一种弯曲刚度可变的龙骨结构

1.本发明涉及医疗器械用龙骨结构，具体是一种弯曲刚度可变的龙骨结构。


背景技术：

2.现有的变刚度技术多是通过材料性能改进、电流变技术、磁流变技术等方式来实现的。其中，变刚度的材料有形状记忆合金与压电陶瓷。
3.然而实践表明，现有的变刚度技术应用于矫姿带时存在以下问题：一是形状记忆合金是通过相变来实现刚度改变，用于矫姿带时存在刚度变化不连续、响应速度慢的问题；二是压电陶瓷是通过压电效应来实现刚度的连续改变，但存在刚度变化范围小、难以适应曲面结构的问题；三是电流变技术是利用电流变液的流变性质在电场中可发生快速、可逆的相变，进而实现刚度的调节，磁流变技术是利用磁流变液的流动性随磁场变化而变化的原理，实现刚度的调节，而电流变液、磁流变液均存在沉降性与再分散性较差的问题，因而限制了电流变技术、磁流变技术在矫姿带的应用。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有变刚度技术应用于矫姿带时响应速度慢、刚度变化范围小、适用性差的问题，提供了一种弯曲刚度可变的龙骨结构。
5.本发明是采用如下技术方案实现的：一种弯曲刚度可变的龙骨结构，包括平行设置且固定连接的第i龙骨与第ii龙骨；第ii龙骨的上部穿有n根与其间隙配合的销钉，n为大于等于2的正整数；每根销钉的顶端部均活动穿于第i龙骨，第i龙骨的顶部设置有n个防止销钉顶出的上限位机构、底部设置有n个防止销钉脱离的下限位机构；每根销钉的旁侧均设置有驱动销钉上下移动的响应驱动机构。
6.进一步地，所述响应驱动机构包括机座固定穿于第i龙骨的步进电机和与步进电机电连接的微控制器；步进电机的输出轴上固定连接有位于第i龙骨下侧的竖向的螺杆，螺杆上套设有与其螺纹连接的内螺纹套筒，内螺纹套筒的外侧壁与销钉的侧壁固定连接。
7.进一步地，所述上限位机构为设置于销钉上方且下部旋拧于第i龙骨顶部的端盖。
8.进一步地，所述下限位机构包括环形挡板，环形挡板的中部通孔的直径大于销钉中部的直径，且所述中部通孔的直径小于销钉头部的直径；环形挡板通过若干个沿周向等距离分布的螺钉固定连接于第i龙骨的底面。
9.进一步地，第i龙骨的底面固定连接有若干个开口朝向销钉且位于螺杆外侧的u形板，u形板的内底壁设置有与其固定贴合且与螺杆底端部相接触的垫片。
10.进一步地，步进电机与微控制器通过步进电机驱动器电连接；内螺纹套筒的外侧壁与销钉的侧壁通过连接杆固定连接。
11.进一步地，第ii龙骨的上表面开设有n个凹槽，凹槽的上部呈上宽下窄的倒锥状、中下部呈圆柱状，销钉的底端部呈倒锥状，凹槽的中下部与销钉的直线段间隙配合。
12.进一步地，第i龙骨与第ii龙骨通过位于端部的若干根支撑杆固定连接。
13.通过上述技术方案，本发明的有益效果为：（1）本发明通过响应驱动机构带动销钉上下移动，由此控制销钉在第ii龙骨的插入与解离及插入时销钉的插接深度，插接深度的调节能够调节销钉晃动的幅度，实现变弯曲刚度的功能。
14.（2）本发明中响应驱动机构的结构设计，通过微控制器接收外部负载发出的电信号（比如应用于矫姿带时，采集到的人体肌电信号），并根据该电信号实时发出脉冲信号与方向信号以控制步进电机以特定的方向转动一定角度，带动螺杆转动一定角度，螺杆转动带动内螺纹套筒沿螺杆上下移动，将螺杆的角位移转化为内螺纹的线位移，进而带动销钉上下移动，实现调节销钉在第ii龙骨的插接深度的目的，实现变弯曲刚度的功能。
15.（3）本发明可应用于矫姿带的龙骨部分，当佩戴者姿势不良或进行大幅度活动时，响应驱动机构能够接收肌电信号的变化，由微控制器实时发送信号至步进电机驱动器，步进电机驱动器接收信号并控制步进电机产生相应动作，调整结构，通过控制销钉的插入与解离及插入时销钉的插接深度，实现变弯曲刚度的目的，既实现了自动控制，同时增加了佩戴者的灵活性。
16.（4）本发明通过插接深度的调节方式，直接响应，响应速度快，同时该作用方式弯曲刚度变化范围较压变陶瓷等的弯曲刚度变化范围大，增加了本龙骨结构应用于矫姿带时的适用性能。
17.（5）本发明同时可适用于其他需要变弯曲刚度的结构上，尤其可应用于医疗器械领域的变弯曲刚度结构件。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图；图2是图1中第i龙骨、第ii龙骨及销钉的布置的立体示意图；图3是图2的平面示意图；图4是图1中响应驱动机构的结构示意图；图5是本发明销钉插入程度与弯曲刚度的变化曲线图。
19.图中，1-第i龙骨，2-第ii龙骨，3-销钉，4-步进电机，5-微控制器，6-螺杆，7-内螺纹套筒，8-端盖，9-环形挡板，10-螺钉，11
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u形板，12-垫片，13-步进电机驱动器，14-连接杆，15-凹槽，16-支撑杆。
具体实施方式
20.一种弯曲刚度可变的龙骨结构，如附图1、附图2、附图3所示；包括平行设置且固定连接的第i龙骨1与第ii龙骨2；第ii龙骨2的上部穿有两根与其间隙配合的销钉3，每根销钉3的顶端部均活动穿于第i龙骨1的通孔内（每个销钉对应一个通孔，通孔内径大于销钉头部外径），第i龙骨1的每个通孔顶部设置有两个防止销钉3顶出的上限位机构、通孔底部设置有两个防止销钉3脱离的下限位机构；每根销钉3的旁侧均设置有驱动销钉3上下移动的响应驱动机构。
21.本发明通过响应驱动机构带动销钉3上下移动，由此控制销钉3在第ii龙骨2的插入与解离及插入时销钉3的插接深度，因为销钉3与第ii龙骨2为间隙配合，所以销钉3在间
隙内存在晃动量，插接深度的调节能够调节销钉3晃动的幅度，一是实现了变弯曲刚度的功能；二是通过插接深度的调节方式，直接响应，响应速度快，同时该作用方式弯曲刚度变化范围较压变陶瓷的弯曲刚度变化范围大，增加了本龙骨结构应用于矫姿带时的适用性能。其中，上限位机构、下限位机构能够对销钉3上部的位置进行限定，在保证销钉3上部与第i龙骨1活动连接的基础上，防止销钉3上下移动过程中脱离第i龙骨1。
22.使用时，第i龙骨1与第ii龙骨2的间距为固定值，且第i龙骨1与第ii龙骨2均是由半柔性材料制成的，当矫姿带的佩戴者姿势不良或进行大幅度活动时，响应驱动机构接收肌电信号，并根据肌电信号带动销钉3在第i龙骨1与第ii龙骨2之间上下移动，进而控制销钉3在第ii龙骨2的插入与解离及插入时销钉3的插接深度，销钉3插入时，随着销钉3在第ii龙骨2的插接深度的减小，销钉3的晃动幅度逐渐增大，由此实现瞬间改变弯曲刚度的目的。本发明克服了现有变刚度技术应用于矫姿带时响应速度慢、刚度变化范围小、适用性差的问题。
23.如附图1、附图4所示；所述响应驱动机构包括机座固定穿于第i龙骨1的步进电机4和与步进电机4电连接的微控制器5；步进电机4的输出轴上固定连接有位于第i龙骨1下侧的竖向的螺杆6，螺杆6上套设有与其螺纹连接的内螺纹套筒7，内螺纹套筒7的外侧壁与销钉3的侧壁固定连接。
24.使用时，肌电信号由肌电传感器或肌电采集系统进行收集，微控制器5接收肌电信号，并根据肌电信号实时发出脉冲信号与方向信号以控制步进电机4以特定的方向转动一定角度，带动螺杆6转动一定角度，螺杆6转动带动内螺纹套筒7沿螺杆6上下移动，将螺杆6的角位移转化为内螺纹套筒7的线位移，进而带动销钉3上下移动，实现调节销钉3在第ii龙骨2的插接深度目的，实现变弯曲刚度的功能。
25.如附图1、附图2、附图3所示；所述上限位机构为设置于销钉3上方且下部旋拧于第i龙骨1顶部的端盖8。
26.该结构设计具有连接可靠、安拆操作便捷的优点，降低了本龙骨结构的组装难度。
27.如附图1、附图3所示；所述下限位机构包括环形挡板9，环形挡板9的中部通孔的直径大于销钉3中部的直径，且所述中部通孔的直径小于销钉3头部的直径；环形挡板9通过若干个沿周向等距离分布的螺钉10固定连接于第i龙骨1的底面。
28.该结构设计实现了下限位机构的可拆卸连接，且连接牢固，进一步降低了本龙骨结构的组装难度，增加了本发明的结构可靠性。
29.如附图1、附图4所示；第i龙骨1的底面固定连接有若干个开口朝向销钉3且位于螺杆6外侧的u形板11，u形板11的内底壁设置有与其固定贴合且与螺杆6底端部相接触的垫片12。
30.u形板11与垫片12的组合结构设计为螺杆6提供了转动支撑作用，增加了螺杆6转动时的稳定性。
31.如附图1、附图4所示；步进电机4与微控制器5通过步进电机驱动器13电连接；内螺纹套筒7的外侧壁与销钉3的侧壁通过连接杆14固定连接。
32.步进电机驱动器13的结构设计增加了响应驱动机构信号传输的稳定性与准确性，进一步提高了本发明使用时信号传输的可靠性。
33.如附图1、附图3所示；第ii龙骨2的上表面开设有两个凹槽15，凹槽15的上部呈上
宽下窄的倒锥状、中下部呈圆柱状，销钉3的底端部呈倒锥状，凹槽15的中下部与销钉3的直线段间隙配合。
34.该结构设计使得销钉3脱离凹槽15时方便定位、方便入槽，进一步提高了本发明使用时的便捷性。
35.如附图1所示；第i龙骨1与第ii龙骨2通过位于端部的若干根支撑杆16固定连接。
36.该结构设计能够使得第i龙骨1与第ii龙骨2的间距值为定值，进一步增加了本发明的结构可靠性。
37.本发明在使用过程中，销钉3插入程度与弯曲刚度的变化曲线图如附图5所示。可在矫姿带佩戴者的腹部及背部放置肌电传感器采集肌电信号，当矫姿带佩戴者姿势端正时，肌电信号平稳，不触发电机工作，两根销钉3与第ii龙骨2呈解离状态，即销钉3呈未插入第ii龙骨2的状态。当矫姿带佩戴者姿势不良，有驼背趋势或体态前倾时，微控制器5实时接收肌电传感器发出的逐渐增强的腹部肌电信号，并控制步进电机4正向动作，驱动销钉3向下移动，直至插入凹槽15内，具体移动速度由微控制器内编写的程序决定，可以根据使用者的身体特征预先进行设定，如多大的肌电信号对应多大的移动速度，然后通过相应的程序实时运算并实时输出移动速度；随着销钉3在凹槽15内的插接深度的增加，销钉3的晃动幅度逐渐减小，本龙骨结构的弯曲刚度逐渐增加，矫姿带产生一定的矫治力，开始发挥矫姿的作用；当销钉3完全插入凹槽15内时，弯曲刚度呈最大值；此时，矫姿带佩戴者受到矫治力的牵制，开始改变不良姿势，当矫姿带佩戴者进行主动的大幅度活动，如弯腰捡东西、运动时，微控制器5实时接收肌电信号传感器发出的稳定后不再改变的腹部肌电信号和持续增强的背部肌电信号，控制步进电机4反向动作，驱动销钉3向上移动，销钉3与第ii龙骨2开始解离，销钉3在凹槽15内的插接深度逐渐减小；随着销钉3在凹槽15内的插接深度的减小，销钉3的晃动幅度逐渐增加，本龙骨结构的弯曲刚度逐渐减小，矫姿带产生的矫治力开始减弱，直至销钉3与第ii龙骨2完全解离，由此完成一次矫姿动作。
38.当销钉3与第ii龙骨2呈完全解离状态时，本发明的弯曲刚度为第i龙骨1与第ii龙骨2的抗弯刚度之和，即（其中w为第i龙骨1、第ii龙骨2的宽度，t为第i龙骨1、第ii龙骨2的厚度，e为弹性模量）；当销钉3与第ii龙骨2呈完全插入状态时，第i龙骨1与第ii龙骨2视为整体，刚度为，其中，δ为第i龙骨1与第ii龙骨2的间距；当δ=2t时，抗弯刚度可扩大28倍，抗弯刚度大幅度增大。值得注意的是，销钉3在第ii龙骨2的插接深度存在一临界值l，当销钉3在第ii龙骨2的插接深度大于该临界值l时，弯曲刚度不再随销钉3的插接深度的增加而增加。因此，本发明中凹槽的深度是大于该临界值l的。
39.具体实施过程中，第i龙骨1、第ii龙骨2均是由半柔性材料制成的；所述半柔性材料根据使用者的需求差异，可以为纤维条、记忆合金铝材料、记忆合金钢材料、钛合金、碳纤维等具有刚度相容性的一种或几种不同材料的复合材料。
40.所述端盖8的顶部一体设置有贴合于第i龙骨1上表面的限位板；所述u形板11通过螺钉i与第i龙骨1固定连接；使用中本发明的响应驱动机构可通过电磁铁、介电弹性体逆变电效应的方式来实现；所述支撑杆16为远端支撑杆。
41.本结构还可与压力传感器等其他电子装置配合，适用于其它工程、力学、建筑、材料领域。如载重汽车底盘负载受力的调节，工程力学中用于对材料进行负载测试时的配套实验装置等等。在负载发生改变时，通过结构的解离来改变弯曲刚度，以更好地应用于实践生产过程中。
42.以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理及工艺条件所做的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。