CN108852582A - 一种基于折纸原理的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫 - Google Patents

Abstract

一种基于折纸原理的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，该变刚度变形单元包括变形外框及其内部的变形柱；该变形外框具有“十”字型的顶面和底面，二者对称设置；该顶面和底面的四个末端通过竖板分别对应相连；各竖板为弹性材料，中部能够向内折弯；该顶面中心向下延伸设有上固定盖，该底面中心向上延伸设有下固定盖；该变形柱位于该上固定盖、下固定盖之间，该变形柱为卷曲体，能在轴向伸缩，该卷曲体内部填充有多个填塞颗粒。本发明受启发于折纸原理，利用变形单元沿折痕方向的形体变化及自由度变化，可实现多孔矫形衬垫形态随着人体受力变化而变化。

Description

一种基于折纸原理的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫

技术领域

本发明属于康复健康设备技术领域，特别是一种基于折纸原理的柔性变刚度变形单元及多孔矫形衬垫。

背景技术

矫形器是是指装配于人体四肢、躯干等部位的体外器具的总称，其目的是为了预防或矫正四肢、躯干的畸形或治疗骨关节及神经肌肉疾病并补偿其功能。根据人体部位的不同，矫形器可以分为很多个种类，而对于每一种矫形器，衬垫是其必备的关键部件之一。矫形衬垫在日常生活中十分常见，如轮椅坐垫，躯干矫形器内衬垫，假肢接受腔硅胶套等。矫形衬垫主要的作用是缓解压力，减小人体软组织与矫形器硬结构的磨损。以往的矫形衬垫多采用海绵、硅胶等材料制成，利用材料本身的柔性变形来提高舒适性，改善矫形器与人体接触的界面属性，但这些材料往往存在透气性不足，疲劳耐压性能差，塌陷变形等问题。同时，以往衬垫的变形都是被迫式形变，衬垫本身的结构变形方向不具有可控性，随机性太强，长久使用后形变程度会不断降低，无法完全适应、贴合人体复杂的生理轮廓。

由此，研发一种具备主动变形，且具有良好刚度，耐疲劳的矫形衬垫极为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折纸原理的变刚度变形单元，其基于折纸原理和粒子阻塞原理，可以在压力的作用下发生自由度变化和刚度变化，可实现不同人体生理轮廓的自适应形变和不同压力的支撑。

本发明的另一目的是提供一种多孔矫形衬垫，其包含基于折纸原理的变刚度变形单元，具有极佳的透气性、舒适性及抗疲劳破坏性能，在粒子阻塞的作用下，可以根据受力主动调节变形刚度，防疲劳塌陷，透气干爽，重量轻，可改善接触部位软组织微循环环境，提高矫形矫治效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于折纸原理的变刚度变形单元，它包括变形外框及其内部的变形柱；

该变形外框具有“十”字型的顶面和底面，二者对称设置；该顶面和底面的四个末端通过竖板分别对应相连；各竖板为弹性材料，中部能够向内折弯；该顶面中心向下延伸设有上固定盖，该底面中心向上延伸设有下固定盖；

该变形柱位于该上固定盖、下固定盖之间，该变形柱为卷曲体，能在轴向伸缩，该卷曲体内部填充有多个轻质的填塞颗粒。

进一步的，所述竖板外侧设有若干折痕槽。

进一步的，所述折痕槽为水平方向的横槽，或者与水平方向呈一夹角的斜槽，或者呈“X”型的对角槽。

进一步的，所述折痕槽的截面呈半圆形。

进一步的，所述变形柱为刚性塑料，具有良好的延展性和回弹性。

进一步的，所述填塞颗粒为五面体球形颗粒。

进一步的，所述变形柱具有作为进出气体通道的折叠缝隙。

一种多孔矫形衬垫，包括垫体，该垫体内部分布有若干权利要求1至6中任一项所述的变刚度变形单元。

进一步的，所述变刚度变形单元的顶面和底面分别与所述垫体的顶面和底面固定连接，相邻的变刚度变形单元的顶面和底面之间对应固定连接。

本发明的有益效果是：本发明受启发于折纸原理，可以在压力的作用下发生自由度变化和刚度变化，可实现不同人体生理轮廓的自适应形变和不同压力的支撑，进而应用于矫形衬垫，具有极佳的透气性、舒适性及抗疲劳破坏性能，在粒子阻塞的作用下，可以根据受力主动调节变形刚度，防疲劳塌陷，透气干爽，重量轻，可改善接触部位软组织微循环环境，提高矫形矫治效果。

附图说明

图1是本发明基于折纸原理的变刚度变形单元的结构示意图。

图2是本发明基于折纸原理的变刚度变形单元的变形过程示意图。

图3是本发明基于折纸原理的变形柱变形原理示意图。

图4是本发明基于折纸原理的变刚度变形单元的折痕槽的结构示意图。

图5是本发明基于折纸原理的变刚度变形单元的折痕槽的侧视图。

图6是本发明填塞颗粒基于粒子阻塞原理的刚度变化示意图。

图7是本发明多孔矫形衬垫的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

如图1-图3所示，本发明提供一种基于折纸原理的变刚度变形单元A，它包括变形外框1及其内部的变形柱2。该变形外框1具有“十”字型的顶面11和底面12，二者对称设置。该顶面11和底面12的四个末端通过竖板13分别对应相连。各竖板13为弹性材料，中部能够向内折弯。该顶面11中心向下延伸设有上固定盖14，该底面12中心向上延伸设有下固定盖15。该变形柱位于该上固定盖14、下固定盖15之间，该变形柱2为卷曲体，能在轴向伸缩，该卷曲体内部填充有多个轻质的填塞颗粒21。该变形外框1基于折纸和变胞机构原理，可以在压力的作用下往复发生自由度变化和多方向变形。

为了使竖板13折弯顺畅，该竖板13外侧设有若干折痕槽3。本实施例仅为一横向折痕槽具体实例，还可以具有多种形式，如斜向折痕、对角折痕等。同时，根据折痕槽3规则的不同，变刚度变形单元A受力时的变化方式和活动轨迹，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同人体轮廓变化引起的反作用力。因此，该折痕槽3不仅可以为水平方向的横槽，或者与水平方向呈一夹角的斜槽，或者呈“X”型的对角槽。折痕槽3可以使变形单元具有收缩和伸展的功能。同时，折痕槽3的规则不同，变刚度变形单元A受力时的形变方式和轨迹不同。如图4、图5所示，考虑到折叠后形体变形空间的需求，特将折痕槽3截面设计成圆润凹形，呈半圆形，形成类似于柔性铰链的结构，在加强变刚度变形单元A的形变柔韧性的同时，可以减小变形应力，预留变形空间，防止疲劳塌陷等损坏。

如图3所示，卷曲体由刚性塑料制成，上部与上固定盖连接，下部与下固定盖连接，中间内部填充有多个轻质的填塞颗粒。正常情况下，卷曲体上小下大，卷曲体上端外径与上固定盖内径等大。当受压力时，卷曲体下端外径逐渐增大，上端内折，外径逐渐减小，长度变短。同时，卷曲体内部的填塞粒子受压逐渐不断挤压卷曲体下端靠近侧壁，并在达到下固定盖内径时，形成牢固的连接。随着卷曲体长度变短，在内部粒子自动填塞的作用下，卷曲体变形刚度会逐渐加强。当粒子阻塞到极限位置后，卷曲体达到最大刚度，长度最短。此外，基于折纸原理，卷曲体在力卸载后会自动逐步恢复至先前的卷曲状态(类似于铁屑或纸筒)，从而带动填塞颗粒向上运动，以回到最初的形体状态。由于卷曲体内部填塞颗粒处于完全自由状态，在力的作用下，每一次粒子阻塞的形式和状态不同，避免了单一方式的多次疲劳破坏，从而维持稳定可靠的刚度。

如图3、6所示，填塞颗粒21呈五面体球状，两两个体之间的面在压力的作用下，由于五边形棱角，可形成阻塞状态，力越大，阻塞状态越明显，从而达到刚度变化的效果。同时，接触面之间可以相对滑动，以不断适应各个方向的力，具有自动调整的功能。在压力卸载的过程中，由于卷曲体的自动回弹(底部外径变小，上端外径变大)，填塞颗粒相对向上运动，从而阻塞状态解体，刚度发生逐渐变小。

如图7所示，本发明还提供一种多孔矫形衬垫4，包括垫体41，该垫体41内部分布有若干该变刚度变形单元A。该变刚度变形单元A的顶面和底面分别与该垫体41的顶面和底面固定连接，相邻的变刚度变形单元A的顶面和底面之间对应固定连接。

上固定盖14在变形外框1被迫受压过程下，变形外框1带动变形柱2逐步发生形变，产生相反方向的支撑力，从而适应不同区域内的压力分布。特别强调的是受迫变形的区域可以是连续的，也可以是间断的。如对于鞋垫，在足跟附近，可以产生连续区域的自适应变形和反向支撑，而在足尖区域，可以产生间断区域的自适应变形和反向支撑。同时，变形柱2的螺旋折叠缝隙为进出气体通道，多孔矫形衬垫4每个区域的变形程度不同，变形柱的排气程度不同，从而形成区域气流差，更利于气流的流动及温度的调节。此外，下固定盖15在变形外框释压过程下，拉动变形柱2逐步恢复形变，从而将部分空气通过螺旋折叠缝隙存入变形柱2内，起到加速垫体41内空气流通速度的作用。同时，也间接的将变形柱2以外的空间抽成低压环境，为下一轮变形外框1的压缩自适应变形减小了气体阻力。特别强调的是，变形外框1、变形柱2的形变都是基于人体受力情况，即垫体41的受压状态，而实时变化的。

由于变形外框1上分布有规则折痕槽3，基于折纸和变胞原理，可以在压力的作用下发生自由度的变化，可以自适应无破坏变形，以带动垫体41局部形状的自适应变化；上固定盖14在被迫受压过程下，带动变形柱2逐步发生形变进行排气，产生相反的支撑力和作用力；下固定盖15在释压过程下，拉动变形柱2逐步恢复形变进行吸气，加速空气流通速度；变形柱2上的螺旋折叠缝隙，可以配合变形外框1，根据人体受力情况，实时调节垫体41内部的气体循环和温度。所述的变刚度变形单元A及多孔矫形衬垫4可实现三维的变形和活动，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同人体轮廓变化引起的反作用力。所述的变刚度变形单元A及多孔矫形衬垫4可根据人体不同区域的压力分布状态，进行连续或间隔的局部适应变形。所述的变刚度变形单元A及多孔矫形衬垫4在人体离开释压时，变形柱2处于逐渐充气状态，在人体接触压缩时，变形柱2处于逐渐排气状态，从而达到调节垫体41气流及温度的作用。所述的变形柱2采用无动力粒子阻塞设计，可以配合压力的施加和释放进行刚度的变化，具备一定的吸气和排气功能，起到主动加快垫体41内部气流循环速度的作用，使其具有极佳的透气性、舒适性及抗疲劳破坏性能。

本发明的优点是：

1、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，基于折纸原理，可以在压力的作用下发生自由度变化和多向自适应变形，有利于身体不同区域压力的分散和衰减，避免应力集中等引起的局部软组织病变；

2、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，变形外框上的折痕可以使变形单元及多孔矫形衬垫具有收缩和伸展的功能，改善了传统多孔矫形衬垫只能被迫变形的现状。

3、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，折痕的规则不同，变形单元及多孔矫形衬垫受力时的活动方式和轨迹不同。

4、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，可实现三维的变形和活动，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同人体轮廓变化引起的反作用力。

5、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，可根据人体不同区域的压力分布状态，进行连续或间隔的局部适应变形。

6、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，变形柱采用无动力粒子阻塞设计，可以根据人体接触与否进行主动充气或排气，从而加快垫体内空气流动速度，实现主动温湿度调节。

7、本发明的变刚度变形单元及多孔矫形衬垫，折痕呈圆润凹形，在加强变形单元及多孔矫形衬垫的形变柔韧性及疲劳性能的同时，可以减小变形应力，预留变形空间。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于，它包括变形外框及其内部的变形柱；

该变形外框具有“十”字型的顶面和底面，二者对称设置；该顶面和底面的四个末端通过竖板分别对应相连；各竖板为弹性材料，中部能够向内折弯；该顶面中心向下延伸设有上固定盖，该底面中心向上延伸设有下固定盖；

该变形柱位于该上固定盖、下固定盖之间，该变形柱为卷曲体，能在轴向伸缩，该卷曲体内部填充有多个填塞颗粒。

2.根据权利要求1所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述竖板外侧设有若干折痕槽。

3.根据权利要求2所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述折痕槽为水平方向的横槽，或者与水平方向呈一夹角的斜槽，或者呈“X”型的对角槽。

4.根据权利要求2或3所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述折痕槽的截面呈半圆形。

5.根据权利要求1所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述变形柱为刚性塑料。

6.根据权利要求1所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述填塞颗粒为五面体球形颗粒。

7.根据权利要求1所述的基于折纸原理的变刚度变形单元，其特征在于：所述变形柱具有作为进出气体通道的折叠缝隙。

8.一种多孔矫形衬垫，包括垫体，其特征在于，该垫体内部分布有若干权利要求1至6中任一项所述的变刚度变形单元。

9.根据权利要求7所述的多孔矫形衬垫，其特征在于，所述变刚度变形单元的顶面和底面分别与所述垫体的顶面和底面固定连接，相邻的变刚度变形单元的顶面和底面之间对应固定连接。