CN102537610A - 柔顺恒力支撑机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种恒力机构，特别是一种可用于下肢有伤病人的柔顺恒力支撑机构，它将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆，组合杆一端固结于框架、另一端固结于滑块，其中各杆轴线与导轨长度方向的中心线平行，滑块在导轨中运动；外力F使滑块在导轨中运动时，组合杆产生一个大小恒定的支撑反力，实现位移段内对物体的恒定支撑。该柔顺恒力支撑机构具有零件数目少、结构简单、造价低廉、使用可靠、携带方便等特点，可用于下肢有伤病人在康复期间支撑上体重量，做些诸如站立、行走和下蹲等主动性的康复活动，同样也可用在家电、交通、建筑、冶金等其他领域中需要恒力的机械产品中。

Description

柔顺恒力支撑机构

技术领域

本发明属于柔顺机构领域，涉及一种柔顺恒力支撑机构，具有结构简单、制造方便、造价低、使用可靠等特点，可用于很多需要恒定力支撑的场合，比如医疗、家电、交通、建筑、冶金等领域的机械产品中。

背景技术

恒力机构在一个较大的运动输入范围内其输出端产生的反力是基本不变的。当前的恒力机构一般都是刚性恒力机构，如CN101652594 A，CN 101545562 A等，都是通过改变线弹性弹簧或蝶形弹簧作用的矩来实现恒力，或通过组合线弹性弹簧亦或蝶形弹簧于不同方位上，当输出端按指定方向运动时，一个（或一部分）弹簧变形增大，同时另一个（或另一部分）弹簧的变形减小，使得相互补偿后输出端产生的总体反力基本保持恒定。受机构的复杂性及重量的限制，当前的恒力机构大多用于吊架与支架等工程领域，而在生活领域很少应用，比如用于下肢受伤病人的医疗器械均为刚性机构，CN 2128879Y，CN 2885222Y等，均未考虑柔顺恒力机构的应用，且使用时只能躺着或坐着，大大降低了便利性、舒适性及康复活动的主动性；又如常见的电脑显示器支座或大型电子显示屏大都是用刚性机构支撑，使其无法得到在某些场合所需的上下移动，降低了实用性，而有可移动性的支座CN 101178944A ，结构复杂，大大降低了支座的简易性及经济性。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、造价低廉、稳定性好的柔顺恒力支撑机构，该机构可以在一定的位移范围内实现恒定力输出来支撑其他物体，如用于康复器械支撑下肢受伤病人的上身重量、用于显示器的支撑座等。

本发明所采用的技术方案是：柔顺恒力支撑机构，其特征是：它将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆，所述的柔性杆包括第一柔性杆、第二柔性杆、第三柔性杆、第四柔性杆；刚性杆包括第一刚性杆和第二刚性杆；第一柔性杆、第二柔性杆跨接在第一刚性杆的两端构成第一柔性单元；第三柔性杆、第四柔性杆跨接在第二刚性杆的两端构成第二柔性单元；第一柔性单元和第二柔性单元串接。

所述的组合杆一端固结于框架、另一端固结于滑块，其中各杆轴线与导轨长度方向的中心线平行，滑块在导轨中运动；外力F使滑块在导轨中运动时，组合杆产生一个大小恒定的支撑反力，实现位移段内对物体的恒定支撑。

所述的框架和导轨是固定和限制组合杆运动的结构体，框架和导轨或连接为一体，形成上下结构；或上下分开独立固定。

所述的组合杆输出恒力大小与柔性杆的截面形状和长度以及有刚性杆的长度有关，截面大，输出恒力大；截面小，输出恒力小；长度长，输出恒力小；长度短，输出恒力大。

所述的第一柔性单元和第二柔性单元之间可以直接串接或通过导向块串接。

所述的柔性杆的长度是指柔性杆的两端固结点之间发生弯曲变形段的长度；刚性杆的长度是指机构中不发生柔性变形段的长度。

所述的柔性杆在机构运动过程中发生弯曲变形，刚性杆在机构运动过程中无弯曲、扭转等变形。

所述的组合杆以单组连接在导轨与框架之间，或多组并联连接在导轨与框架之间，多组组合杆共用一个导向块，使柔性杆和刚性杆在不受外力时平行。

所述的组合杆两端固结连接点上，接点一端或两端受平行于组合杆轴线方向的外力F后，使组合杆产生一个大小恒定的支撑反力，作用在两端固结的连接点上或实现对其中一个连接点的恒定支撑。

本发明的有益效果是：成功地实现了柔顺恒力支撑机构。其特征是：滑块在导轨中滑动，滑块的一端连接组合杆，组合杆由柔性杆和刚性杆按一定长度和顺序与导向块组合而成，另一端固结在框架上，当外力施加于滑块上，使滑块向框架的方向运动时，组合杆提供一个恒定的支撑反力，实现了柔顺恒力支撑机构在一定的位移范围内输出恒定力来支撑其他物体，且机构运动时将外力做的功储存在柔性部件中，当有形变的柔性件恢复原形时会将储存的能量全部释放，能量损失极小。改变组合杆中柔性杆和刚性杆的长度或柔性杆的截面时，可改变支撑力的大小以适用于各种需求。

由于这种柔顺恒力支撑机构结构简单、制造容易、携带便利，可以用于需要恒力输出的场合与领域，比如不同身高及体重的下肢受伤病人在康复过程中对上体支撑的实现、对电脑显示器可移动支撑的实现、用作机器人腿部来支撑上体的实现，以及健身器材中恒定力的实现、医疗外科手术过程中肢体辅助支撑的实现、在机械加工过程中恒定夹持力的实现、检测或测量时恒定接触力的实现、工程中吊架或支撑架的实现等。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：

图1是柔顺恒力支撑机构的结构示意图；

图2是图1所示的柔顺恒力支撑机构工作示意图；

图3是图1所示的柔顺恒力支撑机构并联使用示意图；

图4是图1所示的柔顺恒力支撑机构中组合杆的示意图；

图5是图1所示的柔顺恒力支撑机构用于支撑下肢受伤病人上体重量时的机构示意图；

图6是图5所示的柔顺恒力支撑机构中腰部连接块的示意图；

图7是图5所示的柔顺恒力支撑机构中底座的示意图；

图8是图5所示的柔顺恒力支撑机构用于人体时的正面示意图；

图9是图5所示的柔顺恒力支撑机构用于人体时的侧面示意图；

图10是图5所示的柔顺恒力支撑机构用于人体时的侧面下蹲示意图；

图11是图1所示的柔顺恒力支撑机构用于支撑机器人上体的示意图；

图12是图11所示的柔顺恒力支撑机构用于支撑机器人的工作状态示意图；

图13是图1所示的柔顺恒力支撑机构用于支撑显示器的示意图；

图14是图13所示的柔顺恒力支撑机构用于支撑显示器的工作状态示意图。

图中：1、框架；2、组合杆；3、滑块；4、导轨；5、腰部连接块；6、绑带；7、紧固螺钉；8、绑带穿槽；9、底座；10、机器人；11、显示器；211、第一柔性杆；212、第二柔性杆；213、第三柔性杆；214、第四柔性杆；221、第一刚性杆；222、第二刚性杆；23、导向块；91、直角连接件；92、底板。

具体实施方式

如图1所示，柔顺恒力支撑机构，它将柔性杆21（第一柔性杆211、第二柔性杆212、第三柔性杆213、第四柔性杆214总称为柔性杆21）、刚性杆22（第一刚性杆221和第二刚性杆222总称为刚性杆22）按一定的长度和顺序与导向块23固结形成组合杆2，组合杆2一端固结于框架1、另一端固结于滑块3，其中各杆轴线与导轨长度方向的中心线平行，滑块3在导轨4中运动。

如图2所示，平行于导轨4中心线的外力施加于滑块3上，使所述的柔性杆21发生弯曲变形，组合杆2产生支撑反力，滑块在导轨中运动的过程中，外力F与支撑反力平衡且大小基本保持恒定。

滑块3受力运动时，外力F做的功以弹性势能的形式线性的存储于组合杆2中；滑块反向运动时，组合杆2中的弹性势能线性地减小，当柔性恒力支撑机构恢复到初始形状时，组合杆2中存贮的能量全部释放，即组合杆2在运动过程中不消耗能量。

如图2所示，组合杆2以单组连接在导轨4与框架1之间。

如图3所示，组合杆2以两组并联，或组合杆2以多组并联连接在导轨4与框架1之间，多组组合杆2共用一个导向块23，使柔性杆21和刚性杆22在不受外力时平行。

组合杆2输出恒力大小与柔性杆21的截面形状和长度以及有刚性杆22的长度有关，截面大，输出恒力大；截面小，输出恒力小；长度长，输出恒力小；长度短，输出恒力大。

本发明可在多方便应用，下面就不同的实施示例进行说明：

实施例1

柔顺恒力支撑机构可以用于康复器械中支撑人体的上体重量，例如下肢受伤病人在康复活动中使用康复器械来支撑上体重量，以利于病人做站立、行走及下蹲等主动性的康复活动。在康复器械中采用柔性恒力支撑机构，康复器械包括：底座9，腰部连接块5，绑带6，组合杆2中。底座9包括直角连接件91和底板92，通过直角连接件91连接组合杆2的一端，底板92作为连接点，底座9提供总支撑，作用相同于原恒力机构中的框架；腰部连接块5用绑带6固定于人体腰部，相当于柔顺恒力支撑机构中的滑块3；删除导向块23是为了使支撑机构结构简单、重量轻；增加绑带是为了限制支撑机构中刚性机构22与人体腿部的相对运动。即可用于下肢受伤病人的恒力支撑机构是将由柔性杆21和刚性杆22按一定的长度和顺序固结形成的组合杆2通过紧固螺钉7固结于底座8与腰部连接块5之间形成。当腰部连接块5随腰部一起运动，并受到通过绑带施加的上体重力作用时，组合杆2弯曲变形，支撑机构产生基本恒定的反作用力即恒定支撑力，实现对上体的支撑来减小施加于受伤下肢上的重量。通过改变组合杆2中柔性杆21与刚性杆22的长度及柔性杆21的抗弯截面模量，可以改变康复器械的总体长度和恒定支撑力，使其适用于不同身高及不同体重的伤员。

实施例1A：对身高1.85 m、体重80 Kg的下肢受伤病人，在康复过程的第一康复阶段，可使用的康复器械组合杆尺寸为：柔性杆21的长度是0.03 m，刚性杆22的长度为0.45 m，柔性杆21的截面是0.03m×0.0017m，此柔顺恒力支撑机构可以提供40×9.8 N的恒定支撑力，此支撑力可以支撑大部分的上身重量，从而有效地减小了施加于受伤下肢的重量；在康复过程的第二康复阶段，可使用的康复器械组合杆尺寸为：柔性杆21的长度是0.03 m，刚性杆22的长度为0.45 m，柔性杆21的截面是0.03m×0.0014 m，此柔顺恒力支撑机构可以提供20×9.8 N的恒定支撑力，可支撑小部分的上身重量使有伤下肢在康复后期承受更大的上身重量来进行有效地受力康复活动。

实施例1B：对身高1.3 m、体重35 Kg的下肢受伤病人，在康复过程的第一康复阶段，可使用的柔顺恒力支撑机构的尺寸为：柔性杆21的长度是0.03 m，刚性杆22的长度为0.3 m，柔性杆21的截面是0.03m×0.0012 m，此柔顺恒力支撑机构可以提供20×9.8 N的恒定支撑力，此支撑力可以支撑大部分的上身重量，从而有效地减小了施加于有伤下肢的重量；在康复过程的第二康复阶段，可使用的柔顺恒力支撑机构的尺寸为：柔性杆21的长度是0.03 m，刚性杆22的长度为0.3 m，柔性杆21的截面是0.03m×0.0009 m，此柔顺恒力支撑机构可以提供10×9.8 N的恒定支撑力，支撑了小部分的上身重量，使受伤下肢在康复后期承受更大的上身重量来有效地进行主动性的受力康复活动。

实施例1的工作状态可结合图5、图6、图7、图8、图9和图10一起说明。

在实施例1中，如图5所示，第一柔性杆211与第二柔性杆212、第三柔性杆213和第四柔性杆214等长度，第一刚性杆221与第二刚性杆222等长度，当按需求改变柔性杆21和刚性杆22的长度、柔性杆21的截面，便可得到总体长度不同、恒定支撑力大小不同的柔顺恒力支撑机构。用绑带7通过绑带穿槽8将腰部连接块5绑在腰部并使之随腰部一起运动，人体重力作用在恒力支撑机构的腰部连接块5上，腿部和脚部三条绑带可以都绑紧（如只有膝关节处有伤时），也可以按需求绑紧其中两个（如踝关节处有伤时可以去掉脚部绑带），此三条绑带对机构中刚性杆22与人体腿部的相对运动稍做限制（因为刚性杆22和人体基本不发生相对运动）；当恒力支撑机构的腰部连接块5有竖直向下的位移时，柔性杆21发生弯曲变形并储存弹性势能，弯曲变形时的弯曲形状与腿部在关节处（髋关节、膝关节、踝关节）的弯曲形状基本相同（即刚性杆22与人体腿部基本无相对运动），恒力支撑机构提供一个大小基本恒定、方向向上的支撑力，此恒定支撑力支撑了大部分的上身重量，剩下的小部分由下肢支撑（或机构按需求支撑了全部的人体重量）；即当病人在站立、行走（如图9）和下蹲（如图10）时，此恒力支撑机构提供的支撑力恒定，受伤下肢所承受的作用力较小且亦保持恒定（或下肢不支撑人体重量），这使得站立、行走和下蹲等主动性康复活动便于进行，进一步促进了身体机能的较快恢复。

实施例2：柔顺恒力支撑机构用于机器人上身支撑，如图11。类同于人体，对于双足（或多足）步行机器人，在站立及行走过程中，双腿需要支撑机器人上身的恒定重量，因此所述的柔顺恒力支撑机构亦可用于双足步行机器人，且此柔顺恒力支撑机构在变形的过程中存储弹性势能，在恢复变形时完全释放弹性势能，使得支撑机构在支撑过程中无能量损耗，可减少结构中总的能量输入；其次，当支撑机构用作机器人的支撑时，恒力机构支撑了机器人上体重量，使得驱动关节的运动时不需要额外的输入来消除重力的影响，减少了驱动下肢时的能量输入。在本实施例中，将柔顺恒力支撑机构的滑块3去掉，将组合杆2中的柔性杆211连接滑块的一端直接固结在机器人所需的支撑部位（上身的支撑点）,柔性杆214链接框架的一端固结在作用相当于框架1的底板上，当机器人上身重量施加于此恒力支撑机构上时，其支撑反力基本恒定，同样的可以按所需恒定支撑力的大小和尺寸要求得到相应的恒力支撑机构。

实施例2的工作状态可结合图11和图12一起说明。

在实施例2中，如图11所示，第一柔性杆211与第二柔性杆212、第三柔性杆213和第四柔性杆214等长度，第一刚性杆221与第二刚性杆222等长度，当按需求改变柔性杆21和刚性杆22的长度、柔性杆21的截面时，便可得到总体长度不同、恒定支撑力大小不同的可用于支撑机器人上身的柔顺恒力支撑机构。组合杆2中的第一柔性杆211连接滑块的一端直接固结在机器人所需的支撑部位上时,机器人上身重量便施加于组合杆2上，组合杆2中的柔性杆21发生弯曲变形，如图12所示，支撑机构提供一个大小恒定的支撑反力，实现了对机器人上体的支撑；当机器人行走或下蹲时，组合杆2的柔性杆21发生更大变形并线性地存储弹性势能，提供的支撑反力基本保持恒定且平衡了上体的重量，此时驱动各关节的运动时便不需要额外的输入来平衡上体的重量，大大的减少了机器人的总能量输入，当组合杆2中的柔性杆21恢复变形时，支撑机构释放储存的全部势能，即在整个工作过程中支撑机构基本不消耗能量，这样实现了机器人上体的支撑与总能量输入减少的良好效果。

实施例3：显示器的支撑架，如图13所示。如同实施例2，去掉柔顺恒力支撑机构的滑块3，只用柔顺恒力支撑机构的主要工作部分即组合杆2及框架1，将组合杆的一端与显示器固结，另一端与框架1固结，此时机构所提供的支撑力基本保持恒定。当柔顺恒力支撑机构的恒定支撑力与显示器11的重量相同时，显示器11可以在不受外力的条件下实现上下移动（或者在一个很小外力或摩擦力作用下），即实现显示器11在竖直方向上的随遇平衡，这样显示器11可以被拉到所需求的高度且在不受外力的状态下实现稳定停留。按需求改变组合杆2中柔性杆21和刚性杆22的长度和柔性杆21的截面，便可得到可适用于不同重量显示器、总体长度不同的恒力支撑架。

实施例3的工作状态可结合图13和图14一起说明。

在实施例3中，如图13所示，第一柔性杆211与第二柔性杆212、第三柔性杆213和第四柔性杆214等长度，第一刚性杆221与第二刚性杆222等长度，组合杆2固结于显示器11与框架1间时，显示器11的重力作用于组合杆上2上，组合杆2中的柔性杆21发生弯曲变形，恒力支撑机构线性的储存弹性势能，如图14所示，柔顺恒力支撑机构提供一个大小基本恒定的支撑反力，当按需求选择组合杆2中柔性杆21、刚性杆22的长度和柔性杆21的截面，使柔顺恒力支撑机构的恒定支撑力与显示器11的重量相同时，显示器11可以在不受外力的条件下实现上下移动，即显示器11可以被拉到所需求的高度且稳定停留，在整个工作过程中，显示器11的重力势能与柔性杆21中存储的弹性势能相互转化且其和基本保持恒定，即显示器11在上下移动过程中不需要额外的能量输入。

以上的实施例中，实施例1中的柔性杆21的材料为价格较为实惠的钢（4140Q＆T400），也可以选用钛（Ti-13 热处理）、碳纤维等其他塑性更好的材料；刚性杆22的材料为普通钢。实施例2和3中的材料可以按需求选取，其要求是柔性杆21的抗弯截面模量比刚性杆22的抗弯截面模量小许多，使得在变形过程中柔性杆21体现发生弯曲变形体现其柔性、且保证在变形中不会失效、刚性杆22在运动中不发生弯曲、扭转等变形。

本发明中，图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12和图13中没有给出标号，但是可以对照其他示意图清楚地说明所表达的意思。

Claims (9)

1.柔顺恒力支撑机构，其特征是：它将柔性杆、刚性杆按顺序与导向块固结形成组合杆，所述的柔性杆包括第一柔性杆、第二柔性杆、第三柔性杆、第四柔性杆；刚性杆包括第一刚性杆和第二刚性杆；第一柔性杆、第二柔性杆跨接在第一刚性杆的两端构成第一柔性单元；第三柔性杆、第四柔性杆跨接在第二刚性杆的两端构成第二柔性单元；第一柔性单元和第二柔性单元串接。

2.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的组合杆一端固结于框架、另一端固结于滑块，其中各杆轴线与导轨长度方向的中心线平行，滑块在导轨中运动；外力F使滑块在导轨中运动时，组合杆产生一个大小恒定的支撑反力，实现位移段内对物体的恒定支撑。

3.根据权利要求2所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的框架和导轨是固定和限制组合杆运动的结构体，框架和导轨或连接为一体，形成上下结构；或上下分开独立固定。

4.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的组合杆输出恒力大小与柔性杆的截面形状和长度以及有刚性杆的长度有关，截面大，输出恒力大；截面小，输出恒力小；长度长，输出恒力小；长度短，输出恒力大。

5.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的第一柔性单元和第二柔性单元之间可以直接串接或通过导向块串接。

6.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的柔性杆的长度是指柔性杆的两端固结点之间发生弯曲变形段的长度；刚性杆的长度是指机构中不发生柔性变形段的长度。

7.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的柔性杆在机构运动过程中发生弯曲变形，刚性杆在机构运动过程中无弯曲、扭转等变形。

8.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的组合杆以单组连接在导轨与框架之间，或多组并联连接在导轨与框架之间，多组组合杆共用一个导向块，使柔性杆和刚性杆在不受外力时平行。

9.根据权利要求1所述的柔顺恒力支撑机构，其特征是：所述的组合杆两端固结连接点上，接点一端或两端受平行于组合杆轴线方向的外力F后，使组合杆产生一个大小恒定的支撑反力，作用在两端固结的连接点上或实现对其中一个连接点的恒定支撑。

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