CN209332630U - 含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，连杆与驱动杆是通过柔顺关节连接起来的一体杆。当伺服电机驱动驱动杆转动时，柔顺关节替代转动副，利用自身的柔性变形来进行运动和力的传递，使连杆转动，进而使动平台实现三自由度的转动，驱动杆末端与减速器、伺服电机、机架相连接组成了机器人的驱动部分。弹性头套和动平台可很好地将患者头部固定，机架和肩带可很好地将机构固定于患者双肩。由于用柔顺关节替代传统的转动副，减少了机构的重量，同时它大大减少了机构中的间隙、摩擦、磨损及润滑等复杂问题，从而可以提高机构精度、增加可靠性、减少冲击和振动等，可用作三转动颈部辅助康复机器人的执行机构。
Description
技术领域
本实用新型是一种刚柔耦合机构，涉及机构学应用技术领域，尤其涉及了一种含有柔顺关节的可穿戴颈部辅助康复机器人执行机构。
背景技术
随着社会的发展和人们工作性质的改变，越来越多的人加入到颈椎病队列中。颈椎病一般采用非手术疗法，其中借助于辅助机构的运动训练法被证实有很好的效果。另外，颈部受伤患者的术后康复也需要进行颈部运动训练，然而目前受过训练的专业医师严重缺乏，并且康复训练对于医师来说劳动强度太大。
综上，设计一种颈部辅助康复机构可有效地解决了这一问题，患者可在颈部矫形器的辅助下完成自我训练。医师也可以通过将颈部辅助康复机构用在机器人身上来模拟、练习颈部康复动作。但目前市场上的颈部矫形器具有一定的局限性，如不具备辅助头部转动的功能、穿戴不舒适，执行机构刚性有冲击等。因此，基于球面3R并联机构研制一种新型含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构可以用于辅助颈部受伤患者、颈椎病的康复训练和医师的模拟练习，将会有很好的应用前景。
实用新型内容
基于以上背景，本实用新型提供了含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，该机构具有结构简单，运动平稳，缓和冲击，装配简单的特点，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
为实现上述目的，本实用新型基于3-RRS SPM特点，采用的技术方案为含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，该康复机构是一种使用柔性铰链替换传统转动副得到刚柔耦合机构。该康复机构由运动平台1、固定平台7及三个分支机构构成，三个分支机构之间沿120°布置并以球心O为中心。每条支链由连杆2和驱动杆4组成，连杆2一端通过通过一个球面副与运动平台1连接，连杆2另一端通过一个转动副与驱动杆4的一端连接，驱动杆4的另一端通过另一个转动副与固定平台7连接。连杆2和驱动杆4均为弧形杆件。
伺服电机6通过减速器5与驱动杆4靠近固定平台7的一端连接，头套8设置在运动平台1上，肩带9设置在固定平台7上。
连杆2和驱动杆4为柔性件，均采用柔性材料热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU或尼龙制成。
该康复机构的结构特点是其上的所有运动副指向同一个点O，该点即为运动中心，也是整个球面机构的球心；运动特点是机构的运动平台只绕球心做三自由度旋转运动，运动轨迹一直在球面上。基于人颈部的运动大致为前后曲伸、左右侧弯、轴向扭转三个转动自由度的运动特点，可采用3-RRS SPM机构作为颈部辅助康复机器人的执行机构。因为颈部是非常脆弱且运动缓慢的结构，尤其对于颈部患者而言。所以需要辅助康复机构的运动缓慢平稳且没有振动冲击。因此，本实用新型采用柔性铰链替换连接传统的刚性转动副的方法来使机构运动平稳且没有冲击。为了保证良好的驱动性能，定平台与各驱动杆之间仍然采用传统的转动副来连接；为了动平台的运动不直接受柔顺关节的变形影响而保持期望运动规律，动平台和各连杆之间也仍然采用传统球副来连接。采用柔性铰链替换连接主动杆和从动杆的刚性转动副，柔性铰链、驱动杆与连杆为一体，所有分支的转动副、柔性铰和球副轴线相交于一点，即球面运动的球心。
颈椎辅助康复机构由固定于肩部的机架、套在头上的头环和三个分支组成。机架由塑料框架和弹性肩带构成，可穿戴于人体肩部，并利用可调整肩带固定于人体双肩位置，同时将电机及固定电机连接件固定于其上，用来支撑电机并确定其旋转角度，使各分支电机通过旋转一定的角度驱动一体式分支摆动，同时带动头环，最后实现运动头套的运动，固定机架上的电机位置分别置于左肩、右肩和背后。头环内侧的材质柔软且富有弹性，可舒适的戴在头上，借助头套可以将头部稳定固定于运动平台，头环下方有对应球铰连接的3个连接件，通过螺钉固定于头套边缘。每条支链均是由驱动杆、柔性铰链与连杆组成的一体式杆件结构。其中，主动杆下方与机架上电机通过转动副连接，主动杆上方与从动杆下方通过柔性铰链连接，从动杆上方和头环通过球面副连接。电机转动带动一体式杆运动，相应的带动头环一起运动。
第一分支机构包括第一转动副R11、第一柔性铰F12和第一球副S13；第二分支机构包括第二转动副R21、第二柔性铰F22和第二球副S23；第三分支机构包括第三转动副R31、第三柔性铰F32和第三球副S33。
第一分支机构中的第一转动副R11与固定平台7连接，第一球副S13与运动平台1连接，第一转动副R11与第一球副S13之间通过第一柔性铰F12连接，第一转动副R11、第一柔性铰F12与第一球副S13的轴线相交于球心O。
第二分支机构中的第二转动副R21与固定平台7连接，第二球副S23与运动平台1连接，第二转动副R21与第二球副S23之间通过第二柔性铰F22连接，第二转动副R21、第二柔性铰F22与第二球副S23的轴线相交于球心O。
第三分支机构中的第三转动副R31与固定平台7连接，第三球副S33与运动平台1连接，第三转动副R31与第三球副S33之间通过第三柔性铰F32连接，第三转动副R31、第三柔性铰F32与第三球副S33的轴线相交于球心O。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、该机构分支结构简单并且对称，分支采用柔性铰链、驱动杆与连杆为一体的连接方式，减少装配和润滑，便于机构整体加工制造和装配。
2、与实现同样运动性质的机构相比，该机构采用柔性铰链替换传统刚性运动副的方法，利用柔性铰链的变形来传递运动，能够吸收冲击和振动，使运动更加平稳、安全、可靠，更适用于辅助康复医疗机构；
附图说明
图1为刚性3-RRS SPM机构结构图。
图中：1、运动平台，2、连杆，4、驱动杆，7、固定平台，S、球副，R、转动副。
图2为X型柔性铰链结构图。
图中：R、圆弧形薄板半径，t、圆弧形薄板厚度。
图3为由连杆、柔性铰和驱动杆连接而成的一体式分支。
图中：S、球副，R、转动副、2、连杆，3、柔性铰，4、驱动杆。
图4为含柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构。
图中：1、运动平台，2、连杆，3、柔性铰，4、驱动杆，5、减速器，6、伺服电机，7、固定平台，8、头套，9、肩带。
图5为人穿戴颈部辅助康复机器人示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本实用新型作进一步说明：
如图1至5所示，一种含有柔顺关节的可穿戴颈部辅助康复机构，包括运动平台1、连杆2、柔性铰3、驱动杆4、减速器5、伺服电机6、固定平台7、头套8和肩带9。运动平台1和固定平台7之间连接有成120°布置的三个分支，每个分支由连杆2、驱动杆4和将连杆和驱动杆连接起来的柔顺关节3组成，运动平台1与连杆2之间通过传统球副关节连接、驱动杆4与固定平台7之间通过传统转动副连接；驱动杆4靠近固定平台7的一端连接的减速器5、伺服电机6与固定平台7相连接组成了机器人的驱动部分；减速器5与伺服电机6固定连接，且轴心相同，伺服电机与固定平台7固定连接；空间三转动颈部辅助康复机构实现了绕X轴、Y轴、Z轴三个方向的转动。
所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，驱动杆、连杆与柔顺关节为一体式的连接方式。
所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，整体机构均采用柔性材料制成，如TPU、尼龙；利用柔顺关节薄板的柔性变形来完成力和运动的传递，实现了用柔顺关节来代替转动副的传动。
Claims (5)
1.含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，其特征在于：该康复机构由运动平台(1)、固定平台(7)及三个分支机构构成，三个分支机构之间沿120°布置并以球心O为中心；每条支链由连杆(2)和驱动杆(4)组成，连杆(2)一端通过通过一个球面副与运动平台(1)连接，连杆(2)另一端通过一个转动副与驱动杆(4)的一端连接，驱动杆(4)的另一端通过另一个转动副与固定平台(7)连接；连杆(2)和驱动杆(4)均为弧形杆件；
伺服电机(6)通过减速器(5)与驱动杆(4)靠近固定平台(7)的一端连接，头套(8)设置在运动平台(1)上，肩带(9)设置在固定平台(7)上；
三个分支机构中的第一分支机构包括第一转动副(R11)、第一柔性铰(F12)和第一球副(S13)；三个分支机构中的第二分支机构包括第二转动副(R21)、第二柔性铰(F22)和第二球副(S23)；三个分支机构中的第三分支机构包括第三转动副(R31)、第三柔性铰(F32)和第三球副(S33)。
2.根据权利要求1所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，其特征在于：连杆(2)和驱动杆(4)为柔性件，均采用柔性材料热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU或尼龙制成。
3.根据权利要求1所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，其特征在于：第一分支机构中的第一转动副(R11)与固定平台(7)连接，第一球副(S13)与运动平台(1)连接，第一转动副(R11)与第一球副(S13)之间通过第一柔性铰(F12)连接，第一转动副(R11)、第一柔性铰(F12)与第一球副(S13)的轴线相交于球心O。
4.根据权利要求1所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，其特征在于：第二分支机构中的第二转动副(R21)与固定平台(7)连接，第二球副(S23)与运动平台(1)连接，第二转动副(R21)与第二球副(S23)之间通过第二柔性铰(F22)连接，第二转动副(R21)、第二柔性铰(F22)与第二球副(S23)的轴线相交于球心O。
5.根据权利要求1所述的含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构，其特征在于：第三分支机构中的第三转动副(R31)与固定平台(7)连接，第三球副(S33)与运动平台(1)连接，第三转动副(R31)与第三球副(S33)之间通过第三柔性铰(F32)连接，第三转动副(R31)、第三柔性铰(F32)与第三球副(S33)的轴线相交于球心O。
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| CN108478393A (zh) * | 2018-05-27 | 2018-09-04 | 北京工业大学 | 含有柔顺关节可穿戴颈部辅助康复机构 |
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