CN111156149A - 一种双气缸正负压双模式气泵 - Google Patents

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黄强
张满堂
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Abstract

本发明公开了一种双气缸正负压双模式气泵，包括本体、第一气缸、第二气缸、无刷电机、偏心块、轴承以及后盖板等，无刷电机带动偏心块转动，为第一气缸和第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩，使外界大气进入第一气缸和第二气缸内，或者第一气缸和第二气缸内的压缩气体向外界大气排出，从而形成所述气泵稳定的正压和负压两种模式输出。第一气缸和第二气缸在本体上对称分布，工作同步，在不改变行程的基础上提高空气的压缩量，提高气泵进气、压缩、排气过程的效率；同时，对于偏心块的偏载转动，互为补偿，改善了偏振受力情况，改善了电机的动平衡性，降低噪音，同时也提高了无刷电机和气泵的使用寿命。

Description

一种双气缸正负压双模式气泵
技术领域
本发明属于气源设备，以及面向气动人工肌肉和气动驱动器等正负压输入技术领域，特别涉及一种双气缸正负压双模式气泵。
背景技术
气动人工肌肉(Pneumatic Artificial Muscle，简称PAM)是一种柔性的驱动器，由于其具有重量轻、柔性高、使用方便等优点，在医疗康复、机器人等领域的应用日益深入。近年来，随着假肢、外骨骼、仿生机器人以及软体机器人等领域研究的突飞猛进，上述领域对气动人工肌肉在快速响应、输出力(力矩)等方面提出了更高的要求。气动人工肌肉的阈值、快速响应、以及输出力(力矩)等方面的特性，除了自身材料因素和结构设计之外，还有赖于同时具备高气压(正压或者负压)、大流量以及具有快速响应特性的气源支持。再有，假肢、外骨骼、仿人机器人的技术领域对气源的体积和质量也提出了更高的要求，气源小型化和轻质量化已成新的发展趋势。虽然目前有高科技公司、研究机构和相关学者已经研究出具有小型化和轻质量化的新型气泵，如，中国发明专利CN 109268236 A提出的微型气泵，以及中国发明专利(CN 209041080 U)提出的一种双头大流量气泵，但是距机器人领域对气泵在高气压(正压或者负压)、大流量、正负压双模式等方面提出高要求仍有较大差距。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种双气缸正负压双模式气泵，包括本体、第一气缸、第二气缸、无刷电机、偏心块、轴承以及后盖板等，所述无刷电机带动所述偏心块转动，为所述第一气缸和所述第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩，使外界大气进入所述第一气缸和所述第二气缸内，或者所述第一气缸和所述第二气缸内的压缩气体向外界大气排出，从而形成所述气泵稳定的正压和负压输出。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。
本发明第一方面提供了一种双气缸正负压双模式气泵包括：本体、第一气缸、第二气缸、驱动装置、第一偏心块、第二偏心块、轴承，以及后盖板；
所述本体是所述气泵的安装载体，为所述第一气缸、所述第二气缸、所述偏心块、所述轴承、所述无刷电机以及所述后盖板提供固定框架；
所述驱动装置是所述气泵的动力组件，为所述第一气缸、所述第二气缸提供增压和减压的动力；
所述第一气缸和所述第二气缸是所述气泵中产生并输出正压和负压气体流量的部件；
所述第一偏心块和第二偏心块分别与所述第一气缸和第二气缸可操作地连接，为所述第一气缸和所述第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩；
所述驱动装置能够带动所述第一偏心块和第二偏心块转动，为所述第一气缸和所述第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩，使外界大气进入所述第一气缸和所述第二气缸内，或者使所述第一气缸和所述第二气缸内的压缩气体向外界大气排出，从而形成所述气泵稳定的正压和负压输出。
优选地，所述第一气缸包括第一连杆、第一缸筒、第一压盖、第一皮碗、第一进出气口组件，以及第一缸筒密封圈；
所述第二气缸包括第二连杆、第二缸筒、第二压盖、第二皮碗、第二进出气口组件，以及第二缸筒密封圈；
优选地，所述第一气缸和所述第二气缸在所述本体上基本对称分布。
优选地，所述第一气缸的第一进出气口组件包括：第一气孔板、第一端盖及第一止逆阀，为所述第一气缸提供进气和出气的通路；
所述第二气缸的第二进出气口组件包括：第二气孔板、第二端盖及第二止逆阀，为所述第二气缸提供进气和出气的通路；
所述第一气孔板及所述第二气孔板分别为所述第一气缸和第二气缸的进气孔和出气孔的连接板；所述第一端盖和所述第二端盖分别用于所述第一气缸和第二气缸气体流入和流出气路密封、打开的载板。
优选地，所述第一止逆阀位于所述第一气孔板与所述第一端盖之间；所述第二止逆阀位于所述第二气孔板与所述第二端盖之间；
所述第一止逆阀包括第一进气阀片和第一出气阀片；所述第二止逆阀包括第二进气阀片和第二出气阀片；
所述第一进气阀片和第二进气阀片在进气时打开，出气时关闭；第一出气阀片和第二出气阀片在进气时关闭，出气时打开。
优选地，所述第一进气阀片、第一出气阀片、第二进气阀片和第二出气阀片为圆形的两侧弯折的结构，以降低工作过程中的弯折次数；
按照气流通过方向，第一进气阀片、第一出气阀片、第二进气阀片和第二出气阀片与止逆阀主体连接部分的厚度比止逆阀厚度在气流进入方向减小1/2；
优选地，所述第一止逆阀和/或第二止逆阀采用氟橡胶材质。
优选地，所述第一压盖将所述第一皮碗与第一连杆固定；所述第二压盖将所述第二皮碗与第二连杆固定；
所述第一连杆和所述第二连杆分别在所述第一偏心块和所述第二偏心块的驱动下推动所述第一皮碗在所述第一气缸的所述第一缸筒内往复运动，以及所述第二皮碗在所述第二气缸的所述第二缸筒内往复运动；所述第一皮碗和第二皮碗在所述第一缸筒和所述第二缸筒内往复运动过程中可滑动地密封；
优选地，所述轴承可以跟随所述第一皮碗及第二皮碗调整角度；
优选地，所述第一皮碗和/或第二皮碗使用聚四氟乙烯材料。
优选地，所述驱动装置为无刷电机，所述无刷电机的转轴分别与所述第一偏心块和所述第二偏心块的偏心孔固定，通过所述第一偏心块和所述第二偏心块同时驱动所述第一连杆和所述第二连杆做运动行程相同、运动方向相反的往复运动，从而第一连杆推动所述第一皮碗在所述第一缸筒内水平往复运动，以及所述第二连杆推动所述第二皮碗在所述第二缸筒内水平往复运动。
优选地，所述第一偏心块与第二偏心块被配置为使得所述第一皮碗和所述第二皮碗的水平往复运动的运动行程相同、运动方向相反。
优选地，所述双气缸正负压双模式气泵的工作过程包括正压输出过程和负压抽真空过程；
在所述正压输出过程中，所述第一气缸中的第一连杆推动所述第一皮碗压缩所述第一缸筒内的空气，第二气缸中的第二连杆推动所述第二皮碗压缩所述第二缸筒内空气，经过增压后所述第一气缸和所述第二气缸内压力比外界大气压大，所述第一气缸和所述第二气缸内的气压推动所述第一止逆阀和第二止逆阀的第一出气阀片和第二出气阀片向外摆动，气流由所述第一气孔板和所述第二气孔板的出气口排出，此时所述第一阀片和第二进气阀片在气压作用下，为封闭状态；
充气过程结束后，在所述负压抽真空过程中，所述无刷电机继续转动180°，所述第一连杆和所述第二连杆分别带动所述第一皮碗和第二皮碗回程，所述第一气缸和所述第二气缸内压力比外界大气压小，气压差使外界大气分别由所述第一气孔板和所述第二气孔板进入，并推动所述第一进气阀片和第二进气阀片向内摆动打开，气流进入到所述第一缸筒和所述第二缸筒中，此时所述第一气缸和第二气缸的第一出气阀片和第二出气阀片在气压作用下，为封闭状态；
所述无刷电机持续转动，由此持续地通过第一出气口和第二出气口提供正压流量，通过第一进气口和第二进气口提供负压抽真空流量。
相比现有技术，本发明双气缸正负压双模式气泵，既可以作为产生压缩气体的正压充气泵使用，也可作为抽真空的负压气泵使用，进气方式是直接吸入空气，无阻力，进气更顺畅，压力损失更小。
相比现有技术，本发明双气缸正负压双模式气泵的两个气缸在本体上对称分布，偏心块同时驱动两个连杆做行程相同，运动方向相反的往复运动，在不改变行程的基础上提高空气的压缩量，提高气泵进气、压缩、排气过程的效率。两个气缸工作同步，对于偏心块的偏载转动，互为补偿，改善了偏振受力情况，改善了电机的动平衡性，降低噪音，同时也提高了电机和气泵的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
图1是本发明气泵外形图；
图2是本发明气泵组成图。
图3是本发明气泵电机转动初始位置(第一气缸和第二气缸行程为0)示意图；
图4是本发明中止逆阀的结构平面图。
图5是本发明气泵工作原理图；
图6是本发明气缸行程最大时第一连杆与第二连杆的位置；
图7是本发明气缸行程为0时第一连杆与第二连杆的位置。
其中各附图标记含义如下：
1.气泵本体；2.偏心块；3.轴承；4.第一连杆；5.第二连杆；6.第一缸筒；7.第二缸筒；8.无刷电机；9.压盖；10.第一皮碗；11.第一气孔板；12.第一端盖；13.第二气孔板；14.第二端盖；15.后盖板；16.止逆阀；17.缸筒密封圈；18.连接螺柱；19.止动螺钉；20.第二皮碗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
图1为一种双气缸正负压双模式气泵外形图，图2为所述一种双气缸正负压双模式气泵组成图。如图2所示，所述双气缸正负压双模式气泵，主要由本体1、偏心块2、轴承3、第一连杆4、第二连杆5、第一缸筒6、第二缸筒7、无刷电机8、压盖9、第一皮碗10、第一气孔板11、第一端盖12、第二气孔板13、第二端盖14、后盖板15、止逆阀16、缸筒密封圈17、连接螺柱18、止动螺钉19、第二皮碗20等组成。
所述第一连杆4、第一缸筒6、压盖9、第一皮碗10、第一气孔板11、第一端盖12、止逆阀16以及缸筒密封圈17组成所述气泵的第一气缸；所述第二连杆5、第二缸筒7、压盖9、第二皮碗20、第二气孔板13、第二端盖14、止逆阀16以及缸筒密封圈17组成所述气泵的第二气缸。所述第一气缸和所述第二气缸结构相同。
所述第一气孔板11、所述第一端盖12以及所述止逆阀16组成所述第一气缸的第一进出气口组件，为所述第一气缸提供进气和出气的通路；所述第二气孔板13、所述第二端盖14以及所述止逆阀16组成所述第二气缸的第二进出气口组件，为所述第二气缸提供进气和出气的通路。
所述第一气孔板11以及所述第二气孔板13分别为所述第一气缸和第二气缸的进气孔和出气孔的连接板。所述第一端盖12和所述第二端盖14分别用于所述第一气缸和第二气缸气体流入和流出气路密封、打开的载板。
所述第一进出气口组件中，所述止逆阀16位于第一气孔板11与第一端盖12之间；所述第二进出气口组件中，所述止逆阀16位于第二气孔板13与第二端盖14之间。如图3所示，所述止逆阀16的第一圆形阀片和第二圆形阀片随进出气流方向变换摆动方向，执行开或关的动作，起到通气和断气的作用，控制所述第一气缸和第二气缸进气气路和出气气路的打开与关闭。如图3和图4所示，所述止逆阀16的第一圆形阀片在进气时打开，出气时关闭；第二圆形阀片在进气时关闭，出气时打开。
如图4所示，所述止逆阀16的第一圆形阀片和第二圆形阀片为两侧弯折的结构形式，降低50％弯折次数；按照气流通过方向，第一圆形阀片和第二圆形阀片与止逆阀16主体连接部分厚度为止逆阀16厚度的1/2，既提高圆形阀片的响应速度，又能降低阻力，便于气流快速通过。
所述止逆阀16采用氟橡胶材质，保证使用过程中受热不变形，保证结构的稳定性。
所述第一进出气口组件工作原理如图3所示，在充气过程中，所述第一缸筒6中的气体推动所述止逆阀16的第一圆形阀片向外摆动，气流由第一气孔板11的出气口排出，此时所述止逆阀16的第二圆形阀片在气压作用下，为封闭状态，所述第一气缸完成充气(正压输出过程)；在抽气过程中，外界大气由第一气孔板11的进气口进入，并推动所述止逆阀16的第二圆形阀片向内摆动，气流进入到所述第一缸筒6中，此时所述止逆阀16的第一圆形阀片在气压作用下，为封闭状态，所述第一气缸完成抽气过程(负压抽真空过程)。
所述第二进出气口组件的工作原理与所述第一进出气口组件相同。
如图2和图5所示，所述本体1是所述第一气缸、所述第二气缸、所述偏心块2、所述轴承3、所述无刷电机8以及后盖板15的固定框架。所述第一气缸、所述第二气缸通过所述连接螺柱18固定在所述本体1上，对称分布。所述第一气缸中的第一连杆4和所述第二气缸的第二连杆5通过轴承3与偏心块2连接。所述第一皮碗10和第二皮碗20为聚四氟乙烯材料，在所述第一气缸和所述第二气缸中起到活塞密封的作用。压盖9通过螺钉将所述第一皮碗10与第一连杆4固定；通过螺钉将所述第二皮碗20与所述第二连杆5固定。所述第一连杆4和所述第二连杆5是所述第一气缸和第二气缸的活塞杆，推动所述第一皮碗10和第二皮碗20分别在所述第一气缸的第一缸筒6和所述第二气缸的所述第二缸筒7内往复运动。轴承3可以跟随所述第一皮碗10和第二皮碗20调整角度，使所述第一皮碗10和第二皮碗20具有更好的滑动密封性能。
所述无刷电机8的转轴通过止动螺钉19固定在偏心块2的偏心孔上，通过所述偏心块2同时驱动所述第一连杆4和所述第二连杆5做运动行程相同，运动方向相反的往复运动，也即第一连杆4推动所述第一皮碗10在所述第一缸筒6内，所述第二连杆5推动所述第二皮碗20在所述第二缸筒7内做行程相同，运动方向相反的水平往复运动。
所述缸筒密封圈17用于所述第一气缸和所述第二气缸的密封。
如图5-7所示，所述无刷电机8带动所述偏心块2转动，所述偏心块2驱动所述第一连杆4推动所述第一皮碗10在所述第一气缸的第一缸筒6内做直线往复运动，并驱动第二连杆5推动所述第二皮碗20在所述第二气缸的第二缸筒7内做直线往复运动，所述偏心块2的水平位移量是所述第一气缸和第二气缸的行程。所述无刷电机8转动1圈，所述第一气缸和所述第二气缸同步运动，完成一次往复运动。所述第一皮碗10和第二皮碗20与所述第一缸筒6和第二缸筒7内壁属于滑动密封形式。如图6所示，所述无刷电机8转动180°时，所述第一皮碗10和第二皮碗20行程达到最大，这是所述气泵的充气过程。如图3-6所示，在充气过程中，所述第一气缸中的第一连杆4推动所述第一皮碗10压缩所述第一缸筒6内空气，经过增压的气体推动所述止逆阀16的第一圆形阀片向外摆动，气流由第一气孔板11的出气口排出，此时所述止逆阀16的第二圆形阀片在气压作用下，为封闭状态，所述第一气缸完成充气(正压输出过程)；同样的，在此过程中，第二气缸中的第二连杆5推动所述第二皮碗20压缩所述第二缸筒7内空气，经过增压的气体推动所述止逆阀16的第一圆形阀片向外摆动，气流由第二气孔板13的出气口排出，此时所述止逆阀16的第二圆形阀片在气压作用下，为封闭状态，所述第二气缸与第一气缸同步完成充气(正压输出过程)。
所述无刷电机8继续转动180°，如图7所示，所述第一连杆4带动所述第一皮碗10回程、所述第二连杆5带动所述第二皮碗20回程，所述第一皮碗10和第二皮碗20回到初始位置，这是所述气泵的抽气过程。在此过程中，如图3-5所示，由于第一皮碗10和第二皮碗20回程，所述第一气缸和第二气缸内压力比外界大气压小，气压差使外界大气分别由所述第一气孔板11和第二气孔板13进入，并推动所述第一气缸和第二气缸的止逆阀16的第二圆形阀片向内摆动打开，气流进入到所述第一缸筒6和第二缸筒7中，此时所述第一气缸和第二气缸的止逆阀16的第一圆形阀片在气压作用下，为封闭状态，所述第一气缸和第二气缸同步进行抽气动作(负压抽真空过程)。
所述无刷电机8转动1圈，所述第一气缸和所述第二气缸同步运动，完成一个充气和抽气过程；所述无刷电机8持续转动，所述气泵充气和抽气循环，即气泵可持续通过出气口提供正压流量(充气)，通过进气口提供负压抽真空流量(抽气)。
以上只是对本发明其中的一个实施例进行了说明，但所述内容仅为本发明优选实施例，不能作为对本发明实施例的限定。凡是根据本发明申请范围所作的调整与优化等，仍属于本发明专利所涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种双气缸正负压双模式气泵包括：本体、第一气缸、第二气缸、驱动装置、第一偏心块、第二偏心块、轴承，以及后盖板；
所述本体是所述气泵的安装载体，为所述第一气缸、所述第二气缸、所述偏心块、所述轴承、所述无刷电机以及所述后盖板提供固定框架；
所述驱动装置是所述气泵的动力组件，为所述第一气缸、所述第二气缸提供增压和减压的动力；
所述第一气缸和所述第二气缸是所述气泵中产生并输出正压和负压气体流量的部件；
所述第一偏心块和第二偏心块分别与所述第一气缸和第二气缸可操作地连接，为所述第一气缸和所述第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩；
所述驱动装置能够带动所述第一偏心块和第二偏心块转动，为所述第一气缸和所述第二气缸提供气体增压和减压的水平力矩，使外界大气进入所述第一气缸和所述第二气缸内，或者使所述第一气缸和所述第二气缸内的压缩气体向外界大气排出，从而形成所述气泵稳定的正压和负压输出。
2.根据权利要求1所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一气缸包括第一连杆、第一缸筒、第一压盖、第一皮碗、第一进出气口组件，以及第一缸筒密封圈；
所述第二气缸包括第二连杆、第二缸筒、第二压盖、第二皮碗、第二进出气口组件，以及第二缸筒密封圈；
优选地，所述第一气缸和所述第二气缸在所述本体上基本对称分布。
3.根据权利要求2所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一气缸的第一进出气口组件包括：第一气孔板、第一端盖及第一止逆阀，为所述第一气缸提供进气和出气的通路；
所述第二气缸的第二进出气口组件包括：第二气孔板、第二端盖及第二止逆阀，为所述第二气缸提供进气和出气的通路；
所述第一气孔板及所述第二气孔板分别为所述第一气缸和第二气缸的进气孔和出气孔的连接板；所述第一端盖和所述第二端盖分别用于所述第一气缸和第二气缸气体流入和流出气路密封、打开的载板。
4.根据权利要求3所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一止逆阀位于所述第一气孔板与所述第一端盖之间；所述第二止逆阀位于所述第二气孔板与所述第二端盖之间；
所述第一止逆阀包括第一进气阀片和第一出气阀片；所述第二止逆阀包括第二进气阀片和第二出气阀片；
所述第一进气阀片和第二进气阀片在进气时打开，出气时关闭；第一出气阀片和第二出气阀片在进气时关闭，出气时打开。
5.根据权利要求4所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一进气阀片、第一出气阀片、第二进气阀片和第二出气阀片为圆形的两侧弯折的结构，以降低工作过程中的弯折次数；
按照气流通过方向，第一进气阀片、第一出气阀片、第二进气阀片和第二出气阀片与止逆阀主体连接部分的厚度比止逆阀厚度在气流进入方向减小1/2；
优选地，所述第一止逆阀和/或第二止逆阀采用氟橡胶材质。
6.根据权利要求2所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一压盖将所述第一皮碗与第一连杆固定；所述第二压盖将所述第二皮碗与第二连杆固定；
所述第一连杆和所述第二连杆分别在所述第一偏心块和所述第二偏心块的驱动下推动所述第一皮碗在所述第一气缸的所述第一缸筒内往复运动，以及所述第二皮碗在所述第二气缸的所述第二缸筒内往复运动；所述第一皮碗和第二皮碗在所述第一缸筒和所述第二缸筒内往复运动过程中可滑动地密封；
优选地，所述轴承可以跟随所述第一皮碗及第二皮碗调整角度；
优选地，所述第一皮碗和/或第二皮碗使用聚四氟乙烯材料。
7.根据权利要求2所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述驱动装置为无刷电机，所述无刷电机的转轴分别与所述第一偏心块和所述第二偏心块的偏心孔固定，通过所述第一偏心块和所述第二偏心块同时驱动所述第一连杆和所述第二连杆做运动行程相同、运动方向相反的往复运动，从而第一连杆推动所述第一皮碗在所述第一缸筒内水平往复运动，以及所述第二连杆推动所述第二皮碗在所述第二缸筒内水平往复运动。
8.根据权利要求7所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述第一偏心块与第二偏心块被配置为使得所述第一皮碗和所述第二皮碗的水平往复运动的运动行程相同、运动方向相反。
9.根据权利要求7所述的双气缸正负压双模式气泵，其特征在于，所述双气缸正负压双模式气泵的工作过程包括正压输出过程和负压抽真空过程；
在所述正压输出过程中，所述第一气缸中的第一连杆推动所述第一皮碗压缩所述第一缸筒内的空气，第二气缸中的第二连杆推动所述第二皮碗压缩所述第二缸筒内空气，经过增压后所述第一气缸和所述第二气缸内压力比外界大气压大，所述第一气缸和所述第二气缸内的气压推动所述第一止逆阀和第二止逆阀的第一出气阀片和第二出气阀片向外摆动，气流由所述第一气孔板和所述第二气孔板的出气口排出，此时所述第一阀片和第二进气阀片在气压作用下，为封闭状态；
充气过程结束后，在所述负压抽真空过程中，所述无刷电机继续转动180°，所述第一连杆和所述第二连杆带动所述第一皮碗和第二皮碗回程，所述第一气缸和所述第二气缸内压力比外界大气压小，气压差使外界大气分别由所述第一气孔板和所述第二气孔板进入，并推动所述第一进气阀片和第二进气阀片向内摆动打开，气流进入到所述第一缸筒和所述第二缸筒中，此时所述第一气缸和第二气缸的第一出气阀片和第二出气阀片在气压作用下，为封闭状态；
所述无刷电机持续转动，由此持续地通过第一出气口和第二出气口提供正压流量，通过第一进气口和第二进气口提供负压抽真空流量。
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