CN219071007U - 一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，包括：蜂窝机构；所述蜂窝结构为可压缩的三维立体零泊松比结构，由六面四角星形蜂窝单体镂空结构两两正交拓扑而成；所述蜂窝结构竖直方向上的上底边到下底边嵌有八根气动肌肉，分别在上底面四边每边均匀嵌有一根气动肌肉连接至下底面四边对应位置，四角各嵌有一根气动肌肉。本实用新型将气动肌肉作为驱动构件嵌入具有零泊松比效应蜂窝结构，该三维结构能主动变形，适用于体位改变的实际运用，可用于医疗场景中患者转运垫的设计，通过充气主动形变，提供了贴合人体，提高舒适度的多种体位蜂窝结构的变形能力，可用于不同条件下要求人体的转运。

Description

一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置

技术领域

本实用新型涉及填充结构技术领域，具体是指一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置。

背景技术

蜂窝结构是一种具有较高的面外刚度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性的仿生结构，目前广泛应用在航空工业、医疗、包装等领域。现有的蜂窝结构在具体到医疗设备领域中尚未有较多的应用，院前急救过程中，根据不同疾病放置适当体位是急救的首要步骤，这是最简单且重要的一项急救措施。急救者对患者实施正确的体位，可以进一步保证安全并稳固患者病情，而现有的担架无法完成伤者体位的固定，且在转运过程中，由于不能保持患者患处的稳定，可能会造成二次损伤，因此急需一种特殊的转运垫，保护患者不受二次损伤，现有的蜂窝结构用于对患者转运的充气式气垫上，由于结构固定无法适应患者的形体，可能在转运的过程中对患者造成二次伤害。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，实现充气式气垫的体位改变，提供了贴合人体，提高舒适度的多种体位蜂窝结构的变形能力，可用于不同条件下要求体位的转运；具有了自适应能力；单体蜂窝结构为可压缩的三维立体零泊松比结构，具有良好的各向同性，具备较高的面外刚度、面内柔度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性；可在空间上任意方向弯曲不改变其因在空间中改变形状造成空间体积改变，并且其四角星形蜂巢镂空的设计，具有耗材少、轻盈的优点。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，包括：蜂窝机构；所述蜂窝结构为可压缩的三维立体零泊松比结构，由六面四角星形蜂窝单体镂空结构两两正交拓扑而成；所述蜂窝结构竖直方向上的上底边到下底边嵌有八根气动肌肉，分别在上底面四边每边均匀嵌有一根气动肌肉连接至下底面四边对应位置，四角各嵌有一根气动肌肉。

具体地，所述气动肌肉采用Mckibben型气动肌肉纤维，为筒状编织结构；所述气动肌肉的主体为橡胶筒，所述橡胶筒的上端设有密封口，所述橡胶筒的外层设置有大刚度双螺旋线编织的编织纤维层，所述橡胶筒的下端设有进气口。

具体地，所述蜂窝结构的六面上的四角星形蜂窝结构具有完全的几何形状中心对称性。

具体地，所述蜂窝结构的高度为10mm。

具体地，所述蜂窝结构的进气口连接控制进气或排气量预设的微电脑控制端。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，将气动肌肉作为驱动构件嵌入具有零泊松比效应蜂窝结构，该三维结构能主动变形，适用于体位改变的实际运用，可用于医疗场景中患者转运垫的设计，通过充气主动形变，提供了贴合人体，提高舒适度的多种体位蜂窝结构的变形能力，可用于不同条件下要求体位的转运；具有了自适应能力；单体蜂窝结构为可压缩的三维立体零泊松比结构，具有良好的各向同性，具备较高的面外刚度、面内柔度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性。可在空间上任意方向弯曲不改变其因在空间中改变形状造成空间体积改变，并且其四角星形蜂巢镂空的设计，具有耗材少、轻盈的优点。

附图说明

图1为本实用新型蜂窝结构立体图；

图2为本实用新型蜂窝结构俯视图；

图3为本实用新型蜂窝结构侧视图；

图4为本实用新型蜂窝结构的气动肌肉立体图；

图5为本实用新型蜂窝结构的气动肌肉俯视图（左）和仰视图（右）；

图6为本实用新型实施例一和实施例二的整体结构立体图；

图7为本实用新型实施例一和实施例二的整体俯视图；

图8为本实用新型实施例一和实施例二的整体侧视图；

图9为本实用新型专利实施例一和实施例二上的蜂窝结构充气点布局示意图；

其中：1、拱形支撑气囊，2、头部蜂窝结构区，3、上肢蜂窝结构区，4、大腿蜂窝结构区，5、小腿蜂窝结构区，6、头部蜂窝结构区气动肌肉充气口，7、上肢蜂窝结构区气动肌肉充气口，8、大腿蜂窝结构区气动肌肉充气口，9、小腿蜂窝结构区气动肌肉充气口，10、体位调整蜂窝结构气动肌肉充气口，11、蜂窝结构，12、气动肌肉，13、密封口，14、编织纤维层，15、橡胶筒，16、进气口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1、图2、图3所示，一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，包括：蜂窝结构11；所述蜂窝结构11为可压缩的三维立体零泊松比结构，由六面四角星形蜂窝单体镂空结构两两正交拓扑而成；竖直方向上在所述蜂窝结构11的上底边到下底边嵌有八根气动肌肉12，分别在上底面四边每边均匀嵌有一根气动肌肉12连接至下底面四边对应位置，四角各嵌有一根气动肌肉12。

请参阅图4、图5，具体地，所述气动肌肉12采用Mckibben型气动肌肉纤维，为筒状编织结构；所述气动肌肉12的主体为橡胶筒15，所述橡胶筒15的上端设有密封口13，所述橡胶筒15的外层设置有大刚度双螺旋线编织的编织纤维层14，所述橡胶筒15的下端设有进气口16。气动肌肉12采用Mckibben型气动肌肉纤维，具有既可以产生足够的力, 同时又能保持一定的柔顺性，更加适应使用者的形体，提升使用者的舒适性。气动肌肉12的非均匀激活能够使蜂窝结构11产生多种弯曲运动，气动肌肉12通过外界对其内部的橡胶筒15充进气体进行工作。当对气动肌肉12内部的橡胶筒15输送压缩空气后，橡胶筒15内的橡胶软管开始径向膨胀变形，驱使大刚度的编织网编织角增大从而限制橡胶筒15径向膨胀，气动肌肉12组成的纤维网传力引起橡胶管轴向收缩，拉动两端负载，此时编织套的纤维丝产生张力，此张力与弹性橡胶筒内部压力达到平衡。当已充气的气动肌肉12放气时，橡胶管内部气压减小，橡胶的弹性力带动气动肌肉12恢复原位。蜂巢结构设计，耗材少，具有极强的抗压性能以及抗拉伸性能。预设的微电脑端可根据变形方案发出控制气动肌肉12纤维的充气以及吸气量，使其达到预设的体位改变效果。

具体地，所述蜂窝结构11的六面上的四角星形蜂窝结构具有完全的几何形状中心对称性。蜂窝结构11具有极强的抗压性能以及抗拉性能；两两拓扑结构形成的结构，能保持在连续改变还能保持空间体积不变的特性。

具体地，所述蜂窝结构11的高度为10mm。10mm的边长适合在多种场景下作为填充物使用，较小的体积单元，可以组成更多的形状和满足形变需求。

具体地，所述蜂窝结构11的进气口连接控制进气或排气量预设的微电脑控制端。通过微电脑控制端可以控制蜂窝结构11的单体主动进行形变更加贴合人体，提升人体的舒适性。

请参阅图6、图7、图8、图9，本实用新型提供的实施例一：可主动变形的柔性蜂窝结构的充气式气垫：

可主动变形的柔性蜂窝结构的充气式气垫主要用于日常生活使用，提升使用人员的舒适性。包括：拱形支撑气囊1、头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5、头部蜂窝结构区气动肌肉充气口6、上肢蜂窝结构区气动肌肉充气口7、大腿蜂窝结构区气动肌肉充气口8、小腿蜂窝结构区气动肌肉充气口9；所述拱形支撑气囊1的下方自人体头部至人体脚部依次设有头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5；在头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5下方依次设有头部蜂窝结构区气动肌肉充气口6、上肢蜂窝结构区气动肌肉充气口7、大腿蜂窝结构区气动肌肉充气口8、小腿蜂窝结构区气动肌肉充气口9。拱形支撑气囊1内部为镂空拱形密闭结构。

头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5，每个蜂窝区域均为独立设计制作，内部设有单独的蜂窝结构12及其内嵌的气动肌肉12。

蜂窝结构11为可压缩的三维立体零泊松比结构，在自上底边到下底边嵌有八根气动肌肉12，分别在每边均匀嵌有一根气动肌肉12，四角各嵌有一根气动肌肉12。

气动肌肉12采用Mckibben型气动肌肉纤维，为筒状编织结构；所述气动肌肉12的主体为橡胶筒15，所述橡胶筒15的上端设有密封口13，所述橡胶筒的外层设置有大刚度双螺旋线编织的编织纤维层14，所述橡胶筒15的下端设有进气口16。采用Mckibben型气动肌肉12，具有既可以产生足够的力, 同时又能保持一定的柔顺性，更加适应使用者的形体，提升使用者的舒适性。气动肌肉12通过外界对其内部的橡胶筒15充进气体进行工作。当对内部橡胶筒15输送压缩空气后，橡胶筒15内部的橡胶软管开始径向膨胀变形，驱使大刚度的编织网编织角增大从而限制橡胶筒径向膨胀，纤维网传力引起橡胶管轴向收缩，拉动两端负载，此时编织套的纤维丝产生张力，此张力与弹性橡胶筒内部压力达到平衡。当已充气的气动肌肉12放气时，橡胶管内部气压减小，橡胶的弹性力带动气动肌肉12恢复原位。编制网套的编织角度直接影响气动肌肉12整体的压缩位移。

所述头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5内部分别由N个单体的蜂窝结构组成，M个蜂窝结构为一组连接为一个整体结构，M≤N，每组内的单体蜂窝结构11顺应连接；N为头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5内对应的单体蜂窝结构数量，M为对应蜂窝区域内组成一个整体结构的单体蜂窝结构数量，M和N至少为1；所述蜂窝结构11组成头部蜂窝结构区、上肢蜂窝结构区、大腿蜂窝结构区、小腿蜂窝结构区时两两正交拓扑而成，周期排列，形成完整的三维片层结构，每个单体蜂窝结构11至少包括上下底面四边边界的边框结构。由高弹性模量材料热塑性聚氨酯弹性体橡胶TPU制成的内部蜂窝结构11及内部弹性能力较强的橡胶筒15和包覆在其外部的大刚度双螺旋线的编织纤维层14组成主要结构的八根气动肌肉12纤维结构。

单体蜂窝结构11三维立体零泊松比结构嵌有八根气动肌肉12，所有单体蜂窝结构11的八根气动肌肉12纤维与气泵相接，通过预先精准设计度数与充气量的智能对照，电脑端根据变形方案发出控制电磁阀开关的指令，将压缩气体通入气动肌肉12，压力传感器显示气压的大小，调节压力值作为稳定输出的气压，激励气动肌肉12进行轴向收缩变形，传力给上下面的边框，边框带动周围以及上下两面面内蜂窝发生位移变形，宏观表现为蜂窝结构11的主动角度变形。

蜂窝结构11区域四个子部分中，每部分均由八根气动肌肉12穿过预留孔洞，并将其固定在蜂窝边框上成为一个结构整体。通过头部体位调整头部蜂窝结构区气动肌肉充气口6、上肢蜂窝结构区气动肌肉充气口7、大腿蜂窝结构区气动肌肉充气口8、小腿蜂窝结构区气动肌肉充气口9，由体位调整蜂窝结构气动肌肉充气口10可对头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5的气动肌肉12进行充气。压缩气体可激励气动肌肉12，从而使得与其固定的蜂窝结构发生主动变形。

微电脑端根据变形方案发出控制电磁阀开关的指令，气动肌肉12充入压缩气体，气压传感器显示此时气泵输出的气压大小，通过压力调节至合适的气压值作为稳定输出的气压，激励气动肌肉12轴向收缩变形。其中，各蜂窝区域均由八根独立气动肌肉12控制，气动肌肉12的非均匀激活能够使蜂窝模型产生多种弯曲运动。通过控制充气量，可实现任意角度的弯曲变形，并可对弯折角度进行预测，可实现多种组合变形方案。

气动肌肉12通过外界对其橡胶筒进行充气，使橡胶软管径向膨胀变形，驱动外部的编织网、编织角增大限制其膨胀，纤维网传力引起橡胶管轴向收缩，拉动两端负载，此时编织套的纤维丝产生张力，此张力与弹性橡胶筒内部压力达到平衡。当气动肌肉12放气时，橡胶管内部气压减小，橡胶的弹性力带动气动人工肌肉恢复原位。

请参阅图6、图7、图8、图9，本实用新型提供的实施例二：可主动变形的柔性蜂窝结构的转运垫：

本实用新型蜂窝结构11采用新型四角星形零泊松比蜂窝结构，可在三个主轴方向变形并呈现零泊松比效应，在实现面内低刚度变形同时增加了面外承载力和剪切刚度。该蜂窝结构，内部由六面四角星蜂窝两两正交拓扑而成，结构空间内三个维度方向实现了力学各向同性。

本实用新型蜂窝结构将气动肌肉12纤维作为驱动构件嵌入具有零泊松比效应蜂窝结构，该三维的蜂窝结构12能主动变形，适用于体位改变的实际运用，经过改良与完善后，特别适用于医疗场景中患者转运垫的设计。

蜂窝结构12孔隙多，相对密度较小，是一种轻质材料。四角星形零泊松比蜂窝结构表现出更低的密度和较低的面内弹性模量，同时具备更好的面内拉伸变形能力。该结构同时具有较弱的面内剪切变形能力，气动肌肉12纤维为McKibben型气动肌肉纤维，其具有输出效率高、重量轻、结构形式简单；具有一定的柔性，不会损坏物件等优良特点。

与实施例一相同之处不再赘述，实施例二中将实施例一中的橡胶软管更换为医用乳胶管，更加贴合医用的严格卫生要求，在可主动变形的柔性蜂窝结构转运垫中，单个蜂窝结构之间进行刚性连接，确保转运垫整体结构稳固。

使用时将伤患人体平放于转运垫结构上，通过气体充入、气体维持、气体释放三个阶段对患者以特定体位进行转运。

气体充入：先将人平稳放置于转运垫上，由人操纵微电脑，通过微电脑向电磁阀发出命令，控制气泵向各部分蜂窝区域充气口10输入压缩气体。气体激励头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5内部蜂窝结构11的气动肌肉12通过非均匀激活产生弯曲变性，可进行精细弯折角度调整。通过人体各区域高低不同、弯曲程度不同，从而起到调整体位、适应体位的功能。同时，拱形支撑气囊1受到下层头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5形变影响而发生形变，对人体体位进行调整。

气体维持：微电脑控制端可通过内置信息模型推算充气量，待气体充入符合实际使用要求后，其向电磁阀发出控制指令以停止气泵充入压缩气体。气泵随后密闭蜂窝结构11中气动肌肉12的进气口16，以防气体泄漏。受到下层头部蜂窝结构区2、上肢蜂窝结构区3、大腿蜂窝结构区4、小腿蜂窝结构区5形变影响而发生形变，对人体体位进行调整。

气体释放：蜂窝结构区域使用完毕后，由操作人员通过微电脑经电磁阀向气泵发送放气指令。气泵经气动肌肉（12）的进气口16缓慢向外周环境释放蜂窝区域内压缩气体。蜂窝结构11及其上的拱形支撑气囊1恢复原状，易于折叠收纳，以备下次使用。

综上所述，本实用新型提供一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，将气动肌肉作为驱动构件嵌入具有零泊松比效应蜂窝结构，该三维结构能主动变形，适用于体位改变的实际运用，可用于医疗场景中患者转运垫的设计，通过充气主动形变，提供了贴合人体，提高舒适度的多种体位蜂窝结构的变形能力，可用于不同条件下要求体位的转运；具有了自适应能力；单体蜂窝结构为可压缩的三维立体零泊松比结构，具有良好的各向同性，具备较高的面外刚度、面内柔度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性。可在空间上任意方向弯曲不改变其因在空间中改变形状造成空间体积改变，并且其四角星形蜂巢镂空的设计，具有耗材少、轻盈的优点。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，其特征在于：包括：蜂窝结构（11）；所述蜂窝结构（11）为可压缩的三维立体零泊松比结构，由六面四角星形蜂窝单体镂空结构两两正交拓扑而成的正方体；所述蜂窝结构（11）在竖直方向上的上底边至下底边嵌有八根气动肌肉（12），分别在上底面四边每边均匀嵌有一根气动肌肉（12）连接至下底面四边对应位置，四角各嵌有一根气动肌肉（12）。

2.根据权利要求1所述的一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，其特征在于：所述气动肌肉（12）采用Mckibben型气动肌肉纤维，为筒状编织结构；所述气动肌肉（12）的主体为橡胶筒（15），所述橡胶筒的上端设有密封口，所述橡胶筒的外层设置有大刚度双螺旋线编织的编织纤维层（14），所述橡胶筒的下端设有进气口（16）。

3.根据权利要求1所述的一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，其特征在于：所述蜂窝结构（11）的六面上的四角星形蜂窝结构具有完全的几何形状中心对称性。

4.根据权利要求1所述的一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，其特征在于：所述蜂窝结构（11）的高度为10mm。

5.根据权利要求1所述的一种可主动变形的四角星形蜂巢结构体位改变装置，其特征在于：所述蜂窝结构（11）的进气口连接控制进气或排气量预设的微电脑控制端。

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