CN104257483A - 一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人 - Google Patents
一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及保健康复机械技术领域，特别涉及一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，包括底座、四个全向轮、高度调节装置、支撑柱、按摩盒、两个限位弹簧、九个柔性并联机构、十二个柔性按摩装置和盒罩，四个全向轮分别对称安装在底座上；高度调节装置与底座相连接；支撑柱与高度调节装置固连；按摩盒与支撑柱固连；限位弹簧一端与支撑柱相连接，其另一端与按摩盒上相连接；九个柔性并联机构均匀安装在按摩盒上，柔性并联机构上均匀安装有十二个柔性按摩装置；盒罩与按摩盒相连接，且盒罩的内壁紧贴在柔性按摩装置上。本发明具有按摩效果好、按摩范围大、按摩力均匀、适用范围广和无需人为辅助按摩等优点，实现了良好的颈椎按摩功能。
Description
技术领域
本发明涉及保健康复机械技术领域，特别涉及一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人。
背景技术
颈椎，一般指颈椎骨，位于头以下、胸椎以上的部位；颈椎是人体的两大枢纽之一，是连接头和身体的枢纽，是神经和血管的唯一通道；而且颈椎又是脊柱椎骨中体积最小，但灵活性最大、活动频率最高、负重较大的节段；大约在30岁以后，人们的颈椎肩盘就会开始逐渐退化，含水量减少，并随着年龄增长而更为明显，且诱发或促使颈椎其它部位组织退变。然而随着社会的发展，从事长期低头伏案工作以及从事IT行业以及互联网行业的人士日益增多，由于工作时颈部肌肉处于长期僵化状态，极易导致劳损并引发颈椎盘突出，颈椎骨质增生或炎症，促使了颈椎病的多发和高发，并由此引发了一系列严重的并发症，例如精神不振，记忆力衰退，头痛以及神经疼痛等，给患者带来了极大的痛苦，因此对颈椎的保健至关重要。
对颈椎最好的保健方式就是定时对颈椎进行按摩，刺激人体的特定部位，以疏通经络、运行气血，从而达到预防颈椎病或促使患者颈椎康复目的的。传统的颈椎按摩方法大多采用人工手动按摩或者按摩枕按摩的方式，人工手动按摩的方式按摩效果差，按摩过程中按摩力不均匀，劳动强度大，而按摩枕按摩的方式按摩范围小，需要人为配合按摩，效果不明显。
虽然现有技术中也有少量的颈椎按摩设备，但都存在一些缺陷，例如中国专利ZL200710173800.3所公布的一种脖颈放松辅助装置，它包括气垫套，该气垫套内均匀分布有若干充气气囊，该充气气囊中均填充适量气体且在充气后壳纵向延伸；充气气囊分别通过充气管连接一气压泵的充气孔，各充气孔上均设置有可控的电磁阀，其主要通过充气、放气的方式使气囊推动脖颈部进行保健按摩，此发明采用气动按摩的方式对治疗颈椎病效果不明显，只起到放松、预防颈椎病的功能，且还存在按摩范围小和按摩力难以控制等缺点；又如中国专利号201310249981.9所公布的颈椎矫正器，其包括底板、颈枕和头枕，通过底板上的颈枕和头枕分别支撑颈部的颈椎和头部的后脑，从而对颈部进行护理、保健以及矫正，使用前，转动头枕板，调节头枕板的限位板插入底板的限位槽，从而提升或降低头枕的高度，同时松开底板两侧的颈枕夹，即通过颈枕夹的夹钮松开夹钮与档位槽的扣合，通过滑道带动颈枕夹的夹座滑动，调整颈枕夹在底板的位置，从而提升或降低颈枕的高度，该发明能调节高度，能适用于不同高度的颈椎病人，但该发明依旧存在按摩范围小和按摩力难以控制的缺陷；但是如中国专利号201010220907.0所公布的一种推拿机器人执行机构通过两自由度并联机构来实现推拿动作和中国专利号200510094463.X所公布的一类新型串并联中医推拿机器人通过三自由度并联机构来实现推拿动作，两者均通过高性能的并联机构来实现了良好的推拿按摩效果。
鉴于此，本发明提出了一种新的技术方案，采用了Stewart并联机构配合柔性按摩装置的方式来实现良好的颈椎按摩效果，使得本发明在柔性均匀按摩的同时，又具有了Stewart六自由度并联机构的优良性能，从而解决了现有颈椎按摩方式按摩效果差、按摩范围小、需要人为配合按摩和劳动强度大的难题。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，解决了现有颈椎按摩方式按摩效果差、按摩范围小、需要人为配合按摩和劳动强度大的难题，具有按摩效果好、按摩范围大、按摩力均匀、适用范围广和无需人为辅助按摩等优点，实现了良好的颈椎按摩功能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人,包括底座、四个全向轮、高度调节装置、支撑柱、按摩盒、两个限位弹簧、九个柔性并联机构、十二个柔性按摩装置和盒罩，所述的底座为方型结构；所述的四个全向轮沿底座的中心轴线分别对称安装在底座的下端面，全向轮能够实现纵横向运动，操作方便；所述的高度调节装置位于底座的上端面左侧，且高度调节装置与底座之间通过螺栓相连接，高度调节装置能调节本发明的按摩高度，使本发明能适用于不同高度的颈椎病人，适用范围广；所述的支撑柱位于底座的上方，支撑柱的两侧对称设置有两个一号吊耳，且支撑柱与高度调节装置固连；所述的按摩盒形状呈U型，按摩盒的两侧对称设置有两个二号吊耳，按摩盒的后端与支撑柱固连；所述的两个限位弹簧位于支撑柱的两侧，且限位弹簧一端与支撑柱上的一号吊耳相连接，其另一端与按摩盒上的二号吊耳相连接，由于不同颈椎病人的脖颈宽度不同，因此对按摩盒的挤压力度不同，通过限位弹簧来自动调节挤压力度和限定按摩盒的运动范围；所述的九个柔性并联机构均匀安装在按摩盒的内壁上，九个柔性并联机构分别布置在按摩盒内壁一圈，按摩范围大，柔性并联机构上均匀安装有十二个柔性按摩装置，根据不同颈椎病人的脖颈宽度，柔性并联机构能自动调节柔性按摩装置的按摩位置，无需人为配合操作，且柔性按摩装置紧贴在盒罩的内壁，产生均匀的按摩力；所述的盒罩为U型曲面结构，U型曲面结构与病人的脖颈形状相似，盒罩与按摩盒之间通过螺钉相连接，且盒罩的内壁紧贴在柔性按摩装置的顶部。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的高度调节装置包括安装柱、丝杠、驱动电机、升降滑块和丝杠螺母；所述的安装柱形状呈T型，安装柱上设置有安装通槽，安装柱的两侧对称设置有两个滑槽，滑槽起到了限定升降滑块运动轨迹的功能，且安装柱与底座之间通过螺栓相连接；所述的丝杠下端通过轴承与安装柱上的安装通槽下端相连接，其上端通过联轴器与驱动电机的输出轴相连接；所述的驱动电机通过电机座与安装柱上的安装通槽上端相连接；所述的升降滑块上对称设置有两根钩柱，钩柱与安装柱上的滑槽之间通过滑动配合的方式相连接，使升降滑块只能作垂直升降运动，升降滑块的中部设置有通孔，通孔的内壁上设置有安装丝杠螺母的凹槽，且升降滑块通过丝杠螺母与丝杠相连接；当驱动电机开始工作后，带动丝杠旋转，通过丝杠和丝杠螺母传动的方式带动升降滑块在安装柱上作垂直升降运动，由于支撑柱与升降滑块固连，而按摩盒又与支撑柱固连，使按摩盒随升降滑块作同步垂直升降运动，从而调节了本发明的按摩高度，使本发明能适用于不同高度的颈椎病人，适用范围广。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的柔性并联机构包括定平台、动平台和六个柔性支链；所述的定平台和动平台形状均呈圆形；所述的定平台外壁与按摩盒的内壁固连；所述的动平台与定平台之间连接有六个柔性支链，本发明的柔性并联机构是一种六自由度的Stewart并联机构，通过六个柔性支链来实现对柔性按摩装置按摩位置的自动调节，具有稳定性好、动态性能好、精度高、刚度强和承载力大等优点，使得本发明在按摩过程中能随着颈椎病人颈椎的姿势自动调节按摩力的大小，实现良好的均匀按摩效果。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的柔性支链包括一号球铰、一号连接筒、气缸、二号连接筒和二号球铰，所述的一号球铰与定平台之间通过螺钉相连接，且一号球铰与一号连接筒之间通过螺纹相连接；所述的气缸下端与一号连接筒之间螺纹相连接，其上端与二号连接筒之间通过螺纹相连接；所述的二号球铰与二号连接筒之间通过螺纹相连接，且二号球铰与动平台之间通过螺钉相连接，在本发明工作之时，气缸能随着颈椎病人的姿势不断自动调节活塞杆的伸缩量，从而调节了动平台的位置和姿势，间接的调节了柔性按摩装置的按摩位置和按摩力度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的柔性按摩装置包括振动电机和柔性按摩头；所述的振动电机通过电机座安装在动平台上；所述的柔性按摩头与振动电机的输出端固连，且柔性按摩头的顶部紧贴在盒罩的内壁上，振动电机的不断振动，带动柔性按摩头不断振动，通过柔性按摩头的不断振动来对实现对颈椎的按摩。
作为本发明的一种优选技术方案，所述的按摩盒和盒罩的材质均为柔性材料，柔性材料的柔韧度好，具有良好的变形性能，使得按摩效果更加明显。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)本发明是一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，将并联机器人技术应用于颈椎按摩领域，Stewart并联机构具有稳定性好、动态性能好、精度高、刚度强和承载力大等优点，通过良好的六自由度运动性能来配合柔性按摩装置，实现了良好的颈椎按摩效果，按摩范围大，按摩力均匀，解决了现有颈椎按摩方式按摩效果差、按摩范围小、需要人为配合按摩和劳动强度大的难题。
(2)本发明设计了高度调节装置，通过丝杠和丝杠螺母传动的方式来调节按摩高度，使本发明适用于不同高度的颈椎病人，适用范围广，应用前景广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明去除盒罩后的立体结构示意图；
图3是本发明高度调节装置的立体结构示意图；
图4是本发明高度调节装置的全剖视图；
图5是图4的A-A向剖视图；
图6是本发明升降滑块的立体结构示意图；
图7是本发明柔性并联机构和柔性按摩装置的立体结构示意图；
图8是本发明柔性支链的立体结构示意图；
图9是本发明柔性支链的运动简图；
图10是本发明一号球铰的立体结构示意图；
图11是本发明一号连接筒的全剖视图；
图12是本发明二号连接筒的全剖视图；
图13是本发明柔性按摩装置的立体结构示意图。
具体实施例
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
Stewart并联机构(也称Stewart平台)是一种空间六自由度并联机构，由上平台、下平台和六个可伸缩的支腿通过运动副连接而成，每个可伸缩支腿通过两个球铰或者一个球铰和一个虎克铰与上下两平台相连。该机构本身的下平台静止不动，通过控制六个可伸缩支腿独立运动，可使上平台获得需要的位置和姿态，相比串联机构，Stewart平台具有一些固有的优势，包括更大的刚度质量比，更高的基频，可以承受相对较大的负载，更强的动态性能，稳定性和更高的运动精度，能完成精密级任务。自1965年被提出以来，其运动学、奇异性、工作空间与灵巧性、动力学与控制、平台的设计与开发等方面均得到深入而广泛的研究。而本发明利用了Stewart并联机构的优良性能，研制了一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，实现了良好的颈椎按摩功能。
如图1、图2、图3、图4、图7和图13所示，一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人,包括底座1、四个全向轮2、高度调节装置3、支撑柱4、按摩盒5、两个限位弹簧6、九个柔性并联机构7、十二个柔性按摩装置8和盒罩9，所述的底座1为方型结构；所述的四个全向轮2沿底座1的中心轴线分别对称安装在底座1的下端面，全向轮2能够实现纵横向运动，操作方便；所述的高度调节装置3位于底座1的上端面左侧，且高度调节装置3与底座1之间通过螺栓相连接，高度调节装置3能调节本发明的按摩高度，使本发明能适用于不同高度的颈椎病人，适用范围广；所述的支撑柱4位于底座1的上方，支撑柱4的两侧对称设置有两个一号吊耳401，且支撑柱4与高度调节装置3固连；所述的按摩盒5形状呈U型，按摩盒5的两侧对称设置有两个二号吊耳501，按摩盒5的后端与支撑柱4固连；所述的两个限位弹簧6位于支撑柱4的两侧，且限位弹簧6一端与支撑柱4上的一号吊耳401相连接，其另一端与按摩盒5上的二号吊耳501相连接，由于不同颈椎病人的脖颈宽度不同，因此对按摩盒5的挤压力度不同，通过限位弹簧6来自动调节挤压力度和限定按摩盒5的运动范围；所述的九个柔性并联机构7均匀安装在按摩盒5的内壁上，九个柔性并联机构7分别布置在按摩盒5内壁一圈，按摩范围大，柔性并联机构7上均匀安装有十二个柔性按摩装置8，根据不同颈椎病人的脖颈宽度，柔性并联机构7能自动调节柔性按摩装置8的按摩位置，无需人为配合操作，且柔性按摩装置8紧贴在盒罩9的内壁，产生均匀的按摩力；所述的盒罩9为U型曲面结构，U型曲面结构与病人的脖颈形状相似，盒罩9与按摩盒5之间通过螺钉相连接，盒罩9的内壁紧贴在柔性按摩装置8的顶部，且盒罩9和按摩盒5的材质均为柔性材料，柔性材料的柔韧度好，具有良好的变形性能，使得按摩效果更加明显。
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述的高度调节装置3包括安装柱301、丝杠302、驱动电机303、升降滑块304和丝杠螺母305；所述的安装柱301形状呈T型，安装柱301上设置有安装通槽，安装柱301的两侧对称设置有两个滑槽，滑槽起到了限定升降滑块304运动轨迹的功能，且安装柱301与底座1之间通过螺栓相连接；所述的丝杠302下端通过轴承与安装柱301上的安装通槽下端相连接，其上端通过联轴器与驱动电机303的输出轴相连接；所述的驱动电机303通过电机座与安装柱301上的安装通槽上端相连接；所述的升降滑块304上对称设置有两根钩柱3041，钩柱3041与安装柱301上的滑槽之间通过滑动配合的方式相连接，使升降滑块304只能作垂直升降运动，升降滑块304的中部设置有通孔，通孔的内壁上设置有安装丝杠螺母305的凹槽，且升降滑块304通过丝杠螺母305与丝杠302相连接。当驱动电机303开始工作后，带动丝杠302旋转，通过丝杠302和丝杠螺母305传动的方式带动升降滑块304在安装柱301上作垂直升降运动，由于支撑柱4与升降滑块304固连，而按摩盒5又与支撑柱4固连，使按摩盒5随升降滑块304作同步垂直升降运动，从而调节了本发明的按摩高度，使本发明能适用于不同高度的颈椎病人，适用范围广。
如图1、图2、图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，所述的柔性并联机构7包括定平台701、动平台702和六个柔性支链703；所述的定平台701和动平台702形状均呈圆形；所述的定平台701外壁与按摩盒5的内壁固连；所述的动平台702与定平台701之间连接有六个柔性支链703，柔性支链703包括一号球铰7031、一号连接筒7032、气缸7033、二号连接筒7034和二号球铰7035，所述的一号球铰7031与定平台701之间通过螺钉相连接，且一号球铰7031与一号连接筒7032之间通过螺纹相连接；所述的气缸7033下端与一号连接筒7032之间螺纹相连接，其上端与二号连接筒7034之间通过螺纹相连接；所述的二号球铰7035与二号连接筒7034之间通过螺纹相连接，且二号球铰7035与动平台702之间通过螺钉相连接，气缸7033能随着颈椎病人的姿势不断自动调节活塞杆的伸缩量，从而调节了动平台702的位置和姿势，间接的调节了柔性按摩装置8的按摩位置和按摩力度。本发明的柔性并联机构是一种六自由度的Stewart并联机构，通过六个柔性支链703来实现对柔性按摩装置8按摩位置的自动调节，具有稳定性好、动态性能好、精度高、刚度强和承载力大等优点，使得本发明在按摩过程中能随着颈椎病人颈椎的姿势自动调节按摩力的大小，实现良好的均匀按摩效果。
如图1、图2、图7和图13所示，所述的柔性按摩装置8包括振动电机801和柔性按摩头802；所述的振动电机801通过电机座安装在动平台702上；所述的柔性按摩头802与振动电机801的输出端固连，且柔性按摩头802的顶部紧贴在盒罩9的内壁上，振动电机801的不断振动，带动柔性按摩头802不断振动，通过柔性按摩头802的不断振动来对实现对颈椎的按摩。
使用时，首先根据不同颈椎病人的高度调节本发明的按摩高度，驱动电机303开始工作，通过丝杠302和丝杠螺母305传动的方式带动升降滑块304在安装柱301上作垂直升降运动至合适位置，然后颈椎病人将脖颈放于盒罩9之间，振动电机801开始工作，柔性按摩头802开始对颈椎进行按摩，根据不同颈椎病人的脖颈宽度不同，柔性并联机构7上的六个柔性支链703能自动调节柔性按摩装置8的按摩位置和姿势，使网罩9的外壁紧贴在颈椎病人的脖颈上，而且由于本发明具有Stewart并联机构的优良特性，在按摩过程中能随着颈椎病人颈椎的姿势自动调节按摩力的大小，从而使脖颈表面一圈都能产生均匀的按摩力，实现了良好的均匀按摩效果，达到了目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人,包括底座(1)、四个全向轮(2)、高度调节装置(3)、支撑柱(4)、按摩盒(5)、两个限位弹簧(6)、九个柔性并联机构(7)、十二个柔性按摩装置(8)和盒罩(9)，其特征在于：所述的底座(1)为方型结构；所述的四个全向轮(2)沿底座(1)的中心轴线分别对称安装在底座(1)的下端面；所述的高度调节装置(3)位于底座(1)的上端面左侧，且高度调节装置(3)与底座(1)之间通过螺栓相连接；所述的支撑柱(4)位于底座(1)的上方，支撑柱(4)的两侧对称设置有两个一号吊耳(401)，且支撑柱(4)与高度调节装置(3)固连；所述的按摩盒(5)形状呈U型，按摩盒(5)的两侧对称设置有两个二号吊耳(501)，按摩盒(5)的后端与支撑柱(4)固连；所述的两个限位弹簧(6)位于支撑柱(4)的两侧，且限位弹簧(6)一端与支撑柱(4)上的一号吊耳(401)相连接，其另一端与按摩盒(5)上的二号吊耳(501)相连接；所述的九个柔性并联机构(7)均匀安装在按摩盒(5)的内壁上，且柔性并联机构(7)上均匀安装有十二个柔性按摩装置(8)；所述的盒罩(9)为U型曲面结构，盒罩(9)与按摩盒(5)之间通过螺钉相连接，且盒罩(5)的内壁紧贴在柔性按摩装置(8)的顶部；其中：
所述的高度调节装置(3)包括安装柱(301)、丝杠(302)、驱动电机(303)、升降滑块(304)和丝杠螺母(305)；所述的安装柱(301)形状呈T型，安装柱(301)上设置有安装通槽，安装柱(301)的两侧对称设置有两个滑槽，且安装柱(301)与底座(1)之间通过螺栓相连接；所述的丝杠(302)下端通过轴承与安装柱(301)上的安装通槽下端相连接，其上端通过联轴器与驱动电机(303)的输出轴相连接；所述的驱动电机(303)通过电机座与安装柱(301)上的安装通槽上端相连接；所述的升降滑块(304)上对称设置有两根钩柱(3041)，钩柱(3041)与安装柱(301)上的滑槽之间通过滑动配合的方式相连接，升降滑块(304)的中部设置有通孔，通孔的内壁上设置有安装丝杠螺母(305)的凹槽，且升降滑块(304)通过丝杠螺母(305)与丝杠(302)相连接；
所述的柔性并联机构(7)包括定平台(701)、动平台(702)和六个柔性支链(703)；所述的定平台(701)和动平台(702)形状均呈圆形；所述的定平台(701)外壁与按摩盒(5)的内壁固连；所述的动平台(702)与定平台(701)之间连接有六个柔性支链(703)。
2.根据权利要求1所述的一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，其特征在于：所述的柔性支链(703)包括一号球铰(7031)、一号连接筒(7032)、气缸(7033)、二号连接筒(7034)和二号球铰(7035)，所述的一号球铰(7031)与定平台(701)之间通过螺钉相连接，且一号球铰(7031)与一号连接筒(7032)之间通过螺纹相连接；所述的气缸(7033)下端与一号连接筒(7031)之间螺纹相连接，其上端与二号连接筒(7034)之间通过螺纹相连接；所述的二号球铰(7035)与二号连接筒(7034)之间通过螺纹相连接，且二号球铰(7035)与动平台(702)之间通过螺钉相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，其特征在于：所述的柔性按摩装置(8)包括振动电机(801)和柔性按摩头(802)；所述的振动电机(801)通过电机座安装在动平台(702)上；所述的柔性按摩头(802)与振动电机(801)的输出端固连，且柔性按摩头(802)的顶部紧贴在盒罩(9)的内壁上。
4.根据权利要求1所述的一种基于Stewart并联机构的颈椎按摩机器人，其特征在于：所述的按摩盒(5)和盒罩(9)的材质均为柔性材料。
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