CN112089603A - 一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人 - Google Patents

一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人 Download PDF

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何青松
于敏
潘辉
刘欢欢
吴雨薇
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Abstract

本发明公开了一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，包括底座、若干连接件、若干支架组、若干柔性带以及PVC gel驱动单元，使PVC gel驱动单元在厚度方向上发生收缩位移并输出力，从而可模仿人的手指产生按压动作。可通过多组机器人并联方式，模仿人的手指对肢体特定部位进行加压按摩，促进肢体血液循环，既可以有效预防肢体静脉血栓形成，又可以缓解疲劳。由于是智能材料驱动，从而整个装置质量轻、无噪音、绿色环保、方便佩戴且易于操作，具有较高的商业推广应用价值。

Description

一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人
技术领域
本发明涉及智能材料应用技术领域，具体涉及一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人。
背景技术
深静脉血栓形成是指血液在深静脉腔内异常凝结，阻塞静脉管腔，导致静脉回流障碍，可引起远端静脉高压、肢体肿胀、疼痛及浅静脉扩张等临床症状，造成不同程度的慢性深静脉功能不全，严重时可致残，临床上多发生于下肢骨折患者。下肢深静脉血栓形成是骨科手术患者术后最为严重的并发症之一，因血栓脱落致肺栓塞可直接威胁患者的生命安全。患者在术中受麻醉药物影响造成机体外周血管管径扩张，手术操作会不同程度损伤静脉血管结构完整性；又因术后长时间制动卧床及脱水，患肢制动活动量明显降低，造成血液流动速度缓慢，在多种因素作用下会增加下肢血液粘滞度，增加了深静脉血栓形成的风险。因此，早期预防是骨科手术术后预防深静脉血栓形成的关键。
挤压疗法可有效的预防和治疗这些血管病，其临床效果已经得到许多证实。挤压疗法是一类通过挤压装置实现的无创物理疗法，可降低住院患者下肢深静脉血栓的发生率，减少因药物预防血栓所产生的并发症。
典型的挤压治疗装置有：医用弹力袜和间歇性充气加压仪。其原理均是利用外力加压，通过挤压相关部位，促进血液流动，减缓静脉瘀滞，防止凝血因子因血流缓慢而聚集、黏附于血管壁。然而医用弹力袜提供的压力对于患者来说无法做到个性化，长期的压力束缚加剧不适感，长时间使用会影响血液畅通，对皮肤造成压迫，干扰皮肤正常代谢，影响患者生活质量。间歇式充气加压仪体积较大，设备较为笨重，由于是整体穿戴透气性差不利于皮肤的排汗透气，且挤压面积过大，很可能对术后骨折部位造成二次损伤。因此设计一种开放式又可针对特定部位进行间歇按压的按摩机器人非常必要。
聚氯乙烯凝胶(poly vinyl chloride gel，PVC gel)作为一种新型的电子型EAP材料，是一种非离子型聚合物凝胶，能够在干燥的空气中发生电刺激变化，且不需要预拉伸，其在电场作用下具有质量轻、透明度高、应变应力大、工作频带宽、工作电压适中和响应速度快等优点，在软体机器人、生物医疗等领域具有重要的应用前景。基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，可通过多组机器人并联方式，模仿人的手指，对肢体特定部位进行加压按摩，并可根据患者需求调节按压幅度和按压频率，促进肢体血液循环，既可以有效预防下肢深静脉血栓形成，又可以缓解疲劳，提高患者舒适性。由于是智能材料驱动，从而整个装置质量轻、无噪音、绿色环保、方便佩戴且易于操作，具有较高的商业推广应用价值。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，通过多组机器人并联方式，模仿人的手指，对肢体特定部位进行加压按摩，促进肢体血液循环。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，包括底座，其特征在于：包括若干连接件、若干支架组、若干柔性带以及PVC gel驱动单元；
所述支架组的每组包括底部支架及侧支架；所述底部支架与所述侧支架分别通过所述连接件安装在所述底座上；所述底部支架与所述侧支架之间通过所述柔性带连接；所述若干支架组每一组之间通过可拆卸方式并联连接；该连接方式可以任意改变按摩的覆盖面积，根据患处的需求设置支架组的数量，方便不同患者有针对性的进行按摩。
所述PVC gel驱动单元通过可拆卸方式安置于所述侧支架上；例如用螺钉安装，如一个驱动单元损坏，可随时单独更换一个驱动单元即可，有效延长了使用寿命。
所述PVC gel驱动单元通电后产生位移。主要是在厚度方向上发生位移并输出力。
所述PVC gel驱动单元包括驱动单元外壳、PVC gel叠层结构和仿生手指；
所述仿生手指包括底部结构及固定于底部结构中央的柱状结构；
所述PVC gel叠层结构包括若干环形叠层，置于所述驱动单元外壳内腔，并与所述仿生手指的底部结构固定；
作为优选，所述环形的内圆周大于所述仿生手指的柱状结构外周，所述柱状结构穿过所述PVC gel叠层结构，且高度大于所述PVC gel叠层结构。此套筒装的结构，有利于环形叠层的运动，柱状结构既可以起到固定环形叠层的作用也可起到仿手指形状的作用。
作为优选，所述环形叠层数大于等于5；所述环形叠层包括：两层PVC gel薄膜、夹在所述两层PVC gel薄膜之间的电极阳极层以及位于所述两层PVC gel薄膜外侧的电极阴极层。
所述电极阳极层包括金属网，所述金属网孔目数为8目-30目，厚度为200μm-400μm；金属网可选择但不仅限于不锈钢金属网，不锈钢金属网具有具有导电性好，机械强度高等优点。
所述电极阴极层包括金属箔片，所述金属箔片厚度为20μm-100μm。
作为优选，所述PVC gel薄膜的表面形状为平面状。平面状具有致动平稳，输出力更加均匀的优点。
作为优选，所述PVC gel薄膜两侧施加100V-800V的方波或直流电压。
作为优选，所述连接件为弹性结构，所述弹性结构包括但不仅限于弹簧。底座连接使用弹簧，支架连接使用柔性带，均为了使得支架更好的贴合肢体形状，可主动配合调节贴合的角度，从而使PVC gel驱动单元更好地与肢体表面相贴合。同时，弹簧可以有效减震，使得底座更稳定。
作为优选，所述PVC gel薄膜采用浇筑成型法制备；厚度300μm-1000μm；
具体包括聚氯乙烯、增塑剂和四氢呋喃以质量比(1:5:15)-(1:9:15)的比例混合均匀后，挥发掉四氢呋喃。
有益效果：本发明提供了基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其相较于现有技术，具备以下优点：
1)部件之间的连接方式才用弹性或柔性连接，可以更好的适应肢体形态，从而使PVC gel驱动单元更好地与肢体表面相贴合。
2)可并联连接多组，从而任意改变按摩的覆盖面积，根据患处的需求设置支架组的数量，方便不同患者有针对性的进行按摩。
3)根据患者需求调节按压幅度和按压频率，促进肢体血液循环，既可以有效预防下肢深静脉血栓形成，又可以缓解疲劳，提高患者舒适性。
4)通过智能材料驱动，整个装置质量轻、无噪音、绿色环保。
附图说明
图1为本发明基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人结构图；
图2为本发明PVC gel驱动单元；
图3为本发明PVC gel驱动单元外壳剖视图；
图4为本发明仿生手指；
图5为本发明PVC gel叠层结构与仿生手指装配结构图；
图6为本发明PVC gel单层结构图；
图7为本发明PVC gel单层结构驱动原理图；
图8为本发明按摩机器人并联结构示意图；
图中各部件标号如下：底座1、连接件2、底部支架3-1、侧支架3-2、柔性带4、驱动单元5、驱动单元外壳5-1、隔板5-1-1、PVC gel叠层结构5-2、仿生手指5-3、电极阴极层6、PVCgel薄膜7、电极阳极层8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，通过多组机器人并联方式，模仿人的手指，利用聚氯乙烯凝胶(poly vinyl chloride gel，PVC gel)驱动，对肢体特定部位进行加压按摩，促进肢体血液循环。结构简单，设计新颖，使用轻便。
本申请包括底座1，其特征在于：包括若干连接件2、若干支架组、若干柔性带4以及PVC gel驱动单元5；
支架组的每组包括底部支架3-1及侧支架3-2；所述底部支架3-1与所述侧支架3-2分别通过所述连接件2安装在所述底座1上；连接件2为弹簧，但不仅限于弹簧，其他符合要求的弹性结构均可以作为连接件。
底部支架3-1与所述侧支架3-2之间通过所述柔性带4连接；如图8所示，若干支架组每一组之间通过可拆卸方式并联连接，可以并多个支架组同时工作；
PVC gel驱动单元5通过可拆卸方式安置于所述侧支架3-2上；本实施例中，具体嵌在支架中。
本实施例将PVC gel驱动单元(5)通过螺钉安装在支架组上，底部支架和侧支架之间通过柔性带4连接，再通过3-9个弹簧安装在底座上。由于支架之间柔性连接，当肢体放在支架上时，支架可根据肢体形状主动调整贴合角度，从而使PVC gel驱动单元更好地与肢体表面相贴合。
PVC gel驱动单元5包括驱动单元外壳5-1、PVC gel叠层结构5-2和仿生手指5-3；如图2-图6所示，仿生手指5-3包括底部结构及固定于底部结构中央的柱状结构；具体的，PVC gel叠层结构5-2包括若干环形叠层，置于所述驱动单元外壳5-1内腔，并与所述仿生手指5-3的底部结构固定；上述环形叠层如图6所示。
环形的内圆周大于所述仿生手指5-3的柱状结构外周，所述柱状结构穿过所述PVCgel叠层结构5-2，且高度大于所述PVC gel叠层结构5-2，最后，如图5所示，再将PVC gel叠层结构5-2与隔板5-1-1固定安装，形成完整的PVC gel驱动单元5。
环形叠层数大于等于5；所述环形叠层包括：两层PVC gel薄膜7、夹在所述两层PVCgel薄膜7之间的电极阳极层8以及位于所述两层PVC gel薄膜7外侧的电极阴极层6。
电极阳极层8包括金属网，所述金属网孔目数为8目-30目，厚度为200μm-400μm；
电极阴极层6包括金属箔片，所述金属箔片厚度为20μm-100μm。
PVC gel薄膜7的表面形状为平面状。
PVC gel薄膜7两侧施加100V-800V的方波或直流电压。
PVC gel薄膜7采用浇筑成型法制备；厚度300μm-1000μm；
具体包括聚氯乙烯、增塑剂和四氢呋喃以质量比(1:5:15)-(1:9:15)的比例混合均匀后，挥发掉四氢呋喃。
作为一个实施例，电极阳极层8包括金属网，所述金属网孔目数为20目，厚度为300μm；
电极阴极层6包括金属箔片，所述金属箔片厚度为50μm。
PVC gel薄膜7的表面形状为平面状。
PVC gel薄膜7两侧施加200V频率可调的方波电压。
PVC gel薄膜7采用浇筑成型法制备；厚度500μm；
具体包括聚氯乙烯、增塑剂和四氢呋喃以质量比1:9:15的比例混合均匀后，挥发掉四氢呋喃。
制作过程及工作方法：
S1.通过浇筑成型法制备出PVC gel薄膜7。
S2.将不锈钢金属网8作为电极阳极，夹在两片PVC gel薄膜7之间，金属箔片6作为阴极贴附在PVC gel薄膜另一侧，形成PVC gel驱动层。如图6、图7所示。
S3.通过增材制造技术制备出驱动单元外壳5-1以及支架3和底座1。
S4.将步骤S2中制作的驱动层叠加3层以上，构成PVC gel叠层结构5-2。再将仿生手指5-3与PVC gel叠层结构5-2固定，然后将其安装在驱动单元外壳5-1内，引出正负电极组成PVC gel驱动单元5。
S5.将PVC gel驱动单元5安装在支架3上，支架3之间通过柔性带4连接，再通过六个弹簧2安装在底座上。当对PVC gel驱动单元施加电压，使PVC gel驱动单元在厚度方向上发生收缩位移并输出力。具体的，当给阳极和阴极通电时，PVC gel薄膜会向阳极金属网内蠕动，导致PVC gel叠层结构在厚度方向上收缩，当撤去电压时，由于PVC gel本身的弹性，PVC gel叠层结构立即恢复到原状，如图7所示(图7右侧为加压状态，左侧为撤去电压状态)。从而驱动仿生手指产生按压动作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，包括底座(1)，其特征在于：包括若干连接件(2)、若干支架组、若干柔性带(4)以及PVC gel驱动单元(5)；
所述支架组的每组包括底部支架(3-1)及侧支架(3-2)；所述底部支架(3-1)与所述侧支架(3-2)分别通过所述连接件(2)安装在所述底座(1)上；所述底部支架(3-1)与所述侧支架(3-2)之间通过所述柔性带(4)连接；所述若干支架组每一组之间通过可拆卸方式并联连接；
所述PVC gel驱动单元(5)通过可拆卸方式安置于所述侧支架(3-2)上；
所述PVC gel驱动单元(5)通电后产生位移。
2.如权利要求1所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述PVCgel驱动单元(5)包括驱动单元外壳(5-1)、PVC gel叠层结构(5-2)和仿生手指(5-3)；
所述仿生手指(5-3)包括底部结构及固定于底部结构中央的柱状结构；
所述PVC gel叠层结构(5-2)包括若干环形叠层，置于所述驱动单元外壳(5-1)内腔，并与所述仿生手指(5-3)的底部结构固定；
所述环形的内圆周大于所述仿生手指(5-3)的柱状结构外周，所述柱状结构穿过所述PVC gel叠层结构(5-2)，且高度大于所述PVC gel叠层结构(5-2)。
3.如权利要求2所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述环形叠层数大于等于5；所述环形叠层包括：两层PVC gel薄膜(7)、夹在所述两层PVC gel薄膜(7)之间的电极阳极层(8)以及位于所述两层PVC gel薄膜(7)外侧的电极阴极层(6)。
4.如权利要求3所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述电极阳极层(8)包括金属网，所述金属网孔目数为8目-30目，厚度为200μm-400μm。
5.如权利要求3所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述电极阴极层(6)包括金属箔片，所述金属箔片厚度为20μm-100μm。
6.如权利要求3所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述PVCgel薄膜(7)的表面形状为平面状。
7.如权利要求3所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述PVCgel薄膜(7)两侧施加100V-800V的频率可调的方波电压。
8.如权利要求1所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述连接件(2)为弹性结构，所述弹性结构包括弹簧。
9.如权利要求3所述的一种基于PVC gel驱动的仿生按摩机器人，其特征在于：所述PVCgel薄膜(7)采用浇筑成型法制备；厚度300μm-1000μm；
具体包括聚氯乙烯、增塑剂和四氢呋喃以质量比(1:5:15)-(1:9:15)的比例混合均匀后，挥发掉四氢呋喃。
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