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[摘要]随着生活水平的提高，人们对生活中各种体验的要求也越来越高，如在传统沐浴的时候，主要是通过人的手进行简单的搓洗，极不方便，更谈不上舒适；对于残疾人士来说，更是不便于生活；于是一些代替人手搓背的洗浴产品应运而生，而现在大多数搓背器为单柄手持式电动搓背器，在一定程度有不小的局限性。
而本文介绍的搓背器，具有无须手持，自动运行，而且运动可以随着体验者的喜好调节，具有使用方便、适应多种人群、更加舒适的特点。对于家庭、校园澡堂、公共浴室等场所，具有极大的经济和社会效益。
[关键词]搓背器轮系Matlab电机驱动啮合设计
中图分类号：TH112.3 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）31―0302―02
一、外形及工作原理
图1
该产品机械外形如图1，整体呈箱体式，外观体积小，美观节约空间；外壳采用尼龙板材料，保证强度的同时也实现防水闭电；
工作原理：中间电机带动该产品的澡头部分旋转运动，上下运动则由顶部电机电动丝杆旋转，从而带动固定澡头的太阳轮箱体上下运动，从而澡头间接上下运动，而小澡头的圆周运动则因扭力带动，小澡头的垂直运动，则由垂直方向上背部施加的压力以及里面的弹簧相互作用产生。通过控制电机的加减速、正反转来增强体验效果。
二、机械结构运动
1.澡头部分的上下运动主要由上面的电机1驱动滚珠丝杠旋转，丝杠的法兰固定在装有固定电机1的箱体中，丝杠旋转从而带动电机2固定箱上下运动，利用间隙配合工作的四根导杆作为稳定上下滑动的保证。
2.澡头的旋转运动则由电机2带动行星轮里面的三角支架旋转，三角支架带动行星轴转动，行星齿轮固定在行星轴上，三个行星齿轮又与太阳轮啮合，实现电机转动的时候使三角支架上的三个齿轮做圆周运动，从而带动行星轴上的三个澡头做圆周运动，通过合适的齿数比可获得较合适的圆周运动速度。
三、电路控制
丝杠、凸轮、澡头的旋转运动采用直流电机驱动，考虑到运动所需力矩较适中，可以采用变压12v直流供电。
电机驱动采用L298芯片的驱动模块，其H桥电路可以实现控制电机的正反转。
二个电机由51单片机统一控制，采用STC12C5A60S2单片机控制，该单片机具有两路PWM波输出功能。两路PWM波分别控制竖直方向的丝杠运动与实现水平方向运动的凸轮运动。
通过遥控控制模块控制电机的运动，实现单片机程序功能，将各路电机的启停控制、速度换挡控制、转反转交替，简单便捷。
控制电路主要原理图设计如下：
图3
四、运动与受力分析：
4.1受力分析
丝杠滚珠轴承的受力分析：
式中：T—力矩 ； P—功率 ；n—转速。
上升时有：
下降时有：
式中：L—回转寿命（转数）； —额定动载荷（N）；
—是轴向载荷（N）； —是载荷系数
匀速运行，非精确计算可以套用以下公式：
式中：Ta—驱动扭矩kgf.mm；Fa—轴向负载N（Fa=F+μmg）；
F—丝杠的轴向切削力N；μ—导向件的综合摩擦系数，
m—移动物体重量（工作台+工件）kg；I—丝杠导程mm； —进给丝杠的正效率。
水平使用滚珠丝杠驱动扭矩及电机功率计算：
实际驱动扭矩：
式中：T—实际驱动扭矩； —等速时的扭矩；
—加速时的扭矩；e—裕量系数。
等速时的驱动扭矩：
式中： —等速驱动扭矩kgf.mm；Fa—轴向负载N（Fa=F+μmg）；
F—丝杠的轴向切削力N；μ—导向件综合摩擦系数；
M—移动物体重量（工作台+工件）kg；
I—丝杠导程mm； —进给丝杠的正效率。
加速时的驱动扭矩：
式中： —加速时的驱动扭矩kgf.m； —等速时的驱动扭矩kgf.m；
J—对电机施加的惯性转矩kg.m²；W—电机的角加速度rad/s²；
4.2运动分析
由于机构主要运动为x-y平面上的移动，所以选取澡头电机的中心点作为分析对象。中心点速度已知，根据运动合成原理利用Matlab软件进行模拟分析。
由于澡头上各点相对于行星轴轴心做圆周运动则，轴心的运动轨迹曲线与澡头上各点的轨迹曲线应满足凸轮实际曲线与理论曲线相类似的关系。
则再次生成澡头上点与行星轮轴心的运动包络线如下图4所示：
图4
结论：
有轨迹可以看出澡头运动无明显突变，较为平顺，且能覆盖整个设计面积。
同时，可以利用ADAMS软件分析澡头输出点的合成速度、加速度，生成曲线，可以发现澡头运动无明显突变，较为平顺。搓澡速度连续性、平顺性较好，更为舒适。
参考文献
[1] 张春林.机械创新设计【M】.机械工业出版社，2007
[2] 肖世德等.机电一体化系统监测与控制【M】.西南交大出版社，2011
[3]（美）Solidworks高级教程：高级装配（叶修梓、陈超祥译）[M].北京：机械工业出版社，2007，1-120
[4] 机械原理（第2版）高等教育出版社出版主编：谢进 万朝燕 杜立杰 2010
[5] MATLAB教程 北京航空航天大学出版社：张志涌，杨祖樱2010
作者简介
谢方祥（1992—— ），男，湖南常德人，西南交通大学机械工程学院2010级本科生，专业方向：建筑环境与设备工程；
同晓雅（1991—— ），女，陕西渭南人，西南交通大学机械工程学院2011级本科生，专业方向：测控技术与仪器；
李鹏飞（1992—— ），男，安徽阜阳人，西南交通大学机械工程学院2010级本科生，专业方向：车辆工程。
而本文介绍的搓背器，具有无须手持，自动运行，而且运动可以随着体验者的喜好调节，具有使用方便、适应多种人群、更加舒适的特点。对于家庭、校园澡堂、公共浴室等场所，具有极大的经济和社会效益。
[关键词]搓背器轮系Matlab电机驱动啮合设计
中图分类号：TH112.3 文献标识码：TH 文章编号：1009―914X（2013）31―0302―02
一、外形及工作原理
图1
该产品机械外形如图1，整体呈箱体式，外观体积小，美观节约空间；外壳采用尼龙板材料，保证强度的同时也实现防水闭电；
工作原理：中间电机带动该产品的澡头部分旋转运动，上下运动则由顶部电机电动丝杆旋转，从而带动固定澡头的太阳轮箱体上下运动，从而澡头间接上下运动，而小澡头的圆周运动则因扭力带动，小澡头的垂直运动，则由垂直方向上背部施加的压力以及里面的弹簧相互作用产生。通过控制电机的加减速、正反转来增强体验效果。
二、机械结构运动
1.澡头部分的上下运动主要由上面的电机1驱动滚珠丝杠旋转，丝杠的法兰固定在装有固定电机1的箱体中，丝杠旋转从而带动电机2固定箱上下运动，利用间隙配合工作的四根导杆作为稳定上下滑动的保证。
2.澡头的旋转运动则由电机2带动行星轮里面的三角支架旋转，三角支架带动行星轴转动，行星齿轮固定在行星轴上，三个行星齿轮又与太阳轮啮合，实现电机转动的时候使三角支架上的三个齿轮做圆周运动，从而带动行星轴上的三个澡头做圆周运动，通过合适的齿数比可获得较合适的圆周运动速度。
三、电路控制
丝杠、凸轮、澡头的旋转运动采用直流电机驱动，考虑到运动所需力矩较适中，可以采用变压12v直流供电。
电机驱动采用L298芯片的驱动模块，其H桥电路可以实现控制电机的正反转。
二个电机由51单片机统一控制，采用STC12C5A60S2单片机控制，该单片机具有两路PWM波输出功能。两路PWM波分别控制竖直方向的丝杠运动与实现水平方向运动的凸轮运动。
通过遥控控制模块控制电机的运动，实现单片机程序功能，将各路电机的启停控制、速度换挡控制、转反转交替，简单便捷。
控制电路主要原理图设计如下：
图3
四、运动与受力分析：
4.1受力分析
丝杠滚珠轴承的受力分析：
式中：T—力矩 ； P—功率 ；n—转速。
上升时有：
下降时有：
式中：L—回转寿命（转数）； —额定动载荷（N）；
—是轴向载荷（N）； —是载荷系数
匀速运行，非精确计算可以套用以下公式：
式中：Ta—驱动扭矩kgf.mm；Fa—轴向负载N（Fa=F+μmg）；
F—丝杠的轴向切削力N；μ—导向件的综合摩擦系数，
m—移动物体重量（工作台+工件）kg；I—丝杠导程mm； —进给丝杠的正效率。
水平使用滚珠丝杠驱动扭矩及电机功率计算：
实际驱动扭矩：
式中：T—实际驱动扭矩； —等速时的扭矩；
—加速时的扭矩；e—裕量系数。
等速时的驱动扭矩：
式中： —等速驱动扭矩kgf.mm；Fa—轴向负载N（Fa=F+μmg）；
F—丝杠的轴向切削力N；μ—导向件综合摩擦系数；
M—移动物体重量（工作台+工件）kg；
I—丝杠导程mm； —进给丝杠的正效率。
加速时的驱动扭矩：
式中： —加速时的驱动扭矩kgf.m； —等速时的驱动扭矩kgf.m；
J—对电机施加的惯性转矩kg.m²；W—电机的角加速度rad/s²；
4.2运动分析
由于机构主要运动为x-y平面上的移动，所以选取澡头电机的中心点作为分析对象。中心点速度已知，根据运动合成原理利用Matlab软件进行模拟分析。
由于澡头上各点相对于行星轴轴心做圆周运动则，轴心的运动轨迹曲线与澡头上各点的轨迹曲线应满足凸轮实际曲线与理论曲线相类似的关系。
则再次生成澡头上点与行星轮轴心的运动包络线如下图4所示：
图4
结论：
有轨迹可以看出澡头运动无明显突变，较为平顺，且能覆盖整个设计面积。
同时，可以利用ADAMS软件分析澡头输出点的合成速度、加速度，生成曲线，可以发现澡头运动无明显突变，较为平顺。搓澡速度连续性、平顺性较好，更为舒适。
参考文献
[1] 张春林.机械创新设计【M】.机械工业出版社，2007
[2] 肖世德等.机电一体化系统监测与控制【M】.西南交大出版社，2011
[3]（美）Solidworks高级教程：高级装配（叶修梓、陈超祥译）[M].北京：机械工业出版社，2007，1-120
[4] 机械原理（第2版）高等教育出版社出版主编：谢进 万朝燕 杜立杰 2010
[5] MATLAB教程 北京航空航天大学出版社：张志涌，杨祖樱2010
作者简介
谢方祥（1992—— ），男，湖南常德人，西南交通大学机械工程学院2010级本科生，专业方向：建筑环境与设备工程；
同晓雅（1991—— ），女，陕西渭南人，西南交通大学机械工程学院2011级本科生，专业方向：测控技术与仪器；
李鹏飞（1992—— ），男，安徽阜阳人，西南交通大学机械工程学院2010级本科生，专业方向：车辆工程。