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1.1课题背景
生活节奏加快，在快节奏的生活中，人们面临着各种压力，如工作、学习、生活等。这导致很多人长时间处于紧张状态，容易出现肌肉疲劳、紧张和疼痛等身体不适。因此，人们需要一种有效的方式来缓解压力，保持身体健康[1]。随着社会的发展，竞争越来越激烈，工作压力也在不断增加。长时间的工作会导致肌肉紧张、颈椎疼痛、腰椎间盘突出等问题，因此智能按摩椅应运而生。智能按摩椅可以帮助缓解工作带来的身体疲劳和不适[2]。智能按摩椅作为一种辅助性的健康工具，可以帮助人们在生活中进行自我保健，预防疾病的发生[3]。 随着计算机技术、人工智能、生物力学等领域的不断发展，为智能按摩椅的研发提供了强大的技术支持。这使得按摩椅在功能上越来越强大，可以提供更加多样化和个性化的按摩服务[4]。随着生活节奏的加快和工作压力的增加，越来越多的人进入亚健康状态，根据有关机构的调查结果表明，现在社会上身体完全健康而符合标准的人仅占5%，已被确定患有各类疾病的人群约占 20%，那么亚健康人群占总人数的75%。很多亚健康的人群都是由于长时间高强度的工作却又缺乏保养，从而出现了腰、肩关节疼痛和肠胃的消化不良、经常失眠、内分泌失调导致工作效率低下等症状[5]。根据调查结果表明，在法国发生的 30%的工作安全事故都跟员工的疲劳工作有关。16 年前美国的睡眠基金会做了一个调查并得出了一个研究结论：当员工的身体处于疲惫状态时，如果他还坚持工作，将会严重影响公司的业绩，在美国的所有企业中，每年由于员工疲劳工作而造成的损失超过 180 亿美元[6]。2010 年的《中国人才发展报告》显示中国现在已经成为了全世界工作时间最长的国家之一，在我国每年大约有多达 60 万的人因为经常疲劳加班、睡眠不足而过劳死，有近 70%的知识分子正走在“过劳死”的边缘[7]。由此可见，带着疲劳的身体强行工作不仅不能给企业带来很好的业绩，有时相反会造成巨大的损失，更重要的是，疲劳工作而缺乏对身心的放松已经成为威胁人们健康和生命的最大杀手。当前人们的物质生活水平不断地提高，越来越多的人开始追求高品质的生活方式，随着人们对健康越来越多的关注，如何缓解疲劳、释放身心的压力已成为人们追求健康生活的主题，而预防和保健也已备受推崇[8]。我希望我的课题研究可以有助于按摩椅的改进，帮助人们缓解健康问题。
1.2国内外研究现状
国内20世纪80年代国际间贸易往来活跃，智能按摩椅进入中国市场、截止到20世纪90年代，已有大批厂商布局中国市场[9]。21世纪，知名智能按摩椅厂商开始大力深耕中国市场，布局一二线城市，同时全球产业链也向中国转移。现阶段，家电家居等原主营产品并非智能按摩椅的卖家，开始跨界涌入智能按摩椅市场，国内市场百花齐放[10]。随着中国居民亚健康状态的加剧，居民人均医疗保健支出呈现逐年上涨态势，根据数据显示，中国居民人均医疗保健支出从2013年的912元上涨至2022年的2120元，年复合增长率为9.83%[11]，未来随着居民人均可支配收入的增加，保健意识的增强，人均医疗保健支出想会继续上涨，这也成为中国智能按摩椅行业的发展一大驱动因素[12]。人工智能、云计算、大数据等信息技术的飞跃发展改变了人们的生活，智能家电家居是主要的受益场景之一[13]。近几年，我国出台各类政策鼓励重点研发适应消费升级的智慧家庭产品，提升智能家居在照明、监控、娱乐、健康、教育、资讯、安防等领域的用户体验，这就为智能化、多功能化的智能按摩椅产品研发和创新提供了政策土壤[14]。随着国民健康意识的提升，亚健康问题会进一步受到各年龄层的消费者关注，因智能按摩椅未来的消费人群覆盖会更加广泛产品使用的渗透率也会同时提升。按摩椅产品在功能打造方面也有更多的想象空间，给消费者带来升级的按摩体验，消费者会更加追求品质，注重品牌，因此高端及豪华按摩椅需求增多[15]。未来，注重产品研发和技术创新应用的专业的按摩椅品牌会进一步占领消费者心智，市场份额进一步提升、产品备受消费者青睐[16]。
国际上按摩器具在国际市场增长明显从全球按摩器具的行业规模来看，整个全球按摩器具从2011年以来增长态势明显，年复合增速高于8%。从生命周期来看，全球按摩器具市场已步入成熟期，增长稳健。目前全球按摩器具是主要消费市场欧美、日本等均已发展成熟，未来将继续稳步发展趋势[17]。
目前，世界人口老龄化及富裕化的趋势为医疗消费支出增长提供了可能，同时也为医疗器械行业的发展奠定了基础。虽然全球经济衰退，但医疗器械行业仍然保持良好的发展势头。据美国一调查显示，美国医疗自动化技术市场在2008年的规模为120亿美元。预计该市场于2009年将成长到131亿美元，2014年达到232亿美元的规模[18]。进入21世纪以来，按摩器具行业经过几十年的市场培育，全球已形成北美、欧洲、东亚和东南亚几个主要消费区域，而在生产领域，伴随着中国作为世界制造中心的崛起，全球按摩器具产业链开始向我国转移。目前，台湾地区的按摩器具生产已基本完成转移，日本厂商也逐步退出了按摩小电器、中低端按摩椅等单价较低产品的生产，专注于高性能全功能按摩椅等按摩产品的研发与生产。
国内外研究对按摩椅的技术创新起着至关重要的作用。通过研究，可以推动按摩椅的功能不断升级和完善，提升产品质量和用户体验，推动整个行业的发展。研究现状可以帮助按摩椅制造商更好地了解市场需求，根据消费者的需求和趋势调整产品设计和销售策略，提高产品的竞争力。通过研究，可以促进按摩椅行业的规范化和标准化发展，帮助企业制定产品标准，提高行业整体水平，保障消费者权益。因此，国内外研究对按摩椅行业的意义非常重要，可以促进行业的健康发展，提升产品质量和用户体验，满足消费者的需求。
1.3智能机械按摩椅的研究意义
智能机械按摩仪能够提供多种按摩方式，如揉捏、推拿、敲击等，以适应不同用户的喜好和需求，帮助他们缓解压力、改善睡眠质量、促进血液循环。智能机械按摩仪通常配备有高精度的传感器和执行器，能够实现对人体肌肉群的精确按摩，尤其是针对特定区域的深层肌肉，从而提供更加个性化的按摩体验。智能机械按摩仪可以通过人工智能技术实现自动化和智能化，如用户可以通过手机应用程序设置按摩程序、调整按摩强度和时间等[19]。
此外，智能机械按摩仪还可以根据用户的身体状况和健康数据，提供相应的建议和推荐。便捷性：智能机械按摩仪具有方便携带和使用的特点，用户可以随时随地享受按摩服务，无需到特定的按摩场所。不同的用户对按摩的需求和偏好各不相同，智能机械按摩仪可以通过用户数据收集和分析，提供更加个性化的按摩体验。智能机械按摩仪通常配备有安全传感器和算法，能够检测用户的身体状况和反应，及时调整按摩强度和方式，以确保用户的安全。随着人们健康意识的不断提高，按摩服务的需求也在不断增长[20]。智能机械按摩仪作为一种新兴的按摩方式，具有广阔的市场前景和发展潜力。它不仅可以满足人们日常按摩的需求，还可以应用于医疗康复、军队康复等领域。智能机械按摩仪的使用可以减少对人工按摩服务的依赖，降低人力成本，同时也可以减少对环境的污染和资源的消耗[21]。此外，智能机械按摩仪的制造和使用还可以带动相关产业的发展，如人工智能、机器人技术、传感器等领域的创新和发展。综上所述，智能机械按摩仪的研究意义重大，不仅可以满足人们日常按摩的需求，提高人们的生活质量，还可以推动健康产业的发展、促进技术创新和辅助医疗。此外，智能机械按摩仪的研究和开发也将为相关领域的技术发展带来新的机遇和挑战。因此，开展智能机械按摩仪的研究具有非常重要的现实意义和应用价值。
1.4设计内容安排
结合人体工程学和传统中医按摩理论相关知识，设计一种新型电动按摩椅机械装置，它主要由按摩椅机架和用于颈、肩、背、腰等部位按摩的按摩机芯组成。通过对按摩椅机械装置的功能要求进行研究分析，结合人体工程学尺寸要求和中医按摩手法要求，开展机构原理的设计和模型的建立，从而完成一款电动按摩椅机械装置的设计。运用CAD绘图软件设计智能机械按摩椅的结构框架，再运用 Solidworks 软件建立虚拟样机模型并根据需要对虚拟样机模型进行调整，基于proe对模型进行静态、动态特性分析和疲劳特性研究，根据结果进行相应的结构优化设计。
2.设计方案
2.1设计任务
(1)查阅相关技术文献15篇以上，其中至少有3算外文相关文献，文献年份要求大部分为近5年文献，并将其中2篇不少于2000单词的外文资料翻译成汉语。
(2)完成进行智能按摩椅总体方案的结构设计，包括按摩头的位置和大小的设计，传动设计与校核，按摩椅轴设计与校核，颈部与背部等连接部位的设计与校核等。
(3)绘制总装配图A0,主动齿图Al,从动齿图A3,后缸盖、回转轴、连接体A3图:录制运动仿真视频与电路仿真视频，通过人机界面(触摸屏)加PLC的方式实现对智能按摩椅的逻辑控制、操作控制和在线监测等。
22.2.2设计要求
(1)功能要求。智能机械按摩椅的设计应满足用户最基本的使用需求，迎合市场发展的趋势，能实现对颈、肩、背、腰等部位的揉捏、拍打、振动等。
(2)尺寸要求。智能机械按摩椅除了需要较好的功能外还应要有合适的尺寸，一款按摩椅按摩效果是否舒适与合适的尺寸是密不可分的，过大的尺寸会导致人体与按摩装置接触不充分从而达不到预期的按摩效果，而过小的尺寸则会给用户造成拥挤感，不能充分释放身体的紧张和压力。
(3)稳定性要求。一个合格的智能机械按摩椅应具有良好的结构稳定性和功能稳定性，另外对突发情况也应有一定的缓冲稳定性。
(4)强度与刚度要求。从智能机械按摩椅的使用安全性考虑，按摩椅的机构必须具备一定的强度与刚度，以保证智能机械按摩椅的使用过程中不会发生结构的突然破坏，保证按摩功能能持续有效的进行下去，各按摩功能元件与支撑结构也应满足一定的疲劳特性要求。
(5)基本参数与性能要求。机械智能按摩椅应按国标GB100-1988标准设计，坐高选取440mm，坐宽选取470mm，坐深选取480mm，搁脚深度选取410mm，背高680mm，背宽470mm，且要求能实现有对颈、肩、背、腰等部位的揉捏、拍打、振动等按摩功能。
2.3设计方案
针对于智能机械按摩椅的座框结构的设计方案，市场常见的设计方案有以下两种[22]第一种设计方案的大致结构如图 2方案一所示，按摩椅机架主要由电动推杆、靠背、搁脚、座位等部分组成，靠背由电动推杆控制前倾或者后仰，搁脚由电动推杆控制抬高或放下。方案一的优点是：结构简单，没有复杂的电路；配件互换性高，便于维修；总体的质量较轻，方便运输；纯机械结构占比高，可靠性强，使用寿命高；制造工艺简单，制造成本低占据价格优势。缺点是：功能单一不够智能；可按摩可调整的位置较少，没有更好的用户体验；运动状态比较单一 ，不能实现多种运动状态。
第二种设计方案的大致结构如图 3方案二所示，按摩椅机架主要由电动推杆、座位、搁脚、搁脚抬升杆、靠背以及底座等组成。这个方案中，坐框和靠背是联动的，它们在电动推杆 2 的驱动下相对于底座运动，当电动推杆 2 伸长时，座面沿着两条导向轨道向前移动，同时带动靠背的旋转。电动推杆 1 则用于驱动搁脚的抬高或放下。方案二的优点是：功能丰富，可提供多种按摩模式，可带来更好的用户体验；有多种运动状态，可调整多处位置，满足更多需求；缺点是：结构复杂，有很多复杂电路，造价高；配件互换性低，不便于维修；总体的质量太高，不利于运输；制造工艺复杂；有太多电器元件，可靠性低，使用寿命低
图1 方案一单动结构
图2 方案二联动结构
对比两种方案的机构原理图进行机构选型，方案一原理最为简单，但是对于同时实现零重力和零靠墙的功能要求比较困难，方案二机构原理较为复杂，实现了坐框和靠背的联动，靠背倾斜时同时向前移动，能够同时实现零重力和零靠墙功能。
综合方案一与方案二，我们对其结构进行改进，如下图3简化联动结构，为本文的设计方案。
图3 简化联动结构
然后我们对方案是否满足机械原理的运动规律进行论证，对所示的三种平面机构原理图进行自由度的计算以验证其的运动特性，可根据机械原理的理论可知，平面机构的每个构件的自由度为3，其中分别为2个移动自由度和1个转动自由度，由机械原理可知一个转动副或移动副的平面低副可限制构件的2个自由度，一个平面高副可限制构件的1个自由度。平面机构的自由度计算公式如下：
 (2-1)
其中：pl为低副的个数；ph为高副的个数；n活动构件的个数。
三种设计方案的自由度计算结果如下：
方案一：F=3×6-(2×8+0)=2 (2-2)
方案二：F=3×12-(2×17+0)=2 (2-3)
方案三：F=3×11-(2×16+0)=1 (2-4)
由机械设计原理可知平面机构具有确定运动规律的充要条件是机构的自由度数等于原动件数目，从以上的计算结果可知三种机构图的方案自由度数均是等于机构的原动件的数目，从而可验证这三种机构满足具有确定运动规律的条件，可得出方案的可行性。
对比这三种方案，方案一的原理最为简单，但是对于实现零重力和零靠墙的基本功能要求会比较的困难，方案二虽然结构较为复杂，可以实现靠背和坐框的联动，在靠背进行倾斜运动时可以同时实现向前移动，基本可以满足零靠墙功能和零重力等基本功能，方案三是对方案二与方案一的结构改进，可以实现靠背、坐框以及搁脚的三重联动，在能够满足零重力和零靠墙等基本功能的同时节省了使用电动推杆的数量，从而大大节省了材料成本和安装成本，可确定方案三为最佳方案。
(2) 智能机械按摩椅的按摩机芯设计
 按摩机芯是按摩椅机械装置的核心部件，根据设计要求，本文设计的是一种具有按摩功能的按摩机芯，要求能够实现模仿传统中医按摩手法中人的手法对人体进行揉捏、拍打、振动等按摩功能。根据功能原理分析，按摩机芯功能元实际上是多个功能的复合，故而在对按摩机芯功能元进行机构设计时按照功能要求将其拆分为多个简单机构，然后再将这些简单机构复合在一起，构成整个按摩机芯功能元的机构原理。首先对揉捏功能进行设计，参照国内外高端按摩椅产品，选择实现揉捏功能的执行元件为 V 型揉板，在揉板的两端设置按摩头（或称按摩球）对人体背部进行揉捏动作，如图 4 所示为 V 型揉板及按摩头的示意图。要想更真实的模拟人的手法，需要使揉板既能左右摆动，又能有一定的前后伸缩，以立体的动作模仿真人的手法，揉捏功能机构设计的核心在于驱动揉板运动的旋转主轴的设计，对驱动揉板的机构进行设计，如图 5所示为两种实现揉捏功能的3D建模图。
 图4 按摩板及按摩头示意图
图5 按摩板及按摩头的三维建模图
机械智能按摩椅的设计流程示意图大致如下：
图6 智能机械按摩椅的设计流程示意图
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