CN112594347A - 一种可实现无级调节的区间恒力装置 - Google Patents
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Abstract
一种可实现无级调节的区间恒力装置，包括用于传递拉力的绳索、发条盒、发条轴、发条以及调节机构，所述发条的中心端连接在发条轴上，所述发条的外端连接在发条盒的内壁上，在发条盒的一侧固定连接一凸轮，所述绳索的一端固定连接在凸轮上并绕过凸轮的弧面后与外部受力机构相连接，绳索在拉动凸轮和发条盒绕发条轴转动过程中，发条的收紧程度增大，同时凸轮上对应的向径增大，使所述绳索传递的拉力保持恒定；所述调节机构包括电机、电机驱动器和蜗轮蜗杆减速器，所述的电机输出端连接蜗轮蜗杆减速器的输入端，蜗轮蜗杆减速器的输出端通过连接组件与发条轴相连接。该装置可以无级调节对病人颈椎的拉力，以找到最适合病人颈部的拉力。
Description
技术领域
本发明涉及医疗保健器械技术领域，具体为一种可实现无级调节的区间恒力装置。
背景技术
众所周知，颈椎牵引架是一种治疗颈椎病的器械。因为有效的牵引能解除神经、血管、脊髓的压迫，并快速缓解颈椎病症状。常见的颈椎牵引架使用起来不太方便，因为牵引架的对人颈椎的拉力大小需要治疗医师手动控制重物块儿的数量来改变，因此所述拉力大小只能近似等于单个重物块儿的重力的整数倍，不能实现无级调节拉力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种可实现无级调节的区间恒力装置，该装置可以无级调节对病人颈椎的拉力，以找到最适合病人颈部的拉力。
本发明采用的技术方案是：一种可实现无级调节的区间恒力装置，包括用于传递拉力的绳索、发条盒、发条轴、连接在发条轴和发条盒之间的发条以及用于调整所述发条预紧力的调节机构；
所述调节机构包括电机、电机驱动器和蜗轮蜗杆减速器，所述的电机输出端连接蜗轮蜗杆减速器的输入端，蜗轮蜗杆减速器的输出端通过连接组件与发条轴相连接，所述电机驱动器用于控制所述电机的定量转动；
所述发条的中心端连接在发条轴上，所述发条的外端连接在发条盒的内壁上，在发条盒的一侧固定连接一凸轮，所述绳索的一端固定连接在凸轮上并绕过凸轮的弧面后与外部受力机构相连接，绳索在拉动凸轮和发条盒绕发条轴转动过程中，发条的收紧程度增大，同时凸轮上对应的向径增大，使所述绳索传递的拉力保持恒定。
进一步优化，还设有一由前外壳和后外壳构成的壳体结构，所述前外壳和后外壳固定连接并形成一用于安装所述发条盒、发条轴以及调节机构的内腔。
进一步优化，所述绳索一端系在所述发条盒的凸轮上，并绕过凸轮的弧面后，另一端从壳体顶部的预留孔伸出到装置外部。
进一步优化，所述的壳体顶部的预留孔处设有用于引导绳索的滚轮，所述滚轮通过支架设置在壳体的外壁上。
进一步优化，所述前外壳和后外壳的底部固定设有支座。
进一步优化，还设有轴承支座，所述发条轴转动设置在轴承支座内，所述的轴承支座通过悬臂固定连接在壳体内壁上。
进一步优化，所述的连接组件为刚性联轴器。
进一步优化，所述的电机为步进电机。
进一步优化，所述凸轮的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数。
利用上述装置实现拉力恒定的调节方法，包括如下步骤：
S1、当外部受力机构拉动所述绳索时，由于蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮具有自锁性，与蜗轮相连接的所述发条轴此时也自锁，拉动所述绳索时，所述发条对所述发条轴的扭矩逐渐增大，将所述凸轮的向径按规律逐渐增大，需满足凸轮的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数，即可实现所述绳索的拉力保持恒定；
S2、当不拉动所述绳索时，可通过所述电机驱动器控制所述电机定量转动，通过蜗轮蜗杆减速器以及连接组件带动发条轴转动，以改变所述发条对所述发条轴的扭矩，从而改变发条的预紧力，间接控制该恒定拉力的大小。
本发明的有益效果是：
其一、本方案通过优化设计，将发条盒、发条轴、连接在发条轴和发条盒之间的发条以及用于调整所述发条预紧力的调节机构整体构成一体结构的可实现无级调节的区间恒力装置，该装置可以无级调节对病人颈椎的拉力，以找到最适合病人颈部的拉力。
其二、本方案中，可通过调节机构调整恒定拉力的大小，具体为：当不拉动所述绳索时，可通过所述电机驱动器控制所述电机定量转动，通过蜗轮蜗杆减速器以及连接组件带动发条轴转动，以改变所述发条对所述发条轴的扭矩，从而改变发条的预紧力，间接控制该恒定拉力的大小；当从外部拉动所述绳索时，由于蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮具有自锁性，与蜗轮相连接的所述发条轴此时也自锁，需要作用于所述发条轴上的拉力对所述发条轴的扭矩与所述发条盒内所述发条对所述发条轴的扭矩始终相同，因为拉动所述绳索时，所述发条对所述发条轴的扭矩逐渐增大，因此只需所述凸轮的向径按规律逐渐增大即可实现所述绳索的拉力保持恒定。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明中隐藏所述前外壳的内部结构图；
图3为本发明中隐藏所述后外壳的内部结构图；
图4为本发明中发条的扭力(扭矩)随转动角度变化的曲线图；
图5为本发明中所述发条盒与凸轮连接的结构示意图；
图6为本发明中隐藏在壳体的内部结构图；
图7为本发明中发条盒的内部结构图。
附图标记：1、电机；2、蜗轮蜗杆减速机；3、电机驱动器；4、发条；5、发条轴；6、发条盒；7、前外壳；8、后外壳；9、绳索；10、刚性联轴器；11、凸轮；12、滚轮；13、支座；14、轴承支座；15、轴承端盖；16、轴承透盖。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。
需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他元件或者物件。
下面结合附图具体描述本方案的详细结构：如图1-7所示，一种可实现无级调节的区间恒力装置，该装置主要由用于传递拉力的绳索9、发条盒6、发条轴5、连接在发条轴和发条盒之间的发条4、轴承支座14以及用于调整所述发条预紧力的调节机构组成，所述发条4的中心端插在所述发条轴5的孔上，所述发条4的外端勾在所述发条盒6的挂钩上，发条轴5转动设置在轴承支座14上并与调节机构的动力输出端相连接，在发条盒6的一侧通过焊接固定连接一凸轮11，所述绳索9的一端固定连接在凸轮11上并绕过凸轮的弧面后与外部受力机构相连接，绳索在拉动凸轮和发条盒绕发条轴转动过程中，发条的收紧程度增大，同时凸轮上对应的向径增大，使所述绳索传递的拉力保持恒定；
所述调节机构包括电机1、电机驱动器3和蜗轮蜗杆减速器2，所述的电机1输出端与蜗轮蜗杆减速器2中的蜗杆相连接，涡轮与蜗杆啮合，涡轮的输出轴通过连接组件例如刚性联轴器10与发条轴5相连接，所述电机驱动器3用于控制所述电机1的定量转动。
本方案中所述的绳索9主要用于传递拉力，绳索的材质可根据不同的需求进行合理选择，例如：现有的颈椎牵引架采用的钢丝绳用于传递拉力。
需要说明的是：本装置还可以设有一由前外壳7和后外壳8构成的壳体结构，所述前外壳7和后外壳8通过焊接方式固定连接，并形成一用于安装所述发条盒、发条轴、轴承支座以及调节机构的内腔；所述绳索9一端系在所述发条盒的凸轮上，并绕过凸轮11的弧面后，另一端从壳体顶部的预留孔伸出到装置外部。
在具体安装时：可将所述蜗轮蜗杆减速机2的支撑板通过焊接方式连接在所述后外壳8的内壁上；所述轴承支座14通过螺钉连接在所述前外壳7的悬臂上，悬臂通过焊接连接在所述前外壳7上，发条轴位于轴承支座14的两端设有轴承端盖15和轴承透盖16；所述电机驱动器3通过螺钉固定所述后外壳8上。
本方案中，所述的壳体顶部的预留孔处设有用于引导绳索的滚轮12，所述滚轮12通过支架设置在壳体的外壁上，如此设置，可以避免所述前外壳的孔壁对绳索9产生摩擦力，从而提高绳索的使用寿命。
所述前外壳和后外壳的底部固定设有支座13，再具体安装时，可先将所述前外壳与所述后外壳焊接在一起后，分别在所述前外壳与所述后外壳的下方焊接支座，并在支座上钻孔，如此设置，可以将本装置通过螺栓连接安装在颈椎牵引架上。
本方案中，所述的连接组件可以采用刚性联轴器10。
本方案中，所述的电机1可以采用步进电机。
本方案中，所述凸轮11的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数。
利用上述装置实现拉力恒定的调节方法，包括如下步骤：
S1、当外部受力机构拉动所述绳索时，由于蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮具有自锁性，与蜗轮相连接的所述发条轴此时也自锁，需要作用于所述发条轴上的拉力对所述发条轴的扭矩与所述发条盒内所述发条对所述发条轴的扭矩始终相同，拉动所述绳索时，所述发条对所述发条轴的扭矩逐渐增大，将所述凸轮的向径按规律逐渐增大，需满足凸轮的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数，即可实现所述绳索的拉力保持恒定；
S2、当不拉动所述绳索时，可通过所述电机驱动器控制所述电机定量转动，通过蜗轮蜗杆减速器以及连接组件带动发条轴转动，以改变所述发条对所述发条轴的扭矩，从而改变发条的预紧力，间接控制该恒定拉力的大小。
为了更清楚的描述本方案的原理，详细描述如下：设所述发条4对所述发条轴5的扭力为F发，即所述发条盒6内的挂钩对所述发条4的外钩的力为F发，所述发条盒6的内径为r内，所述凸轮11的向径为r外，所述绳索9对所述发条盒6的拉力为F出，θ为所述发条相对于所述凸轮11放松状态时转过的角度，θ0为未拉动所述绳索9时所述发条4相对于所述凸轮11放松状态时转过的角度，θr为θ相对于θ0的角度，即θr＝θ-θ0。
如图4所示，所述发条4从放松状态收紧到最大扭矩的过程中，存在有效区间，在此有效区间内，所述发条4对所述发条轴5的扭力与发条外端的转动角度的关系可近似视为一次函数关系为
F发＝kθ+t，(式1)其中k、t为常数；
当拉动所述绳索9时，所述凸轮11从起始位置转动一定角度θ，则所述发条盒6内的挂钩对所述反条4的扭矩为
M发＝F发r内＝(kθ+t)r内 (式2)
则所述发条4对所述发条盒6的扭矩
M内＝M发＝F发r内＝(kθ+t)r内 (式3)
当所述发条盒6动平衡，所述绳索9对所述发条盒6的扭矩
M外＝M内＝M发＝F发r内＝(kθ+t)r内 (式4)
又M外＝F出r外， (式5)
则
要求拉动过程中F出为恒力，所述凸轮6的向径r内是定值
由公式6可知，所述凸轮11的向径的变化量Δr内与所述发条4外端的转动角度变化量Δθ的比值定为常数
在所述凸轮11的向径r内与所述发条4外端的转动角度θ符合公式6且0°≤θr≤270°的情况下，所述绳索9的拉力可保持很恒定。当拉动所述绳索9时，所述凸轮11从起始转动一定角度θ，所述发条4收紧，所述凸轮11上对应的r外增大。
进一步说明，使0°≤θr≤270°的目的是：防止所述凸轮11在初始位置时，所述绳索9与所述凸轮11有另一处接触，导致初始位置的向径r内变大。
进一步说明，所述驱动器3通过控制所述步进电机的过程是调节所述绳索9恒力数值的过程，在此过程中，固定所述绳索9，使所述发条盒6不发生转动。所述步进电机经过所述蜗轮蜗杆减速机2后，速度降低，对所述发条轴5的扭矩增大，带动所述发条轴5，使其相对于所述发条盒转动，所述发条轴5上的孔带动所述发条4的内端，所述发条4被收紧或者被放松。蜗轮具有自锁性，当所述步进电机1停止转动后且固定所述绳索9，所述发条轴5所述发条盒6之间的相对位置不会因为所述发条4具有弹性势能而发生变化，此时的被固定的相对位置与调节前的相对位置相比，所述发条4的起始角度θ0变化了。
由公式4和公式5得
又θr＝θ-θ0，
由公式7可知，F出与θ0的关系为一次函数关系，当所述步进电机1停止转动后且固定所述绳索9时，r外、r内、t、k、θr均为常数，若相对于上一次固定位置所述发条4收紧，θ0增大，则所述绳索9对所述发条盒6的拉力F出增大；同理，若相对于上一次固定位置所述发条4放松，则所述绳索9对所述发条盒6的拉力F出减小。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：包括用于传递拉力的绳索、发条盒、发条轴、连接在发条轴和发条盒之间的发条以及用于调整所述发条预紧力的调节机构；
所述调节机构包括电机、电机驱动器和蜗轮蜗杆减速器，所述的电机输出端连接蜗轮蜗杆减速器的输入端，蜗轮蜗杆减速器的输出端通过连接组件与发条轴相连接，所述电机驱动器用于控制所述电机的定量转动；
所述发条的中心端连接在发条轴上，所述发条的外端连接在发条盒的内壁上，在发条盒的一侧固定连接一凸轮，所述绳索的一端固定连接在凸轮上并绕过凸轮的弧面后与外部受力机构相连接，绳索在拉动凸轮和发条盒绕发条轴转动过程中，发条的收紧程度增大，同时凸轮上对应的向径增大，使所述绳索传递的拉力保持恒定。
2.根据权利要求1所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：还设有一由前外壳和后外壳构成的壳体结构，所述前外壳和后外壳固定连接并形成一用于安装所述发条盒、发条轴以及调节机构的内腔。
3.根据权利要求2所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述绳索一端系在所述发条盒的凸轮上，并绕过凸轮的弧面后，另一端从壳体顶部的预留孔伸出到装置外部。
4.根据权利要求3所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述的壳体顶部的预留孔处设有用于引导绳索的滚轮，所述滚轮通过支架设置在壳体的外壁上。
5.根据权利要求2所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述前外壳和后外壳的底部固定设有支座。
6.根据权利要求2所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：还设有轴承支座，所述发条轴转动设置在轴承支座内，所述的轴承支座通过悬臂固定连接在壳体内壁上。
7.根据权利要求1所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述的连接组件为刚性联轴器。
8.根据权利要求1所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述的电机为步进电机。
9.根据权利要求1所述的一种可实现无级调节的区间恒力装置，其特征在于：所述凸轮的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的装置实现拉力恒定的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、当外部受力机构拉动所述绳索时，由于蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮具有自锁性，与蜗轮相连接的所述发条轴此时也自锁，拉动所述绳索时，所述发条对所述发条轴的扭矩逐渐增大，将所述凸轮的向径按规律逐渐增大，满足凸轮的向径r内的变化量与发条外端的转动角度变化量θ的比值为常数，即可实现所述绳索的拉力保持恒定；
S2、当不拉动所述绳索时，可通过所述电机驱动器控制所述电机定量转动，通过蜗轮蜗杆减速器以及连接组件带动发条轴转动，以改变所述发条对所述发条轴的扭矩，从而改变发条的预紧力，间接控制该恒定拉力的大小。
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