颈椎按摩仪设计研究

单佳琦荆雪蕊王丽佳

摘要：为了更好地模拟颈椎按摩仪中按摩师的推、揉、挤、压滚动作，决定采用按摩手轮与偏心轮相结合的结构设计。在此基础上提出一种新型凸轮驱动式按摩装置设计方案。利用NX软件，设计了按摩机构的各个部分的结构，并进行了虚拟原型的设计，同时对传动花键轴和偏心手轮支撑轴进行了详细的有限元分析。为满足动作的具体需求，使用花键轴来驱动偏心轮进行旋转，从而完成抬起和回墩的动作。

关键词：颈椎按摩仪；NXNastran；偏心轮；有限元分析

引言

近几年，由于生活节奏的加速，长时间坐在桌前工作、使用电脑、开车、使用高枕等多种因素，都导致人们长时间保持同一姿势，从而导致颈部肌肉和韧带的疲劳，进一步加速了颈椎病的发生。目前对于颈椎病发病原因尚不完全清楚，但一般认为与长期低头伏案、缺乏体育锻炼有关。治疗颈椎病的非手术方法主要包括手法疗法和使用医疗器械进行辅助的康复疗法。其中，以手法为主结合其他康复手段治疗颈椎病越来越受到人们关注，并逐渐成为一种趋势。

1按摩机构结构

定位轴是通过滚轮的内部孔洞与偏心支架上的五个小孔相连接的，并且是通过螺栓来进行固定的。每个偏心支架均设有三个相对应的心花键套和两个相互对应的半圆卡环槽。心花健孔是从花键轴的一端插入的，而另一个偏心支架的中心花键孔是通过花键轴的台间来限制轴向自由度的。两个相互垂直设置的半圆形卡环以可转动方式套装于花键轴上。半圆形的卡环与偏心轮的凹槽相连，并被固定在按摩手轮的内部孔洞里。该结构使整个花键轴具有了两个不同方向的转动功能。当与压盖内孔的连接螺栓被固定之后，按摩手轮、软弹簧、花键垫以及对向都会从花键轴的两侧穿过，并在这两个端部实现锁定。同时将两个半体分别放入到大齿轮、小齿轮轴上。首先，大齿型轮、轴承以及轴承座按顺序进入，接着将其完整地插入摇摆装置底座的凹槽中，从而达到按摩的效果。

2颈椎按摩仪设计

当偏心支架处于初始状态时，患者的颈椎已经成功地达到了预定的位置。通过转动电机使齿轮旋转并产生一个力，从而驱动偏心支架向指定方向移动。当机器启动时，偏心支架的逆时针从0开始移动。此时患者头部逐渐向左侧旋转，同时身体也随之向前倾斜。切换至90的位置。这时患者的颈椎也已完成复位动作。在这个过程当中，人体的颈部肌肉和韧带持续地进行收缩、松弛和放松，从而实现了一定水平的身体平衡。这时可以通过调整偏心器来调节其旋转速度。当人体的头部被偏心支架上的滚轮抬起时，颈椎节会被一个上升的滚轮逐个推动，从而形成一个圆周力的推动点。同时，该作用力也是一种机械能的传递方式，通过这个支点使身体向前移动。这种方法不仅为顽椎节带来了拉伸的效果，还能同步地调整按摩手轮的进退和旋压，并按照一个8字的轨迹进行移动，从而达到了在人工按摩中的标准动作，如推揉和挤压，以实现最佳的治疗效果。通过这种方式来改善嵴柱内凹畸形患者的症状。在进行推挤操作时，旋转的动作会导致与推拿头接触的地方应力和形变的增加，进而可能引发伤害。因此在设计该装置时应考虑到这种情况的出现，通过调整两个对向器之间的相对距离来调节这个作用力的大小。当偏心支架逆时针旋转到一个超过90的数值时。此时将发生轴向压缩形变。当旋转角度逐渐增大时，与之相连的对向手轮盘体会因受到向下的拉力而发生旋转，进而导致其上下方向的移动。此时的对向手轮处于拉伸状态，同时将其旋拧到一定程度后停止。此时，开始在人体颈椎的两侧对向手轮进行推揉和挤压操作，以实现减压和分离的目的。此时患者感觉到有一股向上的力作用于头部，同时还可听到轻微的“哒”声。在这种情况下，患者的颈部肌肉变得紧绷，脊柱呈现出弯曲的形态，这导致其在旋转时受到压缩和扭曲，进而实现了复位的效果。同时通过该装置可将牵引头固定于患侧颈后肌或肩胛下肌群上。在偏心支架持续地逆时针旋转至180度的情况下。可将双手从肩背部抬起，同时手指按在身体一侧手臂或手腕部。随着时间的推移，人体颈部所承受的压力逐步上升，在这一过程中，由于偏心支架的旋转角度相对较大，导致人体的颈椎节段持续向上移动。同时由于关节囊和韧带等软组织的支撑作用，使得整个身体保持相对稳定的姿势。当达到极限时，人的头部会被偏心支架上的滚轮抬升到最大程度。同时随着人体颈后动脉血液回流速度增加，使得颈后部肌肉群得到充分放松，进而为整个嵴柱提供一个稳定支撑作用。在这个过程当中，颈椎节会被一个接一个上升的滚轮推至其最高点，从而达到了推动点产生的圆周力的极限状态。同时，因为关节间隙较小，且具有一定弹性，故支撑着整个装置。因此，顽椎节有能力实现整个骨节的伸展和向前的弯曲。为了使嵴柱得到充分伸展，还必须让患者自己用手按压对向手轮，并同时通过手指施加一定压力来促使其运动。在这种情况下，人们可以紧紧握住相对的手轮，以达到放松的效果。如果要使手指与对向手轮相接触的话，必须先通过两个相互平行且对称的杠杆连接起来。在这样的场景中，执行对手轮和人体颈椎两侧的推揉挤压动作时，必须执行切底分离的操作。由于手指之间存在着相对位移，从而引起肌肉收缩，以达到按摩作用。在颈部的外部区域，形成了一个微小的关节面，并伴随着某种程度的旋转动作。通过这个小关节面所提供的反作用力可推动两个相反的转动点——即由偏心轮带动的凸轮与曲柄连杆机构组成的偏心支架沿顺时针或反时针方向做往复摆动。当偏心支架逆时针旋转270次时，推压过程中会产生向下移动的力臂，使其向上移动。由于该作用力是通过与身体接触部位之间相对滑动来传递的。在特定的情况下，人的头部会被偏心支架上的滚轮迅速抬起，然后迅速降到枕垫上，从而实现颈椎节的向后弯曲和轴向压缩。

3主要部件有限元分析

使用NXNastran高级仿真模块对按摩机构的传动轴和偏心手轮定位轴进行了详细的有限元分析。考虑到头部和颈部的10Kg质量以及花键轴上部件的自重，将其限制为平移和旋转

通过共同操作，将负载设置为300N。采用四面体网络进行网格的自动划分，所用的材料是45号钢。

结语

为了模拟颈椎按摩椅的治疗动作，设计了一种结合花键轴驱动、按摩手轮和偏心轮的综合按摩机构。该机构利用曲柄滑块式驱动方式实现对颈部肌肉群的有效刺激，并通过偏心连杆与摆杆配合完成对头部各关节及颈肩部位软组织的充分摩擦作用。它的特点包括小巧的体积、轻便的重量、紧凑的结构、高度的可靠性以及低廉的成本。使用NX软件对按摩机构进行了虚拟组装和运动学的深入分析，其结构设计紧凑，没有任何干涉，并且仿真结果与设计的运动路径相吻合。利用三维造型软件设计并制作出样机，经试验验证该设备满足临床需求，为进一步研究提供理论基础。利用有限元分析技术，对传动机构中的关键组件，如花键轴和偏心轮定位轴，进行了详尽的强度和刚度评估，以确保最终产品满足技术规范。

参考文献

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[4]吴超英.牵引治疗颈椎病的临床研究进展[J].中国中医骨伤科杂志，2019，9.

课题信息：2023年大学生创新创业训练计划项目——颈椎智能检测仪

项目编号：X202313300132