基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置的制作方法

本发明涉及临床医学研究的实验器械技术领域，特别是涉及一种基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置。

背景技术：

目前，对于腰部运动的模拟机构形式主要有：1)以单自由度模拟腰部的俯仰运动；2)多自由度以串联的连接形式模拟腰部多方向运动。然而，目前的模拟机构均具有以下不足：

一、安全性不足，目前的关节驱动大多是刚性传动，存在一些安全隐患，当受到外界冲击碰撞等情况，不仅会对人产生伤害，对机构自身也可能会导致损坏，不具有安全柔顺性；

二、采用多自由度串联驱动的方式可以实现期望的运动和工作空间，但串接形式增加了传动链的高度，提高了整个机构的重心，增加了电机载荷，对机构稳定性有一定的影响；

三、串联机构的误差是两个自由度关节误差的积累，最终将导致机构的误差放大，可控性差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置，以解决现有技术存在的问题，以模拟腰部的全方位运动，并使其具有一定的安全柔顺性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置，包括躯干、单自由度柔性旋转关节和柔性差分驱动腰椎运动模拟机构，所述躯干与所述单自由度柔性旋转关节的关节套连接，所述单自由度柔性旋转关节的输出连接件与所述柔性差分驱动腰椎运动模拟机构的输出连杆连接；所述输出连接件能够相对于所述关节套转动，所述输出连杆能够相对于彼此垂直的两条水平轴线转动。

进一步地，所述单自由度柔性旋转关节包括外壳、所述关节套和所述输出连接件，所述关节套和所述输出连接件均套设在所述外壳上，所述关节套与所述输出连接件之间设有轴承，所述外壳与所述输出连接件之间设有轴承；所述外壳内部设有第一关节电机、第一谐波减速器和第一弹性单元，所述第一关节电机的第一电机轴与所述第一谐波减速器的波发生器连接，所述第一谐波减速器的柔轮与所述第一弹性单元的运动输入件连接，所述第一弹性单元的十字轮辐输出件通过旋转传动轴与所述输出连接件连接。

进一步地，所述柔性差分驱动腰椎运动模拟机构包括底座、驱动关节、第二弹性单元、差分驱动锥齿轮系和输出连杆，所述驱动关节为两个，分别设置在所述底座的两个支撑板上，所述差分驱动锥齿轮系设置在两个所述支撑板之间，所述差分驱动锥齿轮系的两个主动锥齿轮分别通过锥齿轮输入轴与所述第二弹性单元的十字轮辐输出件连接，所述第二弹性单元的运动输入件连接有传动轴，所述传动轴通过键连接有从动齿轮，所述关节输出轴通过键连接有主动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；所述输出连杆与所述差分驱动锥齿轮系的被动锥齿轮传动连接，两个所述主动锥齿轮均与所述被动锥齿轮啮合。

进一步地，所述驱动关节包括第二关节电机和第二谐波减速器，所述第二关节电机的第二电机轴与所述第二谐波减速器的波发生器连接，所述第二谐波减速器的柔轮与所述关节输出轴连接。

进一步地，所述第一弹性单元和所述第二弹性单元均包括所述运动输入件、扇形连接块、直线压缩弹簧和所述十字轮辐输出件，所述扇形连接块为四个均布于所述运动输入件的内部上，所述扇形连接块的两侧通过所述直线压缩弹簧与所述十字轮辐输出件连接；所述扇形连接块和所述十字轮辐输出件上均设有弹簧导向柱。

进一步地，所述第一电机轴为空心轴，所述第一谐波减速器的第一角位移测量轴贯穿所述第一电机轴，所述第一角位移测量轴的两端分别设有一第一光电码盘，所述第一光电码盘分别用于测量所述第一弹性单元的弹性变形量和所述第一谐波减速器的角位移量；所述第二关节电机的第二电机轴为空心轴，所述第二谐波减速器的第二角位移测量轴贯穿所述第二电机轴，所述第二角位移测量轴的末端设有一第二光电码盘，所述第二光电码盘用于测量所述第二谐波减速器的角位移；所述第二弹性单元的所述十字轮辐输出件的一侧还设有一第三光电码盘，所述第三光电码盘用于测量所述第二弹性单元的弹性变形量；所述躯干上设有控制器，所述第一电机、所述第二电机、所述第一光电码盘、所述第二光电码盘和所述第三光电码盘均与所述控制器电连接。

进一步地，所述第二弹性单元的所述运动输入件通过交叉滚子轴承与所述支撑板连接，所述交叉滚子轴承的内外圈分别卡接在与所述支撑板连接的挡圈内；所述第二弹性单元的所述运动输入件通过轴承与所述主动锥齿轮连接，所述锥齿轮输入轴与所述主动锥齿轮通过键连接，所述主动锥齿轮的端面抵在所述锥齿轮输入轴的轴肩一侧，所述轴肩的另一侧通过推力球轴承与所述第二弹性单元的所述运动输入件连接，所述锥齿轮输入轴的端部与所述第二弹性单元的所述十字轮辐输出件连接。

进一步地，所述被动锥齿轮套设在支撑轴的一端，所述支撑轴的另一端通过双列深沟球轴承连接有辅助锥齿轮，两个所述主动锥齿轮均与所述辅助锥齿轮啮合，所述辅助锥齿轮能够相对于所述支撑轴自由转动，所述支撑轴的两侧连接有传动法兰，所述输出连杆的两端分别与所述传动法兰连接，所述被动锥齿轮与所述传动法兰传动连接。

进一步地，还包括基座，所述基座包括高度调整连杆、固定支座和配重块，所述高度调整连杆的上端与所述底座连接，所述高度调整连杆的下端穿设在所述固定支座内部并能够在所述固定支座内上下滑动，所述高度调整连杆通过螺栓与所述固定支座连接，所述固定支座设置在所述配重块上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置具有三个自由度，作为腰部的全方向运动模拟，能够实现俯仰、偏摆、旋转及其任意耦合的运动输出，能够实现部分半球工作空间内任意方向的全方位运动。所采用的差分驱动锥齿轮系俯仰和偏摆运动的轴线相交于一点，降低了传动链的高度，降低装置的工作重心，提高了整个装置的稳定性。通过在单自由度柔性旋转关节中集成第一弹性单元，以及在驱动关节和差分驱动锥齿轮系之间引入第二弹性单元，利用弹性单元的缓冲作用，使机构具有了一定的安全柔顺性。基座具有高度可调接的功能，可以获得不同高度的坐位，为研究不同高度坐位的腰部运动提供了技术支持。本发明可以模拟人类在接受坐位腰椎旋转手法时与人体腰部相仿的力学特性，从而为操作手法不熟练人员提供一个逼真的培训、实践与考核的平台。本发明具有结构紧凑小巧、仿人友好性好以及使受用者更容易接受的优点。

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为本发明基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置的整体结构示意图；

图2为本发明柔性差分驱动腰椎运动模拟机构的立体结构示意图；

图3为本发明柔性差分驱动腰椎运动模拟机构的局部立体结构示意图；

图4为本发明驱动关节的剖视结构示意图；

图5为本发明第一弹性单元和第二弹性单元的立体结构示意图；

图6为本发明差分驱动锥齿轮系的剖视结构示意图；

图7为本发明基座的立体结构示意图；

图8为本发明单自由度柔性旋转关节的剖视结构示意图；

图9为本发明单自由度柔性旋转关节的局部立体结构示意图；

其中：1-躯干，2-控制器，3-柔性差分驱动腰椎运动模拟机构，31-底座，311-支撑板，32-驱动关节，320-主动齿轮，321-第二关节电机，322-第二谐波减速器，323-第二电机轴，324-波发生器，325-柔轮，326-关节输出轴，327-第二角位移测量轴，328-第二光电码盘，33-第二弹性单元，330-从动齿轮，331-运动输入件，332-扇形连接块，333-直线压缩弹簧，334-十字轮辐输出件，335-第三光电码盘，336-传动轴，337-交叉滚子轴承，34-差分驱动锥齿轮系，341-主动锥齿轮，342-锥齿轮输入轴，343-被动锥齿轮，344-支撑轴，345-辅助锥齿轮，346-传动法兰，35-输出连杆，4-基座，41-高度调整连杆，42-固定支座，43-配重块，5-单自由度柔性旋转关节，51-外壳，52-关节套，53-输出连接件，54-第一关节电机，55-第一谐波减速器，56-第一弹性单元，57-第一电机轴，58-旋转传动轴，59-第一光电码盘。

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。

本发明的目的是提供一种基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置，以解决现有技术存在的问题，以模拟腰部的全方位运动，并使其具有一定的安全柔顺性。

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。

如图1-9所示：本实施例提供了一种基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置，包括躯干1、单自由度柔性旋转关节5和柔性差分驱动腰椎运动模拟机构3，躯干1与单自由度柔性旋转关节5的关节套52连接，单自由度柔性旋转关节5的输出连接件53与柔性差分驱动腰椎运动模拟机构3的输出连杆35连接；输出连接件53能够相对于关节套52转动，输出连杆35能够相对于彼此垂直的两条水平轴线转动。

如图8-9所示，单自由度柔性旋转关节5包括外壳51、关节套52和输出连接件53，关节套52和输出连接件53均套设在外壳51上，关节套52与输出连接件53之间均设有轴承，外壳51与输出连接件53之间均设有轴承；外壳51内部设有第一关节电机54、第一谐波减速器55和第一弹性单元56，第一关节电机54的第一电机轴57与第一谐波减速器55的波发生器324连接，第一谐波减速器55的柔轮325与第一弹性单元56的运动输入件331连接，第一弹性单元56的十字轮辐输出件334通过旋转传动轴58与输出连接件53连接。使关节套52在第一关节电机54的驱动下可相对于输出连接件53转动。

如图2-3所示，柔性差分驱动腰椎运动模拟机构3包括底座31、驱动关节32、第二弹性单元33、差分驱动锥齿轮系34和输出连杆35，驱动关节32为两个，分别设置在底座31的两个支撑板311上，差分驱动锥齿轮系34设置在两个支撑板311之间，差分驱动锥齿轮系34的两个主动锥齿轮341分别通过锥齿轮输入轴342与第二弹性单元33的十字轮辐输出件334连接，第二弹性单元33的运动输入件331连接有传动轴336，传动轴336通过键连接有从动齿轮330，关节输出轴326通过键连接有主动齿轮320，主动齿轮320与从动齿轮330啮合；输出连杆35与差分驱动锥齿轮系34的被动锥齿轮343传动连接，两个主动锥齿轮341均与被动锥齿轮343啮合。

如图4所示，驱动关节32包括第二关节电机321和第二谐波减速器322，第二关节电机321的第二电机轴323与第二谐波减速器322的波发生器324连接，第二谐波减速器322的柔轮325与关节输出轴326连接。

如图5所示，第一弹性单元56和第二弹性单元33均包括运动输入件331、扇形连接块332、直线压缩弹簧333和十字轮辐输出件334，扇形连接块332为四个均布于运动输入件331的内部上，扇形连接块332的两侧通过直线压缩弹簧333与十字轮辐输出件334连接，扇形连接块332与运动输入件331之间还可设置锥销，以增加可承受的最大传递转矩；扇形连接块332和十字轮辐输出件334上均设有弹簧导向柱。运动输入件331旋转可通过直线压缩弹簧333驱动十字轮辐输出件334转动，且对外界冲击力和驱动力矩具有一定的柔性缓冲作用。

如图1、图2和图4所示，第一电机轴57为空心轴，第一谐波减速器55的第一角位移测量轴贯穿第一电机轴57，第一角位移测量轴的两端分别设有一第一光电码盘59，第一光电码盘59分别用于测量第一弹性单元56的弹性变形量和第一谐波减速器55的角位移量，并将第一弹性单元56的弹性变形量和第一谐波减速器55的角位移量信息反馈给控制器2，作为控制器2的位置和力矩的反馈信息；第二关节电机321的第二电机轴323为空心轴，第二谐波减速器322的第二角位移测量轴327贯穿第二电机轴323，第二角位移测量轴327的末端设有一第二光电码盘328，第二光电码盘328用于测量第二谐波减速器322的角位移，并将第二谐波减速器322的角位移信息反馈给控制器2，作为控制器2的位置反馈信息；第二弹性单元33的十字轮辐输出件334的一侧还设有一第三光电码盘335，第三光电码盘335用于测量第二弹性单元33的弹性变形量，并将第二弹性单元33的弹性变形量信息反馈给控制器2，作为控制器2的力矩的反馈信息。躯干1上设有控制器2，第一关节电机54、第二关节电机321、第一光电码盘59、第二光电码盘328和第三光电码盘335均与控制器2电连接。控制器2能够控制柔性差分驱动腰椎运动模拟机构3的驱动关节32中的第二关节电机321的转向、转矩和转速，以使支撑轴344能够以其轴线及主动锥齿轮341的轴线为中心旋转，进而带动输出连杆35模拟输出腰部的俯仰、偏摆及二者的耦合运动；控制器2还能够控制单自由度柔性旋转关节5的第一关节电机54的转向、转矩和转速，使关节套52能够相对于输出连接件53以其轴线为中心旋转，模拟输出腰部的旋转运动；因此，本装置具有三个自由度，能够模拟输出腰部的俯仰、偏摆、旋转及其任意耦合的运动，可实现腰部运动的全方位模拟。

如图6所示，第二弹性单元33的运动输入件331通过交叉滚子轴承337与所述支撑板311连接，交叉滚子轴承337的内外圈分别卡接在与支撑板311连接的挡圈内，以限定第二弹性单元33相对于支撑板311的轴向自由度；第二弹性单元33的运动输入件331通过轴承与主动锥齿轮341连接，使第二弹性单元33的运动输入件331可相对于支撑板311和主动锥齿轮341旋转。锥齿轮输入轴342与主动锥齿轮341通过键连接，主动锥齿轮341的端面抵在锥齿轮输入轴342的轴肩一侧，轴肩的另一侧通过推力球轴承与第二弹性单元33的运动输入件331连接，锥齿轮输入轴342的端部与第二弹性单元33的十字轮辐输出件334连接，第二弹性单元33的十字轮辐输出件334的中心为内六角形通孔，与锥齿轮输入轴342端部的六角形面配合以传递动力，同时通过紧固件进行轴向固定，以限定主动锥齿轮341的轴向自由度。

被动锥齿轮343套设在支撑轴344的一端，支撑轴344的另一端通过双列深沟球轴承连接有辅助锥齿轮345，两个主动锥齿轮341均与辅助锥齿轮345啮合，辅助锥齿轮345能够相对于支撑轴344自由转动，由于在差速驱动过程中，被动锥齿轮343和辅助锥齿轮345具有不同向和不同速的相对运动，辅助锥齿轮345主要起平衡支撑的作用。支撑轴344的两侧连接有传动法兰346，输出连杆35的两端分别与传动法兰346连接，被动锥齿轮343和设置在与其同侧的传动法兰346传动连接，辅助锥齿轮345和设置在与其同侧的传动法兰346不传动连接。

如图7所示，基于柔性差分驱动的坐位腰椎手法培训用机械模拟装置还包括基座4，基座4包括高度调整连杆41、固定支座42和配重块43，高度调整连杆41的上端与底座31连接，高度调整连杆41的下端穿设在固定支座42内部并能够在固定支座42内上下滑动，高度调整连杆41通过螺栓与固定支座42连接，以实现对整个装置的高度调整，用以更好的模拟不同高度坐位的腰部运动，固定支座42设置在配重块43上。以防止在模拟运动的过程中整个装置移动和倾斜，在装置不需移动的情况下，也可不设置配重块43，将固定支座42直接通过地脚螺栓固定在地面上，以确保基座4组件的稳定性。

本实施例的传动过程为：第二关节电机321旋转，第二电机轴323通过第二谐波减速器322带动主动齿轮320旋转，主动齿轮320驱动从动齿轮330旋转，从动齿轮330带动传动轴336旋转，传动轴336带动第二弹性单元33的运动输入件331旋转，第二弹性单元33的运动输入件331通过第二弹性单元33的直线压缩弹簧333驱动第二弹性单元33的十字轮辐输出件334旋转，第二弹性单元33的十字轮辐输出件334带动锥齿轮输入轴342旋转，锥齿轮输入轴342带动主动锥齿轮341旋转，主动锥齿轮341驱动被动锥齿轮343以被动锥齿轮343和/或主动锥齿轮341的旋转轴线以为中心旋转，被动锥齿轮343带动与其同侧的传动法兰346旋转，传动法兰346带动输出连杆35模拟腰部的俯仰和/或偏摆运动；输出连杆35运动带动单自由度柔性旋转关节5的输出连接件53运动，第一关节电机54的第一电机轴57旋转通过第一谐波减速器55驱动输出连接件53相对于外壳51转动，由于输出连接件53与输出连杆35连接，外壳51就会相对于输出连接件53旋转，外壳51带动关节套52旋转，模拟腰部的旋转运动。躯干1与关节套52连接，即可实现部分半球工作空间内任意方向的全方位运动。

本说明书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。