CN104198270A - 面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，包括依次连接的底座、串联加载装置、并联补偿装置和试验机，脊柱的两端分别连接底座和串联加载装置的夹角，串联加载装置提供脊柱三个自由度的旋转动作模拟，并联补偿装置提供脊柱三个自由度的位移动作模拟。本发明分别利用串并联机器人的优势，提供可适用于中医应用和医学研究的脊柱三维加载装置，其利用串-并混联机器人的特点，配合万能电子试验机，不仅能够实现对脊柱在任意加载状态下，尤其是中医手法施力条件下，脊柱生物力学特征的真实模拟，还可以为针对脊柱的中医手法安全性提供参考指标，并为制定中医手法标准化、规范化提供数据支撑。

Description

面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置

技术领域

本发明涉及的是一种面向脊柱加载状态的生物特性研究与实验装置，属于基础医学科学研究领域，尤其是一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，主要用于在对脊柱进行三维加载的过程以及应用于脊柱的中医手法的加载条件下，对脊柱的生物力学状态的模拟。

背景技术

脊柱具有支撑身体，缓解冲击的作用，真实地复现出脊柱的受力状态，并对不同加载状态下的脊柱进行实验研究具有较高的价值。另外，随着中医科学化进程的加速推进，为了规范中医手法、制定手法治疗标准，医学工作者正在开展基于中医手法的脊柱加载生物力学的研究。

目前的脊柱加载装置主要有以下四种：

一、采用电子万能试验机或液压试验机对脊柱标本进行加载。

例如MTS858的生物力学试验机。但是其加载方式只能实现垂直方向加载，不能完成对脊柱屈曲和侧屈的真实模拟，无法满足实际脊柱生物力学研究的需要。

二、在试验机基础上增加加载装置。

如2013年08月07日公布的公开号为CN103234816A名称为“可调式脊椎骨固定装置”的发明专利，如图1所示，其在试验机平台的基础上，增加了一个可调节式脊椎骨固定装置，通过手动操作可以完成脊柱的旋转、屈曲和侧屈的加载；

但其加载需通过手动操作，只能完成固定角度的加载，且操作复杂，很难满足实际医学科学研究的需要。以及

MTS的另一种脊柱生物力学加载装置，其在生物力学试验机的基础上增加了三旋转加载装置和二自由度随动导轨，以完成对脊柱加载的模拟；

但由于二自由度随动导轨位于脊柱的下方，与生物体的实际加载情况不符。因此，很难复现出脊柱的受力状态。

三、2013年05月01日公告的授权公告号CN202917082U名称为“脊柱生物力学加载模拟装置”的实用新型专利，如图2所示，其包括三自由度移动平台和三自由度旋转平台组成，其中，三自由度移动平台采用直角坐标形式，可以模拟脊柱的前后、左右、上下运动，通过伺服电机控制，从而减少手工操作的误差，该机构可以完成对脊柱的三维自动加载，且加载模式与实际生物负荷相仿。

但是由于该机构通过直角坐标平台完成对脊柱的加载，加载力的大小和速度均受到限制。一方面，很难满足真正医学研究需求；另一方面，对于一些中医用手法，如扳动类法无法实现模拟。

四、利用机器人技术实现对脊柱的加载。

例如，由邓国勇、田联房、陈艺、白波，于2008年12月，在《医用生物力学》杂质上发表的，名称为《基于关节机器人的人体脊柱生物力学试验装置设计》的文章中提到，串联机器人通过夹具与脊柱的上端固定，脊柱的下端与基座固定，其通过控制串联机器人完成对脊柱的三维加载，该方法较好的完成了对脊柱的加载，并与实际脊柱受力生物力学特性相仿。

但是受限于串联机器人的负载低，速度慢的特性，该方法很难完成中医手法作用条件下的脊柱受力状态的模拟。

通过对现有技术的检索、分析可知，现有技术均难以真实模拟脊柱加载时的生物力学特性，特别是在受到不同加载时，例如在中医手法（如扳动类手法）应用于脊柱时，很难满足对脊柱生物力学的真实模拟。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明主要目的在于，提供一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，在对脊柱进行三维加载的过程以及应用于脊柱的中医手法的加载条件下，对脊柱的生物力学状态实现真实模拟，从而达到对脊柱生物力学特征进行科学研究的目的。

另外，本发明又一目的在于，提供一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，利用该装置完成在中医手法作用下的脊柱生物力学特征的复现，并将其实验结果作为中医手法（例如扳动类手法）安全性的参考指标，并为制定中医手法标准化、规范化提供数据支撑。

本发明提供的主要技术方案包括：

一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其包括：

底座，设有供连接脊柱下端部的下夹具；

串联加载装置，设有X轴部、Y轴部和Z轴部，X轴部设有供连接脊柱上端部的上夹具，以及提供绕X轴旋转来模拟脊柱侧屈动作的侧屈机构电机机构，侧屈机构电机机构的输出轴连接上夹具，Y轴部设有提供X轴部绕Y轴旋转来模拟脊柱屈曲动作的屈曲机构电机机构，屈曲机构电机机构的输出轴连接X轴部，Z轴部设有提供Y轴部绕Z轴旋转来模拟脊柱旋转动作的旋转机构电机机构，旋转机构电机机构的输出轴连接Y轴部；以及

并联补偿装置，设有静平台、动平台和多组连杆机构，每组连杆机构设有一个驱动电机、一个驱动杆和四个随动杆，驱动电机设于静平台，驱动电机驱动连接驱动杆的第一端，驱动杆的第二端与四个随动杆中的第一随动杆的中部枢转连接，四个随动杆构成一个铰接平行四边形机构，四个随动杆中的第二随动杆与第一随动杆平行设置，第二随动杆的中部枢转连接动平台，动平台与串联加载装置的Z轴部连接，并提供Z轴部在三维空间的平移来模拟脊柱在旋转、屈曲和侧屈动作中所产生的位移。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述并联补偿装置采用Delta并联机器人，三组所述连杆机构对称设置，驱动电机的外壳通过电机支座设于静平台，静平台上设有三个电机驱动器，各该电机驱动器分别与一个该驱动电机电连接，驱动电机的输出轴穿设固定于电机联轴器的中心孔，电机联轴器的法兰面与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的柔轮与驱动轴的第一端连接，谐波减速器的钢轮通过法兰连接到静平台，驱动轴穿设于两个深沟球轴承与一个胀紧套的内圈，两个深沟球轴承的外圈与静平台连接，胀紧套的外圈与所述驱动杆的第一端固定连接。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述并联补偿装置还设有与电机驱动器电连接的旋转编码器，旋转编码器的输入轴通过旋转编码器的联轴器与驱动轴的第二端连接，旋转编码器的壳体通过码盘基座与静平台刚性连接。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述并联补偿装置还设有限位柱，限位柱设于静平台，驱动杆设有腰形槽，限位柱活动性限位于腰形槽中；

和/或

所述并联补偿装置的静平台上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，驱动杆上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述串联加载装置的X轴、Y轴和Z轴交于一点，所述串联加载装置还设有供旋转机构电机机构与并联补偿装置的动平台刚性连接的串并联部分机械接口，旋转机构电机机构设有旋转机构壳体、旋转机构电机、旋转机构电机联轴器、旋转机构谐波减速器和旋转传力板，其中，串并联部分机械接口的一端与动平台刚性连接，另一端与旋转机构谐波减速器的钢轮连接，旋转机构谐波减速器的柔轮通过旋转传力板与旋转机构壳体的中部连接，旋转机构电机的输出轴穿设固定于旋转机构电机联轴器的中心孔，旋转机构电机联轴器的法兰面与旋转机构谐波减速器的波发生器连接；

屈曲机构电机机构设有屈曲机构壳体、屈曲机构电机、屈曲机构电机联轴器、屈曲机构谐波减速器和屈曲传力板，其中，屈曲机构电机的壳体与旋转机构壳体的第一端连接，屈曲机构电机的电机轴与屈曲机构电机联轴器连接，屈曲机构电机联轴器的法兰面与屈曲机构谐波减速器的波发生器连接，屈曲机构谐波减速器的钢轮与屈曲机构电机的壳体连接，屈曲机构谐波减速器的柔轮与屈曲机构壳体的第一端刚性连接，屈曲机构谐波减速器的钢轮与一个深沟球轴承的内圈连接，该深沟球轴承的外圈与屈曲机构壳体固连，屈曲机构壳体的第二端与屈曲随动轴的第一端固连，另一深沟球轴承的内圈与屈曲随动轴连接，该深沟球轴承的外圈与旋转机构壳体的第二端连接；

侧屈机构电机机构设有侧屈机构壳体、侧屈机构电机、侧屈机构电机联轴器、侧屈机构谐波减速器、侧屈机构驱动轴和侧屈机构轴承支撑壳体，其中，侧屈机构壳体的第一端与屈曲机构壳体的中部连接，侧屈机构电机的输出轴穿设固定于侧屈机构电机联轴器的中心孔，侧屈机构电机联轴器的法兰面与侧屈机构谐波减速器的波发生器固连，侧屈机构谐波减速器的钢轮与侧屈机构轴承支撑壳体连接，侧屈机构谐波减速器的柔轮与侧屈机构驱动轴的第一端固连，侧屈机构驱动轴的法兰面与上夹具连接，侧屈机构驱动轴支撑于两个深沟球轴承的内圈，其中的一个深沟球轴承的外圈设于侧屈机构轴承支撑壳体，其中的另一个深沟球轴承的外圈设于侧屈机构壳体；

所述串联加载装置还设有电机驱动器，旋转机构电机、屈曲机构电机、侧屈机构电机各与一个电机驱动器电连接。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述串联加载装置还设有与电机驱动器电连接的旋转机构旋转编码器、屈曲机构旋转编码器和侧屈机构旋转编码器，其中，

旋转机构旋转编码器的输入轴通过旋转机构旋转编码器的联轴器与旋转传力板固连，旋转机构旋转编码器的壳体与旋转机构谐波减速器的钢轮固连；屈曲机构旋转编码器的壳体固连于旋转机构壳体的第二端，屈曲机构旋转编码器的输入轴通过屈曲机构旋转编码器的联轴器与屈曲机构随动轴的第二端固连；侧屈机构旋转编码器的壳体固定于侧屈机构壳体，侧屈机构旋转编码器的输入轴通过侧屈机构旋转编码器的联轴器连接侧屈机构驱动轴的第二端。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，所述旋转机构电机机构还设有旋转限位柱，旋转限位柱设于与动平台相对固定的位置，旋转传力板设有旋转机构腰形限位槽，该旋转限位柱活动性限位于该旋转机构腰形限位槽中，

所述屈曲机构电机机构还设有屈曲限位柱，屈曲限位柱设于与旋转机构壳体相对固定的位置，旋转机构壳体设有屈曲机构腰形限位槽，该屈曲限位柱活动性限位于该屈曲机构腰形限位槽中，

所述侧屈机构电机机构还设有侧屈限位柱，侧屈限位柱设于与屈曲机构壳体相对固定的位置，夹具连接件设有侧屈机构腰形限位槽，该侧屈限位柱活动性限位于该侧屈机构腰形限位槽中；

和/或

所述旋转机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，旋转机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁，

所述屈曲机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，屈曲机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁，

所述侧屈机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，侧屈机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，还包括万能电子试验机，其整体呈龙门式结构，设有力传感器和位置传感器，力传感器设有法兰，该法兰与静平台上的机械接口刚性连接。

上述任一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，还设有控制和检测系统，该控制和检测系统包括计算机和Can通讯卡，以及所述力传感器、位置传感器、旋转编码器、霍尔传感器和电机驱动器中的任一个或任几个。

所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其中，各电机设有抱闸，各电机包括下列中的任一个或任几个：并联补偿装置中的驱动电机、旋转机构电机、屈曲机构电机、侧屈机构电机。

相较现有技术本发明的有益效果是：本发明设计了面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，分别利用串并联机器人的优势，提出了一种新型的可适用于中医应用和医学研究的脊柱三维加载装置。利用串-并混联机器人的特点，配合万能电子试验机，实现加载状态下，尤其是中医手法施力条件下，脊柱生物力学特征的真实模拟。并且该装置不仅能够完成对脊柱在任意加载过程中生物力学特征的真实模拟，也可以为针对脊柱的中医手法安全性提供参考指标，并为制定中医手法标准化、规范化提供数据支撑。

附图说明

图1是现有技术CN103234816A的结构示意图；

图2是现有技术CN202917082U的结构示意图；

图3是本发明第一实施例的整体结构示意图；

图4是本发明第一实施例中的并联机器人的整体结构示意图；

图5是本发明第一实施例中的并联机器人另一视角的整体结构示意图；

图6是本发明第一实施例中的并联机器人的局部剖视图；

图7是本发明第一实施例中的并联机器人的连杆机构的局部视图；

图8是本发明第一实施例中的并联机器人的驱动杆的主视图；

图9是本发明第一实施例中的串联机器人的整体结构示意图；

图10是本发明第一实施例中的串联机器人的整体剖视图（一）；

图11是本发明第一实施例中的串联机器人的整体剖视图（二）；

图12是本发明第一实施例中的串联机器人的旋转传力板的主视图；

图13是本发明第一实施例中的串联机器人的旋转机构壳体的整体结构示意图；

图14是本发明第一实施例中的串联机器人的夹具连接件的整体结构示意图。

【主要元件符号说明】

1-万能电子试验机， 2-并联机器人 ，3-串联机器人， 4-下夹具；31-机械接口，5-并联部分电机驱动器，6-静平台，7-并联电机基座，8-并联部分电机，9-驱动杆，10-双列角接触轴承，11-第一随动杆, 12-第三随动杆， 13-并联部分码盘，14-并联部分码盘基座，15-霍尔传感器，16-第二随动杆, 17-动平台，18串联部分电机驱动器；19-电机联轴器，20-谐波减速器，21-驱动轴，22-深沟球轴承，23-胀紧套，24-深沟球轴承，25-码盘联轴器，26-旋转机构电机；27-深沟球轴承，28-第一随动杆连接销轴；29-屈曲机构电机，30-侧屈机构电机，32-串并联部分机械接口，33-旋转机构码盘联轴器，34-旋转机构壳体，35-旋转机构码盘支撑，36-旋转机构码盘，37-屈曲机构壳体，38-屈曲机构码盘支撑，39-屈曲机构码盘联轴器，40-屈曲机构码盘，41-侧屈机构壳体；42-屈曲传力板 ，43-深沟球轴承，44-屈曲机构谐波减速器，45-屈曲机构电机支撑，46-屈曲机构电机联轴器，47-旋转机构电机联轴器，48-深沟球轴承，49-旋转机构谐波减速器，50-旋转传力板，51-霍尔传感器，52-霍尔传感器支架，53-屈曲限位柱，54-屈曲随动轴，55-深沟球轴承，56-夹具连接件，57-上夹具；58-侧屈轴承支撑壳体，59-深沟球轴承，60-侧屈机构谐波减速器，61-侧屈机构电机支撑，62-侧屈机构电机联轴器，63-侧屈机构驱动轴，64-侧屈机构码盘联轴器，65-深沟球轴承，66-侧屈机构码盘，67-侧屈机构码盘支撑；68-并联限位柱；69-并联腰形限位槽；70-旋转机构腰形限位槽；71-屈曲机构腰形限位槽；72-侧屈机构腰形限位槽。

具体实施方式

为了使本发明便于理解，下面结合附图通过具体实施方式对本发明作详细描述。

本发明中涉及的技术术语说明如下：

脊柱三维加载：脊柱包括颈椎、胸椎和腰椎，脊柱的三维加载包括对脊柱进行旋转、屈曲和侧屈三个方向的加载，在对三个方向进行加载的同时，脊柱会产生相应的空间平移运动。因此，为了真实模拟出脊柱在加载状态下的受力情况，一般采用具有六自由度的加载装置实现对脊柱的加载。

串联机器人：串联机器人采用关节串联结构，具有工作空间大，控制相对简单，负载低等特点，适合应用于转角较大的工况中。 

并联机器人：并联机器人采用完全对称的机构，具有较好的各向同性，并联机器人不同于串联机器人，具有高负载、高刚度、高速和高精度等优点，适合应用于大载荷的工况条件。

参见图3，本发明第一实施例的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，包括：万能电子试验机1、并联补偿装置、串联加载装置、下夹具4和控制与检测系统。

如图3所示，所述的万能电子试验机1整体采用龙门式结构，内设力传感器和位置传感器，万能电子试验机1的力传感器处具有法兰，通过法兰利用紧固件可与并联补偿装置的机械接口31的上端刚性连接。可以为中医手法（例如但不限于扳动类手法）提供动力。

如图4、图5、图6所示，本实施例中的并联补偿装置采用Delta并联机器人2，可以实现由于旋转、屈曲和侧屈所产生的三个自由度的位移的模拟。

所述并联机器人2采用完全对称式结构，而本实施例中采用的并联机器人2具有完全对称的三条支链（也可以为四条或六条支链的结构），本发明仅对一条支链进行叙述，其他支链不再赘述。

所述的并联机器人2设有一个机械接口31、一个静平台6、三个连杆机构220（即所述的三条支链）、一个动平台17。其中，机械接口31的下端与静平台6的一侧相连，静平台6的另一侧连接三个所述的连杆机构220的第一端，三个所述的连杆机构220的第二端连接动平台17的一侧，三个连杆机构220的结构相同，并对称设置于静平台6和动平台17。

所述连杆机构220包括电机8、减速器20、驱动杆9和随动杆11、12、16。

本实施例中，并联部分电机8的外壳与并联电机支座7通过紧固件连接，并联电机支座7设于静平台6；并联部分电机8的输出轴穿过电机联轴器19的中心孔并通过紧固螺钉使两者固连，电机联轴器19的法兰面与谐波减速器20的波发生器连接，谐波减速器20的柔轮与驱动轴21连接，谐波减速器20的钢轮通过法兰连接到静平台6；驱动轴21分别与深沟球轴承22和24以及胀紧套23的内圈相连，深沟球轴承22和24的外圈分别与静平台6连接；胀紧套23的外圈与驱动杆9固连。

再参考图6，驱动轴21的右端与并联部分码盘13（旋转编码器简称码盘）的输入轴通过码盘联轴器25相连接，并联部分码盘13的壳体通过并联部分码盘基座14与静平台6刚性连接；驱动杆9的另一端与双列角接触轴承10的外圈相连，双列角接触轴承10的内圈与第一随动杆11连接，第一随动杆11的两端对称地开有凹槽，第一随动杆连接销轴28的一端插入凹槽内部并通过紧固件固连，另一端与深沟球轴承27内圈相连，深沟球轴承27的外圈与驱动杆9相连；第一随动杆11与两个第三随动杆12和第二随动杆16组成平行四边形。第二随动杆16与靠近动平台的双列角接触轴承10的内圈连接，该双列角接触轴承10的外圈与动平台17相连。

为了便于走线和对减少电机的干扰，将并联部分电机驱动器5安装于并联补偿装置的静平台6上，并呈周向均匀分布；串联部分电机驱动器呈周向分布安装在动平台17。

为了保证机构的安全性，一方面，静平台6通过紧固件固定连接有并联限位柱68，在驱动杆9上加工有并联腰形槽69，且并联限位柱68的直径小于并联腰形槽69，使得并联限位柱68可以在并联腰形槽69内滑动，当到达极限时，并联限位柱68与并联腰形槽69边缘接触，从而达到限制驱动杆9运动的作用；另一方面，在驱动杆9上加工一个盲孔，在盲孔安装电磁铁，在静平台6上安装霍尔传感器15，当霍尔传感器15位于电磁铁上方时，霍尔传感器15发出信号给并联部分电机驱动器5，使电机8不使能，从而达到保护机构的作用。

由于并联部分码盘13为增量式编码器，位于谐波减速器20的输出端，其转角不超过360°，本发明利用码盘的Z信号和霍尔传感器15的配合，实现并联机器人2自动寻找零位。在并联机器人2上电时，让驱动杆9向任意方向转动，当识别到Z信号时，则代表找到零位；如果先获得霍尔信号时，则使电机反转从而找到码盘的Z信号，即机构的零位。

所述的串联加载装置设有Z轴部、Y轴部和X轴部，采用轴线（Z轴、Y轴、X轴）交予一点的设计思路，可以完成旋转、屈曲和侧屈三个自由度的加载。

其中，Z轴部的旋转机构电机26的输出轴通过旋转机构电机联轴器47的中心孔，并与其固连；旋转机构电机联轴器47的法兰面与旋转机构谐波减速器49的波发生器相连，串并联部分机械接口32上面与动平台17刚性连接，下面与旋转机构谐波减速器49的刚轮连接，旋转机构谐波减速器49的柔轮通过旋转传力板50与旋转机构壳体34相连；旋转机构谐波减速器49的刚轮与两个深沟球轴承48的内圈连接，该两个深沟球轴承48的外圈安装于旋转机构壳体34沉孔中；旋转机构码盘支撑35一端通过紧固件与旋转机构谐波减速器49的刚轮固连；另一端与旋转机构码盘36的壳体相连，而旋转机构码盘36的输入轴通过旋转机构码盘联轴器33与旋转传力板50固连。

在旋转机构壳体34的下部，Y轴部的屈曲机构电机29的壳体与屈曲机构电机支撑45通过紧固件连接，屈曲机构电机29的电机轴与屈曲机构电机联轴器46连接，屈曲机构电机联轴器46的法兰面与屈曲机构谐波减速器44的波发生器相连，屈曲机构谐波减速器44的刚轮与屈曲机构电机支撑45通过紧固件连接，屈曲机构谐波减速器44的柔轮通过屈曲传力板42与屈曲机构壳体37的左端面刚性连接；屈曲机构谐波减速器44的刚轮与深沟球轴承43的内圈连接，深沟球轴承43的外圈与屈曲机构壳体37固连，屈曲机构壳体37的右端与屈曲随动轴54通过紧固件连接；深沟球轴承55内圈与屈曲随动轴54连接，深沟球轴承55外圈与旋转机构壳体34的右端连接；屈曲随动轴54的右端通过屈曲机构码盘联轴器39与屈曲机构码盘40的输入轴固连，屈曲机构码盘40的壳体通过屈曲机构码盘支撑38固定于旋转机构壳体34上。

屈曲机构壳体37上部与X轴部的侧屈机构壳体41的上部通过紧固件连接，并通过加工保证两者轴线相差90°；侧屈机构电机30通过侧屈机构电机联轴器62的中心孔，通过紧固件与侧屈机构电机联轴器62固连，侧屈机构电机联轴器62的法兰面与侧屈机构谐波减速器60的波发生器固连，侧屈机构谐波减速器60的刚轮与侧屈轴承支撑壳体58连接，侧屈机构谐波减速器60的柔轮与侧屈机构驱动轴63通过紧固件连接，侧屈机构驱动轴63与深沟球轴承59、深沟球轴承65的内圈连接，深沟球轴承59的外圈与侧屈轴承支撑壳体相连58，深沟球轴承65的外圈与侧屈机构壳体41连接；侧屈机构驱动轴63的右端通过侧屈机构码盘联轴器64与侧屈机构码盘66的输入轴相连，侧屈机构码盘66的壳体通过侧屈机构码盘支撑67固定于侧屈机构壳体41上；侧屈机构驱动轴63的法兰面与夹具连接件56相连，夹具连接件56的下端面与上夹具57固连，上夹具57侧面加工有螺纹孔，可以通过螺栓将颈椎固定于夹具上。

从机构安全性角度出发，串联部分和并联部分采用了相似地安全性保护措施，每个关节均采用限位柱和腰形孔69、70、71的机械限位以及霍尔传感器和电磁铁的电限位方法，来确保机构在规定范围内运动。

串联部分找零位的方法与并联部分类似，也是采用了霍尔传感器和增量式码盘Z信号的方法来获取机构的零位。

所述控制与检测系统由计算机、Can通讯卡和传感器（力传感器、位置传感器、码盘和霍尔传感器）、电机驱动器组成，Can通讯卡安装在计算机中。万能电子试验机、串并混联加载装置中的电机驱动器与计算机通过Can通讯卡与计算机电连接。万能电子试验机中的力信息和位置信息通过Can总线传到计算机中；串并混联加载装置中的码盘、霍尔传感器和抱闸与电机驱动电连接，并将传感器信息通过驱动器传至计算机。通过上位机控制可以实现脊柱的三维自动化加载。

其中万能电子试验机1可以完成对中医手法，如扳动类手法的模拟；并联补偿装置可以实现由于旋转、屈曲和侧屈所产生位移的模拟；串联加载装置可以对脊柱完成旋转、屈曲和侧屈的加载，串联加载装置与并联补偿装置组成串并混联加载装置，该装置所采用的电机均含有抱闸，在正常加载完成后，控制抱闸抱死电机轴，使混联机构成为刚体，在此基础上，控制万能电子试验机加载可以实现中医手法对脊柱加载的科学研究；控制系统由电机供电电源、计算机、Can通信卡和电机驱动器组成，可以完成对串并混联加载装置以及万能电子试验机加载的控制。

本发明的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，包括依次连接的底座、串联加载装置、并联补偿装置和试验机，脊柱的两端分别连接底座和串联加载装置的夹角，串联加载装置提供脊柱三个自由度的旋转动作模拟，并联补偿装置提供脊柱三个自由度的位移动作模拟，分别利用串并联机器人的优势，提出了一种新型的可适用于中医应用和医学研究的脊柱三维加载装置。利用串-并混联机器人的特点，配合万能电子试验机，实现加载状态下，尤其是中医手法施力条件下，脊柱生物力学特征的真实模拟。并且该装置不仅能够完成对脊柱在任意加载过程中生物力学特征的真实模拟，也可以为针对脊柱的中医手法的安全性提供参考指标，并为制定中医手法标准化、规范化提供数据支撑。

Claims (10)

1.一种面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于包括：

底座，设有供连接脊柱下端部的下夹具；

串联加载装置，设有X轴部、Y轴部和Z轴部，X轴部设有供连接脊柱上端部的上夹具，以及提供绕X轴旋转来模拟脊柱侧屈动作的侧屈机构电机机构，侧屈机构电机机构的输出轴连接上夹具，Y轴部设有提供X轴部绕Y轴旋转来模拟脊柱屈曲动作的屈曲机构电机机构，屈曲机构电机机构的输出轴连接X轴部，Z轴部设有提供Y轴部绕Z轴旋转来模拟脊柱旋转动作的旋转机构电机机构，旋转机构电机机构的输出轴连接Y轴部；以及

并联补偿装置，设有静平台、动平台和多组连杆机构，每组连杆机构设有一个驱动电机、一个驱动杆和四个随动杆，驱动电机设于静平台，驱动电机驱动连接驱动杆的第一端，驱动杆的第二端与四个随动杆中的第一随动杆的中部枢转连接，四个随动杆构成一个铰接平行四边形机构，四个随动杆中的第二随动杆与第一随动杆平行设置，第二随动杆的中部枢转连接动平台，动平台与串联加载装置的Z轴部连接，并提供Z轴部在三维空间的平移来模拟脊柱在旋转、屈曲和侧屈动作中所产生的位移。

2.如权利要求1所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：

所述并联补偿装置采用Delta并联机器人，三组所述连杆机构对称设置，驱动电机的外壳通过电机支座设于静平台，静平台上设有三个电机驱动器，各该电机驱动器分别与一个该驱动电机电连接，驱动电机的输出轴穿设固定于电机联轴器的中心孔，电机联轴器的法兰面与谐波减速器的波发生器连接，谐波减速器的柔轮与驱动轴的第一端连接，谐波减速器的钢轮通过法兰连接到静平台，驱动轴穿设于两个深沟球轴承与一个胀紧套的内圈，两个深沟球轴承的外圈与静平台连接，胀紧套的外圈与所述驱动杆的第一端固定连接。

3.如权利要求2所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：

所述并联补偿装置还设有与电机驱动器电连接的旋转编码器，旋转编码器的输入轴通过旋转编码器的联轴器与驱动轴的第二端连接，旋转编码器的壳体通过码盘基座与静平台刚性连接。

4.如权利要求2所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：

所述并联补偿装置还设有限位柱，限位柱设于静平台，驱动杆设有腰形槽，限位柱活动性限位于腰形槽中；

和/或

所述并联补偿装置的静平台上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，驱动杆上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁。

5.如权利要求1所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：

所述串联加载装置的X轴、Y轴和Z轴交于一点，所述串联加载装置还设有供旋转机构电机机构与并联补偿装置的动平台刚性连接的串并联部分机械接口，旋转机构电机机构设有旋转机构壳体、旋转机构电机、旋转机构电机联轴器、旋转机构谐波减速器和旋转传力板，其中，串并联部分机械接口的一端与动平台刚性连接，另一端与旋转机构谐波减速器的钢轮连接，旋转机构谐波减速器的柔轮通过旋转传力板与旋转机构壳体的中部连接，旋转机构电机的输出轴穿设固定于旋转机构电机联轴器的中心孔，旋转机构电机联轴器的法兰面与旋转机构谐波减速器的波发生器连接；

屈曲机构电机机构设有屈曲机构壳体、屈曲机构电机、屈曲机构电机联轴器、屈曲机构谐波减速器和屈曲传力板，其中，屈曲机构电机的壳体与旋转机构壳体的第一端连接，屈曲机构电机的电机轴与屈曲机构电机联轴器连接，屈曲机构电机联轴器的法兰面与屈曲机构谐波减速器的波发生器连接，屈曲机构谐波减速器的钢轮与屈曲机构电机的壳体连接，屈曲机构谐波减速器的柔轮与屈曲机构壳体的第一端刚性连接，屈曲机构谐波减速器的钢轮与一个深沟球轴承的内圈连接，该深沟球轴承的外圈与屈曲机构壳体固连，屈曲机构壳体的第二端与屈曲随动轴的第一端固连，另一深沟球轴承的内圈与屈曲随动轴连接，该深沟球轴承的外圈与旋转机构壳体的第二端连接；

侧屈机构电机机构设有侧屈机构壳体、侧屈机构电机、侧屈机构电机联轴器、侧屈机构谐波减速器、侧屈机构驱动轴和侧屈机构轴承支撑壳体，其中，侧屈机构壳体的第一端与屈曲机构壳体的中部连接，侧屈机构电机的输出轴穿设固定于侧屈机构电机联轴器的中心孔，侧屈机构电机联轴器的法兰面与侧屈机构谐波减速器的波发生器固连，侧屈机构谐波减速器的钢轮与侧屈机构轴承支撑壳体连接，侧屈机构谐波减速器的柔轮与侧屈机构驱动轴的第一端固连，侧屈机构驱动轴的法兰面与上夹具连接，侧屈机构驱动轴支撑于两个深沟球轴承的内圈，其中的一个深沟球轴承的外圈设于侧屈机构轴承支撑壳体，其中的另一个深沟球轴承的外圈设于侧屈机构壳体；

所述串联加载装置还设有电机驱动器，旋转机构电机、屈曲机构电机、侧屈机构电机各与一个电机驱动器电连接。

6.如权利要求5所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：所述串联加载装置还设有与电机驱动器电连接的旋转机构旋转编码器、屈曲机构旋转编码器和侧屈机构旋转编码器，其中，

旋转机构旋转编码器的输入轴通过旋转机构旋转编码器的联轴器与旋转传力板固连，旋转机构旋转编码器的壳体与旋转机构谐波减速器的钢轮固连；屈曲机构旋转编码器的壳体固连于旋转机构壳体的第二端，屈曲机构旋转编码器的输入轴通过屈曲机构旋转编码器的联轴器与屈曲机构随动轴的第二端固连；侧屈机构旋转编码器的壳体固定于侧屈机构壳体，侧屈机构旋转编码器的输入轴通过侧屈机构旋转编码器的联轴器连接侧屈机构驱动轴的第二端。

7.如权利要求5所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：

所述旋转机构电机机构还设有旋转限位柱，旋转限位柱设于与动平台相对固定的位置，旋转传力板设有旋转机构腰形限位槽，该旋转限位柱活动性限位于该旋转机构腰形限位槽中，

所述屈曲机构电机机构还设有屈曲限位柱，屈曲限位柱设于与旋转机构壳体相对固定的位置，旋转机构壳体设有屈曲机构腰形限位槽，该屈曲限位柱活动性限位于该屈曲机构腰形限位槽中，

所述侧屈机构电机机构还设有侧屈限位柱，侧屈限位柱设于与屈曲机构壳体相对固定的位置，夹具连接件设有侧屈机构腰形限位槽，该侧屈限位柱活动性限位于该侧屈机构腰形限位槽中；

和/或

所述旋转机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，旋转机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁，

所述屈曲机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，屈曲机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁，

所述侧屈机构电机机构上还设有与电机驱动器电连接的霍尔传感器，侧屈机构腰形限位槽上的预定位置设有盲孔，盲孔中设有与霍尔传感器相对应的电磁铁。

8.如权利要求1所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：还包括万能电子试验机，其整体呈龙门式结构，设有力传感器和位置传感器，力传感器设有法兰，该法兰与静平台上的机械接口刚性连接。

9.如权利要求1至8中的任一项所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：还设有控制和检测系统，该控制和检测系统包括计算机和Can通讯卡，以及所述力传感器、位置传感器、旋转编码器、霍尔传感器和电机驱动器中的任一个或任几个。

10.如权利要求9所述的面向中医手法的串并混联脊柱三维自动化加载装置，其特征在于：各电机设有抱闸，各电机包括下列中的任一个或任几个：并联补偿装置中的驱动电机、旋转机构电机、屈曲机构电机、侧屈机构电机。