專利名稱：柔順恒力支撐機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于柔順機構領域，涉及一種柔順恒力支撐機構，具有結構簡單、制造方便、造價低、使用可靠等特點，可用于很多需要恒定力支撐的場合，比如醫(yī)療、家電、交通、建筑、冶金等領域的機械產(chǎn)品中。
背景技術：
恒力機構在一個較大的運動輸入范圍內(nèi)其輸出端產(chǎn)生的反力是基本不變的。當前的恒力機構一般都是剛性恒力機構，如CN101652594 A，CN 101545562 A等，都是通過改變線彈性彈簧或蝶形彈簧作用的矩來實現(xiàn)恒力，或通過組合線彈性彈簧亦或蝶形彈簧于不同方位上，當輸出端按指定方向運動時，一個(或一部分)彈簧變形增大，同時另一個(或另一部分)彈簧的變形減小，使得相互補償后輸出端產(chǎn)生的總體反力基本保持恒定。受機構的復雜性及重量的限制，當前的恒力機構大多用于吊架與支架等工程領域，而在生活領域很少應用，比如用于下肢受傷病人的醫(yī)療器械均為剛性機構，CN 2128879Y，CN 2885222Y 等，均未考慮柔順恒力機構的應用，且使用時只能躺著或坐著，大大降低了便利性、舒適性及康復活動的主動性；又如常見的電腦顯示器支座或大型電子顯示屏大都是用剛性機構支撐，使其無法得到在某些場合所需的上下移動，降低了實用性，而有可移動性的支座CN 101178944A，結構復雜，大大降低了支座的簡易性及經(jīng)濟性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、造價低廉、穩(wěn)定性好的柔順恒力支撐機構，該機構可以在一定的位移范圍內(nèi)實現(xiàn)恒定力輸出來支撐其他物體，如用于康復器械支撐下肢受傷病人的上身重量、用于顯示器的支撐座等。本發(fā)明所采用的技術方案是柔順恒力支撐機構，其特征是它將柔性桿、剛性桿按順序與導向塊固結形成組合桿，所述的柔性桿包括第一柔性桿、第二柔性桿、第三柔性桿、第四柔性桿；剛性桿包括第一剛性桿和第二剛性桿；第一柔性桿、第二柔性桿跨接在第一剛性桿的兩端構成第一柔性單元；第三柔性桿、第四柔性桿跨接在第二剛性桿的兩端構成第二柔性單元；第一柔性單元和第二柔性單元串接。所述的組合桿一端固結于框架、另一端固結于滑塊，其中各桿軸線與導軌長度方向的中心線平行，滑塊在導軌中運動；外力F使滑塊在導軌中運動時，組合桿產(chǎn)生一個大小恒定的支撐反力，實現(xiàn)位移段內(nèi)對物體的恒定支撐。所述的框架和導軌是固定和限制組合桿運動的結構體，框架和導軌或連接為一體，形成上下結構；或上下分開獨立固定。所述的組合桿輸出恒力大小與柔性桿的截面形狀和長度以及有剛性桿的長度有關，截面大，輸出恒力大；截面小，輸出恒力小；長度長，輸出恒力小；長度短，輸出恒力大。所述的第一柔性單元和第二柔性單元之間可以直接串接或通過導向塊串接。所述的柔性桿的長度是指柔性桿的兩端固結點之間發(fā)生彎曲變形段的長度；剛性桿的長度是指機構中不發(fā)生柔性變形段的長度。所述的柔性桿在機構運動過程中發(fā)生彎曲變形，剛性桿在機構運動過程中無彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。所述的組合桿以單組連接在導軌與框架之間，或多組并聯(lián)連接在導軌與框架之間，多組組合桿共用一個導向塊，使柔性桿和剛性桿在不受外力時平行。所述的組合桿兩端固結連接點上，接點一端或兩端受平行于組合桿軸線方向的外力F后，使組合桿產(chǎn)生一個大小恒定的支撐反力，作用在兩端固結的連接點上或?qū)崿F(xiàn)對其中一個連接點的恒定支撐。本發(fā)明的有益效果是成功地實現(xiàn)了柔順恒力支撐機構。其特征是滑塊在導軌中滑動，滑塊的一端連接組合桿，組合桿由柔性桿和剛性桿按一定長度和順序與導向塊組合而成，另一端固結在框架上，當外力施加于滑塊上，使滑塊向框架的方向運動時，組合桿提供一個恒定的支撐反力，實現(xiàn)了柔順恒力支撐機構在一定的位移范圍內(nèi)輸出恒定力來支撐其他物體，且機構運動時將外力做的功儲存在柔性部件中，當有形變的柔性件恢復原形時會將儲存的能量全部釋放，能量損失極小。改變組合桿中柔性桿和剛性桿的長度或柔性桿的截面時，可改變支撐力的大小以適用于各種需求。由于這種柔順恒力支撐機構結構簡單、制造容易、攜帶便利，可以用于需要恒力輸出的場合與領域，比如不同身高及體重的下肢受傷病人在康復過程中對上體支撐的實現(xiàn)、 對電腦顯示器可移動支撐的實現(xiàn)、用作機器人腿部來支撐上體的實現(xiàn)，以及健身器材中恒定力的實現(xiàn)、醫(yī)療外科手術過程中肢體輔助支撐的實現(xiàn)、在機械加工過程中恒定夾持力的實現(xiàn)、檢測或測量時恒定接觸力的實現(xiàn)、工程中吊架或支撐架的實現(xiàn)等。


下面結合實施例附圖對本發(fā)明做進一步說明 圖1是柔順恒力支撐機構的結構示意圖2是圖1所示的柔順恒力支撐機構工作示意圖； 圖3是圖1所示的柔順恒力支撐機構并聯(lián)使用示意圖； 圖4是圖1所示的柔順恒力支撐機構中組合桿的示意圖5是圖1所示的柔順恒力支撐機構用于支撐下肢受傷病人上體重量時的機構示意
圖6是圖5所示的柔順恒力支撐機構中腰部連接塊的示意圖； 圖7是圖5所示的柔順恒力支撐機構中底座的示意圖； 圖8是圖5所示的柔順恒力支撐機構用于人體時的正面示意圖； 圖9是圖5所示的柔順恒力支撐機構用于人體時的側(cè)面示意圖； 圖10是圖5所示的柔順恒力支撐機構用于人體時的側(cè)面下蹲示意圖； 圖11是圖1所示的柔順恒力支撐機構用于支撐機器人上體的示意圖； 圖12是圖11所示的柔順恒力支撐機構用于支撐機器人的工作狀態(tài)示意圖； 圖13是圖1所示的柔順恒力支撐機構用于支撐顯示器的示意圖； 圖14是圖13所示的柔順恒力支撐機構用于支撐顯示器的工作狀態(tài)示意圖。圖中1、框架；2、組合桿；3、滑塊；4、導軌；5、腰部連接塊；6、綁帶；7、緊固螺釘；8、綁帶穿槽；9、底座；10、機器人；11、顯示器；211、第一柔性桿；212、第二柔性桿；213、第三柔性桿；214、第四柔性桿；221、第一剛性桿；222、第二剛性桿；23、導向塊；91、直角連接件；92、底板。
具體實施例方式如圖1所示，柔順恒力支撐機構，它將柔性桿21(第一柔性桿211、第二柔性桿212、 第三柔性桿213、第四柔性桿214總稱為柔性桿21)、剛性桿22(第一剛性桿221和第二剛性桿222總稱為剛性桿22)按一定的長度和順序與導向塊23固結形成組合桿2，組合桿2 — 端固結于框架1、另一端固結于滑塊3，其中各桿軸線與導軌長度方向的中心線平行，滑塊3 在導軌4中運動。如圖2所示，平行于導軌4中心線的外力施加于滑塊3上，使所述的柔性桿21發(fā)生彎曲變形，組合桿2產(chǎn)生支撐反力，滑塊在導軌中運動的過程中，外力F與支撐反力平衡且大小基本保持恒定。滑塊3受力運動時，外力F做的功以彈性勢能的形式線性的存儲于組合桿2中；滑塊反向運動時，組合桿2中的彈性勢能線性地減小，當柔性恒力支撐機構恢復到初始形狀時，組合桿2中存貯的能量全部釋放，即組合桿2在運動過程中不消耗能量。如圖2所示，組合桿2以單組連接在導軌4與框架1之間。如圖3所示，組合桿2以兩組并聯(lián)，或組合桿2以多組并聯(lián)連接在導軌4與框架1 之間，多組組合桿2共用一個導向塊23，使柔性桿21和剛性桿22在不受外力時平行。組合桿2輸出恒力大小與柔性桿21的截面形狀和長度以及有剛性桿22的長度有關，截面大，輸出恒力大；截面小，輸出恒力小；長度長，輸出恒力小；長度短，輸出恒力大。本發(fā)明可在多方便應用，下面就不同的實施示例進行說明 實施例1
柔順恒力支撐機構可以用于康復器械中支撐人體的上體重量，例如下肢受傷病人在康復活動中使用康復器械來支撐上體重量，以利于病人做站立、行走及下蹲等主動性的康復活動。在康復器械中采用柔性恒力支撐機構，康復器械包括底座9，腰部連接塊5，綁帶6， 組合桿2中。底座9包括直角連接件91和底板92，通過直角連接件91連接組合桿2的一端，底板92作為連接點，底座9提供總支撐，作用相同于原恒力機構中的框架；腰部連接塊 5用綁帶6固定于人體腰部，相當于柔順恒力支撐機構中的滑塊3 ；刪除導向塊23是為了使支撐機構結構簡單、重量輕；增加綁帶是為了限制支撐機構中剛性機構22與人體腿部的相對運動。即可用于下肢受傷病人的恒力支撐機構是將由柔性桿21和剛性桿22按一定的長度和順序固結形成的組合桿2通過緊固螺釘7固結于底座8與腰部連接塊5之間形成。 當腰部連接塊5隨腰部一起運動，并受到通過綁帶施加的上體重力作用時，組合桿2彎曲變形，支撐機構產(chǎn)生基本恒定的反作用力即恒定支撐力，實現(xiàn)對上體的支撐來減小施加于受傷下肢上的重量。通過改變組合桿2中柔性桿21與剛性桿22的長度及柔性桿21的抗彎截面模量，可以改變康復器械的總體長度和恒定支撐力，使其適用于不同身高及不同體重的傷員。實施例1A:對身高1.85 m、體重80 Kg的下肢受傷病人，在康復過程的第一康復階段，可使用的康復器械組合桿尺寸為柔性桿21的長度是0. 03 m,剛性桿22的長度為0. 45m，柔性桿21的截面是0. 03mX0. 0017m，此柔順恒力支撐機構可以提供40X9. 8 N的恒定支撐力，此支撐力可以支撐大部分的上身重量，從而有效地減小了施加于受傷下肢的重量；在康復過程的第二康復階段，可使用的康復器械組合桿尺寸為柔性桿21的長度是0.03 m, 剛性桿22的長度為0. 45 m,柔性桿21的截面是0. 03mX0. 0014 m,此柔順恒力支撐機構可以提供20X9. 8 N的恒定支撐力，可支撐小部分的上身重量使有傷下肢在康復后期承受更大的上身重量來進行有效地受力康復活動。實施例IB 對身高1. 3 m、體重35 Kg的下肢受傷病人，在康復過程的第一康復階段，可使用的柔順恒力支撐機構的尺寸為柔性桿21的長度是0.03 m，剛性桿22的長度為 0.3 m，柔性桿21的截面是0. 03mX0. 0012 m，此柔順恒力支撐機構可以提供20X9. 8 N的恒定支撐力，此支撐力可以支撐大部分的上身重量，從而有效地減小了施加于有傷下肢的重量；在康復過程的第二康復階段，可使用的柔順恒力支撐機構的尺寸為柔性桿21的長度是0.03 m，剛性桿22的長度為0.3 m，柔性桿21的截面是0. 03mX 0. 0009 m，此柔順恒力支撐機構可以提供10 X 9. 8 N的恒定支撐力，支撐了小部分的上身重量，使受傷下肢在康復后期承受更大的上身重量來有效地進行主動性的受力康復活動。實施例1的工作狀態(tài)可結合圖5、圖6、圖7、圖8、圖9和圖10—起說明。在實施例1中，如圖5所示，第一柔性桿211與第二柔性桿212、第三柔性桿213和第四柔性桿214等長度，第一剛性桿221與第二剛性桿222等長度，當按需求改變?nèi)嵝詶U21 和剛性桿22的長度、柔性桿21的截面，便可得到總體長度不同、恒定支撐力大小不同的柔順恒力支撐機構。用綁帶7通過綁帶穿槽8將腰部連接塊5綁在腰部并使之隨腰部一起運動，人體重力作用在恒力支撐機構的腰部連接塊5上，腿部和腳部三條綁帶可以都綁緊(如只有膝關節(jié)處有傷時)，也可以按需求綁緊其中兩個(如踝關節(jié)處有傷時可以去掉腳部綁帶)，此三條綁帶對機構中剛性桿22與人體腿部的相對運動稍做限制(因為剛性桿22和人體基本不發(fā)生相對運動)；當恒力支撐機構的腰部連接塊5有豎直向下的位移時，柔性桿21 發(fā)生彎曲變形并儲存彈性勢能，彎曲變形時的彎曲形狀與腿部在關節(jié)處(髖關節(jié)、膝關節(jié)、 踝關節(jié))的彎曲形狀基本相同(即剛性桿22與人體腿部基本無相對運動)，恒力支撐機構提供一個大小基本恒定、方向向上的支撐力，此恒定支撐力支撐了大部分的上身重量，剩下的小部分由下肢支撐(或機構按需求支撐了全部的人體重量)；即當病人在站立、行走(如圖9) 和下蹲(如圖10)時，此恒力支撐機構提供的支撐力恒定，受傷下肢所承受的作用力較小且亦保持恒定(或下肢不支撐人體重量)，這使得站立、行走和下蹲等主動性康復活動便于進行，進一步促進了身體機能的較快恢復。實施例2 柔順恒力支撐機構用于機器人上身支撐，如圖11。類同于人體，對于雙足(或多足)步行機器人，在站立及行走過程中，雙腿需要支撐機器人上身的恒定重量，因此所述的柔順恒力支撐機構亦可用于雙足步行機器人，且此柔順恒力支撐機構在變形的過程中存儲彈性勢能，在恢復變形時完全釋放彈性勢能，使得支撐機構在支撐過程中無能量損耗，可減少結構中總的能量輸入；其次，當支撐機構用作機器人的支撐時，恒力機構支撐了機器人上體重量，使得驅(qū)動關節(jié)的運動時不需要額外的輸入來消除重力的影響，減少了驅(qū)動下肢時的能量輸入。在本實施例中，將柔順恒力支撐機構的滑塊3去掉，將組合桿2中的柔性桿211連接滑塊的一端直接固結在機器人所需的支撐部位(上身的支撐點)，柔性桿 214鏈接框架的一端固結在作用相當于框架1的底板上，當機器人上身重量施加于此恒力支撐機構上時，其支撐反力基本恒定，同樣的可以按所需恒定支撐力的大小和尺寸要求得到相應的恒力支撐機構。實施例2的工作狀態(tài)可結合圖11和圖12 —起說明。在實施例2中，如圖11所示，第一柔性桿211與第二柔性桿212、第三柔性桿213 和第四柔性桿214等長度，第一剛性桿221與第二剛性桿222等長度，當按需求改變?nèi)嵝詶U 21和剛性桿22的長度、柔性桿21的截面時，便可得到總體長度不同、恒定支撐力大小不同的可用于支撐機器人上身的柔順恒力支撐機構。組合桿2中的第一柔性桿211連接滑塊的一端直接固結在機器人所需的支撐部位上時，機器人上身重量便施加于組合桿2上，組合桿2中的柔性桿21發(fā)生彎曲變形，如圖12所示，支撐機構提供一個大小恒定的支撐反力，實現(xiàn)了對機器人上體的支撐；當機器人行走或下蹲時，組合桿2的柔性桿21發(fā)生更大變形并線性地存儲彈性勢能，提供的支撐反力基本保持恒定且平衡了上體的重量，此時驅(qū)動各關節(jié)的運動時便不需要額外的輸入來平衡上體的重量，大大的減少了機器人的總能量輸入，當組合桿2中的柔性桿21恢復變形時，支撐機構釋放儲存的全部勢能，即在整個工作過程中支撐機構基本不消耗能量，這樣實現(xiàn)了機器人上體的支撐與總能量輸入減少的良好效^ ο實施例3 顯示器的支撐架，如圖13所示。如同實施例2，去掉柔順恒力支撐機構的滑塊3，只用柔順恒力支撐機構的主要工作部分即組合桿2及框架1，將組合桿的一端與顯示器固結，另一端與框架1固結，此時機構所提供的支撐力基本保持恒定。當柔順恒力支撐機構的恒定支撐力與顯示器11的重量相同時，顯示器11可以在不受外力的條件下實現(xiàn)上下移動(或者在一個很小外力或摩擦力作用下)，即實現(xiàn)顯示器11在豎直方向上的隨遇平衡，這樣顯示器11可以被拉到所需求的高度且在不受外力的狀態(tài)下實現(xiàn)穩(wěn)定停留。按需求改變組合桿2中柔性桿21和剛性桿22的長度和柔性桿21的截面，便可得到可適用于不同重量顯示器、總體長度不同的恒力支撐架。實施例3的工作狀態(tài)可結合圖13和圖14 一起說明。在實施例3中，如圖13所示，第一柔性桿211與第二柔性桿212、第三柔性桿213 和第四柔性桿214等長度，第一剛性桿221與第二剛性桿222等長度，組合桿2固結于顯示器11與框架1間時，顯示器11的重力作用于組合桿上2上，組合桿2中的柔性桿21發(fā)生彎曲變形，恒力支撐機構線性的儲存彈性勢能，如圖14所示，柔順恒力支撐機構提供一個大小基本恒定的支撐反力，當按需求選擇組合桿2中柔性桿21、剛性桿22的長度和柔性桿 21的截面，使柔順恒力支撐機構的恒定支撐力與顯示器11的重量相同時，顯示器11可以在不受外力的條件下實現(xiàn)上下移動，即顯示器11可以被拉到所需求的高度且穩(wěn)定停留，在整個工作過程中，顯示器11的重力勢能與柔性桿21中存儲的彈性勢能相互轉(zhuǎn)化且其和基本保持恒定，即顯示器11在上下移動過程中不需要額外的能量輸入。以上的實施例中，實施例1中的柔性桿21的材料為價格較為實惠的鋼(4140Q & TO400)，也可以選用鈦(Ti-13熱處理)、碳纖維等其他塑性更好的材料；剛性桿22的材料為普通鋼。實施例2和3中的材料可以按需求選取，其要求是柔性桿21的抗彎截面模量比剛性桿22的抗彎截面模量小許多，使得在變形過程中柔性桿21體現(xiàn)發(fā)生彎曲變形體現(xiàn)其柔性、且保證在變形中不會失效、剛性桿22在運動中不發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。本發(fā)明中，圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12和圖13中沒有給出標號，但是可以對照其他示意圖清楚地說明所表達的意思。
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權利要求
1.柔順恒力支撐機構，其特征是它將柔性桿、剛性桿按順序與導向塊固結形成組合桿，所述的柔性桿包括第一柔性桿、第二柔性桿、第三柔性桿、第四柔性桿；剛性桿包括第一剛性桿和第二剛性桿；第一柔性桿、第二柔性桿跨接在第一剛性桿的兩端構成第一柔性單元；第三柔性桿、第四柔性桿跨接在第二剛性桿的兩端構成第二柔性單元；第一柔性單元和第二柔性單元串接。
2.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的組合桿一端固結于框架、另一端固結于滑塊，其中各桿軸線與導軌長度方向的中心線平行，滑塊在導軌中運動； 外力F使滑塊在導軌中運動時，組合桿產(chǎn)生一個大小恒定的支撐反力，實現(xiàn)位移段內(nèi)對物體的恒定支撐。
3.根據(jù)權利要求2所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的框架和導軌是固定和限制組合桿運動的結構體，框架和導軌或連接為一體，形成上下結構；或上下分開獨立固定。
4.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的組合桿輸出恒力大小與柔性桿的截面形狀和長度以及有剛性桿的長度有關，截面大，輸出恒力大；截面小，輸出恒力小；長度長，輸出恒力小；長度短，輸出恒力大。
5.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的第一柔性單元和第二柔性單元之間可以直接串接或通過導向塊串接。
6.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的柔性桿的長度是指柔性桿的兩端固結點之間發(fā)生彎曲變形段的長度；剛性桿的長度是指機構中不發(fā)生柔性變形段的長度。
7.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的柔性桿在機構運動過程中發(fā)生彎曲變形，剛性桿在機構運動過程中無彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。
8.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的組合桿以單組連接在導軌與框架之間，或多組并聯(lián)連接在導軌與框架之間，多組組合桿共用一個導向塊，使柔性桿和剛性桿在不受外力時平行。
9.根據(jù)權利要求1所述的柔順恒力支撐機構，其特征是所述的組合桿兩端固結連接點上，接點一端或兩端受平行于組合桿軸線方向的外力F后，使組合桿產(chǎn)生一個大小恒定的支撐反力，作用在兩端固結的連接點上或?qū)崿F(xiàn)對其中一個連接點的恒定支撐。
全文摘要
本發(fā)明屬于柔順機構領域，涉及一種恒力機構，特別是一種可用于下肢有傷病人的柔順恒力支撐機構，它將柔性桿、剛性桿按順序與導向塊固結形成組合桿，組合桿一端固結于框架、另一端固結于滑塊，其中各桿軸線與導軌長度方向的中心線平行，滑塊在導軌中運動；外力F使滑塊在導軌中運動時，組合桿產(chǎn)生一個大小恒定的支撐反力，實現(xiàn)位移段內(nèi)對物體的恒定支撐。該柔順恒力支撐機構具有零件數(shù)目少、結構簡單、造價低廉、使用可靠、攜帶方便等特點，可用于下肢有傷病人在康復期間支撐上體重量，做些諸如站立、行走和下蹲等主動性的康復活動，同樣也可用在家電、交通、建筑、冶金等其他領域中需要恒力的機械產(chǎn)品中。
文檔編號F16M11/20GK102537610SQ201210002700
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者張守銀, 李庚 , 陳貴敏 申請人:西安電子科技大學