一种智能艾灸装置的创新设计

陈越，孙亮波，骆明炎，彭文凯，秦鸿程，刘婷婷

一种智能艾灸装置的创新设计

陈越，孙亮波*，骆明炎，彭文凯，秦鸿程，刘婷婷

（武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048）

针对传统艾灸智能化程度不高、家用艾灸仪器成本偏高、便携性较差等问题，研究设计了一款智能艾灸装置。该装置仅需将艾绒从进料口放入，由艾条成型装置将艾绒压缩成型，剪切点燃一体装置点燃已成型的艾条，便可进行艾灸。艾灸过程中由传感器采集温度，单片机控制艾条推进装置推送艾条以及剪切点燃一体装置剪切艾灰，使之达到控温效果。该智能艾灸装置具有智能控温、整体结构紧凑小巧、便携程度高的优点，有很好的市场推广价值。

艾灸；艾条成型装置；剪切点燃一体装置；温度控制

对于艾灸[1-2]，目前大多数中医院还是选用传统人工操作的木质艾灸盒，既不方便也不安全。目前市场上出现的一些艾灸仪器，如表1、图1所示，尽管功能较为丰富，但存在成本过高、便携性不足、智能化程度不高、作用部位有限、操作不便、艾灸效果不明显等问题，并不适合家庭使用和推广。

本文研究设计了一种智能艾灸装置，使用者仅需将低成本的艾绒从进料口放入，启动装置，将手臂放于支撑平台上，就可实现智能控温的艾灸理疗。此装置成本低、操作方便、便携性高，性能稳定且安全，有利于家用推广[3]。

1 智能艾灸装置设计思路

本文设计的智能艾灸装置，设计思路如图2所示、三维模型如图3所示，其在保证产品疗效的基础之上，从艾灸原材料处理、降低艾灸成本、实现控温与多穴位艾灸、便携性等方面来解决优化现有艾灸装置存在的问题，结构紧凑、使用方便。

表1 市场现有产品性能分析

图1 市场现有产品图

图2 设计思路图

图3 智能艾灸装置外观渲染图

智能艾灸装置主体长535 mm、宽82 mm、高130 mm。其中，艾条成型装置主要用于将艾绒压缩成艾条；艾条推进装置主要用于推进艾条，实时保持温度，并便于后续艾灰的剪切；剪切点燃一体装置主要用于点燃已成型的艾条，并定时剪切艾灰；支撑平台装置用于放置需要艾灸的手臂，使用者可以自主控制艾灸部位以及艾灸距离远近，实现人为控温。

2 功能分析与实现

2.1 艾条成型装置

2.1.1 功能实现

艾条成型装置由一对心曲柄滑块机构、电机以及一对锥齿轮系组成，如图4所示。对心曲柄滑块机构用于将投入的艾绒压缩成艾条，锥齿轮系起到降速的作用。第一电机为小锥齿轮提供动力，小锥齿轮带动大锥齿轮转动，大锥齿轮带动转动曲柄同步转动。曲柄滑块机构由转动曲柄、连动杆、推送套筒和推动滑块共同组成。其中，推动滑块的行程为30 mm，其在推送套筒内来回滑动，压实从进料口（图5）投入的艾绒。推动滑块设计成与推送套筒同长，能够起到防止艾绒卡滞的作用。艾绒压实后，电机停止驱动。

具体结构连接如图5所示，成型套筒与固定支架之间固定连接；成型套筒上分别设置有进料口以及用于容纳压缩成型的艾条的中空腔（成型套筒的圆柱形部分）；推动滑块（图4）与成型套筒的中空腔之间形成间隙配合。

为了方便改变第一电机的安装位置，并减小艾条成型装置的空间占用，采用结构设计为：连动杆的一端与转动曲柄活动铰接，另一端与推动滑块活动铰接；转动曲柄与大锥齿轮固定连接，小锥齿轮和大锥齿轮之间形成啮合传动。另外，小锥齿轮和大锥齿轮所形成的齿轮传动区域采用保护罩进行包覆固定，以提高艾条成型装置传动部分的安全性和可靠性。

2.1.2 运动仿真和动力分析

根据推动滑块的行程为30 mm，以及考虑到艾灸装置的结构紧凑性，借助SolidWorks初步仿真，将转动曲柄长度定为17 mm，连动杆长度定为45 mm，推动滑块长度定为130 mm，如图6所示。此时艾条成型装置的各个构件不会发生干涉，用SolidWorks进行motion分析，未出现报错。将SolidWorks模型转换为x_t格式，导入ADAMS中，对各个构件进行材料设置（铝材质-(2740.0(kg/meter**3))）、重力设置、运动副设置，最后对转动曲柄添加驱动，并进行运动仿真。

1.第一电机；2.小锥齿轮；3.大锥齿轮；4.转动曲柄；5.连动杆；6.推送套筒；7.推动滑块。

1.成型套筒；2.固定支架；3.进料口；4.保护罩；5.盛灰盒。

1.转动曲柄；2.连动杆；3.推动滑块；4.推送套筒；A、B、C分别为机架和构件1、构件1和2、构件2和3之间的活动铰链中心。

使用图像处理模块获取相应各机构的运动曲线。其中，ADAMS驱动的Function(time)参数取决于电机的相关参数，选用合适的马达作为艾条成型装置的动力源，经锥齿轮系的减速作用，计算出曲柄的转速：

式中：1为马达转速，r/min；2为曲柄转速，r/min；1为小锥齿轮齿数；2为大锥齿轮齿数。

设置：1＝240 r/min；1＝30，2＝60。

计算得：2＝120 r/min。

将曲柄转速转换为：

d*time＝2×360/60 （2）

式中：d*time为ADAMS中的函数时间，°/s

得到ADAMS中的Function(time)为720d* time，在驱动设置中输入该数值，得到推动滑块在轴上的位移/速度/加速度－时间图，如图7所示。

图7 推动滑块在X轴上的位移/速度/加速度－时间图

加速度[6]为：

式中：为加速度，m/s2；为曲柄角速度，rad/s；为的长度，m；为转动时间，s；为构件2的长度，m。

已知：＝4π rad/s，＝0.017 m，＝0.045 m。

计算得推动滑块加速度峰值约3.695 m/s2。

由图7中的加速度－时间曲线，可得推动滑块加速度幅值约为3.7 m/s2，与计算结果相符。假定推动滑块所受的反力（艾绒对滑块的压力）为恒定值，易知：转动曲柄转动到某一时刻会有最大转矩，而推动滑块所受的反力是变化的，故假设转动曲柄转动到最大转矩时刻，推动滑块所受反力刚好与艾绒压缩过程中出现的最大反力相等，为＝70 N（估计值），则此条件下算出的最大转矩大于实际最大转矩，其可作为电机选择的参考依据。由ADAMS质量分析可知，铝质滑块质量＝4.37×10-2kg，由推动滑块的加速度和质量数值可知，推动滑块本身的质量对转矩的影响可以忽略，则有：

F×cos ∠－＝（4）

＝F××sin(∠＋∠) （5）

式中：F为连动杆对推动滑块的作用力，N；为转动曲柄的转矩，N·m。

又因为：

财务信息安全是企业防范会计职业风险的基础。因此企业一定要利用好现有资源，建立一道安全防护网，尽可能地把好企业信息资源安全的第一关。

sin(∠＋∠)≈

令∠＝，得到函数：

为求得的最大值，使用MATLAB编程：

x=0:0.1:7；y=sin(x)+17*sin(2*x)/90；plot(x,y)

得到函数的仿真图[7]，如图8所示，并可求得的极值为1.0621，此时＝1.2591 rad。

此时可求得cos ∠≈0.934，计算出的最大值约1.35 N·m。根据[6]：

式中：为大锥齿轮所在转轴输出功率kW。

计算得：≈17 W。

符合预期要求。

图8 函数y的MATLAB仿真图

2.2 艾条推进装置

艾条推进装置用于推送艾条，方便剪切点燃一体装置及时剪切艾灰，保证艾灸效果。其由一个丝杆滑台结构组成，工程图如图9所示。其中，丝杆滑台结构包括驱动丝杆和滑动座。驱动丝杆安装在基座上，基座与盛灰盒固定连接。驱动丝杆和滑动座之间用螺纹活动连接。滑动座和推送套筒固定连接，可以实现两者同步运动。推送套筒与成型套筒之间形成间隙配合。驱动丝杆的一端通过联轴器与步进电机的输出轴连接；步进电机带动驱动丝杆转动，此时滑动座将会使推送套筒相对于基座作同步直线滑动，由此推动压缩成型的艾条向剪切点燃一体装置前进。

1.步进电机；2.联轴器；3.驱动丝杆；4.基座；5.滑动座；6.推动滑块；7.推送套筒；8.成型套筒；9.第三电机；10.安装座；11.盛灰盒。

滑台的行程为130 mm。电机由单片机系统控制，该系统采用89C51单片机为核心，位于艾灸作用口处的DS18B20温度传感器（图10）采集温度数据，进行A/D转换后送单片机处理，通过PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制技术和电机驱动模块，实现电机的转速转向控制，从而实现艾条推进装置的相关要求[8]。

2.3 剪切点燃一体装置

随着艾灸的进行，艾条燃烧部位开始积累艾灰，影响艾灸效果，所以需定时去除艾灰。剪切点燃一体装置不仅可以满足以上需求，还可以用于引燃已成型的艾条。如图10所示，剪切机构中的滑块和剪切板均有左右对称两个，且二者固定连接。艾灸开始时，启动装置，艾条成型装置开始工作，同时安插在剪切板上的电热丝开始升温，引燃紧靠在剪切板一端的艾条。剪切艾灰时，第三电机输出轴驱动曲柄逆时针转动，曲柄通过连杆驱动左右两个滑块相对于导滑轨直线滑动，带动左右两个剪切板沿着导滑轨同步相向滑动，此时两剪切板做合拢运动，从而将艾条燃烧产生的艾灰剪下，被剪切的艾灰直接落入到盛灰盒中。当剪切板去除掉艾灰后，第三电机输出轴驱动曲柄顺时针旋转，剪切板做张开运动，再利用艾条推进装置将成型套筒内腔中剩余的艾条向剪切点燃一体装置推送。综上，剪切点燃一体装置是通过左右两个剪切板的相互配合来实现艾灰的剪切功能的。

1.支座；2.曲柄；3.第三电机输出轴；4.连杆；5.导滑轨；6.滑块；7.剪切板；8.电热丝；9.温度传感器；10.散热网。

剪切点燃一体装置安装在成型套筒的出口端。为了方便了各个构件之间的连接，并提高装置剪切动作的灵活性和剪切艾灰的效率，剪切板采用半圆形结构，其直径端与剪切端相同；滑块采用T形结构件；连杆采用圆弧形结构件。剪切点燃一体装置可以简化为滑块驱动机构，其中一对分布呈中心对称的连杆两端分别与曲柄和滑块形成活动铰接，滑块与导滑轨形成滑动配合。曲柄由第三电机驱动，第三电机与安装座固定连接，安装座与成型套筒固定连接[9]。

需要说明的是，为了减小自动艾灸装置的体积，达到艾灸装置家用以及外出便携的目的，电热丝固定安装在了剪切板上，若干条电热丝共同构成X形结构，较好地整合了艾条引燃功能和艾灰剪切功能。为了增加艾灸时艾条的受热面积、提高艾灸效率，剪切板上可设置散热网，以保证艾火热力的扩散。

2.4 支撑平台装置

支撑平台装置如图11所示，用来放置手臂，使用者可通过该平台随意调节艾灸部位，以及手臂距离艾条燃烧端的远近，以控制艾灸温度。底座支撑整个平台，艾灸时先将艾灸部位放在托台上，再调节托板的支撑高度，使艾灸装置的燃烧端对准需要艾灸的部位，即可通过艾条燃烧过程中产生的艾热进行艾灸。艾灸过程中，松开横向调节旋钮，就可以使滑座与托台一起相对底座横向滑动；拧紧横向调节旋钮时，滑座与托台相对于底座保持锁定状态。当使用者觉得艾灸温度过高或过低时，便可松开横向调节旋钮以改变艾灸部位与艾条燃烧端的距离远近，从而手动控制艾灸温度，防止艾灸温度过高造成灼伤，或艾灸温度过低影响艾灸效果，保证了艾灸的安全可靠性。类似地，松开纵向调节旋钮，就可以使托台相对于底座纵向滑动，从而满足了艾灸使用者在艾灸过程中改变艾灸作用部位的需求[10]。

1.托板；2.托台；3.容纳槽；4.底座；5.滑轨；6.滑座；7.纵向调节旋钮；8.横向调节旋钮。

支撑平台装置的局部结构设计和结构连接如图12所示，滑动轴上设置有环形分布的若干限位卡槽；滑槽底部设置有一字型分布的若干定位凸起，滑槽顶部设置有与定位凸起对称的让位槽。这样的结构设计是为了使限位卡槽与定位凸起、让位槽之间形成卡合结构，通过卡合结构使托板相对于托台的角度可以实现分级变化，从而使得托板的支撑高度实现多级调节。需要说明的是，可以使托板相对于托台处于竖直状态，此时托板的支撑高度最高；艾灸完成时，也可以将托板水平摊开至平铺状态，即将托板收纳入托台的容纳槽中。托台上设置有排气孔，排气孔与容纳槽连通，横向滑轨与纵向滑轨也开设有若干排气孔[11]。设置排气孔的目的，一方面是在一定程度上减重，提高艾灸装置的便携性，另一方面，可以有效地平衡支撑平台装置的内外大气压，从而提高装置各部分间相对滑动的流畅性。

1.托台；2.排气孔；3.托板；4.容纳槽；5.滑动轴；6.销轴；7.限位卡槽；8.滑槽；9.定位凸起；10.让位槽。

3 结论

本款智能艾灸装置，集艾条成型、艾条推进、艾条点燃、艾灰剪切、温度控制等功能于一体，与市场已有产品相比，有如下优点：

（1）选择艾绒作为艾灸的原材料，利用艾条成型装置将艾绒压缩成型，降低原材料成本；

（2）利用传感器控制艾条推进装置推送艾条，在实现智能控温的同时，便于艾灰剪切；

（3）点燃与剪切功能由同一机构实现，位于艾条成型装置的前端，提高装置的空间利用率，保证艾火热力的扩散；

（4）艾条在成型套筒的空腔内被剪切点燃一体装置点燃，点燃后的艾条在燃烧过程中不会发生扭转，不易发生艾火脱落，很好地避免了烧伤甚至火灾事故。

该装置可以实现艾灸的基本流程，且安全可靠、结构紧凑、使用方便，为家用艾灸市场提供了一种可行性方案。

[1]徐森磊，张宏如，顾一煌. 艾灸温热刺激对血流量的增加作用及其相关机制探讨[J]. 针刺研究，2018，43（11）：738-743.

[2]袁娟，胡玲，宋小鸽，等. 艾灸对类风湿性关节炎大鼠关节滑膜组织Toll样受体4-骨髓样分化因子88-核转录因子-κB信号通路的影响[J]. 针刺研究，2015，40（3）：199-204.

[3]王丽，王志刚. 智能控温的艾灸装置研究[J]. 数码世界，2019（8）：117.

[4]何毅斌，胡荣博，刘慧，等. 基于ADAMS的曲柄滑块机构运动仿真研究[C]. 湖北省机械工程学会机械设计与传动专业委员会暨武汉市机械设计与传动学会第22届学术年会论文集，2014：42-44.

[5]王颖，张维强. 基于ADAMS的偏置曲柄滑块机构的运动学及动力学仿真研究[J]. 科学技术与工程，2010，10（32）：8042-8045.

[6]潘银松. 机械原理[M]. 重庆：重庆大学出版社，2016：241.

[7]李海珍. 基于MATLAB的函数极值实验研究[J]. 内蒙古煤炭经济，2020（6）：150-151.

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[9]孙亮波，骆明炎，朱高玮，等. 一种剪切点燃一体装置[P]. CN112245275A，2021-01-22

[10]杨培，刘丽媛，张颖，等. 智能艾灸操作装置的研制[J]. 白求恩医学杂志，2019，17（3）：269-270.

[11]桂慧，骆明炎，朱高玮，等. 一种支撑平台装置[P]. CN112220672A，2021-01-15.

Innovative Design of an Intelligent Moxibustion Device

CHEN Yue，SUN Liangbo，LUO Mingyan，PENG Wenkai，QIN Hongcheng，LIU Tingting

(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430048,China)

In order to solve the problems of traditional moxibustion devices, such as low intelligent degree, high cost and poor portability, an intelligent moxibustion device was designed. We only need to put the moxa into the feed inlet. The moxa is compressed and molded by the moxa-stick forming device, and the molded moxa-stick is ignited by the shearing and igniting integrated device, so that moxibustion can be carried out. In the process of moxibustion, the temperature is collected by a sensor. The single-chip computer controls the moxa-stick propulsion device to push the moxa-stick and the shearing and igniting integrated device to cut the moxa ash to achieve the effect of temperature control. The intelligent moxibustion device has the advantages of intelligent temperature control, compact overall structure and high portability, which shows the good market promotion value.

moxibustion；moxa-stick forming device；shearing and igniting integrated device；temperature control

TM732

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.07.010

1006-0316 (2022) 07-0059-07

2021-09-24

国家自然科学基金（51875418）

陈越（2000－），男，湖北宜昌人，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，E-mail：1052145822@qq.com。*通讯作者：孙亮波（1979－），男，湖北天门人，博士，副教授，主要研究方向为机械设计及理论、机械创新设计、机构学，E-mail：4117449@qq.com。