一種基于反相按摩輥滾壓和包絡原理的按摩機構的設計

0在嘴唇上進行人工操作腮腺炎的功能障礙是引起過度蒸發的主要原因之一。在臨床上,使用瞼板腺按摩的方法,配合熱敷的融化作用,將瞼板腺中的阻塞物擠壓出來,從而達到輔助治療的目的。常用的人工按摩方法是:醫生一只手使眼瞼外翻,另一只手使用無菌生理鹽水棉簽對瞼板腺進行擠壓。該過程較為繁瑣,按摩效果受操作人員經驗的影響較大,同時按壓力度不均易引起患者不適。因此,用機械替代人工操作是一種有效的改進方法。通常的人工瞼板腺按摩方法,需要先進行翻瞼操作,然后對眼瞼內側的瞼板施力。而一般針對瞼板腺按摩的替代機械機構,都無法做到眼瞼內側施力,因為按摩機構深入到眼瞼內側的難度較大,安全性較低。美國眼淚科學公司在相關領域進行了大量的研究,并且開發出了一款帶有隔離眼瞼特征的按摩儀器,雖然分開眼瞼后的按摩效果較好,但是其使用需要醫療人員輔助,專業性過強,個人家庭使用不便。相比之下,外眼瞼按摩所能達到的效果固然相對較弱,但其結構簡單,方便機械化集成加工制造,單人操作方便,因此在外眼瞼上施力的按摩裝置的研究一直沒有停止過。其中,輥式按摩是最常見方式之一,其特征為:在上下外眼瞼的待按摩處分別設置按摩輥,使其各自向內側滾動,對外眼瞼進行持續的滾壓按摩作用。但是這種常見結構存在兩個突出問題,如圖1所示。(1)兩按摩輥相向滾動按摩時,上下眼瞼因同時受到擠壓力而易被擠在一起,導致瞼板腺阻塞物排除不暢;(2)按摩輥不能完全作用瞼板腺區域,按摩盲區的范圍很大。本文針對常見的于外眼瞼面施力的輥式按摩機構存在的缺陷,提出了反相半輥滾壓結構和包絡運動方案,以分別實現阻塞物排出順暢和按摩無盲區的目標,從而提高治療效果。1上下眼嘴唇局部缺少局部該按摩機構同時實現反相按摩和包絡運動,使上下眼瞼處在分時按摩狀態,瞼板腺阻塞物可以順暢排出,按摩運動不受阻礙;同時包絡運動又使按摩可以覆蓋整個眼瞼區域,使按摩無盲區。1.1休閑局部金融反相半輥滾壓的結構示圖及運轉循環如圖2所示。相比于圖1的輥式按摩法,本結構中的按摩輥沿軸線對半剖開只取一半,這樣每個按摩輥都能夠間歇性的對眼瞼進行滾壓按摩,避免了眼瞼受到持續按摩產生的疲勞。按摩輥的初始相位具有180o的相差,即上下兩個按摩輥的各有半周期工作,轉動方向相反,即反相運動。該相位特點的存在,使得結構在運轉過程中,同一時間只有一個眼瞼會受到按摩作用,而另外一個則處在休息狀態中。這樣由于上下眼瞼不同時受到按摩,就不會因為同時產生擠壓形變而造成瞼板腺阻塞物排除不暢,以及可能存在的按摩輥運動受阻的情況。1.2承擔局部限制分布如圖3所示,黃色標示上下瞼板的中央高度,分別為上瞼板(8~12)mm,下瞼板(3.5~4)mm,即瞼板縱向高度約在(12~16)mm之間。同時瞼板的分布高度自中央至兩端逐漸遞減。圖3中紅色標示所示為成人平均瞼裂寬度27.88mm。本文提出一種包絡結構,來解決按摩輥布局與按摩盲區之間的矛盾。包絡原理的結構由兩個部分組成,其中一部分為上文所述的能夠按摩瞼板中央的半輥結構,另一部分為可將中央按摩區域擴展到整個眼表包絡面的掃掠結構。包絡按摩原理的結構如圖4所示,按摩輥為方便顯示其作用范圍,用完整的按摩輥來代替半輥。上下按摩輥的大小及位置的選擇依據是在眼部中央截面上按摩輥能夠最大范圍的覆蓋眼表面。1.3內齒圈與齒輪的耦合控制根據以上兩個結構特點及原理的敘述,本文提出的按摩機構可分解成兩個部分:(1)縱向的輥式按摩;(2)橫向按摩輥沿著包絡面/線的掃掠運動。觀察人眼外輪廓上視圖,其輪廓線近似于一段圓弧,那么可以用內齒圈與齒輪的嚙合結構來具體實現包絡原理。眼球中部的截面輪廓的范圍是最大的,其余部分的截面輪廓可近似看成是中部輪廓的一部分,那么只要所設計的按摩輥能夠對此處的眼瞼做到最大范圍的覆蓋,那么整個眼瞼外表面就能夠在按摩輥的掃掠作用下,達到全覆蓋的效果。而按摩輥的位置及大小則可通過此截面輪廓線確定。如圖1所示,按摩輥的表面通常設計有顆粒狀凸起陣列,可加強按摩效果。而上下按摩輥可以通過齒輪嚙合作用,達到同速傳動、穩定相位差的目的。按摩輥的寬度,由于掃掠運動的存在,可以很小。由于縱向的按摩運動與橫向的掃掠運動是各自獨立的,因此在設計中可以采用兩個低速電機分別驅動。1.4局部機構的設計根據上述工作原理,利用塑料模具的設計方法,完成按摩機構的設計。圖5所示為按摩機構的單眼結構圖示,基于反相滾壓結構的按摩機芯,安裝于包絡模塊的滑動支承上。整個機構被醫用TPU柔性氣囊所包裹,用于隔離按摩機構與人眼,同時其上附帶的薄膜加熱電路具有熱敷功效。整個系統具有按摩和熱敷的輔助治療功能。2微型步進電機的選擇按摩輥對眼瞼外表面的滾壓按摩中,滾軸的轉動速度需求很小。又由于電機被設置在按摩機構附近,其形狀大小受到了限制。為了符合低轉速和小尺寸的要求,因此選擇了微型步進電機。而電機的扭矩受到電機直徑和長度的制約,因此本文提出機構所用電機能否滿足驅動機構正常運轉的要求,即本機構合理性的論證,需要通過對運轉過程中輸入動力與輸出載荷和損耗的評估來完成。2.1機構正常運轉參數縱向上的按摩運動,如圖6所示,電機通過多級齒輪嚙合作用,帶動兩個按摩輥進行相向轉動;而按摩輥直接對眼瞼外表面進行滾壓操作。從圖6中可以看出,按摩過程中機構的總體輸入為電機提供的動力,輸出為按摩負載和機構各部位間的損耗。其中損耗具體表現為:按摩輥兩側與支撐壁之間的摩擦、齒輪側面與支撐壁之間摩擦以及各個轉軸與支撐壁摩擦。即:根據能量守恒定律,按摩機構輸入總功等于輸出總功。又由于物體轉動的功率等于轉矩與角速度的乘積,按摩運動過程中的各個部分的角速度可以進行歸一化處理,這樣可以運動的能量評估可以轉化對電機輸入轉矩與輸出合轉矩之間的比較。同時,多次計算驗證中發現,電機的功率通常是能夠滿足要求的,限制其應用的主要參數是轉矩的大小。文中涉及兩個主要的處理過程,即對相似部件的參數統一化處理和對輸出參數的極大值處理。用以簡化計算,并且補償實際制作裝配過程中可能的精度誤差。其中統一化處理的參數為:(1)按摩輥上的齒輪z1和傳動齒輪z2,其角速度前一種均為ω1,后一種均為ω2,并且(2)轉軸均采用相同碳鋼軸;(3)按摩輥及齒輪等與支撐臂之間的接觸面為相同大小的圓面,半徑為R=1.35mm。從圖7的模型可得出:按摩過程中負載為按摩輥與相貼近氣囊之間摩擦阻力,其近似值按摩輥及齒輪與支撐壁之間的摩擦損耗可以近似計算如下:轉軸與支撐壁之間的摩擦損耗可用式(4)表示:式中M負載表示按摩輥作用面上的轉矩,N總為按摩壓力,G總為齒輪、按摩輥以及轉軸的重量和,R上輥和R下輥分別為上、下按摩輥直徑。摩擦系數為:μ1-按摩輥與氣囊,μ2-塑料與塑料,μ4-碳鋼與塑料。其中0≤i≤1用來表示按摩輥的運轉過程,k=0.5表示支撐壁上壓力與按摩壓力的比例系數,均取極大值估算。綜上,縱向按摩結構的總輸出為:假定按摩壓力N總為500mN,ω2=3rad/s,并代入其他已知設計量,μ1=0.244、μ2=0.14、μ4=0.34、G總=13.8180mN。計算得到機構正常運轉最大總輸出量為POUT=5.46×10-3W。按摩儀中所選的電機額定輸出轉矩為25×10-5kg·m。計算中,直齒輪漸開線齒輪的外嚙合效率為0.99,由圖5所示,齒輪組的級數為三級,則齒輪的傳動效率η=0.993≈0.97。則計算經齒輪傳動輸出的功率為P電機=ηM電機ω2=7.13×10-3W>POUT=5.46×10-3W。證明所選電機能夠實現驅動所設計的按摩輥實現按摩功能。2.2量輸出的運動能力橫向上的掃掠運動也是由一步進電機驅動的。在此方向上,按摩模塊在一段圓弧道滑軌上勻速往復運動。其中,能量輸入為步進電機的轉矩輸入,能量輸出包括滑軌與支承之間的摩擦損耗以及按摩輥與氣囊之間的摩擦損耗。運動受力分析如圖8所示。由圖8得,其中氣囊與按摩輥之間的力如上文所述為N總,方向相反。N支承與按摩模塊總體質量相關,令N支承=40mN,使之遠大于正常值,以作估算。根據設計尺寸,可知為相嚙合的齒輪齒圈中徑的反比。代入已知量后,得到由PIN橫向=P電機>>POUT橫向,可以看出所選電機能夠正常驅動所設計的橫向上的往復掃掠運動。2.3大學生性別自我服務采用3D打印技術,用PVC材料制作了樣機一臺。對所制作的上下眼瞼按摩及掃掠機構樣機分別就瞳距調節、按摩力度調節、掃掠覆蓋效果進行實測,其中瞳距調節、按摩力度調分別在瞳距相差較大、臉型各異的10名志愿者的眼部進行了瞳距調節和按摩力度調節的功能性實驗;而掃掠覆蓋效果則在一化妝用硅膠頭模的眼部覆一層復寫紙,分別進行了一個周期掃掠覆蓋效果和多周期掃掠覆蓋效果的測試。從硅膠頭模的一個周期掃掠在復寫紙上的印跡也定性地得到了按摩力度的客觀性評價結果。測試結果:瞳距調節距離滿足最大瞳距調節要求;通過頭帶長度調節機構可實現按摩力度大小調節,志愿者主觀按摩力度測試和頭模客觀定性分析結果證明滿足要求;頭模眼部復寫紙的掃掠覆蓋效果測試證明所設計的機構實現了瞼板腺區域的全覆蓋。所設計的按摩機構達到了預期目