CN115394146B - 面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置及教学机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置及教学机器人，通过设置颈部运动模拟模块，模拟患者颈部的旋转和俯仰两个自由度，通过设置预牵引与提扳颈椎模拟模块，可以通过机械的方式实现对个体化颈椎运动变化与状态的模拟，由于个体化差异和病症的差异，人体颈椎在预牵引和提扳过程中的力也存在着个体化的差异，本发明通过提扳阻尼机构以及预牵引阻尼机构的设置，还能够模拟出，在学员提旋手法操作下，个体化人类颈椎的力学特征。本发明为旋提手法的初学者提供实践、培训与考核平台，为快速地、高质量地培养合格旋提手法操作者提供了实践平台和技术支撑，具有很高的科研价值和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，涉及医疗培训教学设备，特别是涉及一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置及教学机器人。
背景技术
颈椎病又称颈椎综合征，是颈椎骨关节炎、增生性颈椎炎、颈神经根综合征、颈椎间盘脱出症的总称，是一种以退行性病理改变为基础的疾患，为骨科的常见病、多发病，主要分为颈型颈椎病、神经根型颈椎病、脊髓型颈椎病、椎动脉型颈椎病、交感神经型颈椎病、食管压迫型颈椎病等几种。其中颈型颈椎病和神经根型颈椎病比例占到了极大的比例。
目前，治疗颈椎病的手段主要分为手术疗法和手法疗法两种，由于手法疗法无服药之不便，无针刺之痛苦，且治疗效果，尤其是对于颈型和神经根型颈椎病治疗效果较好，更易于为患者所接受。因此，目前在颈椎病治疗领域中，手法治疗被公认为是治疗颈型颈椎病和神经根型颈椎病最行之有效的手段之一。治疗颈椎病的手法主要为旋转类手法和扳动类手法，两种手法在治疗过程中均直接通过对患者的头部进行操作，对医师的技术水平要求较高，而且操作过程较为复杂。在施术过程中，患者很难真正地放松，从而直接影响了治疗效果。中国中医科学院望京医院专家通过对旋转类手法和扳动类手法的运动机理进行深入分析，结合长期的临床实践和研究，在传统手法的基础上进行了调整与创新，在能够实现手法治疗的基础上，最大程度地增加了手法的可操作性以及患者的可接受性，并命名该手法为旋提手法。“旋提手法”主要分为旋转和提扳两个操作，首先是旋转，即由医师指导患者完成头部主动水平旋转至极限角度，最大屈曲后再旋转，达到有固定感，定位后患者的头颈部空间状态稳定状态，在旋转方向不体现弹性特征(呈刚性)；然后是提扳，由医师操作完成，包括三个部分，预加载部分(预牵引)、提扳部分和恢复部分。其中，在预加载过程中，医生以肘部托患者下颌，轻轻向上牵引3秒～5秒，体向呈变刚度特性；在提扳过程中，医师嘱患者放松肌肉，肘部用短力快速向上提拉。操作成功可以听到一声或多声弹响；完成提扳后，慢慢使患者头部恢复。
尽管“旋提手法”从操作性到可接受性相较于传统手法都有了较大的改善，但该手法的实现还需要较为丰富的临床经验，初学者施术手法的安全性、有效性和患者易接受性都受到了较大的诟病。而现行的初学者培训方案仅局限于课堂上的讲解和教授示范，初学者鲜有实践机会，导致手法掌握过程低效且缓慢，严重制约了旋提手法技术的推广和普及。因此，有必要研制一种面向旋提手法培训的颈椎力学性能模拟装置来为初学者提供实践平台，但是现有技术中还未有相关装置。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其可模拟患者颈椎的生物力学状态，为初学者提供实践平台，以解决上述现有技术中由于初学者培训方案仅局限于课堂上的讲解和教授示范，鲜有实践机会，从而导致初学者手法掌握过程低效且缓慢，严重制约旋提手法技术推广和普及的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，包括：
颈部运动模拟模块，所述颈部运动模拟模块包括旋转壳体、颈部连接板、旋转驱动、俯仰驱动和头部安装板；所述颈部连接板位于所述旋转壳体的下方，所述旋转驱动设置于所述颈部连接板上，并与所述旋转壳体的下部相连，所述旋转驱动用于驱动所述旋转壳体转动，以模拟在旋提手法过程中患者颈部的旋转动作；所述俯仰驱动通过紧固件安装于所述旋转壳体的上部，所述俯仰驱动与所述头部安装板相连，用于驱动所述头部安装板相对所述旋转壳体转动，以模拟在旋提手法过程中患者颈部的俯仰动作；
预牵引与提扳颈椎模拟模块，所述预牵引与提扳颈椎模拟模块包括外壳、预牵引模块和提扳模块；所述预牵引模块设置于所述外壳内，其包括预牵引阻尼机构和由上至下依次连接设置的颈部连接板、转接板、拉压力检测装置和预牵引滑块，所述颈部连接板的上部贯穿所述外壳设置并与所述颈部连接板相连，所述预牵引阻尼机构设置于所述外壳上，用于为所述预牵引滑块施加预牵引阻力；所述提扳模块设置于所述外壳内，其包括提扳滑块和提扳阻尼机构，所述提扳滑块位于所述预牵引滑块的下方，所述预牵引滑块通过预牵引-提扳连接柱与所述提扳滑块连接，所述预牵引-提扳连接柱的下部贯穿所述提扳滑块设置并与提扳挡板相连；当所述预牵引滑块处于未预牵引状态时，所述提扳挡板位于所述提扳滑块的下方并与所述提扳滑块间隔布置，当所述预牵引滑块处于预牵引完成状态时，所述提扳挡板与所述提扳滑块相抵，继续牵引所述预牵引滑块，能够通过所述提扳挡板提扳所述提扳滑块，以模拟颈椎在提扳过程中的刚度突变；所述提扳阻尼机构设置于所述外壳上，用于为所述提扳滑块施加提扳阻力。
可选的，所述旋转驱动包括旋转部分旋转变压器以及依次连接设置的旋转电机、旋转部分减速器、旋转力矩检测装置和旋转驱动板，所述旋转电机设置于所述颈部连接板上，所述旋转驱动板与所述旋转壳体相连；所述旋转部分旋转变压器与所述旋转电机的旋转轴相连，以测量所述旋转轴的旋转角度。
可选的，所述俯仰驱动包括俯仰部分旋转变压器以及依次连接设置的俯仰电机、俯仰部分减速器、俯仰力矩检测装置和俯仰驱动板，所述俯仰电机设置于所述旋转壳体的一侧内壁，所述俯仰驱动板与所述头部安装板的一侧相连，所述头部安装板的另一侧依次连接有俯仰随动板和从动支撑连接，所述从动支撑通过俯仰从动轴与所述旋转壳体的另一侧转动连接；所述俯仰部分旋转变压器与所述俯仰从动轴相连，以测量所述俯仰从动轴的俯仰角度。
可选的，所述俯仰力矩检测装置为俯仰力矩传感器；所述旋转力矩检测装置为旋转力矩传感器。
可选的，所述拉压力检测装置为拉压力传感器。
可选的，所述旋转部分减速器和所述俯仰部分减速器均为谐波减速器。
可选的，所述预牵引滑块的两侧对称设置有加载曲面，所述加载曲面由上至下逐渐向外侧倾斜；
所述预牵引阻尼机构包括变刚度驱动机构和第一滚轮，所述变刚度驱动机构安装于所述外壳上，所述第一滚轮可转动安装于所述变刚度驱动机构上，所述变刚度驱动机构能够将所述第一滚轮压紧于所述加载曲面上，所述预牵引滑块的两侧分别设置于所述预牵引阻尼机构，通过调节所述第一滚轮对所述加载曲面的压紧力，能够调节所述预牵引阻尼机构对所述预牵引滑块施加的预牵引阻力的大小。
可选的，所述变刚度驱动机构包括：
横向光轴，所述横向光轴的两端固定设置于所述外壳的两侧壁上；
第一预牵引加载板，所述第一预牵引加载板滑动套设于所述横向光轴上；
第二预牵引加载板，所述第二预牵引加载板滑动套设于所述横向光轴上，且所述第二预牵引加载板位于所述第一预牵引加载板与所述预牵引滑块之间，所述第二预牵引加载板与所述第一预牵引加载板之间通过预牵引弹簧连接，所述第二预牵引加载板的背离所述第一预牵引加载板的一侧安装所述第一滚轮；
预牵引加载轴，所述预牵引加载轴的一端贯穿所述第一预牵引加载板，并与所述第一预牵引加载板螺纹连接；
预牵引刚度调整电机，所述预牵引刚度调整电机设置于所述外壳的侧壁上，所述预牵引刚度调整电机的输出轴上连接有刚度调整齿轮，所述刚度调整齿轮与一从动齿轮啮合，所述刚度调整齿轮和所述从动齿轮均转动安装于所述外壳的侧壁上，所述从动齿轮与所述预牵引加载轴的另一端连接，所述预牵引刚度调整电机能够驱动所述第一预牵引加载板朝向所述第二预牵引加载板移动，以调节所述第一滚轮对所述加载曲面的压紧力；
直线位移传感器，所述直线位移传感器设置于所述外壳侧壁上，并与所述第一预牵引加载板相连，以检测所述第一预牵引加载板为所述横向光轴上的位置。
可选的，所述提扳阻尼机构包括：
提扳底座，所述提扳底座连接于所述提扳滑块的下部；
提扳壳体，所述提扳壳体设置于所述提扳底座上，并位于所述提扳滑块的一侧，所述提扳壳体内形成有平行于所述横向光轴的滑槽腔；
第一提扳加载柱，所述第一提扳加载柱滑动套设于所述滑槽腔内；
第二提扳加载柱，所述第二提扳加载柱滑动套设于所述滑槽腔内，且所述第二提扳加载柱位于所述第一提扳加载柱与所述提扳滑块之间，所述第二提扳加载柱与所述第一提扳加载柱之间通过提扳弹簧连接，所述第二提扳加载柱的远离所述第一提扳加载柱的一端安装有第二滚轮；所述第二滚轮能够与所述提扳滑块的侧壁接触；
直线推杆，所述直线推杆通过直线推杆固定座设置于所述提扳底座上，所述直线推杆与所述第一提扳加载柱相连，能够驱动所述第一提扳加载柱朝向或远离所述第二提扳加载柱移动，以调节所述第二滚轮对所述提扳滑块侧壁的压紧力。
可选的，还包括纵向光轴，所述纵向光轴的两端分别与所述外壳的上部和下部固定连接；
所述转接板、所述预牵引滑块和所述提扳滑块均滑动套设于所述纵向光轴上；
所述提扳底座的下部连接有底座滑动支撑板，所述底座滑动支撑板滑动套设于所述纵向光轴上；在位于所述提扳底座和所述底座滑动支撑板之间的所述纵向光轴上，固定设置有底座限位块，所述底座限位块能够限制所述提扳底座的下移下限和所述底座滑动支撑板的上移上限。
可选的，所述纵向光轴设置有两根，所述转接板、所述预牵引滑块、所述提扳滑块和所述底座滑动支撑板均同时滑动套设于两根所述纵向光轴上。
可选的，所述转接板、所述预牵引滑块、所述提扳滑块和所述底座滑动支撑板均通过直线轴承与所述纵向光轴滑动配合。
可选的，所述底座滑动支撑板为U型支撑板，所述U型支撑板电的两端与所述提扳底座的下部连接。
可选的，所述提扳挡板的上表面设置有橡胶垫片，所述提扳挡板通过所述橡胶垫片与所述提扳滑块的底部相抵。
本发明还提出一种面向旋提手法培训的教学机器人，包括云平台、控制系统和如上任意一项所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，所述控制系统与所述云平台、所述旋转驱动、所述俯仰驱动、所述预牵引阻尼机构、所述拉压力检测装置和所述提扳阻尼机构均通讯连接，所述云平台能够实现所述旋转驱动、所述俯仰驱动、所述预牵引阻尼机构、所述拉压力检测装置和所述提扳阻尼机构运行参数的实时显示、处理和分析。
可选的，所述面向旋提手法培训的教学机器人还包括人体仿真头部和底座，所述人体仿真头部设置于所述头部安装板上；所述外壳的下部通过机械接口与所述底座相连；所述控制系统设置于所述底座内。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，结构新颖合理，通过设置颈部运动模拟模块，模拟患者颈部的旋转和俯仰两个自由度，通过设置预牵引与提扳颈椎模拟模块，可以通过机械的方式实现对个体化颈椎运动变化与状态的模拟，由于个体化差异和病症的差异，人体颈椎在预牵引和提扳过程中的力也存在着个体化的差异，本发明通过提扳阻尼机构以及预牵引阻尼机构的设置，还能够模拟出，在学员提旋手法操作下，个体化人类颈椎的力学特征。
上述面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，一方面，可以为初学者提供实践平台，另一方面，可以对旋提手法的每一个阶段进行评估，从而为医师能否具备临床应用旋提手法提供资质参考。本发明为旋提手法的初学者提供实践、培训与考核平台，为快速地、高质量地培养合格旋提手法操作者提供了实践平台和技术支撑，具有很高的科研价值和实用价值。
本发明还提出一种包含上述人体颈椎模拟装置的教学机器人，该机器人配置有相应的控制系统，不仅可以模拟不同种病症颈椎的生物力学状态，而且可以面向个体化病症进行中医旋提手法教学，真正达到了实践、培训和考核相结合的目的，为快速地、高质量地培养合格旋提手法操作者提供实践平台和技术支撑，具有很高的科研价值和实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所公开的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置的总体结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的颈部运动模拟模块的结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的预牵引与提扳颈椎模拟模块的结构示意图；
图4为本发明实施例所公开的预牵引与提扳颈椎模拟模块的侧视图；
图5为本发明实施例所公开的预牵引与提扳颈椎模拟模块的剖面图；
图6为本发明实施例所公开的预牵引模块的轴测图；
图7为本发明实施例所公开的预牵引模块的剖面图；
图8为本发明实施例所公开的预牵引模块的俯视图；
图9为本发明实施例所公开的预牵引弹簧的安装示意图；
图10为本发明实施例所公开的预牵引滑块的结构示意图；
图11为本发明实施例所公开的提扳模块的剖面图；
图12为本发明实施例所公开的提扳模块的轴测图；
图13为本发明实施例所公开的提扳滑块的结构示意图；
图14为本发明实施例所公开的提扳滑块的主视图。
其中，附图标记为：
1、颈部运动模拟模块，1-1、俯仰随动板，1-2、俯仰电机，1-3、俯仰电机轴，1-4、头部安装板，1-5、俯仰驱动板，1-6、俯仰力矩传感器转接板，1-7、螺栓，1-8、俯仰力矩传感器，1-9、俯仰谐波减速器，1-10、旋转壳体，1-11、颈部连接板，1-12、旋转部分输出轴，1-13、旋转电机轴，1-14、旋转部分旋转变压器，1-15、旋转电机，1-16、旋转谐波减速器，1-17、柔轮输出转接板，1-18、旋转力矩传感器，1-19、旋转驱动板，1-20、深沟球轴承，1-21、俯仰部分旋转变压器，1-22、俯仰从动轴，1-23、从动支撑，1-24、俯仰旋变支撑座；
2、预牵引与提扳颈椎模拟模块，2-1、颈部连接板，2-2、转接板，2-3、直线轴承，2-4、外壳，2-5、位移传感器安装板，2-6、直线位移传感器，2-7、预牵引刚度调整电机，2-8、提扳底座，2-9、底座滑动支撑板，2-10、底座移动位移传感器，2-11、底座推杆支架，2-12、提扳底座直线推杆，2-13、底座推杆支柱，2-14、直线轴承，2-15、底座限位，2-16、预牵引模块，2-16-1、深沟球轴承，2-16-2、预牵引加载轴，2-16-3、推力轴承，2-16-4、直线轴承，2-16-5、预牵引-提扳连接柱，2-16-6、第一预牵引加载板，2-16-7、第二预牵引加载板，2-17、预牵引刚度测量工装板，2-18、拉压力传感器；2-19、横向光轴固定座，2-20、纵向光轴固定座，2-21、刚度调整齿轮，2-22、从动齿轮，2-23、纵向光轴，2-24、预牵引滑块，2-25、提扳模块；2-25-1、提扳壳体，2-25-2、提扳弹簧，2-25-3、第一提扳加载柱，2-25-4、直线推杆，2-25-5、第二滚轮，2-25-6、提扳挡板，2-25-7、提扳直线轴承，2-25-8、提扳滑块，2-25-9、橡胶垫片，2-25-10、直线推杆固定座，2-25-11、第二提扳加载柱，2-26、横向直线轴承，2-27、横向光轴，2-28、预牵引弹簧，2-29、滑轮座，2-30、第一滚轮；
3、机械接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的之一是提供一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其可模拟患者颈椎的生物力学状态，为初学者提供实践平台，以解决现有技术中由于初学者培训方案仅局限于课堂上的讲解和教授示范，鲜有实践机会，从而导致初学者手法掌握过程低效且缓慢，严重制约旋提手法技术推广和普及的问题。
本发明的另一目的在于提供一种具有上述面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置的教学机器人。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，主要由颈部运动模拟模块1和预牵引与提扳颈椎模拟模块2组成，通过模拟装置的机械接口3，可以实现与教学机器人的底座连接，该底座中内置了控制与检测系统，该系统能够完成对旋提手法教学机器人搭载的传感器数据的采集，并可以通过WiFi或者网络将所采集的数据传递到云端，并通过显示器实现对采集的数据显示、分析和操作。
本实施例中，颈部运动模拟模块1的内部结构如图2所示，该模块具备两个自由度，可以完成旋转和俯仰功能，用于模拟在旋提手法过程中患者头部的旋转与俯仰2个自由度的运动。颈部运动模拟模块1主要由俯仰随动板1-1、俯仰电机1-2、俯仰电机轴1-3、头部安装板1-4、俯仰驱动板1-5、俯仰力矩传感器转接板1-6、俯仰力矩传感器1-8、俯仰谐波减速器1-9、旋转壳体1-10、颈部连接板1-11、旋转部分输出轴1-12、旋转电机轴1-13、旋转部分旋转变压器1-14、旋转电机1-15、旋转谐波减速器1-16、柔轮输出转接板1-17、旋转力矩传感器1-18、旋转驱动板1-19、深沟球轴承1-20、旋转变压器1-21、俯仰从动轴1-22、从动支撑1-23和俯仰旋变支撑座1-24组成。其中，旋转电机1-15的壳体与颈部连接板1-11通过螺栓等紧固件连接，旋转电机1-15的电机轴与旋转谐波减速器1-16的波发生器连接，旋转谐波减速器1-16的钢轮固定在颈部连接板1-11上，柔轮输出力矩。由于旋转力矩传感器1-18的机械接口和旋转谐波减速器1-16柔轮的法兰接口不能直接匹配，因此设计了柔轮输出转接板1-17，该柔轮输出转接板1-17一端与旋转谐波减速器1-16的柔轮连接，另一端与旋转力矩传感器1-18的一端连接，旋转力矩传感器1-18的另一端与旋转驱动板1-19固连，旋转驱动板1-19通过紧固件和旋转壳体1-10连接，从而使旋转壳体1-10能够实现水平方向旋转，达到模拟颈部旋转模拟的目的。旋转部分谐波减速器，即旋转谐波减速器1-16采用中空式设计，旋转电机1-15的电机轴同样采用中空式设计，柔轮输出转接板1-17通过中空孔将减速后的角度传递到旋转电机1-15，旋转电机1-15配置有旋转部分旋转变压器1-14，可以测量旋转部分的输出角度，实现位置闭环。颈部运动模拟模块1的俯仰部分的俯仰电机1-2的壳体与俯仰谐波减速器1-9的壳体固连，俯仰电机轴1-3与俯仰谐波减速器1-9的波发生器连接，俯仰谐波减速器1-9的钢轮与俯仰电机1-2的壳体固连，柔轮通过俯仰力矩传感器转接板1-6与俯仰力矩传感器1-8的一端连接，俯仰力矩传感器1-8的另一端和俯仰驱动板1-5连接。头部安装板1-4上端用于连接教学机器人的人体仿真头部，右端连接俯仰驱动板1-5，通过头部安装板1-4将运动传递到左侧，并通过俯仰随动板1-1辅助支撑头部安装板1-4和头部的负载。俯仰随动板1-1与从动支撑1-23连接，从动支撑1-23与深沟球轴承1-20的内圈相连，深沟球轴承1-20的外圈与旋转壳体1-10连接。为了测量出俯仰的角度，俯仰部分旋转变压器1-21的定子部分与旋转壳体1-10连接，动子部分与俯仰从动轴1-22连接，俯仰从动轴1-22通过法兰与从动支撑1-23固连，通过上述俯仰部分与旋转壳体1-10的相对移动可以完成对俯仰角度的测量。
本实施例中，预牵引与提扳颈椎模拟模块2主要用于模拟在手法过程中患者颈椎的运动变化与状态，主要由颈部连接板2-1、转接板2-2、直线轴承2-3、外壳2-4、位移传感器安装板2-5、直线位移传感器2-6、预牵引刚度调整电机2-7、提扳底座2-8、底座滑动支撑板2-9、底座移动位移传感器2-10、底座推杆支架2-11、提扳底座直线推杆2-12、底座推杆支柱2-13、直线轴承2-14、底座限位2-15、预牵引模块2-16、预牵引刚度测量工装板2-17、拉压力传感器2-18、横向光轴固定座2-19、纵向光轴固定座2-20、刚度调整齿轮2-21、从动齿轮2-22、纵向光轴2-23、预牵引滑块2-24、提扳模块2-25、横向直线轴承2-26、横向光轴2-27、预牵引弹簧2-28、滑轮座2-29和第一滚轮2-30组成。根据旋提手法的特点，预牵引与提扳颈椎模拟模块2主要通过预牵引模块2-16和提扳模块2-25两部分通过机械和控制实现。其中：
(一)预牵引模块2-16用于模拟手法的预加载过程，预加载过程的力呈现明显的非线性变化，为了满足上述要求，制作了变刚度机构，如图6～图9所示。颈部连接板2-1上端与颈部模拟装置(即颈部运动模拟模块1)中颈部连接板1-11连接，下端与转接板2-2连接，转接板2-2和预牵引滑块2-24通过拉压力传感器2-18连接。为了确保预牵引滑块2-24仅能够直线运动，采用了两组纵向光轴2-23和直线轴承实现预牵引滑块2-24等部件的轴向移动；且为了受力均衡，两组纵向光轴2-23采用对称式结构。变刚度机构主要由横向光轴2-27支撑，横向光轴2-27通过横向光轴固定座2-19固定在外壳2-4的两侧，预牵引刚度调整电机2-7的壳体与外壳2-4固连，预牵引刚度调整电机2-7的旋转主轴通过紧固件和刚度调整齿轮2-21连接，刚度调整齿轮2-21和从动齿轮2-22相互啮合，预牵引加载轴2-16-2通过法兰与从动齿轮2-22连接，预牵引加载轴2-16-2的另一端加工螺纹，以和第一预牵引加载板2-16-6螺纹配合，预牵引加载轴2-16-2、第一预牵引加载板2-16-6以及横向光轴2-27形成丝杆滑块机构，通过从动齿轮2-22带动预牵引加载轴2-16-2旋转实现第一预牵引加载板2-16-6沿横向光轴2-27的横向移动。第一预牵引加载板2-16-6和第二预牵引加载板2-16-7通过预加载弹簧2-28连接，通过第一预牵引加载板2-16-6即可调整预牵引的刚度；第二预牵引加载板2-16-7的远离第一预牵引加载板2-16-6的一端安装有滑轮座2-29，第一滚轮2-30转动安装在滑轮座2-29上，第一滚轮2-30可以在沿预牵引滑块2-24两侧的异形曲面移动，通过挤压第二预牵引加载板2-16-7可以实现预牵引的变刚度效果。预牵引刚度调整电机2-7可以通过控制实现不同的第一预牵引加载板2-16-6的初始位置，并通过直线位移传感器2-6实现对第一预牵引加载板2-16-6位置的测量，从而可以实现对个体化人群颈椎在预牵引过程中的模拟，而且在预牵引过程中，可以实时控制预牵引刚度调整电机2-7，实现对个体化病症的刚度模拟。
本实施例中，预牵引滑块2-24两侧的加载曲面并未决定的平面或平滑曲面，而是为异形曲面，如图10所示，且预牵引滑块2-24的加载曲面从下至下呈逐渐向外侧倾斜的走势，预牵引滑块2-24主体上窄下宽，预牵引滑块2-24的上端和下端分别设置有限位挡板，限位挡板的两端伸出至两侧的加载曲面外，起限位作用，防止第一滚轮2-30在加载曲面的上端或下端滑脱。预牵引滑块2-24受两侧第一滚轮2-30的挤压作用，调节第一滚轮2-30对加载曲面的压紧力能够改变预牵引滑块2-24在纵向光轴2-23上的位置，进而改变第一滚轮2-30对预牵引滑块2-24施加的预牵引阻力，预牵引阻力对应学员施加的预牵引力，由拉压力传感器2-18检测。在学员施加的预牵引力的过程中，预牵引滑块2-24逐渐上升，第一滚轮2-30在预牵引弹簧2-28的作用下始终压紧于预牵引滑块2-24的加载曲面，基于加载曲面的结构特征，第一滚轮2-30对预牵引滑块2-24的压紧力是动态变化的，且是非线性变化。实际操作中，通过预牵引刚度调节电机2-7增大第一滚轮2-30对预牵引滑块2-24的压紧力，迫使预牵引滑块2-24下移，可增大预牵引阻力；反之，通过预牵引刚度调节电机2-7减小第一滚轮2-30对预牵引滑块2-24的压紧力，即可减小预牵引阻力。
同时，由于预牵引滑块2-24的反作用力，导致预牵引加载轴2-16-2既受到了轴向力，又受到了径向力，因此设计了双向平面的推力轴承2-16-3和深沟球轴承2-16-1来支撑预牵引加载轴2-16-2。在预牵引滑块2-24的下端设计了一根预牵引-提扳连接柱2-16-5配合提扳挡板2-25-6可以将力传递到提扳模块2-25。
(二)当预牵引过程结束后，开始提扳过程。在预牵引过程中，提扳模块2-25不发生作用，因此设计了预牵引-提扳连接柱2-16-5，该柱可以穿过提扳模块2-25-8的中心孔，当达到预牵引位置时，操作者可以感到明显的阻力变大，预牵引-提扳连接柱2-16-5底部与提扳挡板2-25-6通过法兰连接，提扳挡板2-25-6的面积大于2-25-8的中心孔的面积尺寸，从而实现在预牵引过程中，操作者只能感到预牵引滑块2-24产生的变刚度。当预牵引结束后，提扳挡板2-25-6随预牵引-提扳连接柱2-16-5上移并接触到了提扳滑块2-25-8，从而感到阻力明显变大。通过对提扳过程的力分析可知，提扳过程中颈椎的刚度会发生突变。因此，采用和预牵引模块类似的设计思路，采用弹簧压紧曲面的方式模拟颈椎在提扳过程中的刚度突变。
提扳模块2-25主要包括提扳壳体2-25-1、提扳弹簧2-25-2、第一提扳加载柱2-25-3、直线推杆2-25-4、提扳滑轮2-25-5、提扳挡板2-25-6、提扳直线轴承2-25-7、提扳滑块2-25-8、橡胶垫片2-25-9和直线推杆固定座2-25-10，直线推杆2-25-4是驱动元件，通过直线推杆固定座2-25-10固定在提扳底座2-8上，提扳壳体2-25-1同样固定在提扳底座2-8上。直线推杆2-25-4可为电动伸缩杆，也可为由蜗轮蜗杆等机械结构驱动的直杆，直线推杆2-25-4的伸出端与第一提扳加载柱2-25-3固连，第一提扳加载柱2-25-3通过提扳弹簧2-25-2连接第二提扳加载柱2-25-11，通过控制直线推杆2-25-4的伸出和缩回可以实现对提扳刚度的模拟，第二提扳加载柱2-25-11连接第二滚轮2-25-5，第二滚轮2-25-5可以在提扳滑块2-25-8上滚动，当超过提扳的位移后，第二滚轮2-25-5会从提扳滑块2-25-8的滑道中脱出，实现对关节囊脱出的模拟。在提扳挡板2-25-6的上表面设置有橡胶垫片2-25-9，提扳时，橡胶垫片2-25-9先接触提扳滑块2-25-8，从而避免预牵引向提扳转化过程中金属之间的碰撞导致设备的损坏。提扳滑块2-25-8两侧对称开设通孔以安装提扳直线轴承2-25-7，直线轴承2-25-7内穿设前述的纵向光轴2-23，确保提扳过程中提扳滑块2-25-8垂直移动。
本实施例中，与上述面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置通讯连接的控制与检测系统，可设置在教学机器人上。颈部运动模拟模块移动到指定位置采用的为位置控制，当到达手法位置时，将颈部运动模拟模块切换到阻抗控制，阻抗控制可以根据人的施力大小，通过设定刚度的方式，使机器人的关节移动相应的角度，前述“阻抗控制”为一种现有的机器人阻抗控制策略，在此不再赘述。因此，可以作为手法是否垂直向上施力的指标。控制与检测系统内部设置力传感器、位移传感器、加速度传感器等传感检测元件，可以通过电路完成对面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置中的电机以及传感器参数的采集，并上传至云平台，并在本地端完成对参数的显示、处理和分析。
综上所述，本技术方案提出的面向旋提手法培训的个体化颈椎机械模拟装置，通过两个变刚度模块(预牵引模块和提扳模块)可以实现对旋提手法个体化病症的机械模拟，而且通过阻抗控制技术可以实现对预牵引和提扳角度的检测，并且通过模拟装置中自带的传感器可以完成对手法参数的测量。本技术方案提出的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，既为适合初学者学习和掌握旋提手法，并作为手法考核的参考指标之一，又适用于在教学中，作为传授手法的实验平台，并对操作的手法进行规范化评估，为旋提手法的推广和普及起到促进作用。
实施例二
本实施例提供一种教学机器人，其包括人体仿真头部、底座和如实施例一所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，人体仿真头部安装于面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置的颈部连接板11上，外壳2-4上设置机械插口3来与底座连接。教学机器人还配置控制系统与云平台，控制系统可以通过电路完成对面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置中的电机以及传感器参数的采集，并通过WiFi或者网络将所采集的数据传递到云平台，并在本地端完成对参数的显示、处理和分析。其中，面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置的具体结构布置、工作原理以及技术效果均在实施例一中一一阐明，在此不再赘述。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，包括：
颈部运动模拟模块，所述颈部运动模拟模块包括旋转壳体、颈部连接板、旋转驱动、俯仰驱动和头部安装板；所述颈部连接板位于所述旋转壳体的下方，所述旋转驱动设置于所述颈部连接板上，并与所述旋转壳体的下部相连，所述旋转驱动用于驱动所述旋转壳体转动，以模拟在旋提手法过程中患者颈部的旋转动作；所述俯仰驱动通过紧固件安装于所述旋转壳体的上部，所述俯仰驱动与所述头部安装板相连，用于驱动所述头部安装板相对所述旋转壳体转动，以模拟在旋提手法过程中患者颈部的俯仰动作；其中，所述旋转驱动包括旋转部分旋转变压器以及依次连接设置的旋转电机、旋转部分减速器、旋转力矩检测装置和旋转驱动板，所述旋转电机设置于所述颈部连接板上，所述旋转驱动板与所述旋转壳体相连；所述旋转部分旋转变压器与所述旋转电机的旋转轴相连，以测量所述旋转轴的旋转角度；所述俯仰驱动包括俯仰部分旋转变压器以及依次连接设置的俯仰电机、俯仰部分减速器、俯仰力矩检测装置和俯仰驱动板，所述俯仰电机设置于所述旋转壳体的一侧内壁，所述俯仰驱动板与所述头部安装板的一侧相连，所述头部安装板的另一侧依次连接有俯仰随动板和从动支撑连接，所述从动支撑通过俯仰从动轴与所述旋转壳体的另一侧转动连接；所述俯仰部分旋转变压器与所述俯仰从动轴相连，以测量所述俯仰从动轴的俯仰角度；
预牵引与提扳颈椎模拟模块，所述预牵引与提扳颈椎模拟模块包括外壳、预牵引模块和提扳模块；所述预牵引模块设置于所述外壳内，其包括预牵引阻尼机构和由上至下依次连接设置的颈部连接板、转接板、拉压力检测装置和预牵引滑块，所述颈部连接板的上部贯穿所述外壳设置并与所述颈部连接板相连，所述预牵引阻尼机构设置于所述外壳上，用于为所述预牵引滑块施加预牵引阻力；所述提扳模块设置于所述外壳内，其包括提扳滑块和提扳阻尼机构，所述提扳滑块位于所述预牵引滑块的下方，所述预牵引滑块通过预牵引-提扳连接柱与所述提扳滑块连接，所述预牵引-提扳连接柱的下部贯穿所述提扳滑块设置并与提扳挡板相连；当所述预牵引滑块处于未预牵引状态时，所述提扳挡板位于所述提扳滑块的下方并与所述提扳滑块间隔布置，当所述预牵引滑块处于预牵引完成状态时，所述提扳挡板与所述提扳滑块相抵，继续牵引所述预牵引滑块，能够通过所述提扳挡板提扳所述提扳滑块，以模拟颈椎在提扳过程中的刚度突变；所述提扳阻尼机构设置于所述外壳上，用于为所述提扳滑块施加提扳阻力。
2.根据权利要求1任意一项所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，所述预牵引滑块的两侧对称设置有加载曲面，所述加载曲面由上至下逐渐向外侧倾斜；
所述预牵引阻尼机构包括变刚度驱动机构和第一滚轮，所述变刚度驱动机构安装于所述外壳上，所述第一滚轮可转动安装于所述变刚度驱动机构上，所述变刚度驱动机构能够将所述第一滚轮压紧于所述加载曲面上，所述预牵引滑块的两侧分别设置于所述预牵引阻尼机构，通过调节所述第一滚轮对所述加载曲面的压紧力，能够调节所述预牵引阻尼机构对所述预牵引滑块施加的预牵引阻力的大小。
3.根据权利要求2所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，所述变刚度驱动机构包括：
横向光轴，所述横向光轴的两端固定设置于所述外壳的两侧壁上；
第一预牵引加载板，所述第一预牵引加载板滑动套设于所述横向光轴上；
第二预牵引加载板，所述第二预牵引加载板滑动套设于所述横向光轴上，且所述第二预牵引加载板位于所述第一预牵引加载板与所述预牵引滑块之间，所述第二预牵引加载板与所述第一预牵引加载板之间通过预牵引弹簧连接，所述第二预牵引加载板的背离所述第一预牵引加载板的一侧安装所述第一滚轮；
预牵引加载轴，所述预牵引加载轴的一端贯穿所述第一预牵引加载板，并与所述第一预牵引加载板螺纹连接；
预牵引刚度调整电机，所述预牵引刚度调整电机设置于所述外壳的侧壁上，所述预牵引刚度调整电机的输出轴上连接有刚度调整齿轮，所述刚度调整齿轮与一从动齿轮啮合，所述刚度调整齿轮和所述从动齿轮均转动安装于所述外壳的侧壁上，所述从动齿轮与所述预牵引加载轴的另一端连接，所述预牵引刚度调整电机能够驱动所述第一预牵引加载板朝向所述第二预牵引加载板移动，以调节所述第一滚轮对所述加载曲面的压紧力；
直线位移传感器，所述直线位移传感器设置于所述外壳侧壁上，并与所述第一预牵引加载板相连，以检测所述第一预牵引加载板为所述横向光轴上的位置。
4.根据权利要求3任意一项所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，所述提扳阻尼机构包括：
提扳底座，所述提扳底座连接于所述提扳滑块的下部；
提扳壳体，所述提扳壳体设置于所述提扳底座上，并位于所述提扳滑块的一侧，所述提扳壳体内形成有平行于所述横向光轴的滑槽腔；
第一提扳加载柱，所述第一提扳加载柱滑动套设于所述滑槽腔内；
第二提扳加载柱，所述第二提扳加载柱滑动套设于所述滑槽腔内，且所述第二提扳加载柱位于所述第一提扳加载柱与所述提扳滑块之间，所述第二提扳加载柱与所述第一提扳加载柱之间通过提扳弹簧连接，所述第二提扳加载柱的远离所述第一提扳加载柱的一端安装有第二滚轮；所述第二滚轮能够与所述提扳滑块的侧壁接触；
直线推杆，所述直线推杆通过直线推杆固定座设置于所述提扳底座上，所述直线推杆与所述第一提扳加载柱相连，能够驱动所述第一提扳加载柱朝向或远离所述第二提扳加载柱移动，以调节所述第二滚轮对所述提扳滑块侧壁的压紧力。
5.根据权利要求4所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，还包括纵向光轴，所述纵向光轴的两端分别与所述外壳的上部和下部固定连接；
所述转接板、所述预牵引滑块和所述提扳滑块均滑动套设于所述纵向光轴上；
所述提扳底座的下部连接有底座滑动支撑板，所述底座滑动支撑板滑动套设于所述纵向光轴上；在位于所述提扳底座和所述底座滑动支撑板之间的所述纵向光轴上，固定设置有底座限位块，所述底座限位块能够限制所述提扳底座的下移下限和所述底座滑动支撑板的上移上限。
6.根据权利要求1所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，其特征在于，所述提扳挡板的上表面设置有橡胶垫片，所述提扳挡板通过所述橡胶垫片与所述提扳滑块的底部相抵。
7.一种面向旋提手法培训的教学机器人，其特征在于，包括云平台、控制系统和如权利要求1～6任意一项所述的面向旋提手法培训的人体颈椎模拟装置，所述控制系统与所述云平台、所述旋转驱动、所述俯仰驱动、所述预牵引阻尼机构、所述拉压力检测装置和所述提扳阻尼机构均通讯连接，所述云平台能够实现所述旋转驱动、所述俯仰驱动、所述预牵引阻尼机构、所述拉压力检测装置和所述提扳阻尼机构运行参数的实时显示、处理和分析。
8.根据权利要求7所述的面向旋提手法培训的教学机器人，其特征在于，还包括人体仿真头部和底座，所述人体仿真头部设置于所述头部安装板上；所述外壳的下部通过机械接口与所述底座相连；所述控制系统设置于所述底座内。
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