中最大應力為2.799MPa，45 鋼應力范圍為25～45MPa，滿足傳動軸的強度要求。

從圖4 中數據可知， 花鍵軸在工作過程中最大位移為1.863×10-3mm，選擇材料滿足剛度要求。

從圖5 中數據可知， 定位軸在工作過程中最大位移為6.66×10-3mm，滿足剛度需求。

從圖6 中數據可知， 定位軸在工作過程中最大應力為2.384MPa，滿足強度要求。

3 結束語

針對頸椎按摩椅仿手法治療的動作， 設計了一種由花鍵軸傳動，按摩手輪結合偏心輪組合式按摩機構。具有體積小，重量輕，結構緊湊，可靠性高，成本低等優(yōu)點。 采用NX 軟件進行了按摩機構的虛擬裝配和運動學分析，結構緊湊，無干涉，運動仿真結果符合設計的運動軌跡。通過有限元分析方法對傳動機構的關鍵部件花鍵軸和偏心輪定位軸進行了強度和剛度分析， 確保產品符合技術要求。