CN110530661B - 一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法，用于仿生骨骼肌驱动器的性能测试，包括液压站、试验台和驱动器性能测试装置；其中，所述液压站通过供油管路与所述试验台上安装的所述仿生骨骼肌驱动器连接，所述驱动器性能测试装置安装在所述试验台上。本发明公开了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法，本发明中的用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台不仅可以同时测试驱动器的响应时间、工作效率等多个性能指标，还可以用于研究不同压力、负载条件下，驱动器性能变化情况。

Description

一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法

技术领域

本发明涉及仿生工程技术领域，更具体的说是涉及一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法。

背景技术

随着仿生科学的不断发展，人们对仿生骨骼肌驱动器的研究也不断的深入。在自然界中，肌肉作为一种生物体的柔性驱动器，具有能量密度大、功率/重量比高等优点，是众多仿生科学研究领域中最具价值的研究方向之一。仿生骨骼肌驱动器以人体肌肉为仿生对象，具有质量小，柔顺性高等优点，非常适合用于医疗康复的矫正器材以及假肢的构建上。中国专利申请号CN201910262694.9，公开了一种仿骨骼肌变刚度分布的柔性驱动器。

基本工作原理为仿生骨骼肌驱动器主要由驱动单元、编织网、基质组成。当驱动器充流体时，驱动单元收到编织网的限制会轴向收缩、径向膨胀，同时带动整个基质发生收缩变形；相比于气压驱动的仿生骨骼肌驱动器，液压驱动的仿生骨骼肌驱动器具有响应时间短、便于控制等优点，具有很大的研究空间。当下已有的液压驱动的仿生骨骼肌驱动器，主要研究的内容包括驱动器的应力、应变、承受压力等，对于驱动器的响应时间、传动效率等重要指标研究的不足。

因此，如何提供一种用于测试现有的仿生骨骼肌驱动器性能的试验装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法，其目的在于测试仿生骨骼肌驱动器的性能指标。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台，用于仿生骨骼肌驱动器的性能测试，包括液压站、试验台和驱动器性能测试装置；其中，所述液压站通过供油管路与所述试验台上安装的所述仿生骨骼肌驱动器连接；

所述驱动器性能测试装置包括压力传感器、流量传感器、力传感器、测压接头、测压软管、位移传感器、数据采集卡、协议转换器和计算机，其中所述流量传感器、所述力传感器、所述位移传感器安装在所述试验台上，所述压力传感器和所述测压接头通过测压软管与所述试验台相连；

所述试验台包括台架、固定支架、负载连接器和负载；所述固定支架分为顶部固定支架和底部固定支架；所述顶部固定支架设置在所述台架的台面底部，并与所述仿生骨骼肌驱动器顶部连接，所述底部固定支架连接在所述仿生骨骼肌驱动器底部；所述底部固定支架与所述负载连接器之间设置所述力传感器，所述力传感器的顶部测力端与所述底部固定支架连接，底部测力端与所述负载连接器顶端连接；所述负载连接器底端连接所述负载；所述负载下方设置有与所述台架固定连接的隔板，所述位移传感器安装在所述隔板的底部，并且所述位移传感器的移动端穿过所述隔板上开设的通孔与所述负载连接；

所述液压站包括液压油箱、电机、液压泵和设置在供油管路上的过滤器、单向阀、两位三通换向阀；所述电机驱动所述液压泵转动从所述液压油箱内泵出液压油，液压油依次经供油管路上的所述过滤器、所述单向阀、所述两位三通换向阀向所述仿生骨骼肌驱动器内充油；

所述测压接头一端并联在所述两位三通换向阀上，另一端通过所述测压软管与所述压力传感器连接；所述流量传感器串联在所述两位三通换向阀与所述仿生骨骼肌驱动器之间的供油管路上。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述负载包括托盘和放在所述托盘上的砝码；所述托盘的边沿连接有挂绳，所述托盘通过挂绳与所述负载连接器底端连接；所述位移传感器的移动端与所述托盘底部固定连接。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述负载连接器包括连接杆和设置在所述连接杆两端的挂环，所述挂绳与所述连接杆底端的挂环连接。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述力传感器的底部测力端设置有挂钩，所述挂钩与所述连接杆顶端的所述挂环连接。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，供油管路上并联有比例溢流阀和蓄能器。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述液压油箱上设置有液位计。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述压力传感器、所述流量传感器、所述力传感器和所述位移传感器分别与所述数据采集卡电性连接，所述数据采集卡通过所述协议转换器与所述计算机电性连接。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述两位三通换向阀与所述液压油箱之间的供油管路上设置有所述过滤器，所述比例溢流阀与所述液压油箱之间的供油管路上设置有所述过滤器。

优选的，在上述一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台中，所述固定支架包括U型架和设置在所述U型架两侧的夹紧件；所述夹紧件包括螺杆和分别设置在所述螺杆两端的夹紧块和旋转手柄；所述U型架两侧板上开设有与所述螺杆外螺纹匹配的螺纹孔，所述螺杆旋入所述螺纹孔内，并且所述旋转手柄位于所述U型架外侧，所述夹紧块位于所述U型架内侧。

一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、通过压力传感器检测仿生骨骼肌驱动器的实时工作压力p(t)；通过流量传感器检测流向仿生骨骼肌驱动器的实时流量q(t)；通过力传感器检测仿生骨骼肌驱动器在不同工作压力所产生的输出力F(t)；通过位移传感器17检测仿生骨骼肌驱动器在不同工作压力和负载下的输出位移L(t)；

步骤2、通过数据采集卡同步采集压力传感器的压力信号、流量传感器的流量信号、力传感器输出的力信号、位移传感器输出的位移信号，经A/D转换后，通过协议转换器，导入到计算机中，进行数据分析与处理；

步骤3、通过检测压力传感器产生压力信号到仿生骨骼肌驱动器开始产生位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器的反应时间t₁；从仿生骨骼肌驱动器开始产生位移到仿生骨骼肌驱动器产生最大位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器的作动时间t₂；仿生骨骼肌驱动器的总响应时间为t＝t₁+t₂；

步骤4、通过计算得到，仿生骨骼肌驱动器的输入功为W₁＝∫p(t)q(t)dt，仿生骨骼肌驱动器的输入功为W₂＝∫F(t)dL(t)，仿生骨骼肌驱动器的驱动效率为

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法，通过调节比例溢流阀的开启压力，使得液压系统具有不同的工作压力，从而可以测试仿生骨骼肌驱动器在不同压力驱动下的性能变化情况；通过调节两位三通换向阀，控制仿生骨骼肌驱动器的进油和排油；蓄能器连接液压系统油路上，起到减小液压系统回路所受到压力波动的作用；液位计实时显示油箱液位；

通过数据采集卡同步采集压力传感器的压力信号、流量传感器的流量信号、力传感器输出的力信号、位移传感器输出的位移信号，经A/D转换后，通过协议转换器，导入到计算机中，进行数据分析与处理，得到仿生骨骼肌驱动器的输入功、仿生骨骼肌驱动器的输入功以及仿生骨骼肌驱动器的驱动效率，本发明中的用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台不仅可以同时测试驱动器的响应时间、工作效率等多个性能指标，还可以用于研究不同压力、负载条件下，驱动器性能变化情况。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的原理图；

图2附图为试验台的立体图；

图3附图为试验台的主视图；

图4附图为固定支架的结构示意图；

图5附图为驱动器性能测试装置的框架图；

图6附图为本发明的控制逻辑图。

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。

本发明实施例公开提供了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台及方法，本发明中的用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台不仅可以同时测试驱动器的响应时间、工作效率等多个性能指标，还可以用于研究不同压力、负载条件下，驱动器性能变化情况。

结合附图1-6，本发明公开了一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的液压试验台，用于仿生骨骼肌驱动器1的性能测试，包括液压站、试验台和驱动器性能测试装置；其中，液压站通过供油管路2与试验台上安装的仿生骨骼肌驱动器1连接；

驱动器性能测试装置包括压力传感器3、流量传感器4、力传感器5、测压接头6、位移传感器7、数据采集卡8、协议转换器9和计算机10；其中流量传感器4、力传感器5、位移传感器7安装在试验台上，压力传感器3和测压接头6通过测压软管22与试验台相连。

试验台包括台架11、固定支架、负载连接器12和负载33；固定支架分为顶部固定支架13和底部固定支架14；顶部固定支架13设置在台架11的台面底部，并与仿生骨骼肌驱动器1顶部连接，底部固定支架14连接在仿生骨骼肌驱动器1底部；底部固定支架14与负载连接器12之间设置力传感器5，力传感器5的顶部测力端与底部固定支架14连接，底部测力端与负载连接器12顶端连接；负载连接器12底端连接负载33；负载33下方设置有与台架11固定连接的隔板15，位移传感器7安装在隔板15的底部，并且位移传感器7的移动端穿过隔板15上开设的通孔与负载33连接；

液压站包括液压油箱16、电机17、液压泵18和设置在供油管路2上的过滤器19、单向阀20、两位三通换向阀21；电机17驱动液压泵18转动从液压油箱16内泵出液压油，液压油依次经供油管路2上的过滤器19、单向阀20、两位三通换向阀21向仿生骨骼肌驱动器1内充油；

测压接头6一端并联在两位三通换向阀21上，测压接头6的一端与流量传感器4的上端并联，连接在两位三通换向阀21的A口，流量传感器4的下端与仿生骨骼肌驱动器1的进油口通过管路2相连；另一端通过测压软管22与压力传感器3连接；流量传感器4串联在两位三通换向阀21与仿生骨骼肌驱动器1之间的供油管路2上。

为了进一步优化上述技术方案，负载33包括托盘23和放在托盘23上的砝码24；托盘23的边沿连接有挂绳，托盘23通过挂绳与负载连接器12底端连接；位移传感器7的移动端与托盘23底部固定连接。

为了进一步优化上述技术方案，负载连接器12包括连接杆和设置在连接杆两端的挂环，挂绳与连接杆底端的挂环连接。

为了进一步优化上述技术方案，力传感器5的底部测力端设置有挂钩25，挂钩25与连接杆顶端的挂环连接。

为了进一步优化上述技术方案，供油管路2上并联有比例溢流阀26和蓄能器27，所述比例溢流阀26与所述单向阀20并联在所述液压泵18后的过滤器19之后，所述蓄能器27与所述两位三通换向阀21并联在所述单向阀20之后。

为了进一步优化上述技术方案，液压油箱16上设置有液位计28。

为了进一步优化上述技术方案，压力传感器3、流量传感器4、力传感器5和位移传感器7分别与数据采集卡8电性连接，数据采集卡8通过协议转换器9与计算机10电性连接。

为了进一步优化上述技术方案，两位三通换向阀21与液压油箱16之间的供油管路2上设置有过滤器19，比例溢流阀26与液压油箱16之间的供油管路2上设置有过滤器19。

为了进一步优化上述技术方案，固定支架包括U型架29和设置在U型架29两侧的夹紧件；夹紧件包括螺杆30和分别设置在螺杆30两端的夹紧块31和旋转手柄32；U型架29两侧板上开设有与螺杆30外螺纹匹配的螺纹孔，螺杆30旋入螺纹孔内，并且旋转手柄32位于U型架29外侧，夹紧块31位于U型架29内侧。

一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、通过压力传感器3检测仿生骨骼肌驱动器1的实时工作压力p(t)；通过流量传感器4检测流向仿生骨骼肌驱动器1的实时流量q(t)；通过力传感器5检测仿生骨骼肌驱动器1在不同工作压力所产生的输出力F(t)；通过位移传感器717检测仿生骨骼肌驱动器1在不同工作压力和负载33下的输出位移L(t)；

步骤2、通过数据采集卡8同步采集压力传感器3的压力信号、流量传感器4的流量信号、力传感器5输出的力信号、位移传感器7输出的位移信号，经A/D转换后，通过协议转换器9，导入到计算机10中，进行数据分析与处理；

步骤3、通过检测压力传感器3产生压力信号到仿生骨骼肌驱动器1开始产生位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器1的反应时间t₁；从仿生骨骼肌驱动器1开始产生位移到仿生骨骼肌驱动器1产生最大位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器1的作动时间t₂；仿生骨骼肌驱动器1的总响应时间为t＝t₁+t₂；

步骤4、通过计算得到，仿生骨骼肌驱动器1的输入功为W₁＝∫p(t)q(t)dt，仿生骨骼肌驱动器1的输入功为W₂＝∫F(t)dL(t)，仿生骨骼肌驱动器1的驱动效率为

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，采用液压试验台对仿生骨骼肌驱动器的性能测试，其特征在于，液压试验台包括液压站、试验台和驱动器性能测试装置；其中，所述液压站通过供油管路与所述试验台上安装的所述仿生骨骼肌驱动器连接，所述驱动器性能测试装置安装在所述试验台上；

所述驱动器性能测试装置包括压力传感器、流量传感器、力传感器、测压接头、测压软管、位移传感器、数据采集卡、协议转换器和计算机，其中所述流量传感器（4）、所述力传感器（5）、所述位移传感器（7）安装在所述试验台上，所述压力传感器（3）和所述测压接头（6）通过测压软管（22）与所述试验台相连；

所述试验台包括台架、固定支架、负载连接器和负载；所述固定支架分为顶部固定支架和底部固定支架；所述顶部固定支架设置在所述台架的台面底部，并与所述仿生骨骼肌驱动器顶部连接，所述底部固定支架连接在所述仿生骨骼肌驱动器底部；所述底部固定支架与所述负载连接器之间设置所述力传感器，所述力传感器的顶部测力端与所述底部固定支架连接，底部测力端与所述负载连接器顶端连接；所述负载连接器底端连接所述负载；所述负载下方设置有与所述台架固定连接的隔板，所述位移传感器安装在所述隔板的底部，并且所述位移传感器的移动端穿过所述隔板上开设的通孔与所述负载连接；

所述液压站包括液压油箱、电机、液压泵和设置在供油管路上的过滤器、单向阀、两位三通换向阀；所述电机驱动所述液压泵转动从所述液压油箱内泵出液压油，液压油依次经供油管路上的所述过滤器、所述单向阀、所述两位三通换向阀向所述仿生骨骼肌驱动器内充油；

所述测压接头一端并联在所述两位三通换向阀上，另一端通过所述测压软管与所述压力传感器连接；所述流量传感器串联在所述两位三通换向阀与所述仿生骨骼肌驱动器之间的供油管路上；

所述固定支架包括U型架和设置在所述U型架两侧的夹紧件；所述夹紧件包括螺杆和分别设置在所述螺杆两端的夹紧块和旋转手柄；所述U型架两侧板上开设有与所述螺杆外螺纹匹配的螺纹孔，所述螺杆旋入所述螺纹孔内，并且所述旋转手柄位于所述U型架外侧，所述夹紧块位于所述U型架内侧；供油管路上并联有比例溢流阀和蓄能器，所述比例溢流阀与所述单向阀并联在所述液压泵后的过滤器之后，所述蓄能器与所述两位三通换向阀并联在所述单向阀（20）之后；所述两位三通换向阀与所述液压油箱之间的供油管路上设置有所述过滤器，所述比例溢流阀与所述液压油箱之间的供油管路上设置有所述过滤器；所述压力传感器、所述流量传感器、所述力传感器和所述位移传感器分别与所述数据采集卡电性连接，所述数据采集卡通过所述协议转换器与所述计算机电性连接；测试方法为：步骤1、通过压力传感器检测仿生骨骼肌驱动器的实时工作压力

；通过流量传感器检测流向仿生骨骼肌驱动器的实时流量

；通过力传感器检测仿生骨骼肌驱动器在不同工作压力所产生的输出力

；通过位移传感器（17）检测仿生骨骼肌驱动器在不同工作压力和负载下的输出位移

；

步骤2、通过数据采集卡同步采集压力传感器的压力信号、流量传感器的流量信号、力传感器输出的力信号、位移传感器输出的位移信号，经A/D转换后，通过协议转换器，导入到计算机中，进行数据分析与处理；

步骤3、通过检测压力传感器产生压力信号到仿生骨骼肌驱动器开始产生位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器的反应时间

；从仿生骨骼肌驱动器开始产生位移到仿生骨骼肌驱动器产生最大位移之间的时间间隔，确定为仿生骨骼肌驱动器的作动时间

；仿生骨骼肌驱动器的总响应时间为

；

步骤4、通过计算得到，仿生骨骼肌驱动器的输入功为

，仿生骨骼肌驱动器的输出功为

，仿生骨骼肌驱动器的驱动效率为

。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，其特征在于，所述负载包括托盘和放在所述托盘上的砝码；所述托盘的边沿连接有挂绳，所述托盘通过挂绳与所述负载连接器底端连接；所述位移传感器的移动端与所述托盘底部固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，其特征在于，所述负载连接器包括连接杆和设置在所述连接杆两端的挂环，所述挂绳与所述连接杆底端的挂环连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，其特征在于，所述力传感器的底部测力端设置有挂钩，所述挂钩与所述连接杆顶端的所述挂环连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于测试仿生骨骼肌驱动器性能的方法，其特征在于，所述液压油箱上设置有液位计。

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