CN110480613A - 一种多自由度液压人工肌肉工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度液压人工肌肉工作台，包括工作台、底座、液压人工肌肉单元、T型滑块以及球铰链连接模块，工作台通过球铰链以及圆柱副与底座连接，多个液压人工肌肉单元的上端通过球铰链与T型滑块连接，下端通过球铰链与底座连接，T型滑块与工作台的底面滑动连接。该工作台内部嵌有弹簧的液压人工肌肉比同等大小的液压缸质量轻，顺应性强，输出力大，能够主动回弹。在保持自身结构简单、无需外加外壳密封的情况下能承受高水压、高温多沙尘等复杂环境输出较大力矩微调移动设备。

Description

一种多自由度液压人工肌肉工作台

技术领域

本发明涉及复杂环境下高强度作业的机械装备技术领域，特别是涉及一种多自由度液压人工肌肉工作台。

背景技术

现代人类探索的脚步不断向前，向着未知领域进发，新环境对设备要求越来越苛刻。例如在水下考古用到一些重型的设备固定船体破旧的外壳、需要使用旁侧声呐等设备进行定点测量、水下机械臂的底座位置调整、水下钢板焊接、水下定点图像采集、视频监控等，其在水下移动时会受到较大的水阻力，不利于蛙人在水下未移动设备；沙漠植树改造也是近几年来的社会热点，白天高温多风沙，晚上低温寒冷，重型照明大灯需要搭载在平台上对四周进行扫描，普通电机根本不适应沙漠环境。因此需要一种密封性能好、能承受高水压、输出大力矩的工作台能搭载各种重型设备在深海、沙漠等极端环境下运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种多自由度液压人工肌肉工作台，以解决上述现有技术存在的问题，适用于极端环境、不受高温、高压、多尘、多沙、辐射、冲击的影响，具有较大输出力矩，同时本身结构非常简洁、易装配、易拆卸。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多自由度液压人工肌肉工作台，包括工作台、底座、液压人工肌肉单元、T型滑块以及球铰链连接模块，所述工作台通过球铰链以及圆柱副与所述底座连接，多个所述液压人工肌肉单元的上端通过球铰链与所述T型滑块连接，下端通过球铰链与所述底座连接，所述T型滑块与所述工作台的底面滑动连接。

进一步地，所述圆柱副包括从上至下依次连接的圆柱副转子和圆柱副定子，所述圆柱副转子的末端套接于所述圆柱副定子的内侧壁上，且顶端通过球铰链与所述工作台连接的所述圆柱副转子可相对于所述圆柱副定子上下移动。

进一步地，所述工作台的底面开设有外滑槽和内滑槽，两条滑槽为同心不同直径的滑槽，所述T型滑块滑动安装于所述外滑槽和内滑槽中。

进一步地，所述底座上焊接有4个下方球铰链，其中两个所述下方球铰链均布安装在所述底座的外围，另外两个所述下方球铰链均布安装在所述底座的内侧，外围两个下方球铰链之间的连线垂直于内侧两个球铰链之间的连线；每个所述下方球铰链上均与两个所述液压人工肌肉单元的底端相铰接。

进一步地，与所述底座外围布置的下方球铰链相铰接的所述液压人工肌肉单元，其顶端的所述T型滑块滑动安装于所述外滑槽内；与所述底座内侧布置的下方球铰链相铰接的所述液压人工肌肉单元，其顶端的所述T型滑块滑动安装于所述内滑槽中。

进一步地，所述T型滑块的顶部左右两侧都设置有上下两个伸缩键，所述T型滑块内部开设有与左右两侧伸缩键连通的进油道。

进一步地，所述液压人工肌肉单元包括橡胶管、弹簧和外围编织物，所述外围编织物包裹着所述橡胶管，所述弹簧安装在所述橡胶管的内部；所述橡胶管的一端与油路接头相接，另一端与末端接头相接，两端的接头处均采用卡箍密封，所述弹簧的两端分别与所述油路接头和末端接头相抵接；所述油路接头与所述进油道通过油管连接。

进一步地，所述外围编织物的编织角度为42度，采用芳纶纤维编制。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的多自由度液压人工肌肉工作台，结构简单、液压控制回路，输出力/力矩较大；密封性能好、可抵抗高水压、防风沙、耐高温；使用液压人工肌肉的相互配合，使得工作台具有四个自由度。该工作台内部嵌有弹簧的液压人工肌肉比同等大小的液压缸质量轻，顺应性强，输出力大，能够主动回弹。在保持自身结构简单、无需外加外壳密封的情况下能承受高水压、高温多沙尘等复杂环境输出较大力矩微调移动设备。

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为本发明整体结构正视图；

图2为本发明整体结构右视图；

图3为本发明整体结构斜视图；

图4为本发明整体结构俯视图；

图5为本发明工作台下方内外滑槽位置图；

图6为本发明工作台与底座安装关系剖面图；

图7为图1所示的液压人工肌肉组成示意图；

图8为图5所示的T型滑块与伸缩键示意图；

图9(a)为全部液压人工肌肉单元在常压情况下与T型滑块内的伸缩键起始状态图；

图9(b)为其中一根液压人工肌肉单元在加压情况下与T型滑块内的伸缩键响应图；

其中，1工作台；2底座；3圆柱副转子；4圆柱副定子；5上球铰链；6油管；7液压人工肌肉单元；8下方球铰链；9外滑槽；10内滑槽；11球铰链；12上通油口；13末端接头；14卡箍；15外围编织物；16弹簧；17橡胶管；18通油道；19进油口；20伸缩键；21T型滑块；22进油道。

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多自由度液压人工肌肉工作台，以解决上述现有技术存在的问题，适用于极端环境、不受高温、高压、多尘、多沙、辐射、冲击的影响，具有较大输出力矩，同时本身结构非常简洁、易装配、易拆卸。

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，本发明提供一种应用在复杂环境下多自由度的液压人工肌肉工作台，主要包含工作台1，其下方有内外两条滑槽，分别为外滑槽9和内滑槽10。工作台1与底座2之间连接主要靠一个球铰链11和一个圆柱副，球铰链11安装在圆柱副与工作台之间。工作台1的侧向翻转和水平旋转主要依靠球铰链11完成，工作台1上下平移主要依靠圆柱副转子3和圆柱副定子4的配合完成；底座2在作业时相对环境中的“地”固定，与圆柱副定子4相焊接，也与4个下方球铰链8相焊接，如图3所示两个下方球铰链8安装在底座2外围，而有两个下方球铰链8则安装在底座2的内侧。

如图7所示，本发明用到的液压人工肌肉单元7，其外围编织物15的编织角度在42度左右，采用芳纶纤维编制，抗拉能力十分强悍；内部包含一根肖氏硬度为60A到80A左右的氯丁橡胶管17，该橡胶管17硬度不能过高，否则液压输出的能量会有很大一部分消耗在克服其弹性变形做功上，其硬度也不能过软，否则韧性不足以抵抗强大的拉力；橡胶管17内部还包含了一根弹簧16，弹簧16在液压人工肌肉7加压收缩时受到挤压，从而储存回弹的能量，因为液压人工肌肉7在加压时由于其外围编织物15编织角度的特性能够产生巨大的收缩力，但是其回弹能力较弱。该编织角度下的液压人工肌肉7的拉伸变形量非常小，但是其收缩率能达到30％。

如图7-9所示，液压人工肌肉7作为工作台的动力元件，其有不可伸长性，只有收缩性，所以在两两液压人工肌肉7相互配合时必须通过可分离的T型滑块21实现工作台1的转动才行。如图7所示的液压人工肌肉7末端接头13上有通油口12，图8所示的T型滑块21有进油道22，其两者需要通过油管6连接，该连接的目的在于使得T型滑块21能与当前液压人工肌肉7的油压状态同步，从而使得左右两个伸缩键20产生相应动作。

如图9(a)所示，相邻两根液压人工肌肉7在处于未加压的情况下，T型滑块21内的伸缩键20未伸出，工作台1未有任何运动；图9(b)所示，右方的液压人工肌肉7开始加压，油压同时经过油管6传递到右侧T型滑块21内部，高压使得伸缩键20往外伸出，伸出来的键会被卡进工作台滑槽9/10内的键槽里，同时被加压的液压人工肌肉7产生收缩，从而带动工作台1往有产生运动；对于左侧未加压的液压人工肌肉7，由于其内部油压不高，左侧T型滑块21内部的伸缩键20未能伸出，没有卡进键槽内，所以左侧T型滑块21可以在工作台的滑槽9/10内滑动；右侧的液压人工肌肉7拉动工作台，但是工作台1并不会拉动左侧液压人工肌肉7，因此该工作台的运动过程中只需要把大部分能量消耗在移动目标设备上，不需要克服自身未加压的液压人工肌肉产生的阻力。

结合图4所示，为内外圈的液压人工肌肉7给定标号，外圈右上方液压人工肌肉单元为A1，外圈逆时针依次：左上为A2，左下为A3，右下为A4；同理内圈右上方液压人工肌肉单元为B1，内圈逆时针依次为左上为B2，左下为B3，右下为B4。

(1)当A1和A3同时加压时，这两根液压人工肌肉同时收缩，与此同时，与该两根液压人工肌肉相连接的T型滑块21内的伸缩键20向外伸出，卡进工作台1的键槽内，带动工作台顺时针转动。在这个过程中，由于A2、A4、B1、B2、B3、B4未加压，与之连接的T型滑块21内的伸缩键20未伸出，不受工作台1转动影响，相对于作业环境中的“地”位置和姿态都不变，因此不会对工作台1的转动带来阻力。当A1和A3同时泄压时，A1和A3液压人工肌肉7内部被压缩的弹簧16释放弹性势能，液压人工肌肉7变回原长，产生工作台1恢复原本位置的力。同理，内圈的液压人工肌肉B1-4也能实现该效果，也可以配合上述第一个效果中添加微量调整。

(2)当A1、A2、A3、A4同时加压时，外圈四根液压人工肌肉7同时收缩，工作台1往下移动；当A1、A2、A3、A4同时泄压，弹簧16释放能量，液压人工肌肉7变回原长使得工作台1往上移动恢复到原本高度。同理，内圈的液压人工肌肉B1-4也能实现该效果，也可以配合上述的下移运动中做出微量调整。

(3)当A1、A2同时加压时，该两根液压人工肌肉同时收缩，工作台1可以依靠球铰链11往上侧翻(工作台1围绕中心水平线翻转：A1、A2、B1、B2所在的工作台1半圆面往底座2方向运动，A3、A4、B3、B4所在的工作台1半圆面背离底座2方向运动)，由于A3、A4未加压，其T型滑块21内的伸缩键20未伸出，因此A3与A4的T型滑块21可以分离，分别往左右方向滑动，故不会对工作台1侧翻造成较大阻力。当A1、A2同时泄压时，A1、A2内部弹簧16释放能量，该两根液压人工肌肉7可以恢复原长，因此产生工作台1恢复水平位置的力。同理，A3、A4同时加压，工作台1往下侧翻；内圈B1、B4同时加压工作台1往右侧翻；内圈B2、B3同时加压工作台1往左侧翻。

(4)内外圈的液压人工肌肉7的不同油压分配可以实现工作台1的不同角度旋转、侧翻、上下平移。

本发明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。

Claims (8)

1.一种多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：包括工作台、底座、液压人工肌肉单元、T型滑块以及球铰链连接模块，所述工作台通过球铰链以及圆柱副与所述底座连接，多个所述液压人工肌肉单元的上端通过球铰链与所述T型滑块连接，下端通过球铰链与所述底座连接，所述T型滑块与所述工作台的底面滑动连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述圆柱副包括从上至下依次连接的圆柱副转子和圆柱副定子，所述圆柱副转子的末端套接于所述圆柱副定子的内侧壁上，且顶端通过球铰链与所述工作台连接的所述圆柱副转子可相对于所述圆柱副定子上下移动。

3.根据权利要求1所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述工作台的底面开设有外滑槽和内滑槽，两条滑槽为同心不同直径的滑槽，所述T型滑块滑动安装于所述外滑槽和内滑槽中。

4.根据权利要求3所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述底座上焊接有4个下方球铰链，其中两个所述下方球铰链均布安装在所述底座的外围，另外两个所述下方球铰链均布安装在所述底座的内侧，外围两个下方球铰链之间的连线垂直于内侧两个球铰链之间的连线；每个所述下方球铰链上均与两个所述液压人工肌肉单元的底端相铰接。

5.根据权利要求4所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：与所述底座外围布置的下方球铰链相铰接的所述液压人工肌肉单元，其顶端的所述T型滑块滑动安装于所述外滑槽内；与所述底座内侧布置的下方球铰链相铰接的所述液压人工肌肉单元，其顶端的所述T型滑块滑动安装于所述内滑槽中。

6.根据权利要求3所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述T型滑块的顶部左右两侧都设置有上下两个伸缩键，所述T型滑块内部开设有与左右两侧伸缩键连通的进油道。

7.根据权利要求6所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述液压人工肌肉单元包括橡胶管、弹簧和外围编织物，所述外围编织物包裹着所述橡胶管，所述弹簧安装在所述橡胶管的内部；所述橡胶管的一端与油路接头相接，另一端与末端接头相接，两端的接头处均采用卡箍密封，所述弹簧的两端分别与所述油路接头和末端接头相抵接；所述油路接头与所述进油道通过油管连接。

8.根据权利要求7所述的多自由度液压人工肌肉工作台，其特征在于：所述外围编织物的编织角度为42度，采用芳纶纤维编制。