CN100560041C - 自助进餐机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自助进餐机，在底盘上安装有立柱，立柱上端铰接有大臂，大臂中有可以伸缩的小臂，小臂顶端通过腕部关节连接餐具，底盘上有右脚踏板和左脚踏板，膝盖控制机构连接在立柱上，使用者可以通过双脚及膝盖操作右脚踏板、左脚踏板和膝盖控制机构来调整大臂、小臂、腕部关节及餐具的姿态，帮助使用者进餐。本发明通过立柱支撑，不需要使用者承受器械的重量。本发明采用纯机械装置，可靠性好，价格低，灵活性强。

Description

自助进餐机

技术领域

本发明涉及一种助残类机械装置。

背景技术

据调查国内外助残类产品市场，目前针对上肢假肢的产品主要有智能上肢假肢和肌电假肢。智能上肢假肢是在假手上与被握物体接触部分装上滑觉传感器，可在物体与手部接触面之间产生相对滑动时输出相应信号，并由微型计算机接受发出指令，使假手的驱动电机动作，具有形体适应性的假手，目前还在探索中。肌电假肢又称肌电控制人造假肢，利用残肢者本身的残端肌肉所产生的电信号，通过装在假手上的传感器所产生的电信号反馈给大脑又可调整假手的动作，是一种利用生物控制的人机系统。目前市场上出现的上肢假肢类产品还不能供大部分残疾人使用，价格过高是主要原因。其次，在技术上也不够成熟，特别是国产假肢产品，存在最大的问题是结构重量太大，残疾人佩戴后负担很重，长期使用会很痛苦。

发明内容

为了克服现有技术价格高、重量大的不足，本发明提供了一种自助进餐机，采用纯机械装置，通过上肢残疾者的双脚控制，在使用者操作熟练后，即可将进餐机机融合为身体的一部分，灵活性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括空间定位机构和执行机构两部分。

所述的空间定位机构包括小臂1、腕部关节2、大臂4、膝盖控制机构5、右脚踏板6、左脚踏板7、立柱8及底盘32，执行机构为餐具3。其中右脚踏板6包括旋转踏板26和总俯仰踏板27，它们位于底盘32的右侧；左脚踏板7包括拉动踏板29、腕部俯仰踏板30和腕部摆动踏板28，它们位于底盘32的左侧。膝盖控制机构5包括滑轨23、滑块22、膝盖控制环21、套筒环19和立柱套筒18。

所述左脚踏板7中的拉动踏板29、腕部摆动踏板28的机构相同，分别位于腕部俯仰踏板30的右侧和左侧；拉动踏板29、腕部摆动踏板28平行放置且踏板端远离操作者；拉动踏板29和腕部摆动踏板28铰接在底盘32上，并分别与底盘32连接有弹簧；腕部俯仰踏板30位于拉动踏板29和腕部摆动踏板28中间，且踏板端靠近操作者，腕部俯仰踏板30通过细不锈钢钢管与底盘32套接并连接有弹簧，腕部俯仰踏板30下表面与一个细不锈钢管铰接，细不锈钢管与一个小车31铰接；立柱8的下端插入焊接在底盘32上右侧中部的支套24内，并可绕支套24的轴转动；旋转踏板26固接在带耳套筒25上，带耳套筒25套在支套24的外侧，可绕其转动，并且与立柱8固接；总俯仰踏板27通过一个垂直于立柱8的轴铰接在立柱8上，同时总俯仰踏板27伸出一定的长度；大臂4与立柱8顶端铰接，大臂4的尾端与1根细杆33铰接，细杆33的下端与总俯仰踏板27的伸出部分铰接，在细杆33上用紧定螺钉紧定有铝合金短套34，在短套34和立柱8上各有一个小孔，一根拉簧的两端分别勾在上述小孔上，可以平衡大臂4的重力；大臂4的内部套接有一个截面积略小的小臂1；腕部关节2连接小臂1和勺子3，腕部关节2通过钢丝绳与腕部俯仰踏板30下端的小车31及腕部摆动踏板28连接；勺子3通过钢丝绳与拉动踏板29连接；立柱套筒18和套筒环19套在立柱8上，套筒环19位于立柱套筒18的下方，可以通过紧定螺钉紧定在立柱8上并托住立柱套筒18，立柱套筒18上固接有扁管，扁管下方固定有滑轨22，滑块22套在滑轨23上，膝盖控制环24与滑块22固连在一起，滑块22通过钢丝绳连接小臂1，当膝盖控制环24来回拨动时钢丝绳被拉动，小臂1便在大臂4中来回移动。

所述立柱套筒18上的扁管下方固定有两个钢丝绳套，1根钢丝绳从钢丝绳套中伸出，连接在滑块上，另1根钢丝绳也连接在滑块上并绕过扁管前端的一个定滑轮进入另一个钢丝绳套，两个钢丝绳套从立柱8中穿过到达立柱8顶部与大臂连接的下方并固定于该处，两根钢丝绳均连接到小臂1上，当膝盖控制环来回拨动时两根钢丝绳被拉动，小臂1便在大臂4中来回移动。

腕部关节2采用万向铰链结构，但比普通万向铰链多了控制机构。腕部关节2分为关节前段11、关节中段13和关节后段17，关节前段11与勺子3固连，关节后段17与小臂1固接，关节前段11通过槽轮与关节中段13铰接，铰接的轴竖直；关节中段13通过槽轮与关节后段17铰接，铰接的轴水平。关节后段17上连接有钢丝绳15，缠绕在关节中段13和关节后段17之间的槽轮上，钢丝绳的另一端连接腕部俯仰踏板30，关节后段17和关节中段13之间连接着一根拉簧，初始状态时拉簧拉动关节中段13向下转动90度，当操作者踩动腕部俯仰踏板30时，钢丝绳被拉动，这时拉动槽轮转动，关节中段13相对于关节后段17向上摆动，实现腕部关节的俯仰，当松开踏板时则关节中段13与关节后段17在拉簧力作用下低头恢复。关节中段13上连接有钢丝绳，缠绕在关节中段13和关节前段11之间的槽轮上，钢丝绳的另一端连接腕部摆动踏板28，关节前段11和关节中段13之间连接着一根拉簧，初始状态时拉簧拉动使得关节中段13和关节前段11共线，当操作者踩动腕部摆动踏板28时，钢丝绳被拉动，这时拉动槽轮转动，关节前段11相对于关节中段13向操作者方向摆动，实现腕部关节的摆动，当松开踏板时则关节前段11与关节中段13在弹簧力作用下伸直。

勺子3包括勺柄、铰链和两个勺瓣。铰链由可以相互之间稳定灵活转动的两部分铰接成，勺柄与关节前段11固连，两个勺瓣在根部与铰链的两部分固连，铰链的一部分与勺柄固连，另一部分连接拉簧和钢丝绳，钢丝绳连接拉动踏板29。当踩动拉动踏板29时，钢丝绳拉动细不锈钢杆，同时拉簧也被拉动产生阻力，由于细不锈钢杆和1个勺瓣固连在铰链上，该勺瓣张开，便可夹菜，当松开踏板，勺瓣在拉簧的作用下闭合。

勺瓣由普通的汤勺利用线切割将汤勺的勺体部分切成两半，在勺子3的头部要切出一个V形的齿，作用是要牢固夹住菜，汤勺要求细长，较深。

本发明使用时使用者只要坐在进餐机前，将右腿膝盖套在膝盖控制环21中，右脚脚尖放在总俯仰踏板27上，脚跟放在旋转踏板26上，左脚的脚跟放在腕部俯仰踏板30上，脚尖暂时悬空或轻放在拉动踏板29上，进餐时，首先利用右脚来定位，踩动旋转踏板26和总俯仰踏板27，如果菜较远，通过右腿膝盖拨动膝盖控制环将小臂伸出，这是可将勺子3移到菜的上方，此时左脚脚跟轻抬或压下，使腕部关节上下摆动来微调勺子3的高度，当勺子3已接近菜时，踩动拉动踏板29张开勺子3，再松开，靠勺子上装有的拉簧拉动夹住菜，勺子尖部的齿可以使菜不易滑落，这时再利用右脚踩动旋转踏板26和总俯仰踏板27将菜移到嘴边，如果菜离嘴还是较远，将左脚脚尖移至腕部摆动踏板28(此时菜仍被夹住)，踩动腕部摆动踏板28使得腕部关节向嘴边偏转，就可将勺中的菜完全送到嘴边，用嘴将菜咬下便可吃到菜，再次吃菜再重复上述操作即可。

本发明的有益效果是：本发明可以通过上肢残疾人的双脚控制来实现球面坐标机器人的五个自由度，同时实现执行机构的一个动作，采用纯机械装置，可靠性好，价格低，在使用者操作熟练后，即可将进餐机机融合为身体的一部分，灵活性强。本发明通过立柱支撑，不需要使用者承受器械的重量。经模型实验，本发明能达到预设的运动范围，并通过双脚控制来自助进餐。手臂的伸缩范围为542mm到960mm；总俯仰角范围为-50度到60度；臂部较灵活的旋转角度0~π/2；腕部仰角范围-π/2~0；小臂1摆动角度范围0~π/2。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的机器装配简图；

图2是勺子3的主视图；

图3是勺子3的后视图；

图4是勺子3的A向截面视图；

图5是手部关节2的主视图；

图6是手部关节2的俯视图；

图7是大臂4、小臂1的主视图；

图8是大臂4、小臂1的左视图；

图9是膝盖控制装置5的示意图；

图10是右脚踏板6的主视图；

图11是右脚踏板6的俯视图；

图12是左脚踏板7的主视图；

图13左脚踏板7的俯视图；

图14是腕部俯仰踏板30的左视图；

图15是拉动踏板29的左视图；

图中，1-小臂，2-腕部关节，3-勺子，4-大臂，5-膝盖控制装置，6-右脚踏板，7-左脚踏板，8-立柱，9-轴承组，10-滑轮，11-关节前段，12-槽轮，13-关节中段，14-钢丝绳套，15-钢丝绳，16-钢丝绳套头，17-关节后段，18-立柱套筒，19-套筒环，20-紧定螺钉，21-膝盖控制环，22-滑块，23-滑轨，24-支套，25-带耳套筒，26-旋转踏板，27-总俯仰踏板，28-腕部摆动踏板，29-拉动踏板，30-腕部俯仰踏板，31-小车，32-底盘，33-细杆，34-短套。

具体实施方式

装置实施例：参照图1，本发明的装置包括空间定位机构和执行机构两部分组成，采用四杆机构、双滑块机构，杠杆机构等，采用钢丝绳传动，该机器通过上肢残疾人双脚控制来实现球面坐标机器人的五个自由度，同时实现执行机构的一个动作。其中空间定位机构包括小臂1、腕部关节2、大臂4、膝盖控制机构5、右脚踏板6、左脚踏板7、立柱8及底盘32，执行机构为餐具3。其中右脚踏板6包括旋转踏板26和总俯仰踏板27，它们位于底盘的右侧；左脚踏板7包括拉动踏板29、腕部俯仰踏板30和腕部摆动踏板28，它们位于底盘的左侧。旋转踏板26上焊接有带耳套筒25，底盘32上焊接有支套24；膝盖控制机构5包括滑轨23、滑块22、膝盖控制环21、套筒环19和焊接有扁管的立柱套筒18。立柱8的顶部装有下接头，大臂4上装有上接头和轴承组9。

左脚踏板7中的拉动踏板29、腕部摆动踏板28的机构相同，分别位于腕部俯仰踏板30的右侧和左侧；拉动踏板29、腕部摆动踏板28的放置方向与底盘32的宽度方向平行；拉动踏板29和腕部摆动踏板28通过焊接在底盘32上的支座铰接在底盘32上，并分别与底盘32之间连接有弹簧，拉动踏板29和腕部摆动踏板28分别可绕插入在支座中的轴转动；腕部俯仰踏板30位于拉动踏板29和腕部摆动踏板28中间并靠近操作者，腕部俯仰踏板30的下表面垂直焊接有3根不锈钢圆管，这3根不锈钢圆管呈等腰三角形布置，底盘32上垂直焊接有3根较粗的不锈钢圆管，将腕部俯仰踏板30上的3根不锈钢圆管对应插入到底盘32上3的根不锈钢圆管中，这样腕部俯仰踏板30可在底盘32表面的垂直方向上上下运动，腕部俯仰踏板30下表面与一个细不锈钢管铰接，细不锈钢管与一个简易小车铰接，腕部俯仰踏板30下表面与底盘32之间连接有弹簧；下接头通过一个螺栓与立柱8拴接在一起；大臂4通过两个螺栓与上接头拴接在一起；上接头与下接头通过轴铰接在一起；立柱8的下端插入焊接在底盘32上右侧中部的支套24内，并可绕支套24的轴转动；旋转踏板26垂直焊接在带耳套筒25上，带耳套筒25套在支套24的外侧并可绕其转动，带耳套筒25与立柱8固定连接；总俯仰踏板27通过一个垂直于立柱8的轴铰接在立柱8上，同时总俯仰踏板27伸出一定的长度，在立柱8上的铰接位置在距立柱8下端高于支套24约3mm处。大臂4尾部与一根细杆33铰接，细杆33的下端与总俯仰踏板27的伸出部分铰接，短套34为内径略小于细杆33直径的铝合金圆柱筒，短套34通过紧定螺钉紧定在细杆33上，在短套34和立柱8上各有一个小孔，一根拉簧的两端分别勾在上述小孔上，可以平衡大臂4的重力；大臂4的内部放有截面积略小的小臂1，小臂1通过轴承组9与大臂4连接，小臂1在钢丝绳的牵引下可以在大臂4中来回滑动实现小臂1的伸缩；腕部关节2后部插入小臂1并通过一个螺栓连接在一起；勺子3的后部与腕部关节2的前部固接在一起；焊接有扁管的立柱套筒18和套筒环19套在立柱8上，套筒环19位于立柱套筒18的下方，套筒环19通过紧定螺钉紧定在立柱8上并托住立柱套筒18，立柱套筒18上的扁管下方固定有滑轨和两个钢丝绳套，滑块套在滑轨上，膝盖控制环与滑块固连在一起，一根细钢丝从钢丝绳套中伸出，连接在滑块上，另一根绳也连接在滑块上并绕过扁管前端的一个定滑轮进入另一个钢丝绳套，两个钢丝绳套从立柱8中穿过到达立柱8顶部与大臂连接的下方并固定于该处，两根钢丝绳与小臂1末端连接，当膝盖控制环来回拨动时两根钢丝绳被拉动，小臂便在大臂中来回移动。

底盘32由在一个焊接的不锈钢扁管的框架上蒙有一层薄不锈钢板结构组成，不锈钢框架由12根一定尺寸的不锈钢扁管焊接而成，框架呈矩形，底盘32下表的4个直角处胶结有4个等厚度的橡胶圆片起支撑作用；拉动踏板29与腕部摆动踏板28的机构完全相同，原理为杠杆机构，以拉动踏板29为例，它由三根焊接在一起的不锈钢方管组成三角形结构，同时一个矩形的不锈钢片中心部分与三角形结构的一个顶角铰接，铰接轴垂直于三角形平面，该矩形的不锈钢片用来放置操作者的脚尖，三角形结构的一个顶点与焊接在底盘32上支座铰接，三角形结构的最后一个顶点处通过细钢丝绳连接勺子的铰链的一部分，当踩动矩形的不锈钢片时细钢丝绳被拉动，拉动勺子使勺子张开，腕部摆动踏板28的驱动原理与拉动踏板29相同。腕部俯仰踏板30、简易小车以及与二者相连的细不锈钢管组成双滑块机构，简易小车的后部通过细钢丝绳连接关节中段13，当操作者的脚跟踩动腕部俯仰踏板30时，细钢丝绳被拉动并驱动腕部关节产生俯仰，当脚跟抬起时踏板下的弹簧使得踏板上升复位，踏板为梯形并倒角的不锈钢板。旋转踏板26为月芽形踏板，踏板材料为不锈钢方管，踏板面下凹，便于放置操作者的脚跟。带耳套筒25为带有两个相同耳朵的钢管，通过两个耳朵固定连接在立柱8上，操作者通过脚跟拨动踏板使立柱8旋转，踏板的下方有两个塑料轮用来承受操作者脚的重量。总俯仰踏板27为2根平行等长的不锈钢方管，2管间的部分焊接有不锈钢薄板，薄板表面为一个下凹的曲面，便于放置操作者右脚尖，2根管夹住带耳套筒25，并与之铰接，利用四杆机构实现大臂4和小臂1的俯仰，四杆机构由总俯仰踏板27、细杆33、立柱8、大臂4尾部四部分组成。滑轨23为两个并排放置的等长的不锈钢圆管，滑块22为直线轴承，膝盖控制环24为有一定弹性的钢片用来夹住使用者的膝盖，立柱套筒18为钢管，套筒环19为有一个台阶并钻有螺纹孔的钢管。大臂4位于立柱8的顶部并与立柱铰接，其结构为开槽的不锈钢方管，大臂4的内部套有小臂1，小臂1可以被从大臂下方中穿出的两根细钢丝绳牵引在大臂4中来回滑动实现小臂1的伸缩，小臂1为一个截面略小的方管，尾部装有由4个轴承组成的轴承组9来减少与大臂的摩擦。腕部关节2实质上是可以控制的万向铰链，通过腕部摆动踏板与腕部俯仰踏板实现腕部在水平与竖直面内的摆动，铰链的轴上装有开槽圆盘，开槽圆盘与关节的部分固接，通过拉动缠绕在圆盘上的钢丝绳实现关节的相对转动，通过位于关节一侧的弹簧实现关节的复位。执行机构即可以夹菜的勺子3，将常用的汤勺切割成两半并在勺子根部铰接，其中勺子的尖部要切出一个小齿以便于夹住菜，该勺子3集筷子与普通勺子功能于一体，通过来自拉动踏板29的钢丝绳的拉动和勺子柄处弹簧的恢复实现勺子的张开与闭合，该动作由地盘32上的拉动踏板29控制。

本发明使用时使用者只要坐在进餐机前，将右腿膝盖套在膝盖控制环21中，右脚脚尖放在总俯仰踏板27上，脚跟放在旋转踏板26上，左脚的脚跟放在腕部俯仰踏板30上，脚尖暂时悬空或轻放在拉动踏板29上，进餐时，首先利用右脚来定位，踩动旋转踏板26和总俯仰踏板27，如果菜较远，通过右腿膝盖拨动膝盖控制环将小臂伸出，这是可将勺子3移到菜的上方，此时左脚脚跟轻抬或压下，使腕部关节上下摆动来微调勺子3的高度，当勺子3已接近菜时，踩动拉动踏板29张开勺子3，再松开，靠勺子上装有的拉簧拉动夹住菜，勺子尖部的齿可以使菜不易滑落，这时再利用右脚踩动旋转踏板26和总俯仰踏板27将菜移到嘴边，如果菜离嘴还是较远，将左脚脚尖移至腕部摆动踏板28(此时菜仍被夹住)，踩动腕部摆动踏板28使得腕部关节向嘴边偏转，就可将勺中的菜完全送到嘴边，用嘴将菜咬下便可吃到菜，再次吃菜再重复上述操作即可。

Claims (5)

1、自助进餐机，包括空间定位机构和执行机构，其特征在于：所述的空间定位机构包括小臂(1)、腕部关节(2)、大臂(4)、膝盖控制机构(5)、右脚踏板(6)、左脚踏板(7)、立柱(8)及底盘(32)，执行机构为勺子(3)；其中右脚踏板(6)包括旋转踏板(26)和总俯仰踏板(27)，它们位于底盘(32)的右侧；左脚踏板(7)包括拉动踏板(29)、腕部俯仰踏板(30)和腕部摆动踏板(28)，它们位于底盘(32)的左侧；膝盖控制机构(5)包括滑轨(23)、滑块(22)、膝盖控制环(21)、套筒环(19)和立柱套筒(18)；所述左脚踏板(7)中的拉动踏板(29)、腕部摆动踏板(28)的机构相同，分别位于腕部俯仰踏板(30)的右侧和左侧；拉动踏板(29)、腕部摆动踏板(28)平行放置且踏板端远离操作者；拉动踏板(29)和腕部摆动踏板(28)铰接在底盘(32)上，并分别与底盘(32)连接有弹簧；腕部俯仰踏板(30)位于拉动踏板(29)和腕部摆动踏板(28)中间，且踏板端靠近操作者，腕部俯仰踏板(30)通过钢管与底盘(32)套接并连接有弹簧，腕部俯仰踏板(30)下表面与一个细不锈钢管铰接，细不锈钢管与一个小车(31)铰接；立柱(8)的下端插入焊接在底盘(32)上右侧中部的支套(24)内，并可绕支套(24)的轴转动；旋转踏板(26)固接在带耳套筒(25)上，带耳套筒(25)套在支套(24)的外侧，可绕其转动，并且与立柱(8)固接；总俯仰踏板(27)通过一个垂直于立柱(8)的轴铰接在立柱(8)上，同时总俯仰踏板(27)伸出一定的长度；大臂(4)与立柱(8)顶端铰接，大臂(4)的尾端与1根细杆(33)铰接，细杆(33)的下端与总俯仰踏板(27)的伸出部分铰接，在细杆(33)上用紧定螺钉紧定有短套(34)，一根拉簧的两端分别勾在短套(34)与立柱(8)上；大臂(4)的内部套接有一个截面积略小的小臂(1)；腕部关节(2)连接小臂(1)和勺子(3)，腕部关节(2)通过钢丝绳与腕部俯仰踏板(30)下端的小车(31)及腕部摆动踏板(28)连接；勺子(3)通过钢丝绳与拉动踏板(29)连接；立柱套筒(18)和套筒环(19)套在立柱(8)上，套筒环(19)位于立柱套筒(18)的下方，通过紧定螺钉紧定在立杆(8)上并托住立柱套筒(18)，立柱套筒(18)上固接有扁管，扁管下方固定有滑轨(23)，滑块(22)套在滑轨(23)上，膝盖控制环(21)与滑块(22)固连在一起，滑块(22)通过钢丝绳连接小臂(1)。

2、根据权利要求1所述的自助进餐机，其特征在于：所述的立柱套筒(18)上的扁管下方固定有两个钢丝绳套，1根钢丝绳从钢丝绳套中伸出，连接在滑块上，另1根钢丝绳也连接在滑块上并绕过扁管前端的一个定滑轮进入另一个钢丝绳套，两个钢丝绳套从立柱(8)中穿过到达立柱(8)顶部与大臂连接的下方并固定于该处，两根钢丝绳均连接到小臂(1)上。

3、根据权利要求1所述的自助进餐机，其特征在于：所述的腕部关节(2)分为关节前段(11)、关节中段(13)和关节后段(17)，关节前段(11)与勺子(3)固连，关节后段(17)与小臂(1)固接，关节前段(11)通过槽轮与关节中段(13)铰接，铰接的轴竖直；关节中段(13)通过槽轮与关节后段(17)铰接，铰接的轴水平；关节后段(17)上连接有钢丝绳(15)，缠绕在关节中段(13)和关节后段(17)之间的槽轮上，钢丝绳的另一端连接腕部俯仰踏板(30)，关节后段(17)和关节中段(13)之间连接着一根拉簧；关节中段(13)上连接有钢丝绳，缠绕在关节中段(13)和关节前段(11)之间的槽轮上，钢丝绳的另一端连接腕部摆动踏板(28)，关节前段(11)和关节中段(13)之间连接着一根拉簧。

4、根据权利要求1所述的自助进餐机，其特征在于：所述的勺子(3)包括勺柄、稳定铰链和两个勺瓣；稳定铰链由可以相互之间稳定灵活转动的两部分铰接成，勺柄与关节前段(11)固连，两个勺瓣在根部与稳定铰链的两部分固连，稳定铰链的一部分与勺柄固连，另一部分连接拉簧和钢丝绳，钢丝绳连接拉动踏板(29)。

5、根据权利要求1所述的自助进餐机，其特征在于：所述的勺瓣由普通的汤勺利用线切割将汤勺的勺体部分切成两半，在勺子(3)的头部切出一个V形的齿。

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