基于压电元件放电效应的足疗按摩鞋设计

2015-07-19冷寿阳韩东雪安徽大学电气工程与自动化学院机械工程系安徽合肥230601

中国新技术新产品 2015年3期

冷寿阳　李　华　韩东雪　谢　峰（安徽大学电气工程与自动化学院机械工程系，安徽合肥 230601）

基于压电元件放电效应的足疗按摩鞋设计

冷寿阳李华韩东雪谢峰
（安徽大学电气工程与自动化学院机械工程系，安徽合肥 230601）

人体足部有很多穴位，对足部进行按摩可以调节身体、增进健康。利用压电元件的放电效应可以制成新型足疗按摩健康鞋，这种鞋可以将产生的电荷作用于人体相应的穴位来达到按摩的效果，结构简单、成本较低，具有广阔的市场前景。本文针对所设计开发的足疗按摩鞋，从压电材料的选择、基本数据的计算、足中穴位确定以及传动机构的设计方面进行阐述，验证了此方案的可行性，为应用到实际生产做准备。

压电效应；压电材料；按摩鞋；穴位

1 引言

在人们的日常生活中，每个人都离不开行走，而走路是离不开双脚的，因此通常人们会感到疲劳，往往是脚的疲劳。而按照中医的观念，人们的双足有许多穴位，通过按摩这些穴位可达到强生健体﹑恢复疲劳的作用。因此按摩鞋应运而生。现在已有的足底按摩器﹑足底按摩鞋等，采用凸模按摩的方法，对足底穴位进行压迫刺激，这种方法可以利用人本身自然行走状态达到保健按摩之功效，易于被人们接受；市场上还有一种磁疗鞋，它是通过磁场作用于脚部相应的穴位来达到缓解疲劳的目的，但是这种磁疗鞋制造成本较高。

2 压电效应与压电材料的选择

2.1 压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

2.2 压电材料的选择

压电材料就是受到压力作用时会在两端面间出现电压即能产生压电效应的晶体材料。压电材料种类繁多，按晶体结构分有钙钛矿结构﹑钨青铜结构﹑铋层状结构等，按用途或功能分有发射型和接收型压电材料，按形状分有粉体﹑纤维﹑薄膜及块体材料；按性质和组成组元分为压电单晶﹑压电陶瓷﹑压电聚合物和复合材料。常见的压电材料有两类：压电单晶体和多晶压电陶瓷，如图1所示。

3 压电陶瓷的放电电流和电压的测定

3.1 压电陶瓷等效计算参数

此健康足疗保健鞋采用的是压电陶瓷正压电效应产生电荷和电压的，压电陶瓷片的性能将直接影响到新型健康足疗保健鞋的功能和安全问题。影响压电陶瓷材料性能的主要参数有相对介电常数εr，真空介电常数εo，压电陶瓷片的压电常数d等。

3.2 等效模型及计算

压电陶瓷片在压力作用下上下表面产生电荷和相应的电势差，计算时其相当于一个电容。如图为压电陶瓷片，其作用面积为A，厚度为h，沿y轴极化，沿y轴方向施加应力F。

在外力F作用下，压电陶瓷所能产生的电荷量为：

式中Cp为压电陶瓷片等效电容的电容量，计算公式为：

3.3 机构与人体间作用时的电压电流测量

对于人体而言，人体的感知电流，即人体能感到针刺和发麻感的最小工频电流为男1.1mA﹑女0.7mA，直流电流为男5.2mA﹑女3.5mA。总体而言，对于机构终端与人体组成回路时，经过人体的电流为0.5mA到5mA。故须测量其放电电流。

4 足中穴位的确定

针灸学已经有了数千年的历史，在中医学中也是十分重要的组成部分，目前已经被180多个国家和地区所接受，针灸的基本规律是通过调控神经-内分泌-免疫网络途径实现其效应具有多环节和多靶向特征。脚掌部有许多重要的穴位，其中最重要的是涌泉穴，位于足底（脚趾除外）第二﹑三趾缝与脚跟成一直线上三份一与下三份二交汇点，为足少阴肾经的起点，具有清热醒神交济心肾的功能，且与耳﹑发有相当重要的关系；经常刺激此穴位，可消除疲劳，增长身高，对肾虚（腰酸﹑肢冷﹑精力减退﹑阳痿﹑脱发﹑少白发﹑夜尿）﹑老年痴呆症等疾病有保健作用。