一種創(chuàng)新型貼身灸的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊春杰，柯 奇，陳 俊，高 臣，陳 微

(湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

艾草燃燒后產(chǎn)生的近紅外光譜與人體細(xì)胞的光譜最為接近，可以激活細(xì)胞的新陳代謝[1]。隨著人們的健康意識(shí)不斷增強(qiáng)，艾灸在保健和養(yǎng)生領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。目前，市場(chǎng)上銷售的艾灸儀不僅操作不方便、熏蒸效果不好，而且對(duì)環(huán)境不太友好，在一定程度上制約了艾灸的使用范圍。因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)控溫、環(huán)境友好、安全可靠，適合廣大保健理療人群的創(chuàng)新型艾灸貼，具有十分重要的意義。

1 基本組成

創(chuàng)新型貼身灸主要由硬件和軟件兩部分組成，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控調(diào)節(jié)、除煙和防燙功能。硬件系統(tǒng)主要由 AT89C51單片機(jī)、ZMQ-2714報(bào)警揚(yáng)聲器、JGY-370減速電機(jī)、DS18B20溫度傳感器、液晶數(shù)顯表、外部結(jié)構(gòu)滾珠絲杠等組成。軟件部分主要包括溫控系統(tǒng)電路和單片機(jī)控制程序。

2 整體布局及設(shè)計(jì)思路

創(chuàng)新型貼身灸是一種結(jié)合電子與機(jī)械的機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要由艾柱調(diào)節(jié)系統(tǒng)、智能控溫系統(tǒng)、擋灰裝置、吸煙除煙裝置四部分組成。創(chuàng)新型貼身灸的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新型貼身灸的整體結(jié)構(gòu)

2.1 艾柱調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用“減速電機(jī)—滾珠絲杠—固定柱—活動(dòng)板”的方式調(diào)節(jié)艾柱。將艾柱夾持在活動(dòng)板上，由減速電機(jī)帶動(dòng)滾珠一起旋轉(zhuǎn)，滾珠螺母和活動(dòng)板固定在一起，把滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)功轉(zhuǎn)化成滾珠螺母和活動(dòng)板的徑向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)固定柱能保證活動(dòng)板在上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不會(huì)發(fā)生橫向旋轉(zhuǎn)。該調(diào)節(jié)方式具有小巧輕便、噪音小、精度高、能耗小等優(yōu)點(diǎn)。艾柱的電控調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 艾柱的電控調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

選取蘄春千年艾科技有限公司生產(chǎn)的高級(jí)五年陳艾條，對(duì)其10次燃燒情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)艾條的燃燒速度[2]為0.015～0.043 mm/s。系統(tǒng)通過(guò)AT89C51單片機(jī)對(duì)減速電機(jī)進(jìn)行粗調(diào)速，在艾柱和人體穴位附近的皮膚處放置DS18B20溫度傳感器，實(shí)時(shí)反饋溫度變化，對(duì)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制，保證艾柱燃燒點(diǎn)與皮膚的距離，精確控制艾灸時(shí)的最適溫度，保證安全可靠。

2.2 智能控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新型貼身灸的智能控溫系統(tǒng)主要分為溫度監(jiān)測(cè)與反饋部分、艾柱高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、數(shù)字顯示部分和單片機(jī)控制單元。其中，數(shù)字顯示部分包含操作過(guò)程的溫度顯示、故障報(bào)警、溫度報(bào)警等。溫度監(jiān)測(cè)是利用DS18B20溫度傳感器對(duì)艾灸時(shí)艾柱的燃燒點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，并反饋給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該溫度傳感器具有精度高(測(cè)溫精度可達(dá)0.062 5 ℃)、體積小、測(cè)溫范圍大(-55～125 ℃)、可編程等優(yōu)點(diǎn)。皮膚損害的溫度閾值僅比正常體溫高7～8 °C，且隨著溫度升高，損害逐漸加劇，因此艾柱高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)溫度控制的關(guān)鍵。當(dāng)作用溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)艾柱上升，增大艾柱燃燒點(diǎn)與人體穴位的距離，使作用溫度降低；當(dāng)作用溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)艾柱下降，使作用溫度上升?？紤]人體溫度為37 ℃左右，故將艾灸溫度控制為37～45 ℃。假設(shè)客戶設(shè)定溫度為X(37 ℃≤X≤45 ℃)，溫度控制流程如圖3所示。

圖3 溫度控制流程

2.3 擋灰設(shè)計(jì)

艾柱燃燒會(huì)產(chǎn)生一定的艾灰，如果不及時(shí)清理，會(huì)阻礙紅外熱量傳遞，影響理療效果，同時(shí)掉落的艾灰可能會(huì)燙傷皮膚。因此，設(shè)計(jì)安裝長(zhǎng)為100 mm、寬為45 mm、高為20 mm的抽屜式擋灰網(wǎng)，接住掉落的艾灰，當(dāng)艾灰堆積到一定程度后，將灰彈落。擋灰網(wǎng)底部設(shè)有防燙棉，能進(jìn)一步防止?fàn)C傷?？刹鹦冻閷鲜綋趸揖W(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可拆卸抽屜式擋灰網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.4 除煙設(shè)計(jì)

艾柱燃燒產(chǎn)生的煙霧會(huì)損傷呼吸系統(tǒng)，導(dǎo)致咽喉出現(xiàn)不同程度的不適[3]。若長(zhǎng)時(shí)間吸入艾煙，可能會(huì)增加人體對(duì)煙霧的敏感度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)呼吸急促、胸悶發(fā)熱和急躁等現(xiàn)象[4]。艾柱連續(xù)燃燒后，室內(nèi)空氣中的CO，NO2，PM10和PM2.5的濃度將都超過(guò)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。因此，創(chuàng)新型環(huán)保貼身灸設(shè)計(jì)了吸煙除煙裝置。吸煙裝置由3個(gè)反裝風(fēng)扇組成，利用風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓，將艾灸煙霧吸入除煙裝置內(nèi)進(jìn)行凈化處理。除煙裝置由不銹鋼過(guò)濾網(wǎng)、活性炭、吸油棉組成，分別吸收煙霧中的有害物質(zhì)、大顆粒物質(zhì)和焦油物質(zhì)。吸煙除煙裝置為一個(gè)整體，具有可拆卸、易清洗的優(yōu)點(diǎn)。吸煙除煙裝置如圖5所示。

圖5 吸煙除煙裝置

3 模型驗(yàn)證

3.1 模型制作

施灸距離因個(gè)人對(duì)溫度的敏感度不同而有較大的差異，即使同一個(gè)人，在不同的身體狀況下，灸感也會(huì)不同。艾灸時(shí)，施灸部位的溫度是艾灸療程體感的關(guān)鍵因素：溫度過(guò)低，說(shuō)明灸頭與皮膚距離較遠(yuǎn)，影響療效；溫度過(guò)高，則容易燙傷皮膚。艾灸燃燒的近紅外線可以穿透人體30～50 mm的深度。一般情況下，灸頭距離人體20 mm左右，熱度體感舒適度最宜。

為了驗(yàn)證創(chuàng)新型貼身灸的溫控性能，根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作樣機(jī)。創(chuàng)新型貼身灸驗(yàn)證模型如圖6所示。

圖6 創(chuàng)新型貼身灸驗(yàn)證模型

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

采用蘄春千年艾科技有限公司生產(chǎn)的五年陳艾條和三年陳艾條為實(shí)驗(yàn)樣本，將2種艾灸條切為8 cm左右的艾柱，點(diǎn)燃后放置在裝置上，待裝置穩(wěn)定運(yùn)行后每隔1 min測(cè)量1次實(shí)時(shí)溫度，共測(cè)量6次，根據(jù)艾柱的燃燒速度，在空氣溫度為25 ℃，空氣濕度為45%的環(huán)境下，分別測(cè)量3組目標(biāo)溫度下(37 ℃，42 ℃，47 ℃)的實(shí)時(shí)溫度。艾灸實(shí)時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度與目標(biāo)溫度的平均誤差為±0.061 ℃，說(shuō)明創(chuàng)新型貼身灸模型能夠?qū)崿F(xiàn)溫控功能，運(yùn)作良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 艾灸實(shí)時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果 ℃

4 結(jié)論

創(chuàng)新型貼身灸具有方便攜帶、溫度控制精確和污染小的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)不同人群對(duì)艾灸溫度的差異性進(jìn)行精確地溫度控制和針對(duì)性治療。 在保持傳統(tǒng)艾灸治療效果的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)艾灸易灼傷、污染嚴(yán)重、操作不便的問(wèn)題，具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展前景。