电动按摩椅的结构研究成都理工大学工程技术学院毕业论文

电动按摩椅的结构研究作者姓名：刘文龙专业名称：机械工程及自动化指导教师：郑 菲讲师成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人慎重承诺和声明：1.本人已认真学习学位论文作假行为处理办法（中华人民共和国教育部第34号令）、成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）（成理工教发201330号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。3.本人所提交的学位论文（题目： ），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。承诺人（学生签名）： 20 年 月 日 注：学位论文指向我校申请学士学位所提交的本科学生毕业实习报告、毕业论文和毕业设计报告。 摘要在充分考虑人体结构的基础上，根据中医推拿按摩理论，设计电动按摩椅，以缓解人体疲劳。从家具设计的角度来讲，作为一种智能化休闲座椅，按摩椅除了拥有一般休闲椅所具备的功能外，还具有独特的自动调节与按摩功能，尤其是自动按摩功能大大提高了其使用的舒适性，用户只需通过遥控器选择自己需要的按摩模式就能对按摩状态进行调节。当然，这也对其产品设计提出了更高的要求，合理的按摩方式、按摩模式、按摩时间等参量的预设以及更多的扩展信性功能（听音乐，读新闻等）是按摩椅产品开发的关键。本文主要进行了电动按摩椅的方案设计和结构计算，方案设计包括整体方案的构思，整机尺寸的确定和各功能部件的布置；结构设计计算主要包括背部按摩块和上下往复运动机构、靠背翻转机构、以及腿部气压按摩和足部牵引机构的设计。文中还简单介绍了红外线辅助治疗的医学原理以及在该按摩椅设计中的应用。关键词：电动按摩椅 按摩 结构设计AbstractAccording to the Chinese traditional massage theory, I designed this electric massage chair, fully considered on the basis of the ergonomics, in order to alleviate peoples physical fatigue.In terms of furniture design, as a kind of intelligent leisure chairs, massage chairs besides having general recreational chair has the function of, also has a unique automatic adjustment and massage function, especially automatic massage function greatly improve the comfort of its use, the user simply by remote control to choose their own need to massage mode can be adjusted to massage state. Of course, it also put forward higher requirements for its product design, the reasonable way of massage, massage mode, the massage time parameters such as the default, and more extended letter function (listen to music, read news, etc.) is the key to massage chair product development. Generally speaking, I worked on the program designing and structural calculation of the chair. Program designing includes the idea of the overall plan, the determination of the whole machines dimensions and the arrangement of the parts; while the structural design includes the block of the back massage and its reciprocating motion up and down, the turning of the chairs back, the air pressure massage to the leg, and the design of the foot traction. Moreover，the article also introduces the principle of the infrared adjuvant therapy and how it being used in this project.Keywords：Electric Massage Chair, Massage, Structural Design目录摘要IAbstractII目录III前言11 电动按摩椅可行性分析21.1 按摩椅发展概述21.2 按摩椅市场需求分析21.3 按摩椅原理方案及关键技术分析32 电动按摩椅功能原理分析和总体方案确定42.1 按摩椅整体功能分解42.2 按摩椅整体尺寸确定53 按摩椅设计计算113.1 背部按摩设计113.1.1按摩轮按摩机构的设计113.1.2 按模块往复运动设计183.2靠背倒背、升背的设计213.2.1靠背轴的设计223.2.2 扭转弹簧的设计243.2.3 锁紧棘轮的设计253.3 脚部按摩、夹持和牵引动作设计263.4 腰部红外线照射303.5 其他部分综述31总结32参考文献33致谢34前言随着人们的生活质量不断提高，以及人们对于自身健康的高度重视，按摩棒、按摩椅、推拿机、治疗仪等越来越多的保健器材走进普通百姓家庭。有高达数万元的高级按摩椅，到几百元、几十元的普通治疗仪、按摩器，不少市民家中，这些保健器材已经不再少见。而按摩椅作为一种智能化休闲座椅的保健医疗器械，也越来越受到消费者的欢迎。按摩椅是利用机械滚动力的作用和机械力挤压的原理来对人体进行按摩。人工推拿的方法可以舒经活络，使人体的气血平衡，所以按摩后我们会感到全身轻松。按摩椅就是通过挤压，牵拉模仿人工推拿的揉捏动作来对人进行服务，虽说效果没有人工推拿方法好，但是使用按摩椅既方便又可以达到放松身心的目的。本次毕业设计电动按摩椅的结构设计，主要设计其内部机械结构，完成背部按摩，腰部远红外照射，腿部按摩、足部夹持以及牵引动作结构的设计，以便使坐在按摩椅内的人们享受到舒服的身心放松。1 电动按摩椅可行性分析该部分将简单介绍按摩椅的发展，分析其市场需求，并简单分析其关键技术。1.1 按摩椅发展概述按摩主要是以中医经络学说为理论基础，用手揉，捏，按等作用于人体体表的特定部位，减轻身体的不适达到理疗目的的方法，所有说按摩是一种物理的治疗方法。按摩一般是由他人来完成，随后为了能够使人们在家就能进行按摩，调节生活节奏，我们发明了按摩椅。按摩椅主要有两种类型，一种是传统按摩椅，一种智能机器人按摩椅。按摩椅的设计充分考虑的人体工学因素，使得你就像躺在按摩床上一样地接受按摩。按摩椅既可以是固定不动的也可以是便携式可移动的，而不同的按摩椅也有不同的特点，根据客户的喜好和自身的尺寸，按摩椅在很多地方都是可以调节的。 机器人按摩椅包含一个内部电动马达和用以按摩坐在椅子里的人的一系列齿轮机构。大部分的机器人按摩椅都配备了某种形式的控制器，用来控制按摩的类型、部位或者按摩的强度。1.2 按摩椅市场需求分析随着经济不断发展，人们生活节奏不断加快，人们越来越重视身心健康，对生活质量的要求不断提高。尤其是对已经进入了老龄化时代的中国而言，老年人问题已成为全社会倍加关注的大问题。在城市，“一对夫妇牵挂四个老人几乎是每一个家庭所面临的困难。特别是在人们生活快节奏、工作高效率的今天和明天，对老年人特别是对长期卧床的老年人的照料问题，是每一个家庭，每一个做晚辈要遇到的问题。随着各种按摩器具如按摩脚盆、按摩浴缸、按摩椅等保健产品的出现，便形成了一个新的市场。因为保健品可以舒缓压力，缓解疲劳等，可以很大的提高人们的生活质量，所以备受消费者欢迎。巨大的市场需求与不同产品的发展空间，让各种类型的家用按摩器械发展势头如雨后春笋，成为新兴产业的新增长点。因其利润丰厚和发展空间巨大，所以我国的不少企业先后涉足按摩器具的生产和开发，现在保健按摩产品已经成为我国医疗器械及设备行业出口金额最大的产品，并且其出口市场正在不断扩张。1.3 按摩椅原理方案及关键技术分析该次设计主要是开发与创新设计，从功能上来说，电动按摩椅要能实现对坐在椅内的人体进行背部按摩、腰部红外线照射和足、脚部按摩、夹持、牵引等动作，要求工作安全可靠，使用方便舒适。背部按摩采用按摩轮揉捏方式和滚轮按摩同时进行，并能实现背部按摩块的上下往复运动，从而使得背部的大范围部分都能得到放松；腰部红外线照射即使用安装在靠背里面腰部位置的红外灯，进行照射即可；足、脚部按摩利用气囊的膨胀和放松达到挤压按摩之目的；而脚部的牵引，是在气囊膨胀将脚部夹紧的时候，利用一个小型气缸使脚部按摩机构整体下移，脚部按摩机构利用导轨安装在脚垫上，脚垫上的几个圆柱弹簧使伸脚部按摩机构复位，如此便可实现脚部的牵引，以达到辅助治疗之作用。主要参数估计如下：据医学专家估计，按摩椅这类机械式的按摩，一次最好控制在30分钟以内，本次设计的按摩椅以一天工作1小时，一年360天来计算，并预计工作寿命为10年。长宽高=15007001200（mm）功率：400W2 电动按摩椅功能原理分析和总体方案确定按摩椅的原理是利用机械的滚动力作用和机械力的挤压作用来进行按摩。也有采用抖动方式或者气压膨胀的方法来进行按摩以达到放松身心之目的。2.1 按摩椅整体功能分解一个系统的总功能可以分解为很多种功能。电动按摩椅就是要能实现对坐在椅内的人体进行背部按摩、腰部红外线照射和足、腿部按摩、足部夹持、牵引等动作。电动按摩椅的功能分解及其求解参见图2.1电动按摩椅功能分解及其求解图以及图2.2之模型截图。连杆人体重力气压松紧揉捏按摩滚轮按摩红外照射脚部翻转靠背倒背腿部按摩按摩椅功能电动按摩椅辅助功能腰部按摩背部按摩图2.1 电动按摩椅功能分解及其求解图揉捏按摩块滚轮按摩块连 杆腿部按摩块牵引气缸往复气缸图2.2 按摩椅设计模型截图2.2 按摩椅整体尺寸确定1、首先参考市场上几种同类型电动按摩椅的整体尺寸，包括其直立尺寸和伸展尺寸，其尺寸单位是（长宽高）(mm)，具体数据见表2.1。表2.1 几种品牌按摩椅的尺寸品牌名称伸展尺寸直立尺寸三洋HEC-DR8700194073076013707301220三洋HEC-DR7700184073076013507301220荣泰RT-6220188076082013207601240 根据表2.1中几种品牌的按摩椅尺寸，对比他们的尺寸参数，预定在本设计中的按摩椅的整机尺寸，伸展尺寸预定为1900750750mm，直立尺寸9207001425mm。2、借鉴人因工程中的人体尺寸我国1989年7月1日实施的GB 1000088中国成年人人体尺寸，共列出47项我国成年人体尺寸基础数据，按男女性别分开，且分三个年龄段：1825（男、女），2635（男、女），3660（男）、55（女），并分别给出这些年龄段的各项人体尺寸数值，为了方便使用，各类数据表中的各项人体尺寸数值均列出其相应的百分位数。现将GB 1000088中的人体主要测量项目及尺寸摘录于表2.2之人体主要尺寸表，表3.2之人体主要尺寸(mm) ，表2.3之坐姿人体侧面尺寸，图 2.3之坐姿人体侧面尺寸以及图2.4的男性坐姿限制尺寸图，以供在实际设计按摩椅时查询相关参数。因为本设计是电动按摩椅的设计，所以需要用到的人体工程尺寸，主要是静态尺寸，静态人体尺寸即是指测量是指被测者静止地站着或坐着进行的一种测量方式。同时也包括一些动态尺寸，比如按摩椅靠背的倾斜角度的确定。表 2.2 人体主要尺寸(mm)按摩椅的设计，主要是以1860岁的第95分位数男性尺寸进行设计，参照表2.2中的人体主要尺寸，该段范围内的身高是1775mm，由此确定按摩椅的伸展状态下的长度大致为1800mm，在按摩椅的设计计算中，按摩头、牵引气缸和按摩块上下运动往复运动等部分的受力情况以1860岁的第99分位数的男性体重为基准进行相关计算，即以83Kg为准。表中所示前臂长258mm，据此粗略估计按摩的扶手长度在靠背处向腿部外伸300mm。大腿部分长度为505mm，预定按摩椅的坐垫部分长度为550mm。小腿长度为403mm，大致确定小腿部分按摩块的长度为450mm。在表2.3中的人体坐姿时的侧面尺寸中的数据，需同图2.3坐姿人体侧面尺寸图相结合，例如：表2.3中的第一个项目坐高对应图2.3中的2.1的项目标识，如此类推。表2.3 坐姿人体侧面尺寸 将表2.3和图2.3两相结合，就可以得到按摩椅的自然状态，即直立状态时的侧面基本尺寸。坐高958mm，减去坐姿颈椎点高701mm，得到按摩椅枕垫高度取作250mm；坐姿肩高641mm，为使按摩的时候背部大部分能够得到舒展，特取按摩椅靠背高度为740mm；按摩椅的坐垫高度设为150mm，由坐姿肩高得到有效按摩距离为490mm左右；图2.3中所示的3.5项是坐姿时肘的高度，于是初定按摩椅的扶手高度为300mm。 图 2.3 坐姿人侧面尺寸图2.4 男性坐姿限制尺寸图2.4中，是男性坐姿时的限制尺寸，按摩椅在设计时必须同时考虑到这些参数的限制。表2.4，是人体各部分重量的比例，按摩椅在具体设计时将以此为依据进行受力的计算。比如靠背内部的按摩头承受的重力即是人体的头部和躯干部分的重量，人体整体体重按前所述的83Kg计算。表2.4 人体各部分重量比例身体各部分重量百分比（%）头7.28躯干50.70一条手臂4.90小腿和脚5.83大腿10.27 根据人体工程尺寸，以1860岁的第95分位数男性尺寸进行设计，并考虑到由于着衣（冬季外套）而需要的尺寸调整值，另外参考相关产品的尺寸设计，得到本设计中按摩椅的总体尺寸参数。具体尺寸在设计时可能会有所不同，以最后图纸数据为准。这里将按摩椅预定的尺寸列表显示，见表2.5 之设计按摩椅尺寸参数表。表2.5 设计按摩椅尺寸参数项目参数值（mm）枕垫高250靠背高（不含枕垫）740座架高450座架长500坐垫厚100脚架长450扶手高300整体宽度700伸展尺寸1940700750直立尺寸9207001425 3 按摩椅设计计算本章进行按摩椅主要功能部分的设计计算，包括按摩椅背部按摩块的结构设计和按模块的上下往复运动设计，靠背倒背和升背的设计计算，以及腿部按摩部分和足部牵引功能的设计。3.1 背部按摩设计整个背部的按摩分作两块，即揉捏和滚轮按摩，两种方式同时进行，两个按模块都安装在支架上，两个支架间铰接，并由往复气缸带动下面的支架，支架头部安装有几个塑料小轮，小轮在按摩椅竖直靠背的滚槽中滚动，实现按模块的上下往复。3.1.1按摩轮按摩机构的设计1、按摩轮的受力情况参见表2.2,根据人体工程学中的人体尺寸，1860岁的第99分位数的男性体重是为83Kg。靠背主要承载的是头部和躯干的重量，此两部分重量参看表2.4,比例分别是50.7%和7.28%，以人体平躺在按摩椅上进行设计（因为此时，按模块承受的力最大）。按摩轮采用铸铁材料，靠背内部和按摩轮相接触的一层采用人造皮革，查机械设计手册新版2第一卷常用资料之常用材料的摩擦因素得到铸铁皮革之间的动摩擦因数（有润滑）：=0.15，g=10N/Kg。按摩轮承受重力 ： 按摩轮承受摩擦力 ：图3.1 人体背部穴位图由于背部肌肉的不规整性，按摩轮可能同时会承受肌肉的一些阻力，所以考虑添加一个附加力，由此，按摩轮承受的摩擦力f取作f=90N。2、按摩机构位置分布 参照人体背部穴位图，图3.1，背部主要穴位的连线，一共5条，并且人体背部最窄地方统计为330mm，据此排布按摩机构中揉捏按摩轮和滚轮的位置，见图3.2。图 3.2 按摩机构位置排布图3、按摩电动机的选择设定按摩轴转速为30r/min,电动机到按摩轮轴之间是为联轴器，其传递效率为0.9。由转速、转矩和功率的关系计算得到负载功率。按摩轴承受转矩按摩轴负载功率电动机所需功率电动机选择：微型直流电动减速马达 MVSF 742 26 1/70。其功率为30W，额定转速54r/min，负载转速为30r/min，轴伸12x20mm，轴上键槽4415mm。该电机内部自带蜗轮蜗杆减速器。4、按摩轴的设计按摩轴的设计参见图3.3中按摩轴的设计和图3.4的按摩轮按摩装配图。背部按摩块的按摩轮按摩部分，轴的材料选45钢，轴传递功率30W，轴的转速是为30r/min，据机械设计第八版轴径初算公式（152）计算轴径。其中是轴径计算系数，根据文献3表15-3，轴的材料已经选为45钢，由此选取=110；P，KW，轴传递的功率；n，r/min,轴的转速。参考电机的外伸轴尺寸，取最小轴径d=12mm。由于按摩的特殊性，即按摩是作用在肌肉上，轴承要同时承受轴向力和径向力，根据文献2 第三卷，滚动轴承部分选用单列圆锥滚子轴承，类型代号为3，轴承代号|30000型:30204，基本尺寸：内径d=20 mm；外径D=47mm；宽度T=15.25mm。根据文献4轴承基本额定寿命计算公式（135）进行寿命校核：其中n，r/min,轴承转速；C，KN，轴承基本额定动载荷；P，KN，轴承载荷；，指数，对于滚子轴承，取作10/3。预定按摩椅寿命为10年，每年300天，每天工作1小时，即为3000h，轴承完全符合预期寿命。按摩轮和按摩轴的连接，轴向利用按摩轮的不通孔，轴向利用键，加以定位。轴承端盖选用凸缘式透盖，根据轴承外径和按摩轴的尺寸，得到端盖的各项尺寸以及螺钉个数等等。根据轴径为20mm，查文献2第二卷之密封件、密封与润滑，密封件选择毡圈密封。1）、 轴的L1段端处是要利用键定位按摩轮，经前计算，最小轴径为12mm，d1=12mm，L2段处是安装圆锥滚子轴承，L1与L2相近处是安装凸缘式轴承端盖，端盖利用四个螺钉安装在轴筒上，为避免按摩轮与螺钉产生干涉，并参照轴承端盖的尺寸，将L1段取长一点，L1=40mm。图 3.3按摩轴的设计2）、轴L2和L3段安装圆锥滚子轴承，故L2段轴径和长度需根据轴承型号确定。轴承为30204，基本尺寸：内径d=20 mm；外径D=47mm；宽度T=15.25mm。当直径变化处的端面是为了固定轴上零件或承受轴向力时，则直径变化值要大些，一般可取6-8mm，轴承是为标准件，因此该段轴径据轴承而定，取d2=d3=20mm，轴的端面应该与零件端面间留有一定距离，轴承宽度T=15.25mm，所以取L2=L3=13.25mm。3）、轴的d5处段是为了轴向固定L2和L3处的轴承，因此该段尺寸同样参照轴承尺寸，取d5=26mm，长度取10mm。4）、轴L4段为外伸轴，与电动机轴相连，和L1段轴尺寸确定一样的方法，取L4=34mm，d4=12mm。5)、L4段轴与电机轴采用键，加以周向定位，联轴器采用一个钢套，钢套长32mm，内径12mm，外径20mm，两端各有键槽，以周向固定电机轴和按摩轮轴，根据L4处轴径选择按摩轮轴上的键为普通平键，4412mm。6)、L1段轴也采用普通平键与按摩轮连接，根据轴径选择平键4410mm。7)、确定轴向圆角和倒角尺寸，参照文献4表15-2，根据轴径选择轴的倒角与圆角半径，轴端的倒角尺寸为0.8mm45，L1与L2过渡处圆角半径0.8mm，L2和d5过渡处圆角半径1mm，余处对称选择。 图3.4 按摩轮按摩装配图5、轴及轴承的校核计算根据文献4中轴的强度校核计算部分，采取相应的计算方法，对轴进行校核。（1)、求轴上的力由以上的计算可知，电机向按摩轴输入转矩为T=6.5Nm，d4=12mm。轴上受力见图3.5 轴上受力图。TFNH1FF图3.5轴上受力图从左至右各距离相继为：S1=46.5mm、S2=23.5mm，S3=41mm,轴承受负载转矩T=6.3 Nm。竖直方向承受按摩时的摩擦力。圆周力： 由力矩平衡得：支反力：弯矩：（2）、按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，易知，危险截面为所在截面，取，轴的计算应力为：因为前面已选定轴的材料为45号钢（调质），查文献4表15-1可得： ，即，因此安全。（3）、键的校核1）联轴器处键的校核选用键的系列 T=6.5 键、轴和轮毂的材料都是钢，由文献4查得许用应力，取作110MPa，键的工作长度12mm，键与轮毂、键槽的接触高度K=0.5h=2mm由式 即所选键符合要求2）按摩轮安装位置处键的校核选用键的系列 T=6.3 键、轴和轮毂的材料都是钢，由文献4查得许用应力，取作110MPa，键的工作长度L=10mm，键与轮毂、键槽的接触高度K=0.5h=2mm由式即所选键符合要求。（4）、轴的刚度校核判断危险截面根据实际情况，如图3.5轴的处截面所受的力最大，其左截面轴更小，应力较为集中，故应对此截面左侧进行刚度校核，若该截面满足刚度要求，则其他各截面处也能满足要求。 校核计算1）截面A的右侧抗弯截面系数：抗扭截面系数：截面左侧的弯矩:扭矩：截面上的弯曲应力： 截面上的扭转切应力： 轴的材料为45#钢（调质处理），由文献4表15-1查得 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数，因r/d=0.8/12=0.067，D/d=20/12=1.67。按文献4附表3-1查得、。又由文献4附表查得材料的敏感系数、。故有效应力集中系数按式（附表3-4）为：据文献4附图3-2的尺寸系轴按磨削加工，由附图3-4查得表面质量系数轴未经过强化处理，强化系数，得综合系数：由文献43-1节及3-2节查得碳钢特性系数： 根据以上所得数据计算安全系数。计算安全系数： 即知此截面安全，所以,此轴满足其刚度要求。3.1.2 按模块往复运动设计为实现整个背部的大范围按摩，两个按模块（按摩轮按模块和滚轮按摩快）均安装在支架上，支架与活塞杆铰接，活塞杆在气缸内的伸缩实现支架的上下往复，即达到按模块的往复之目的。1 支架设计从图3.6支架示意图可以看出，为使按模块承受的应力传递到按摩椅的椅子框架上，所以将两个按模块先安装在安装板上，再将安装板分别安装在H型的一个支架上，支架两端再装几个小型的塑料轮，塑料轮在按摩椅的椅架导轨里面滑动（图中只画了滚轮按摩块）。值得说明的是，为适应人体背部的弯曲，靠背椅架是根据人体脊柱的四个生理弯曲而设计，符合人体工程学，使得按摩更加人性化，增添按摩的舒适度。从正面看，脊柱是直的、对称的；从侧面看，脊柱有个生理曲度，即向前的颈、 腰曲，向后的胸、骶曲。根据前第三章中表2.3和图2.3，得到有效按摩距离是为坐姿肩高减去坐姿大腿厚度即就是490mm，按摩椅的靠背高度740mm，减去有效按摩距离，由此得到支架的参数。按摩椅靠背宽度为700mm，支架焊接而成，见图纸mc-2-2。支架长612mm，宽度为160mm，其上适当位置钻孔，用以安装按摩块的安装板。图 3.6 支架示意图为减少支撑背部按摩块上下往复运动的气缸和活塞杆的尺寸，以及活塞的行程，采用两个支架，第一支架上安装按摩轮，按摩轮在轴上的旋转实现按摩，第二支架上安装有滚轮，气缸带动支架往复，滚轮就能实现滚动按摩，如此还能起到很好的背部伸展效果。第一支架和第二支架间采用简单的铰链连接即可，即采用两根连接轴，各轴轴端处打孔，利用钢条 穿过支架上的吊耳和轴孔，这就实现了支架间的连接。要实现490mm的有效按摩距离，支架需要在按摩椅的靠背里面有235mm的上下往复移动。 2 按模块上下往复结构设计按模块的往复上下运动采取活塞杆带动的方式，活塞杆在气压缸中靠气压伸缩，配合两个行程挡块，实现背部按摩块的上下往复循环运动，从而实现整个背部的大范围按摩。据查机械设计手册单行本之气压传动，表22116气缸的分类，选用双作用气缸，气缸活塞的往复运动均由压缩空气来完成，这是因为按摩的特殊性，按摩是针对的背部肌肉，有可能因为某些用户偏胖，背部肌肉较多，使得活塞杆的回复过程受阻。由文献5可知，双作用气缸的最低工作压力一般是为0.050.1MPa。气缸动作速度一般50500mm/s,近代的发展，也能在3mm/s的速度下平稳移动。参照按摩椅产品标准，设定按模块的移动速度为15mm/s。活塞行程需要235mm，为防止活塞与缸盖相碰撞，按所需行程增加一定距离，并参照文献5中表22-1-64，选择优先数行程，取行程为250mm。根据负载力的大小，来确定气缸输出的推力和拉力，先按照文献5表22118的负载率，以举升按模块设计，此时作用力的大小既是背部按摩机构的重力和按模块所受的摩擦力，据前面计算得到了摩擦力，取该力F=100N,低速区负载率70%，取作=50%，计算得到气缸推力。气缸推力查文献5表22-1-20，对照气缸理论输出力，选择缸径，气缸内径D=50mm，活塞杆直径d=16mm。表22-1-56中，选择缸筒壁厚，一般按公式计算的壁厚通常较薄，加工比较困难，尽量选用标准钢管或者铝合金管，这里选择20钢无缝钢管，据缸筒内径得到缸筒壁厚3mm。另外，为了使行程末端运动平稳，避免冲击，应选用带缓冲装置的设计，查缓冲柱塞的直径和长度的推荐值，得到缓冲柱塞直径为24mm，缓冲柱塞长度为20mm。由于靠背是根据人体生理弯曲而设计，并不是直线型的结构，因此支架在按摩椅框架中移动时，在不同的时刻并非完全的处于同一个平面，所以气缸必须要能随支架的移动而旋转，查表22-1-17，根据气缸安装方式分类，选择摆动式气缸中的一体耳环式气缸。气缸和按摩椅椅架的铰接，同支架间的铰接方式一样，活塞杆头部也如是此法安装，这样的设计，就能满足在活塞杆的伸缩往复时，达到支架的移动，也就是按模块的上下往复。3 气缸耗气量的计算据文献5表22-1-56，计算气缸的耗气量。气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率等等有关。气缸每分钟消耗的压缩空气流量和气缸进排口当量直径计算如下。气缸每分钟消耗的压缩空气流量 Q：气缸进排气口当量直径：D气缸内径，md活塞杆直径，ms活塞行程，mn气缸活塞每分钟往复次数Q工作压力下，气缸的耗气量， v空气流经进排气口的速度，一般去1015m/s，此处取10m/s另外，根据文献5,查直径范围为32320mm可拆式单杆气缸的安装尺寸，表22-1-70，得到气缸及活塞杆的其余尺寸。3.2靠背倒背、升背的设计为适应不同人群、不同要求，按摩椅应该具备基本的倒背和升背功能，根据文献6，按摩椅支承人体颈、肩、背、腰部位的部件即是靠背，靠背向后由高位向低位倾倒的运动称之为倒背，靠背由低位向高位升起的运动则是升背。参照按摩椅产品标准,最大倒背角度为160165（1520），最大升背角度为110115（6570）。我们人体在正常的姿势下，脊柱的腰椎部分稍微向前凸起，延伸到骶骨的位置则后凹陷。我们在良好的坐姿状态下，身体的压力分布于各个椎间盘上，肌肉组织承受着均匀的静负荷, 但是当我们人体处于非自然姿时，椎间盘内的压力便会分布不正常，形成压力梯度，严重的会将椎间盘从腰椎之间挤出去，压迫中枢神经,进而感觉腰痛，腰涨，腰酸，僵硬等不适。躯干完全挺直的坐姿使脊椎严重弯曲，因椎间盘上压力不能正常分布，身体上部的负荷加在腰椎部，引起不适，因此90度角的靠背椅是不良的设计,良好的坐姿应该是腰与大腿成一定的角度，使腰椎部位有支撑点，坐姿的最小舒适角度为105度，由此，设计按摩椅靠背和坐垫之间初始位置呈110度角。靠背的倒背利用人体的重力，靠背利用左右两根倒背轴实现翻转，倒背轴上安装有轴承，轴承安装在椅子下部的支架上，右边的倒背轴上安装有棘轮，棘爪锁紧棘轮，左边的倒背轴上安装有60制动盘，（一个与棘轮同等大小的圆盘，切掉60度的一个扇形，利用按摩椅下部支架上的突起，实现靠背整个只有60的翻转），制动盘控制靠背60度翻转的两个极限位置，棘爪与几轮的配合实现60度范围内的细分，这样就实现靠背的几个倒背位置的变化。当人体躺在按摩椅上，想要加大躺姿的角度，只需拨动按摩椅下部椅架上的手动拨盘，拨盘利用钢丝拉动棘爪，解除棘轮，实现倒背，靠背到达想要的位置时松开手动拨盘，扭转弹簧实现棘爪的复位，再次将棘轮锁紧。由于棘轮的单向锁紧，当人体离开靠背时，倒背轴上的圆柱扭转弹簧实现靠背的复位。3.2.1靠背轴的设计全程倒背时间设计为10s，最大倒背角度为165度，最大升背角度为110度，则倒背角度为55度，靠背轴承受来自背部对轴的转矩，背部重力经前计算为481N，取作500N，靠背重力中心距倒背轴的距离为靠背竖直椅架的一半，即是370mm，由此计算倒背轴承受的转矩，并选择最小轴径。倒背轴受扭矩 倒背轴角速度 则倒背轴转速 取作1r/min倒背轴传递功率同前按摩轴的设计一样，倒背轴的材料选45钢，轴传递功率20.5W，轴的转速是为1r/min，据文献4轴径初算公式（152），其中是轴径计算系数，根据文献4表15-3，轴的材料已经选为45钢，由此选取=110；P，KW，轴传递的功率；n，r/min,轴的转速。轴径为。轴承选用深沟球轴承，根据倒背轴最小轴径选择型号，类型代号为6，轴承代号6006，基本尺寸：内径d=30 mm；外径D=55mm；宽度B=13mm。根据文献4轴承基本额定寿命计算公式（135）进行寿命校核：其中n，r/min,轴承转速；C，KN，轴承基本额定动载荷；P，KN，轴承载荷；，指数，对于球轴承，取作3。预定按摩椅寿命为10年，每年300天，每天工作1小时，即为3000h，轴承完全符合预期寿命。如何实现倒背和升背的，见图3.7。图3.7倒背结构示意3.2.2 扭转弹簧的设计扭转弹簧是为了在靠背倒下以后，在人体重量离开按摩椅靠背的时候，能起到回转按摩椅靠背的作用。据弹簧起重运输件五金件 7机械设计手册单行本,第二章圆柱螺旋弹簧，表7-2-1，选择扭转弹簧，型号是，单臂弯曲扭转弹簧。利用工具软件,机械设计手册软件版，V3.0版，设计扭转弹并进行校核。扭转弹簧在工作时，即只需克服按摩椅靠背部分的重力即可。靠背重力取作150N。重力中心距扭转弹簧安装轴(靠背倒背轴)为370mm。按摩椅预计寿命10年，一年360天，一天工作1小时，预计一次工作倒背次数为4次，于是得到扭转弹簧载荷作用次数为103604=14400次，查文献7表7-2-5，载荷作用类型为类。材料据表7-2-6选择弹簧用不锈钢丝A组，端部形式据表7-2-1选择NVI型。扭转弹簧工作扭矩安装时，是在按摩椅自然状态下，即安装扭矩为0，由按摩椅倒背和升背角度确定扭转弹簧的自然角度为160，工作变形角度为55。利用机械设计手册软件，计算得到扭转弹簧的钢丝直径 d=7.0 (mm)，弹簧中径 D=42 (mm) ，旋绕比 C=6，曲度系数 K1=1，弹簧寿命 Ns=100000，长臂弹簧臂长L1=40.0 (mm)，长臂弹簧臂长L2=40.0 mm ，扭矩旋向与弹簧旋向相同，有效圈数 n=7圈，要求刚度 k=1009.07 (N.mm/),实际刚度 k=417.42 (N.mm/),刚度相对误差=58.63 (%),切变模量 G=71000 (MPa),弹性模量 E=193000 (MPa),平均抗拉强度=1300MPa,抗拉强度 b=981 (MPa)，许用弯曲应力 Bp=588.6 (MPa)，试验许用弯曲应力最大值 s=735.75 (MPa)。推荐温度范围 T=-200300 ()，安装变形量 f1=9.41(mm)，工作变形量 f2=19.41 (mm)，试验扭矩 Ts=24775.61 (N.mm)，试验变形角 s=59.35，试验长度 Hs=23.34 (mm)，弹簧初拉力 F=90.25 (N)，自由长度 H=59.5(mm)。安装高度 H1=56 (mm)，节距 p=2.50 (mm)，螺旋角 =4.25，弹簧材料展开长度 L=1003.628 (mm)，端部材料长度与中径比L=6.28，最小弯曲应力 (MPa)，最大弯曲应力 (MPa)，最大弯曲应力比。 最小变形比 f1/fs=0.68；最大变形比 f2/fs=1.39，弹簧特性(安装)符合要求，弹簧特性(工作)符合要求弹簧疲劳强度满足要求。扭转弹簧在安装时，一端插入按摩椅下部架子的凸台上开的孔中，一端利用按摩椅椅架将其压制住，如此一来，扭转弹簧在倒背时随着倒背轴的旋转而转过一定角度，而后在人体重量离开靠背时，起到回复靠背，即升背的作用。扭转弹簧有两个，在按摩椅上对称安装，加强按摩椅靠背倒背和升背的可靠性。3.2.3 锁紧棘轮的设计据文献7棘轮逆止器部分，进行棘轮的设计计算。棘轮逆止器一般作为机械中放置逆转的止逆装置或供间歇传动用。棘轮所受扭矩是人体背部重量和按摩椅靠背重量的叠加，该合力轴线距棘轮回转中心距离为370mm，棘轮所受扭矩为。1、棘轮设计棘轮的齿形已经标准化，棘轮的齿数通常在630的范围内选取，据棘轮齿数表选取齿数。棘轮材料为45钢，据表8-1-119得到:棘轮齿数z=20齿宽系数许用弯曲应力许用单位线压力根据式子8-1-11,棘轮模数按齿受弯曲计算来确定：棘轮模数按棘轮齿受挤压进行验算：棘轮模数首先要满足按齿受挤压进行的校验结果，其次应按标准选取，取m=6，棘轮直径则为120mm，周节，由棘轮齿宽系数，得到棘轮齿宽为。2、棘爪设计根据文献7棘爪的强度计算部分，进行棘爪的相关设计计算。棘爪的回转中心，一般选在圆周力P的作用线方向，棘爪的长度一般为2p，棘爪制成直头型。棘爪轴为悬臂梁受弯曲作用，据式子8114，计算得到棘爪轴的直径。圆周力棘爪轴直径其中b1=14mm,棘爪的宽度，一般比棘轮齿宽23mm。3.3 脚部按摩、夹持和牵引动作设计古人云“千里之行，始于足下”。脚是人类相当重要的器官，就像大树的根。我们的双脚承担着身体的全部重量，人一生当中两只脚承受的总重量累计可达2000万吨，走过的路程相当于绕赤道四圈多，可谓劳苦功高。同时，脚与人体整体健康也有着密切的关系。我们人头在季节变换时，抵抗力会下降，特别是在冬季，感冒和咳嗽的人数会大大增加。我们可以经常按摩足部促进血液循环，提高人体抵抗力。据专家测算，在进行脚部按摩前，脚部血液流速一般是12毫米/秒，而按摩后会增加到2425毫米/秒。正因为如此，市面上也出现了各种类型的脚部保健产品，各种按摩椅也同时集成了脚部按摩功能。所以该设计也将进行脚部按摩块的设计。总的来说，根据人体工程数据，确定整个脚部按摩部分的参数，采用气压膨胀和放松，实现对脚部和小腿部分的按摩，另外利用气压膨胀和脚架的形状设计，将脚部夹紧，并利用气缸作用，实现牵引动作。1、脚垫翻转设计如前面所述，利用人体的重量实现靠背的倒背，圆柱螺旋弹簧实现靠背的回复，即升背。由此，在靠背和脚垫之间加连杆联接，从而实现靠背和脚垫的联动此处可以参见图2.2。小腿和脚的重量:小腿和脚的重量比例为整个身体的5.83%，由此该部分重力为83Kg5.83%10=48.38N,取作50N，再加上按摩椅小腿部分结构的重量，取作100N，以脚垫到水平位置进行设计，此时受力最大。脚部按摩结构部分的质量中心距脚垫旋转轴250mm，所以旋转轴承受力矩M=Fl=1000.25=25Nm,转速为1r/min. 轴的材料选45#钢。据文献4轴径初算公式（152）计算最小轴径，其中是轴径计算系数，根据文献4表15-3，轴的材料已经选为45钢，由此选取=110；P，KW，轴传递的功率；n，r/min,轴的转速。轴径初算公式得到轴的最小直径：轴径最小处取作d=20mm，利用两个M12的螺母将其固定在按摩椅左右的两个扶手架上。牵引动作设计牵引动作，即是利用外力作用，对肢体进行牵引，以达到治疗或者辅助治疗的目的。这里我们模仿医学中的皮肤牵引，借助胶布贴在皮肤上，或者是海绵带捆绑，因为肌肉在骨骼上是有附着点，我们利用这个特点间接将牵引力传递到骨骼上，保护皮肤，牵引力强度不超过6，且牵引时间一般间隔23周为宜。脚部按摩通过导轨附在脚垫上，利用弹簧将按摩部分支升50mm，气缸推动按摩部分下行25mm，据文献 7设计弹簧。选择圆柱螺旋弹簧，材料为碳素钢弹簧钢丝C级，端部并紧、磨平。工作行程25mm，弹簧安装载荷100N,安装高度56mm，工作载荷150N，切变模量 G=79000 (MPa)，弹性模量 E=206000 (MPa)，抗拉强度为 b=1667 (MPa)，许用切应力是为 b=733.48 (MPa)。钢丝直径 d=3.0 (mm)，弹簧中径 D=32.01 (mm)，旋绕比 C=10.67，曲度系数 K=1.14，有效圈数 n=3.75，弹簧总圈数5.75，要求刚度 k=2 (N/mm)。弹簧校核：安装变形量 f1=15.38 (mm)，安装载荷(设计) F1=100 (N)，工作变形量 f2=23.08 (mm)，工作载荷(设计) F2=150 (N)，试验变形fs=44.48 (mm)，最小变形比 f1/fs=0.35，弹簧特性(安装)满足要求。最大变形比 f2/fs=0.52，弹簧特性(工作)满足要求。最小切应力min=344.17 (MPa)，最大切应力max=516.25 (MPa)，切应力特性系数 =0.67，最大切应力比抗拉强度 max/b=0.31，弹簧疲劳强度满足要求。稳定性要求 Tw=满足要求安全系数 S=1.9，强迫机械振动频率 r=0 (Hz)，弹簧自振频率 n=277.95 (Hz)，共振要求满足。脚部按摩部分在脚垫上的牵引，利用导轨导向，并由气缸推动，据查文献3，根据气缸分类和结构，选择单作用气缸，另外由于牵引动作的回复靠的是脚垫上安装的几个弹簧，选择柱塞式气缸，压缩的空气有力产生以驱动柱塞向一个方向运动，复位则依靠外力。牵引推力需要50N（皮肤牵引的最大范围），参照表22118的负载率，确定汽缸输出的推力，取作75N，活塞行程25mm，查文献5 22120气缸理论输出力表，选择气缸直径为32mm，活塞杆直径为10mm，钢筒材料选择20钢无缝钢管，查气缸主要结构参数尺寸表，确定钢筒壁厚2.5mm，气缸选用脚座式安装，活塞杆铰接。查文献5可拆式单杆气缸的安装尺寸表22170，确定出气缸其余主要尺寸。脚部按摩设计坐姿小腿长和足高是为448mm，减掉人体坐在坐垫里面吃掉的深度取为8mm，脚部按摩部分高度为490mm，宽度为780mm。如图3.8所示，为按摩椅脚部按摩部分的外形效果图，其内部采用的是注塑模成型，参照图3.9，图中所画剖面线部分既是塑料材料，外层有皮革包覆，则呈现出图3.8的效果。图3.8 脚步按摩效果图图3.9 脚步按摩内部图 按摩椅足部尺寸以男性身体为准，并选取较大值，还要考虑到由于穿袜子而增加的尺寸，以43码的鞋子尺寸进行设计。脚部按摩的设计，是在需要使用按摩椅进行按摩的时候，双足就像穿鞋子一样地放进足部按摩腔，竖直方向的三块挡板既是小腿的位置。整体宽度610mm，气囊完全膨胀的位置如图示4.8中棕色面板，由此计算出脚部气压膨胀按摩所需的耗气量。足部脚步按摩部分的，气压膨胀和放松按摩10次/min,再加上前面按模块上下往复气缸所需的耗气量，所以按摩椅整个需要的压缩空气流量为：,据文献5空压机部分，选择空气压缩机的类型。空气压缩机的作用是将电能转化成压缩空气的压力能，共气动机械使用，这里选择最常用的空压机形式，即活塞式空压机，选择单级空压机。活塞式空压机在断续排气时需设置气罐。根据国家标准GB/T 13928-2002,选择微型空压机，空压机公称容积流量，额定排气压力为0.4Mpa，压缩级数单级，并据此选择驱动电动机的功率为0.37KW。3.4 腰部红外线照射在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。而且所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线，即现代物理学称之为热射线。医用的红外线可分为两种：近红外线和远红外线。远红外线又称长波红外线，波长为1.5400微米，而且多被表层皮肤吸收，穿过组织深度小于2毫米。当体表被红外线照射时，一部分被反射，另一部分则被皮肤吸收。当皮肤受到波长为0.9微米的红外线照射时，无色素沉着的皮肤反射其能量约60；而有色素沉着的皮肤反射其能量约40。当波长达1.5微米以上的长波红外线照射时，绝大部分被反射和为浅层皮肤组织吸收，穿透皮肤的深度仅达0.052毫米，只能作用到皮肤的表层组织；波长1.5微米以内的短波红外线以及红色光的近红外线部分透入组织最深，穿透的深度可达10毫米，能直接刺激到皮肤的血管、淋巴管、神经末梢等其他皮下组织。利用温热效应进行治疗。因为温热效应可以促进血液流动，活血化瘀，达到治疗效果。本设计采用最简单的方法，即在按摩椅靠背用皮革包覆之前，于靠背内部腰部位置处放置远红外发热板，该发热板可按要求进行外购。3.5 其他部分综述该设计主要进行的是电动按摩椅内部按摩结构的设计，包括必须的按摩功能和简单的辅助功能，即靠背的倒背和升背，以及脚垫部分的翻转。按摩椅的外部与身体相接处的部分采用人造皮革包覆，市面上也有使用按摩椅专用皮革的产品。按摩椅的两侧扶手的骨架采用木质材料，外层同样使用人造皮革包覆。按摩椅的靠背内部，与按摩头相接处的部分是皮革，往外是一层较稀疏的铁丝网，用以支撑按摩椅靠背，使之不会因为使用过久而出现凹陷，再外一层又是人造皮革，与人体接触。综合来看，按摩椅的总功率为400W，其整机尺寸为（长宽高）：直立放置时（自然状态，不倒背），12308241280（mm），伸展时（按摩椅倒背到最大倒背角度时的状态），1865824760 （mm）。总结毕业设计是我们大学里面所学到的理论知识的一次实践，是我们进行科学研究的一次态度培养和习惯养成，它综合锻炼了我们的独立分析问题和解决问题的能力，更是我们大学四年的一个总结。整个的设计过程是一次实践与理论的循环，通过这次毕业设计，把理论知识用于实践，也把实践经验升华到理论。设计期间，在老师的细心指导下，通过自身的不断努力，在思想上有很大的提高，学习和工作上有了较大的收获，整个过程有着无数的心得体会。这次设计，我最大的收获，就是对“书山有路勤为径，学海无涯苦作舟”的重新认识，我想应该把后面半句改作“学海无涯乐作舟”，不错，学习是一个纷繁复杂甚至枯燥无味的长期过程，我们需要不断地努力，但更要有乐观向上、积极攀登的精神和迎难而上的勇气与信心。不止体会了很多，还学到了很多专业的知识，通过这次设计，不断摸索设计的方法和思路，形成了属于自己的一套设计理念，从整台机器的设计到细小零部件的构思，从设计到生产，都有了更深刻的认知。另外，这次设计提高了我收集资料的能力，丰富了获取信息的渠道；训练了综合运用机械设计和有关课程的理论,学到了很多知识。通过此次毕业设计，进一步熟悉了设计的基本知识和技能，如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册，图册、标准和规范）以及使用经验数据、进行经验估算和处理数据的能力。尤其体会了标准和规范的重要性，以及设计的实用性。通过本次设计，还熟悉了三维设计软件和一般绘图软件的使用，对实体建模和工程图的绘制，都有着很大的提高。可以说，每一次的工作都是一段成长，尤其这一次的收获与体会，在我的未来生活、学习和工作中都将是我受用无穷。参考文献1 王继成主编. 产品设计中的人机工程学. 化学工业出版社,2003.072 王文斌主编. 机械设计手册（新版）. 机械工业出版社,2004.83 纪名刚主编. 机械设计（第八版）. 高等教育出版社, 2005.124 成大先主编. 气压传动（机械设计手册之单行本）. 化学工业出版社 2004.015 蒙发利研发中心.按摩椅产品标准（企业内部标准）6 成大先主编. 机械设计手册.单行本.弹簧.起重运输件.五金件.化学工业出版社，20047 黄靖远主编. 机械设计学（第三版）. 机械工业出版社，2006.058 胡仁喜主编. 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