CN108818457B - 一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，包括旋转底座，空间三维偏移机构和工作面二维移动机构。旋转底座包括底座外壳、蜗杆、齿轮、滚动轴承、齿轮轮轴以及旋转轴承座；空间三维偏移机构包括圆盘、螺杆、支撑机构、气动人工肌肉以及万向节；工作面二维移动机构包括工作台、滑块以及定位销；本发明专利可以同时实现工作台整体转动、工作台整体空间三维移动、工作面的二维移动以及工作台面积扩张等功效，同时采用气动人工肌肉作为动力控制装置，所利用的气动人工肌肉占比重小，节省空间，空间自由度高，气动过程噪音小，具有多自由度同时作用且可控性强的优点，符合未来智能生物化的工作家居模式。
Description
技术领域
本发明属于空间多自由度领域，具体涉及一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台。
背景技术
气动人工肌肉是近年来在国内外引起广泛关注的一种新型橡胶驱动器，其工作原理将气动人工肌肉与负载相连，将产生轴向收缩力，从而控制二维乃至三维的移动。由于气动人工肌肉具有结构简单、体积小巧、输出力/自重比大、运动无爬行以及安全柔顺等优点，在机器人、工业自动化和医疗康复器械等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对上述背景技术，提供一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，以气动人工肌肉作为动力源，采用人体仿真学肌肉的拉伸原理并配合力学结构，形成一个可以实现整体转动、工作台整体空间三维偏移、工作台面的二维移动、工作台面积扩张的多自由度工作台。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，所述工作台由下至上依次设有旋转底座、空间三维偏移机构和工作面二维移动机构；
所述旋转底座包括底座外壳、蜗杆、齿轮、滚动轴承、齿轮轮轴以及旋转轴承座，蜗杆两端与底座外壳固定连接，蜗杆中部通过螺纹与齿轮连接，齿轮通过滚动轴承装配在竖直放置的齿轮轮轴上，齿轮轮轴末端为旋转轴承座，所述旋转轴承座设置于底座外壳上并位于所述齿轮的下方，齿轮上表面还设有多个槽孔；工作台旋转装置由蜗杆连接齿轮构成，并且通过螺纹契合和螺杆连接保证了整个装置的传动作用，蜗杆由电机控制，并且由于装置蜗杆齿轮的可替换性，可以调节传动比来调节旋转速率；
所述空间三维偏移机构包括圆盘、螺杆、支撑机构、气动人工肌肉以及万向节，所述圆盘与齿轮通过螺纹连接，圆盘上设有与齿轮表面相对应的槽孔，圆盘下表面通过在槽孔处设置的螺杆与齿轮连接，圆盘上还设有多个气动人工肌肉，圆盘上表面通过在槽孔处设置气动人工肌肉连接于所述支撑机构，所述气动人工肌肉与圆盘以及支撑机构的连接处设有万向节；
工作面二维移动机构包括工作台、滑块以及定位销，所述工作台位于顶端，内部设置多个具有斜度的交叉滑道，所述滑块固定连接于支撑机构上，滑块与交叉滑道相匹配且可在交叉滑道中滑动，定位销位于支撑机构内部，所述定位销的一端与气动人工肌肉相连，另一端固定连接于工作台中部。
本发明更进一步改进的方案是，所述齿轮的齿数为40，蜗杆头数为4。
本发明更进一步改进的方案是，所述圆盘与齿轮的螺纹连接是指：齿轮上表面凸起部分设有外螺纹，所述圆盘下方设有内螺纹，所述外螺纹与内螺纹相匹配。
本发明更进一步改进的方案是，所述齿轮上表面设有四个槽孔，均匀设置于所述齿轮表面四周；所述圆盘相对于齿轮槽孔的位置对应设置四个槽孔，所述槽孔沿圆盘表面均匀分布。通过螺杆连接所述圆盘，确保旋转传动功效。
本发明更进一步改进的方案是，所述气动人工肌肉设有五个，分别为第一气动人工肌肉、第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉和第五气动人工肌肉；第一气动人工肌肉位于圆盘中间，另一端通过支撑机构中部与定位销连接，第一气动人工肌肉收缩时，所述定位销位于支撑机构内部；所述第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉和第五气动人工肌肉通过万向节均匀设于圆盘的四个槽孔处，另一端与支撑机构的下表面连接。
本发明更进一步改进的方案是，所述第二气动人工肌肉、第三气动人工肌肉、第四气动人工肌肉和第五气动人工肌肉呈60°放置。
本发明更进一步改进的方案是，所述支撑机构采用中空结构，所述支撑机构的面积与工作台面积相同。
本发明更进一步改进的方案是，所述滑块设有四个，分别为第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块；所述工作台内部对应设置有四条交叉滑道，分别为第一交叉滑道、第二交叉滑道、第三交叉滑道和第四交叉滑道；所述滑块在交叉滑道中滑动时，所述工作台做二维平面移动。
本发明更进一步改进的方案是，所述四个滑块为梯形滑块，呈倒梯形放置，所述梯形滑块与所述支撑机构形成整体；所述交叉滑道的斜度为75°-105°。所述的滑块呈梯形倒置，确保上层工作台不能从上方取出。
本发明更进一步改进的方案是，所述定位销的厚度与所述滑块一致，定位销横截面的宽度大于所述交叉滑道的宽度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，通过设置旋转底座、空间三维偏移机构和工作面二维移动机构等，同时实现了工作台整体转动、工作台整体空间三维移动、工作面的二维移动以及工作台面积扩张等功效，采用气动人工肌肉作为动力控制装置，所利用的气动人工肌肉占比重小，节省空间，空间自由度高，气动过程噪音小，具有多自由度同时作用且可控性强的优点，符合未来智能生物化的工作家居模式。
附图说明
图1为本发明机构整体示意图。
图2为本发明结构左视图。
图3为本发明空间三维偏移机构受力时偏移示意图。
图4为本发明圆盘俯视图。
图5为本发明工作台与支撑机构连接处的局部放大图。
图6为本发明旋转底座放大图。
图中序号，1-底座外壳、2-蜗杆、3-齿轮、4-滚动轴承、5-齿轮轮轴、6-旋转轴承座、7-圆盘、8-螺杆、9-支撑机构、10-第一气动人工肌肉、11-定位销、12-工作台、13-第一滑块、14-第二滑块，15-第三滑块台，16-第四滑块，17-第一交叉滑道，18-第二交叉滑道，19-第三交叉滑道，20-第四交叉滑道，21-第二气动人工肌肉，22-第三气动人工肌肉，23-第四气动人工肌肉，24-第五气动人工肌肉，25-万向节。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
参阅图1-6，本发明的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，所述工作台由下至上依次设有旋转底座、空间三维偏移机构和工作面二维移动机构；
所述旋转底座包括底座外壳1、蜗杆2、齿轮3、滚动轴承4、齿轮轮轴5以及旋转轴承座6，蜗杆2两端与底座外壳1固定连接，蜗杆2中部通过螺纹与齿轮3连接，齿轮3通过滚动轴承4装配在竖直放置的齿轮轮轴5上，齿轮轮轴5末端为旋转轴承座6，所述旋转轴承座6设置于底座外壳1上并位于所述齿轮3的下方，齿轮3上表面还设有多个槽孔；
所述空间三维偏移机构包括圆盘7、螺杆8、支撑机构9、气动人工肌肉以及万向节25，所述圆盘7与齿轮3通过螺纹连接，圆盘7上设有与齿轮3表面相对应的槽孔，圆盘7下表面通过在槽孔处设置的螺杆8与齿轮3连接，圆盘7上还设有多个气动人工肌肉，圆盘7上表面通过在槽孔处设置气动人工肌肉连接于所述支撑机构9，所述气动人工肌肉与圆盘7以及支撑机构9的连接处设有万向节25；
工作面二维移动机构包括工作台12、滑块以及定位销11，所述工作台12位于顶端，内部设置多个具有斜度的交叉滑道，所述滑块固定连接于支撑机构9上，滑块与交叉滑道相匹配且可在交叉滑道中滑动，定位销11位于支撑机构9内部，所述定位销11的一端与气动人工肌肉相连，第一气动人工肌肉10收缩时，所述定位销11位于支撑机构9内部，伸展第一气动人工肌肉10，使定位销11向上作用一个力阻碍工作台12移动，定位销11起固定连接作用，确保整个工作台12与支撑机构9是一个整体不能滑动。
本实施例中，所述齿轮3的齿数为40，蜗杆头数为4。
本实施例中，所述圆盘7与齿轮3的螺纹连接是指：齿轮3上表面凸起部分设有外螺纹，所述圆盘7下方设有内螺纹，所述外螺纹与内螺纹相匹配。
本实施例中，所述齿轮3上表面设有四个槽孔，均匀设置于所述齿轮3表面四周；所述圆盘7相对于齿轮3槽孔的位置对应设置四个槽孔，所述槽孔沿圆盘7表面均匀分布。
本实施例中，所述气动人工肌肉设有五个，分别为第一气动人工肌肉10、第二气动人工肌肉21、第三气动人工肌肉22、第四气动人工肌肉23和第五气动人工肌肉24；第一气动人工肌肉10位于圆盘7中间，另一端通过支撑机构9中部与定位销11连接，第一气动人工肌肉10收缩时，所述定位销11位于支撑机构9内部；所述第二气动人工肌肉21、第三气动人工肌肉22、第四气动人工肌肉23和第五气动人工肌肉24通过万向节25均匀设于圆盘7的四个槽孔处，另一端与支撑机构9的下表面连接。
本实施例中，所述第二气动人工肌肉21、第三气动人工肌肉22、第四气动人工肌肉23和第五气动人工肌肉24呈60°放置。
本实施例中，所述支撑机构9采用中空结构，所述支撑机构9的面积与工作台12面积相同。
本实施例中，所述滑块设有四个，分别为第一滑块13、第二滑块14、第三滑块15和第四滑块16；所述工作台12内部对应设置有四条交叉滑道，分别为第一交叉滑道17、第二交叉滑道18、第三交叉滑道19和第四交叉滑道20；所述滑块在交叉滑道中滑动时，所述工作台12做二维平面移动。
本实施例中，所述四个滑块为梯形滑块，呈倒梯形放置，所述梯形滑块与所述支撑机构9形成整体；所述交叉滑道的斜度为75°-105°。
本实施例中，所述定位销11的厚度与所述滑块一致，定位销11横截面的宽度大于所述交叉滑道的宽度。
具体工作过程如下：
参见图6，旋转底座由蜗杆2连接齿轮3构成，选择40齿数的齿轮3和4头数的蜗杆2，将蜗杆2与电机连接，在齿轮3下安装旋转轴承座6，并通过相匹配的滚动轴承4与竖直放置的齿轮轮轴5连接，齿轮3上表面中间凸起部分含有外螺纹与圆盘7下方的内螺纹相连，齿轮3四周均匀开有四个槽孔通过四根螺杆8与圆盘7相连，通过螺纹契合和螺杆连接保证了整个装置的传动作用。该工作台在进行旋转时能同时兼顾其他两种平台运作方式。
参见图3，齿轮3上方为空间三维偏移机构，圆盘7四周开有均匀的槽孔并安装有万向节25，通过万向节25连接第二气动人工肌肉21、第三气动人工肌肉22、第四气动人工肌肉23和第五气动人工肌肉24，第一气动人工肌肉10位于圆盘7正中，另一端连接位于支撑机构9内部的定位销11；当工作台12受力工作时，需要调整空间倾斜角度，可以使其中一根或多根气动人工肌肉拉伸，使空间平面向一侧倾斜，同时可以控制旋转底座进行旋转，带动整个倾斜平面旋转，也可以控制所有的气动人工肌肉一致运动，来调节整个装置的高低。工作台12能根据人的需求进行空间调节。该工作台在进行空间三维运动时能同时兼顾其他两种平台运作方式。
参见图5，为工作面二维移动机构，支撑机构9上固定有第一滑块13、第二滑块14、第三滑块15和第四滑块16，所述四个滑块与定位销11形成一个整体，支撑机构为中空结构，滑块呈倒梯形放置，工作台12内部设有第一交叉滑道17、第二交叉滑道18、第三交叉滑道19和第四交叉滑道20与四个滑块相匹配；工作台12工作时，定位销11起固定连接作用，确保整个工作台12是一个整体不能滑动，当需要工作台12做二维平面移动时，收缩第一气动人工肌肉10使定位销11与工作台12分离，然后操控滑块在交叉滑道中滑动，设置滑道斜度为75°，使工作台12在移动时不会脱离支撑机构9，所述滑道采用敲击的方式进行安装；当移动结束后向上伸展第一气动人工肌肉10，使定位销11向上作用一个力阻碍工作台12移动。该工作台在进行水平二维移动时能同时兼顾其他两种平台运作方式。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述工作台由下至上依次设有旋转底座、空间三维偏移机构和工作面二维移动机构； 所述旋转底座包括底座外壳(1)、蜗杆(2)、齿轮(3)、滚动轴承(4)、齿轮轮轴(5)以及旋转轴承座(6)，蜗杆(2)两端与底座外壳(1)固定连接，蜗杆(2)中部通过螺纹与齿轮(3)连接，齿轮(3)通过滚动轴承(4)装配在竖直放置的齿轮轮轴(5)上，齿轮轮轴(5)末端为旋转轴承座(6)，所述旋转轴承座(6)设置于底座外壳(1)上并位于所述齿轮(3)的下方，齿轮(3)上表面还设有四个槽孔； 所述空间三维偏移机构包括圆盘(7)、螺杆(8)、支撑机构(9)、气动人工肌肉以及万向节(25)，所述圆盘(7)与齿轮(3)通过螺纹连接，圆盘(7)相对于齿轮（3）槽孔的位置一一对应设置有槽孔，圆盘(7)下表面通过在槽孔处设置的螺杆(8)与齿轮(3)连接，圆盘(7)上还设有五个气动人工肌肉，圆盘(7)上表面通过在槽孔处设置气动人工肌肉连接于所述支撑机构(9)，所述气动人工肌肉与圆盘（7）以及支撑机构(9)的连接处均设有万向节(25)； 工作面二维移动机构包括工作台(12)、滑块以及定位销(11)，所述工作台(12)位于顶端，下表面设置多个具有斜度的交叉滑道，所述滑块固定连接于支撑机构(9)上，滑块与交叉滑道相匹配且能够在交叉滑道中滑动，定位销(11)位于支撑机构(9)内部；
五个气动人工肌肉分别为第一气动人工肌肉(10)、第二气动人工肌肉(21)、第三气动人工肌肉(22)、第四气动人工肌肉(23)和第五气动人工肌肉(24)；第一气动人工肌肉(10)位于圆盘(7)中间，且第一气动人工肌肉(10)的一端与圆盘(7)连接，远离圆盘(7)的另一端与定位销(11)连接；支撑机构(9)采用中空结构，定位销（11）位于支撑机构(9)的中空结构内；第一气动人工肌肉(10)收缩时，所述定位销(11)位于支撑机构(9)内部，伸展第一气动人工肌肉（10），使定位销（11）向上作用一个力阻碍工作台（12）移动，定位销（11）起固定连接作用，确保工作台（12）与支撑机构（9）是一个整体不能滑动；所述第二气动人工肌肉(21)、第三气动人工肌肉(22)、第四气动人工肌肉(23)和第五气动人工肌肉(24)的一端均通过万向节(25)均匀设于圆盘(7)的四个槽孔处，另一端均通过万向节(25)与支撑机构(9)的下表面连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述齿轮(3)的齿数为40，蜗杆头数为4。
3.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述圆盘(7)与齿轮(3)的螺纹连接是指：齿轮(3)上表面凸起部分设有外螺纹，所述圆盘(7)下方设有内螺纹，所述外螺纹与内螺纹相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述齿轮(3)上表面设有四个槽孔，均匀设置于所述齿轮(3)表面四周；所述圆盘(7)相对于齿轮(3)槽孔的位置对应设置四个槽孔，所述圆盘(7)上的四个槽孔沿圆盘(7)表面均匀分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述第二气动人工肌肉(21)、第三气动人工肌肉(22)、第四气动人工肌肉(23)和第五气动人工肌肉(24)呈60°放置。
6.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述支撑机构(9)的面积与工作台(12)面积相同。
7.根据权利要求6所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述滑块设有四个，分别为第一滑块(13)、第二滑块(14)、第三滑块(15)和第四滑块(16)；所述工作台(12)内部对应设置有四条交叉滑道，分别为第一交叉滑道(17)、第二交叉滑道(18)、第三交叉滑道(19)和第四交叉滑道(20)；所述第一滑块(13)在第一交叉滑道(17)中、第二滑块(14)在第二交叉滑道(18)中、第三滑块(15)在第三交叉滑道(19)中、第四滑块(16)在第四交叉滑道(20)中滑动时，所述工作台(12)做二维平面移动。
8.根据权利要求7所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述第一滑块(13)、第二滑块(14)、第三滑块(15)和第四滑块(16)为梯形滑块，呈倒梯形放置，所述梯形滑块与所述支撑机构(9)形成整体；所述交叉滑道的斜度为75°-105°。
9.根据权利要求1所述的一种基于气动人工肌肉的多自由度工作台，其特征在于：所述定位销(11)的厚度与所述滑块一致，定位销(11)横截面的宽度大于每一条所述交叉滑道的宽度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20181116 Assignee: Nanjing Institute of Engineering Technical Service Co.,Ltd. Assignor: NANJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980035197 Denomination of invention: A Multi degree of Freedom Workbench Based on Pneumatic Artificial Muscles Granted publication date: 20210427 License type: Common License Record date: 20230506 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
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Application publication date: 20181116 Assignee: Nanjing Jinxi Yunchuang Technology Co.,Ltd. Assignor: NANJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980035440 Denomination of invention: A Multi degree of Freedom Workbench Based on Pneumatic Artificial Muscles Granted publication date: 20210427 License type: Common License Record date: 20230512 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Nanjing Institute of Engineering Technical Service Co.,Ltd. Assignor: NANJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980035197 Date of cancellation: 20240301 |