CN114288144A - 基于变刚度调节的柔性康复椅 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于变刚度调节的柔性康复椅，包括支撑底座、弯管骨架、包边外壳和变形组件。支撑底座的上端和弯管骨架固连，可移动填充物沿软管的轴向分布，并充满整个软管的空腔。在变形组件中，软管的固定端分别通过紧固卡箍和弯管骨架固连，第一转动轴和第二转动轴的第一端分别穿过第一皮带轮和第三皮带轮与软管的驱动端固连，第一转动轴的第二端穿过第二皮带轮的中心悬出，第二转动轴的第二端穿过第四皮带轮的中心通过蜗轮蜗杆减速器和伺服电机连接。本发明通过扭转软管，压缩软管内部空间，降低填充物流动性，实现其一定范围内刚度的变化，根据使用要求中形态特征曲线和重量大小调节扭转角度，能提供优良的支撑效果。

Description

基于变刚度调节的柔性康复椅

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，特别涉及一种基于变刚度调节的柔性康复椅。

背景技术

医疗康复器械可以有效提高术后的康复效果，康复医疗行业市场规模大，康复产品需求增速日益加快，因此医疗康复器械逐渐成为当前的研究热点。医疗康复座椅作为医疗康复器械的一种新型产品，可以广泛的应用于骨科康复、中医理疗、产后康复脊髓损伤康复以及运动损伤康复等专病专科领域。变刚度技术依靠改变材料以及结构的不同状态与性能，实现在一定范围内刚度的变化，在减震缓震装置和机器人领域有着广泛的应用。这种原理同样可以应用于医疗康复领域，通过改变物体自身刚度，能够与人体接触表面形成良好的贴合性，改变受力分布，增加舒适感，有助于术后的快速恢复。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于变刚度调节的柔性康复椅，通过将康复椅的不同部位分解成不同的变形组件，每个不同的变形组件均通过软管驱动端的伺服电机，实现软管的扭转，得到一定范围内的刚度变化，从而能够根据不同的使用需求进行相关的需求，从而适应性更加广泛。

本发明提供了一种基于变刚度调节的柔性康复椅，其包括支撑底座、弯管骨架、包边外壳和变形组件。所述支撑底座的上端和所述弯管骨架固定连接，所述支撑底座位于地面，所述弯管骨架位于所述包边外壳的内部，所述弯管骨架，其包括第一骨架、第二骨架、第三骨架、第四骨架和第五骨架，所述第二骨架、所述第三骨架和所述第四骨架分别对称分布在所述第一骨架和所述第五骨架的两端，所述第一骨架和所述第二骨架的第一端连接，所述第二骨架的第二端和所述第三骨架的第一端连接，所述第三骨架的第二端和所述第四骨架的第一端连接，所述第四骨架的第二端和所述第五骨架连接。所述变形组件，其包括第一软管、第二软管、紧固抱箍、第一转动轴、第二转动轴、第一皮带轮、第二皮带轮、第三皮带轮、第四皮带轮、皮带、伺服电机和蜗轮蜗杆减速器，所述第一软管和所述第二软管的内部设有可移动填充物，所述可移动填充物沿软管的轴向分布，所述可移动填充物充满整个软管的空腔，所述第一软管和所述第二软管的固定端分别通过紧固卡箍和所述弯管骨架的第一安装端和第二安装端固定连接，所述第一转动轴的第一端穿过所述第一皮带轮的中心和所述第一软管的驱动端固定连接，所述第一转动轴的第二端穿过所述第二皮带轮的中心悬出，所述第一皮带轮通过皮带和所述第三皮带轮连接，所述第二皮带轮通过皮带和所述第四皮带轮连接。所述第二转动轴的第一端穿过所述第三皮带轮的中心和所述第二软管的驱动端固定连接，所述第二转动轴的第二端穿过所述第四皮带轮的中心和所述蜗轮蜗杆减速器的输出端连接，所述蜗轮蜗杆减速器的输入端和所述伺服电机的输出端连接，所述伺服电机作为变形组件的动力源，带动软管扭转从而改变刚度，所述蜗轮蜗杆减速器用于增大软管的扭矩，改变伺服电机输出力的传输方向，所述蜗轮蜗杆减速器和所述伺服电机的外壳分别与所述弯管骨架的第三安装端和第四安装端连接，所述伺服电机和所述蜗轮蜗杆减速器均位于所述包边外壳的内部。

可优选的是，所述变形组件，其包括颈部变形组件、腰部变形组件和腿部变形组件。

可优选的是，所述可移动填充物的形状为球体、长方体、圆柱体、棱柱体或者多面体中的一种，所述可移动填充物的材制为树脂、木屑、橡胶、金属和塑料中的一种。

可优选的是，所述第一转动轴的轴线和所述第二转动轴的轴线平行；所述第一转动轴、所述第一皮带轮和所述第二皮带轮的轴线在同一条直线上，所述第二转动轴、所述第三皮带轮和所述第四皮带轮的轴线在同一条直线上。

可优选的是，所述软管的长度大于所述弯管骨架中相邻两个骨架之间的距离。

可优选的是，所述第一软管驱动端的第二皮带轮和所述第二软管驱动端的第四皮带轮分别通过皮带与相邻软管驱动端的第四皮带轮和第二皮带轮连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明运用变刚度原理，通过扭转软管，实现其一定范围内刚度的变化，依据使用需求进行调节，根据不同的使用需求提供不同的柔性支撑，对于需求骨科康复、中医理疗、产后康复脊髓损伤康复，运动损伤康复的患者，能够提升其身体机理恢复效率。

2.本发明通过在康复椅的不同部位设置驱动电机，给不同位置的软管施加不同大小的扭矩，使其收缩不同大小的内部空间，从而使得软管内的可移动填充物形成不同的阻塞，随着软管曲率的变化，形成适应不同部位特征的软管曲度，以及对应位置的适应刚度，以适应不同部位所需支撑力的大小。

3.本发明通过在不同位置设置安装驱动电机，运用模块化设计的方法，能够根据使用者的需求，增加驱动电机数量以增加贴合度和舒适感，也可减少驱动数目降低使用成本。

附图说明

图1为本发明基于变刚度调节的柔性康复椅的轴侧图；

图2为本发明基于变刚度调节的柔性康复椅中驱动端的轴侧图；

图3为本发明基于变刚度调节的柔性康复椅中软管驱动单元的轴侧图。

主要附图标记：

支撑底座1，弯管骨架2，第一骨架201，第二骨架202，第三骨架203，第四骨架204，第五骨架205，包边外壳3，第一软管4，紧固抱箍5，第一转动轴6，第一皮带轮7，皮带8，颈部伺服电机9，蜗轮蜗杆减速器10，可移动填充物11，第二皮带轮12，第三皮带轮13，固定端14，驱动端15，第二转动轴16，腰部伺服电机17，腿部驱动电机18，第二软管19，第四皮带轮20。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

为了能够与使用者形成良好的贴合性，改善受力分布，增加舒适感，本发明基于变刚度调节的柔性康复椅，如图1所示，包括支撑底座1、弯管骨架2、包边外壳3和变形组件。本发明依据变刚度原理，通过扭转软管，压缩软管内部空间，降低可移动填充物11的流动性，实现其一定范围内刚度的变化，根据不同的使用需求提供不同的柔性支撑，为需求者提供优良的支撑效果。

支撑底座1的上端和弯管骨架2固定连接，支撑底座1位于地面，弯管骨架2位于包边外壳3的内部，弯管骨架2，其包括第一骨架201、第二骨架202、第三骨架203、第四骨架204和第五骨架205，第二骨架202、第三骨架203和第四骨架204分别对称分布在第一骨架201和第五骨架205的两端，第一骨架201和第二骨架202的第一端连接，第二骨架202的第二端和第三骨架203的第一端连接，第三骨架203的第二端和第四骨架204的第一端连接，第四骨架204的第二端和第五骨架205连接。

如图2所示，变形组件，包括颈部变形组件、腰部变形组件和腿部变形组件，本发明可用一个或若干伺服电机作为变形组件的动力源，从而带动软管扭转变刚度，伺服电机可分布于座椅侧面或者下方。

具体而言，颈部变形组件，包括第一软管4、第二软管19、紧固抱箍5、第一转动轴6、第二转动轴16、第一皮带轮7、第二皮带轮12、第三皮带轮13、第四皮带轮20、皮带8、颈部伺服电机9和蜗轮蜗杆减速器10，如图3所示，第一软管4和第二软管19的内部设有可移动填充物11，可移动填充物11沿软管的轴向分布，可移动填充物11充满整个软管的空腔，第一软管4和第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5和弯管骨架2的第一安装端和第二安装端固定连接，第一转动轴6的第一端穿过第一皮带轮7的中心和第一软管4的驱动端15固定连接，第一转动轴6的第二端穿过第二皮带轮12的中心悬出，第一皮带轮7通过皮带8和第三皮带轮13连接，第二皮带轮12通过皮带8和第四皮带轮20连接。

第二转动轴16的第一端穿过第三皮带轮13的中心和第二软管19的驱动端15固定连接，第二转动轴16的第二安装端穿过第四皮带轮20的中心和蜗轮蜗杆减速器10的输出端连接，蜗轮蜗杆减速器10的输入端和颈部伺服电机9的输出端连接，颈部伺服电机9作为变形组件的动力源，带动软管扭转从而改变刚度，通过扭转软管驱动端15的角度大小，决定软管整体的刚度大小，蜗轮蜗杆减速器10用于增大软管的扭矩，改变颈部伺服电机9输出力的传输方向，蜗轮蜗杆减速器10和颈部伺服电机9的外壳分别与弯管骨架2的第三安装端和第四安装端连接，颈部伺服电机9和蜗轮蜗杆减速器10均位于包边外壳3的内部。

优选地，在图3中可移动填充物11的形状为球体、长方体、圆柱体、棱柱体或者多面体中的一种，可移动填充物11的材制为树脂、木屑、橡胶、金属和塑料中的一种。软管扭转变形后，可移动填充物11会发生相互挤压，从而增加了整个装置的刚度。

第一转动轴6的轴线和第二转动轴16的轴线平行；第一转动轴6、第一皮带轮7和第二皮带轮12的轴线在同一条直线上，第二转动轴16、第三皮带轮13和第四皮带轮20的轴线在同一条直线上。

软管的长度大于弯管骨架2中相邻两个骨架之间的距离。

在本发明的一个优选实施中，第一软管4驱动端的第二皮带轮12和第二软管19驱动端的第四皮带轮20分别通过皮带8与相邻软管驱动端的第四皮带轮20和第二皮带轮12连接。相邻的两个皮带轮一只作为从动轮，和前一转动轴上的驱动轮相连，另一只作为驱动轮，带动后一转动轴上的从动轮圆周运动。

腰部变形组件，包括第一软管4、第二软管19、紧固抱箍5、第一转动轴6、第二转动轴16、第一皮带轮7、第二皮带轮12、第三皮带轮13、第四皮带轮20、皮带8、腰部伺服电机17和蜗轮蜗杆减速器10，可移动填充物11沿软管的轴向分布，可移动填充物11充满整个软管的空腔，第一软管4和第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5和弯管骨架2的第一安装端和第二安装端固定连接，第一转动轴6的第一端穿过第一皮带轮7的中心和软管的驱动端15固定连接，第一转动轴6的第二端穿过第二皮带轮12的中心悬出，第一皮带轮7通过皮带8和第三皮带轮13连接。

第二转动轴16的第一端穿过第三皮带轮13的中心和第二软管19的驱动端15固定连接，第二转动轴16的第二安装端穿过第四皮带轮20的中心和蜗轮蜗杆减速器10的输出端连接，蜗轮蜗杆减速器10的输入端和腰部伺服电机17的输出端连接，腰部伺服电机17作为变形组件的动力源，带动软管扭转从而改变刚度，通过扭转软管驱动端15的角度大小，决定软管整体的刚度大小，蜗轮蜗杆减速器10用于增大软管的扭矩，改变腰部伺服电机17输出力的传输方向，蜗轮蜗杆减速器10和腰部伺服电机17的外壳分别与弯管骨架2的第三安装端和第四安装端连接，腰部伺服电机17和蜗轮蜗杆减速器10均位于包边外壳3的内部。

腿部变形组件，包括第一软管4、第二软管19、紧固抱箍5、第一转动轴6、第二转动轴16、第一皮带轮7、第二皮带轮12、第三皮带轮13、第四皮带轮20、皮带8、腿部伺服电机18和蜗轮蜗杆减速器10，腰部变形组件，包括第一软管4、第二软管19、紧固抱箍5、第一转动轴6、第二转动轴16、第一皮带轮7、第二皮带轮12、第三皮带轮13、第四皮带轮20、皮带8、腿部伺服电机18和蜗轮蜗杆减速器10，可移动填充物11沿软管的轴向分布，可移动填充物11充满整个软管的空腔，第一软管4和第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5和弯管骨架2的第一安装端和第二安装端固定连接，第一转动轴6的第一端穿过第一皮带轮7的中心和软管的驱动端15固定连接，第一转动轴6的第二端穿过第二皮带轮12的中心悬出，第一皮带轮7通过皮带8和第三皮带轮13连接。

第二转动轴16的第一端穿过第三皮带轮13的中心和第二软管19的驱动端15固定连接，第二转动轴16的第二安装端穿过第四皮带轮20的中心和蜗轮蜗杆减速器10的输出端连接，蜗轮蜗杆减速器10的输入端和腿部伺服电机18的输出端连接，腿部伺服电机18作为变形组件的动力源，带动软管扭转从而改变刚度，通过扭转软管驱动端15的角度大小，决定软管整体的刚度大小，蜗轮蜗杆减速器10用于增大软管的扭矩，改变腿部伺服电机18输出力的传输方向，蜗轮蜗杆减速器10和腿部伺服电机18的外壳分别与弯管骨架2的第三安装端和第四安装端连接，腿部伺服电机18和蜗轮蜗杆减速器10均位于包边外壳3的内部。

以下结合实施例对本发明一种基于变刚度调节的柔性康复椅做进一步描述：

本发明装置的具体工作过程是这样实现地：

本装置基于扭转和颗粒干扰的大范围变刚度原理，利用空间限制原理，主要通过各个部位的伺服电机扭转对应的软管，是软管收缩内部空间，进而减小可移动填充物11的活动范围，再利用可移动填充物11的阻塞和纤维干扰实现变刚度。

首先，在本发明装置未工作之前，可移动填充物11在软管中自由分布，软管内部可移动填充物11具有流动性，同时具有一定弧度的曲度外型，此时整个装置的刚度最小，该装置开始工作前，根据本次的调节任务，该装置上的颈部伺服电机9、腰部伺服电机17和腿部驱动电机18分别驱动软管转动不同的角度，在驱动下内部可移动填充物11可随意流动，同时软管的外形可任意变化，形成适应不同部位特征的软管曲度，同时增加刚度以适应不同部位所需支撑力的大小。

接着，颈部伺服电机9通过蜗轮蜗杆减速器10驱动第二转动轴16转动，第二转动轴16带动与之连接的第二软管19扭转，由于第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5固定在弯管骨架2上，所以第二软管19的扭曲变形从驱动端15到固定端14开始变化，由于初始第二软管19的内部空间较大，第二软管19在无约束下产生褶皱并快速收缩，第二软管19内部空间被迅速减小，从而收缩第二软管19的内部空间；与第二转动轴16连接的第三皮带轮13和第四皮带轮分别通过皮带8带动第一皮带轮7和第二皮带轮12转动，从而通过第一转动轴6带动第一软管4扭转，收缩第一软管4的内部空间，从而给可移动填充物11增加合适的边界束缚，在束缚的作用下，软管与内部可移动填充物11逐渐接触，软管自适应贴合可移动填充物11，软管完全接触可移动填充物11后，对可移动填充物11进行挤压，同时第二软管19和第一软管4的外形的曲度逐渐减小，最终在软管纤维的作用下聚集更加紧密，可移动填充物11的流动被完全限制，通过可移动填充物11间不断地聚集阻塞，形成适应颈部特征的软管曲度，同时形成颈部所需要的刚度范围以适应颈部所需的支撑力，整个变形过程中整体刚度的大小随软管扭转角度的增大而逐渐增强。

然后，腰部伺服电机17通过蜗轮蜗杆减速器10驱动第二转动轴16转动，第二转动轴16带动与之连接的第二软管19扭转，由于第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5固定在弯管骨架2上，所以第二软管19的扭曲变形从驱动端15到固定端14开始变化，由于初始第二软管19的内部空间较大，第二软管19在无约束下产生褶皱并快速收缩，第二软管19内部空间被迅速减小，从而收缩第二软管19的内部空间；与第二转动轴16连接的第三皮带轮13和第四皮带轮分别通过皮带8带动第一皮带轮7和第二皮带轮12转动，从而通过第一转动轴6带动第一软管4扭转，收缩第一软管4的内部空间，从而给可移动填充物11增加合适的边界束缚，在束缚的作用下，软管与内部可移动填充物11逐渐接触，软管自适应贴合可移动填充物11，软管完全接触可移动填充物11后，对可移动填充物11进行挤压，同时第二软管19和第一软管4的外形的曲度逐渐减小，最终在软管纤维的作用下聚集更加紧密，可移动填充物11的流动被完全限制，通过可移动填充物11间不断地聚集阻塞，形成适应腰部特征的软管曲度，同时形成腰部所需要的刚度范围以适应腰部所需的支撑力，整个变形过程中整体刚度的大小随软管扭转角度的增大而逐渐增强。

最后，腿部伺服电机18通过蜗轮蜗杆减速器10驱动第二转动轴16转动，第二转动轴16带动与之连接的第二软管19扭转，由于第二软管19的固定端14分别通过紧固卡箍5固定在弯管骨架2上，所以第二软管19的扭曲变形从驱动端15到固定端14开始变化，由于初始第二软管19的内部空间较大，第二软管19在无约束下产生褶皱并快速收缩，第二软管19内部空间被迅速减小，从而收缩第二软管19的内部空间；与第二转动轴16连接的第三皮带轮13和第四皮带轮分别通过皮带8带动第一皮带轮7和第二皮带轮12转动，从而通过第一转动轴6带动第一软管4扭转，收缩第一软管4的内部空间，从而给可移动填充物11增加合适的边界束缚，在束缚的作用下，软管与内部可移动填充物11逐渐接触，软管自适应贴合可移动填充物11，软管完全接触可移动填充物11后，对可移动填充物11进行挤压，同时第二软管19和第一软管4的外形的曲度逐渐减小，最终在软管纤维的作用下聚集更加紧密，可移动填充物11的流动被完全限制，通过可移动填充物11间不断地聚集阻塞，形成适应腿部特征的软管曲度，同时形成腿部所需要的刚度范围以适应腿部所需的支撑力，整个变形过程中整体刚度的大小随软管扭转角度的增大而逐渐增强。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于变刚度调节的柔性康复椅，其包括支撑底座、弯管骨架、包边外壳和变形组件，其特征在于，

所述支撑底座的上端和所述弯管骨架固定连接，所述支撑底座位于地面，所述弯管骨架位于所述包边外壳的内部，所述弯管骨架，其包括第一骨架、第二骨架、第三骨架、第四骨架和第五骨架，所述第二骨架、所述第三骨架和所述第四骨架分别对称分布在所述第一骨架和所述第五骨架的两端，所述第一骨架和所述第二骨架的第一端连接，所述第二骨架的第二端和所述第三骨架的第一端连接，所述第三骨架的第二端和所述第四骨架的第一端连接，所述第四骨架的第二端和所述第五骨架连接；

所述变形组件，其包括第一软管、第二软管、紧固抱箍、第一转动轴、第二转动轴、第一皮带轮、第二皮带轮、第三皮带轮、第四皮带轮、皮带、伺服电机和蜗轮蜗杆减速器，所述第一软管和所述第二软管的内部设有可移动填充物，所述可移动填充物沿软管的轴向分布，所述可移动填充物充满整个软管的空腔，所述第一软管和所述第二软管的固定端分别通过紧固卡箍和所述弯管骨架的第一安装端和第二安装端固定连接，所述第一转动轴的第一端穿过所述第一皮带轮的中心和所述第一软管的驱动端固定连接，所述第一转动轴的第二端穿过所述第二皮带轮的中心悬出，所述第一皮带轮通过皮带和所述第三皮带轮连接，所述第二皮带轮通过皮带和所述第四皮带轮连接；

所述第二转动轴的第一端穿过所述第三皮带轮的中心和所述第二软管的驱动端固定连接，所述第二转动轴的第二端穿过所述第四皮带轮的中心和所述蜗轮蜗杆减速器的输出端连接，所述蜗轮蜗杆减速器的输入端和所述伺服电机的输出端连接，所述伺服电机作为变形组件的动力源，带动软管扭转从而改变刚度，所述蜗轮蜗杆减速器用于增大软管的扭矩，改变伺服电机输出力的传输方向，所述蜗轮蜗杆减速器和所述伺服电机的外壳分别与所述弯管骨架的第三安装端和第四安装端连接，所述伺服电机和所述蜗轮蜗杆减速器均位于所述包边外壳的内部。

2.根据权利要求1所述的基于变刚度调节的柔性康复椅，其特征在于，所述变形组件，其包括颈部变形组件、腰部变形组件和腿部变形组件。

3.根据权利要求1所述的基于变刚度调节的柔性康复椅，其特征在于，所述可移动填充物的形状为球体、长方体、圆柱体、棱柱体或者多面体中的一种，所述可移动填充物的材制为树脂、木屑、橡胶、金属和塑料中的一种。

4.根据权利要求1或者2所述的基于变刚度调节的柔性康复椅，其特征在于，所述第一转动轴的轴线和所述第二转动轴的轴线平行；所述第一转动轴、所述第一皮带轮和所述第二皮带轮的轴线在同一条直线上，所述第二转动轴、所述第三皮带轮和所述第四皮带轮的轴线在同一条直线上。

5.根据权利要求1所述的基于变刚度调节的柔性康复椅，其特征在于，所述软管的长度大于所述弯管骨架中相邻两个骨架之间的距离。

6.根据权利要求1所述的基于变刚度调节的柔性康复椅，其特征在于，所述第一软管驱动端的第二皮带轮和所述第二软管驱动端的第四皮带轮分别通过皮带与相邻软管驱动端的第四皮带轮和第二皮带轮连接。

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