机电一体化产品设计.doc

机电一体化产品设计
-----搓背椅机构设计

班级：10402062

姓名：王利梅

学号：1040206203

一、设计目标：
(1)从搓背的手法来看，搓背师傅采用的搓背手法众多，有的侧重小鱼际，有的侧重五指，有的侧重掌根，有的侧重指根，这些手法可以减少压力面，减少阻力，从而达到省力的目的。但是，从搓背的效果来看，搓背时的接触面积越大，手在搓背时的作用力越容易均匀，人也感到越舒服，效果也越好。
(2)从搓背的轨迹来看，因人体解剖学显示了经络的阴阳，骨络的结构、肌肉的文理方向及起止点。所以，当我们在搓背时，需顺着人体肌体施加作用力，这样就感觉良好，逆着或横着就欠之。当不能顺时，只有用减轻力度来弥补。因此，可得出人手在在搓背时的最优运动轨迹曲线图

(3)从搓背的力度来看，搓背时的力度大体上分为三种。第一种是作用力维持在表皮，第二种是作用力维持在真皮，第三种是作用力维持在皮下组织。其中，第二种力度适合大多数
中国人的要求。而且通常是轻重重轻，并且经量维持搓背时的力度均匀。因此可以得出人手搓背时的受力曲线图，如图2所示。压力的大小根据人们适宜的程度选择，一般取50 N的挤压力。

人体背部按摩的方法大体上有以下几种方式：1)捏拿肩井。2)按揉腰背。3)提捏夹脊。4)点按背俞。5)摩擦大椎。6)推按脊背。其中，提捏动作的实现有一定的难度，目前暂不考虑。因此，本机器人应能实现点按、敲打和揉搓腰背的功能，并能很好的控制力度。
二、 搓背机设计技术路线
解决搓背难的问题 ,可以选用形态学矩阵及功能分析法来分析研究。形态学矩阵是一种让思维更有条理的方法 ,一般认为它是由瑞士的天体物理学家弗雷茨 ·兹威基 (1898- 1974)发明的。当完成任务或解决问题时 ,这种方法要求按顺序列出能想到所有可能 ,并一一加以研究 ,以便对各个侧面有一个全面的把握。通过建立并填写形态学矩阵 ,可以把复杂的问题分割成几个部分 ,从而变得容易控制和解决 ,当这些组成部分被重新组合在一起时 ,最后的解决方案也就自然而然地产生了。
功能分析法的原理 :可利用系统工程分解性原理将系统
按总功能、分功能、⋯⋯、功能元进行分解 ,化繁为简 ,以便通过各功能元解的有机组合求得技术系统解。
依照形态学矩阵的原理及功能分析法可拟定如下的设计技术路线 :对影响搓背的因素进行分析 →运用形态学矩阵构建搓背总体方案 →搓背可行性方案的选择 →运用功能分析法结合形态学矩阵设计传动方案 →方案的分析与确定。
三、 总体方案的确定
在洗澡过程的过程中 ,人可以站着、坐着或躺着 ,传统的搓背主要依靠人手和搓澡巾来完成。在这个过程中 ,搓澡巾为洗澡用具 ,通常用洗澡用具为化纤浴巾 ,还有一些天然的洗澡用具比如丝瓜络、海浮石等比现在的化纤浴巾要好洗澡用具有各种各样的大小和形状 ,有圆形的、方形的等等 ;
人手提供动力 ,并控制搓的动作 ,来完成搓澡运动 ,实现污垢与皮肤的分离 ,而这种分离主要依靠的是摩擦来实现的。通过以上的分析可以选出这些因素 :洗浴用具的大小和形状、洗浴用具的材料、分离污垢、搓背的动力、人在空间所
处的位置六个因素作为研究对象。
在上述的六个因素中 ,分别列举其的形态如下:洗浴用具的大小方可以定为大型、小型、中型;洗浴用具的形状较多 ,只考虑圆形和长方形的两种 ;洗浴用具的材料选用化纤、丝瓜络、海浮石三种;洗浴时人在空间所处状态定为站着、坐着、躺着这三种 ;分离污垢只考虑通过摩擦来实现 ;搓背的动力可以由人工提供、电动机提供、液压三种方式。

因素
形态
1
2
3
A
洗浴用具的材料
化纤
丝瓜络
海浮石
B
洗浴用具的形状
圆形
长方形

C
洗浴用具的大小
大
中
小
D
人在空间的状态
躺式
坐式
立式
E
分离污垢
机械摩擦

F
搓背的动力
人工
电动机
液压

利用上表 ,理论上可以组合出 N =3 ×2 ×3 ×3 ×1 ×3 =162种方案。在众多的方案中 ,选五种方案来进行评选 ,这五种方案如下 :
方案 1:A1(或 A2) - B2 - C3 - D4 (或 D3) - E1 - F1是一种最原始的搓背方式 ,这种搓背主要依靠人手来完成 ,单人洗浴时搓背比较难以实现。
方案 2:A1 (或 A2或 A3) - B1 - C3 - D4 (或 D3) - E1 -F1由这种方案可以设计一种手持式的搓背器 ,这种搓背器也可以搓洗身体的其它部位 ,可适用于个人使用。
方案 3:A1(或 A2或 A3) - B1 - C3 - D4(或 D3) - E1 -F2(F3)由这种方案可以设计一种手持式的自动搓背器 ,一种是电动的 ,一种是由洗澡时的水来提供动力 ,同方案 2也可以搓洗身体的其它部位 ,可适用于个人使用。
方案 4:A1与 A3结合 (或 A2与 A3结合 ) - B2 - C1 -D1 - E1 - F1 (或 F2)由这种方案可以设计出机械式搓背床或自动搓背床 ,可以实现对人背部的搓洗和按摩 ,可适用于大型洗澡场所或家庭使用。
方案 5:A1与 A3结合 (或 A2与 A3结合 ) - B2 - C2 -D2 - E1 - F1 (或 F2)由这种方案可以设计出机械式搓背椅或自动搓背椅 ,可适用于大型洗澡场所或家庭使用。经过初步的分析便可挑选出少数方案作进一步的研究 ,
在这里选用方案 5来进行传动方案的设计 ,当然其它的一些方案也颇有研究的价值 ,在这里不做过多的论述。
四、传动方案的设计
对方案 5即:A1与 A3结合 (或 A2与 A3结合 ) - B2 -C2 - D2 - E1 - F2方案 ,运用功能分析法来进行传动方案的
设计。对于这个系统来说难以直接求得满足总功能的原理 ,
就需要采用功能分析法与形态学矩阵相结合的方法来进行求解。
1、功能分析
采用电动机首先要使高速变为低 ,再就是通过中间的传
动装置使执行部件实现人手的往复式的搓背动作 ,那就要把
电机传过来的回转运动变为直线移动。列出的功能图如下 :
自动搓背运动 降速
回转 ϖ往复移动
2、机械传动方案综合
各分功能解形态学矩阵如下 :

取二种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案 ,可组合的最多方案数:N =3 ×3 =9
3、传动方案的选取
针对上面求解出来的传动方案 ,在实际的传动方案选取
中要充分的考虑环境、工作部件的受力情况、经济等方面因
素的影响以下就从这三方面来分析 ,做出传动方案的取舍。
从工作环境分析降速传动装置:本工作机在有水的环境
中工作 ,对于齿轮传动来说结构比较紧凑 ,电机离的较近 ,容易造成漏电 ,所以在选用电机带动的情况下 ,不易选用齿轮传动;而带传动、链传动可以实现远距离的动力传递。
从执行部件受力情况来分析:对于齿轮传动、链传动 ,当
受力过载时 ,不能实现自我保护功能 ,容易造成工作部件的损坏;带传动有打滑的特点 ,可以实现过载保护 ,避免工作部
件的损坏。
从经济方面来考虑:齿轮传动和链传动制造成本高 ,而带传动成本低。齿轮齿条机构、移动凸轮机构制造成本高 ,而曲柄滑块机构制造成本低 ,并且容易制造 ,精度容易保证。
综合以上三方面 ,选用带传动作为动力的传递装置 ,选
用曲柄滑块机构作为与执行部件连接的动力传递机构 ,可设
计出其的机构运动简图如下 :

五、结论
本设计针对搓背难的问题运用形态学矩阵提出了手持式自动搓背器、自动搓背床、自动搓背椅、机械式搓背椅等一系列的搓背机 ,对搓背机的设计与开发有一定的指导意义 ;并选用自动搓背椅作为研究对象运用功能分析法和形态学矩阵设计出了其的传动方案 ,确定了其的机构运动简图 ,为搓背椅的零部件设计奠定了基础。