CN113892441B - 一种四转臂多自由度动物离心机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四转臂多自由度动物离心机，包括传动支撑系统、四转臂系统和双轴转动动物载台系统；传动支撑系统支撑四转臂系统在动力作用下以旋转主轴为圆心沿水平地面做回转转动，四转臂系统包括双轴转动动物载台系统，双轴转动动物载台系统中的摆动板可在步进电机推杆的作用下，使得摆动板围绕短轴的轴心做往复摆动。在摆动板上安装有电动旋转台，电动旋转台可带动动物固定平台做旋转运动。通过三者运动的复合叠加，以模拟真实的飞行环境，满足所实验需要的离心加速度和离心加速度变化率，本发明具有结构简单、工作可靠、运行功耗低等优点，在对动物进行离心处理的实验研究中使用，用于解决航空医学实验中动物离心处理的问题。
Description
技术领域
本发明属于动物离心处理的医学实验设备，用于动物离心处理的医学实验，涉及一种四转臂多自由度动物离心机。
背景技术
随着我国航空航天事业的蓬勃发展和中国空间站计划逐步完成，新一代战斗机的机动性能、战斗性能越来越强大，载人飞船、运载火箭的发射也越来越频繁。因此，飞行人员如果长期暴露在高G值环境下，可引发飞行人员的意识丧失G-LOC等问题，严重危害飞行人员生命安全，影响飞行任务。并且由于飞行人员进行高G值实验研究，实验后的研究材料很难获取且对飞行人员的身体也有严重损害。
因此，以动物来替代人体，对动物的机体进行离心处理，研究动物机体中各生理系统出现一系列的适应性变化，为进一步研究提供实验依据，这也是航天航空医学研究中的重要手段。动物离心机和载人离心机同属于生物离心机。但由于动物相比较于人类，身体有更高的耐受性，可以承受更高的加速度和加速度变化率，因此动物离心机对于载人离心机来说，在综合性能上就有更高的要求。动物离心机作为航空医学研究中的重要设备，对于医学研究人员建立+Gz加速度动物模型，开展航空生理条件下的病理研究具有重要意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种四转臂多自由度动物离心机，针对航空医学实验中动物离心处理的问题，设计一种四转臂多自由度动物离心机，该动物离心机具有结构简单、工作可靠、运行功耗低等优点，在对动物进行离心处理的实验研究中使用，用于解决航空医学实验中动物离心处理的问题。
技术方案
一种四转臂多自由度动物离心机，其特征在于包括支撑系统1、四转臂系统2以及安装于臂端的双轴转动动物载台系统3；所述支撑系统1包括基座8、主电机6、传动轴5、主动齿轮4、减速器7、静止支撑10、回转支承11和旋转主轴12；主电机6、减速器7和静止支撑10固定于基座8上，减速器7连接主电机6，减速器7连接传动轴5，传动轴5连接主动齿轮4，主动齿轮4与回转支承11的齿轮啮合连接；回转支承11内圈32与静止支撑10连接，外圈31与旋转主轴12的底部连接，旋转主轴12与四转臂系统2的轴心连接；所述双轴转动动物载台系统3包括动物固定平台18、L板19、L板21、电动旋转台22、摆动板23、轴承座24、动物平台座26、旋转电机34、推杆电机33；动物固定平台18固定于动物平台座26上，动物平台座26的下端面与电动旋转台22连接，电动旋转台22放置在摆动板23上，摆动板23上的两端通过短轴25与轴承座24连接；摆动板23通过上L板19连接步进电机33的推杆20，推杆下端连接下L板21；所述四转臂系统2的顶端设有凹形垂直支架14和凹形底部的加强板13，垂直支架14两侧的通孔与双轴转动动物载台系统3的两个轴承座24连接，加强板13与双轴转动动物载台系统3的下L板连接；四转臂系统2在主电机6作用下以旋转主轴12为圆心带动双轴转动动物载台系统3沿水平地面做回转转动；动物固定平台18受旋转电机34作用做旋转运动；推杆电机33使得步进电机推杆20伸长缩短时，带动摆动板23和动物固定平台18做俯仰摆动，通过三者运动的复合叠加来模拟实验飞行环境。
四转臂中部固定控制柜17，柜门方向位于两相邻所述转臂的中间，通过三角安装板16与转臂相互固定；控制柜17内置控制系统，控制系统与主电机6、四个臂上的推杆电机33和旋转电机34电连接。
所述旋转主轴12包括方轴28、上安装板27、下安装板29和底板30，所述方轴28上自顶往下固定有上安装板27、下安装板29、底板30，连接所述的上安装板27和转臂15内端的顶面固定连接，所述下安装板29伸出端的侧面有所述转臂15的安装孔，所述转臂15的两侧面和下安装板29固定连接，所述底板30和回转支承11的外圈31固定连接。
所述的动物固定平台18为矩形对称结构，所述动物固定平台18中心圆形区域有动物平台座26的安装过孔，所述动物固定平台18除了中心圆形区域其余有均匀分布有长条孔，所述动物固定平台18的四周进行了折边处理。
所述的转臂15的截面为C字型结构且开口朝下。
所述的转臂15的两侧面和顶面均匀设有椭圆孔。
有益效果
本发明提出的一种四转臂多自由度动物离心机，包括传动支撑系统、四转臂系统和双轴转动动物载台系统；传动支撑系统支撑四转臂系统在动力作用下以旋转主轴为圆心沿水平地面做回转转动，四转臂系统的上部分包括有控制柜，双轴转动动物载台系统设置在四转臂系统外端并通过轴承座相互连接；双轴转动动物载台系统中的摆动板可在步进电机推杆的作用下，使得摆动板围绕短轴的轴心做往复摆动。在摆动板上安装有电动旋转台，电动旋转台可带动动物固定平台做旋转运动。通过三者运动的复合叠加，以模拟真实的飞行环境，满足所实验需要的离心加速度和离心加速度变化率，本发明具有结构简单、工作可靠、运行功耗低等优点，在对动物进行离心处理的实验研究中使用，用于解决航空医学实验中动物离心处理的问题。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明的四转臂系统最大优势在于一次可以进行两组、一组两个的对照实验，每次的实验数据为对角线的两个动物固定平台数据组成，这样大大提高了实验效率，有助于研究人员更好的进行实验方案的设计。在结构满足强度要求的情况下，转臂采用钢板折弯成型，将板材折弯成C字型，并在上方和两侧按照一定比例挖椭圆孔，减轻转臂质量的同时减少风阻。在转臂的末端有加强筋，用来提高转臂的刚度。这种结构相比较于桁架结构，结构简单、整体性好、对焊接加工要求不高，且在运行的过程中不会由于焊接导致质量分布不均产生晃动，保证了转臂的精度和可靠性。
在双轴转动动物载台系统中，步进电动推杆通过两个可调节L板分别和摆动板和转臂固定，可以通过调节两个L板的尺寸参数使得摆动的极限角度发生改变。采用步进电机推杆机构首先结构简单，使复杂的圆周运动转化成了简单的直线运动，并且步进电机推杆自带限位，提高了设备的安全性和可靠性。在动物固定平台上均匀分布有长条孔，目的一是为了尽可能减轻质量，减少惯动转量；二是方便通过捆绑法固定实验动物。动物固定平台四周进行折边处理，用于加强平台的刚度，使得在使用工作中不易变形。
附图说明
图1是本发明的一种总体结构示意图；
图2是本发明中的传动支撑系统示意图；
图3是本发明中的四转臂系统示意图；
图4是本发明中的双轴转动动物载台系统示意图；
图5是本发明中的旋转主轴示意图；
图6是本发明中的回转支承示意图；
图7是本发明中的双轴转动动物载台系统部分结构示意图。
图中：1：传动支撑系统；2：四转臂系统；3：双轴转动动物载台系统；4：主动齿轮；5：传动轴；6：主电机；7：减速器；8：基座；9：减速器安装板；10：静止支撑；11：回转支承；12：旋转主轴；13：加强板；14：垂直支架；15：转臂；16：三角安装板；17：控制柜；18：动物固定平台；19：上L板；20：步进电动推杆；21：下L板；22：电动旋转台；23：摆动板；24：轴承座；25：短轴；26：动物平台座；27：上安装板；28：方轴；29：下安装板；30：底板；31：回转支承内圈；32：回转支承外圈；33：推杆电机；34：旋转电机。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明实施例采用的技术方案包括传动支撑系统1、四转臂系统2、双轴转动动物载台系统3；传动支撑系统1支撑四转臂系统2在动力作用下以旋转主轴12为圆心沿水平地面做回转转动，满足所实验需要的离心加速度和离心加速度变化率。四转臂系统2的上部分包括有控制柜17，双轴转动动物载台系统3设置在四转臂系统2的外端的垂直支架14之间，并通过轴承座24和垂直支架14相互连接，通过复合多轴运动轨迹，来模拟飞行实验环境。
所述的传动支撑系统1包括基座8、主电机6、减速器7、减速器安装板9、传动轴5、主动齿轮4、静止支撑10、回转支承11和旋转主轴12；所述的主电机6和减速器7设置在基座8上，所述的基座8上设置有静止支撑10和减速器安装板9的安装孔，所述主电机6的输出端连接减速器7，所述传动轴5的一端与所述减速器7的输出端连接，另一端与所述主动齿轮4固定连接，所述静止支撑10上端与回转支承11的内圈32下面固定连接，所述旋转主轴12的底板30与回转支承11的外圈31上面固定连接，所述回转支承11的外圈31侧面齿轮和主动齿轮4相互啮合。
如图2和图3所示，所述传动支撑系统1中静止支撑10安装于基座8上，从下向往上分别由静止支撑10、回转支承11和旋转主轴12三部分组成，回转支承11通过螺栓与上下部分连接，回转支承11的内圈32下面和静止支撑10固定连接，回转支承11的外圈31上面和旋转主轴12的底板30固定连接，所述回转支承11的外圈31侧面齿轮和主动齿轮4相互啮合，通过回转支承11传递力和力矩给旋转主轴12，所述旋转主轴12上安装有四个转臂15，旋转主轴12带动转臂15做旋转运动，四个转臂15两两对称，相邻转臂15成互为90°夹角分布，目的在于保证动物离心机整体的平衡性和合理性。四个转臂15通过三角安装板16和控制柜17相互固定。在基座8上设置有静止支撑10和减速器安装板9的安装孔，所述主电机6的输出端连接减速器7，减速器7通过减速器安装板9固定在基座8上，减速器7输入端连接主电机6，减速器7输出端连接传动轴5，所述传动轴5上安装有主动齿轮4。
所述的四转臂系统2包括转臂15、控制柜17，三角安装板16，所述转臂15的一端与所述旋转主轴12固定连接，另一端为设置有两个垂直支架14的半圆结构，所述两个垂直支架14左右分布且水平设置，所述两个垂直支架14中间安装有双轴转动动物载台系统3，所述的两个垂直支架14之间的下方固定连接有加强板13，所述转臂15与旋转主轴12连接的一端上放置有控制柜17，所述控制柜17的柜门方向位于两相邻所述转臂15的中间，所述控制柜17通过三角安装板16和转臂15相互固定。
所述的双轴转动动物载台系统3包括步进电机推杆20、上L板19、下L板21、摆动板23、短轴25、轴承座24、电动旋转台22、动物平台座26、推杆电机33、旋转电机34和动物固定平台18；所述轴承座24固定安装在转臂15外端的垂直支架14上，所述轴承座24通过短轴25与摆动板23转动连接，所述摆动板23上放置有电动旋转台22，所述电动旋转台22上有动物平台座26的安装孔，所述的动物平台座26下端面和上端面分析别与所述电动旋转台22和动物固定平台18固定连接，所述摆动板23上有电动旋转台22和上L板19的安装孔，所述加强板13上有下L板的安装孔，所述步进电机推杆20的伸缩端和固定端分别于上L板19和下L板21固定连接，上L板19和下L板21分别于所述摆动板23和加强板13固定连接。
如图4所示，本发明中的双轴转动动物载台系统3包括步进电机推杆20、上L板19、下L板21、摆动板23、短轴25、轴承座24、电动旋转台22、动物平台座26、推杆电机33、旋转电机34和动物固定平台18，双轴转动动物载台系统3中的轴承座24通过短轴25与摆动板23相连接，所述摆动板23可围绕短轴25的轴心摆动，在摆动板23上有电动旋转台22的安装孔，用于固定安装电动旋转台22，所述电动旋转台22上安装有动物平台座26，动物平台座26采用镂空设计，目的是减少质量，并与动物固定平台18固定连接。电动旋转台22通过旋转电机34可带动动物固定平台18做360°旋转运动；所述的动物固定平台18为矩形对称结构，动物固定平台18中心圆形区域有动物平台座18的安装过孔，所述动物固定平台18除了中心圆形区域其余有均匀分布有长条孔，目的一是为了尽可能减轻质量，减少惯动转量，二是方便通过捆绑法固定实验动物；所述动物固定平台18的四周进行了折边处理，用于加强动物固定平台18的刚度，使得在使用工作中不易变形。
所述摆动板23上分别有电动旋转台22和上L板19的安装孔，所述上L板19一端固定安装在摆动板23上，另一端和步进电机推杆20的伸缩端连接；所述加强板13上有下L板21的安装孔，所述下L板21一端固定连接在转臂15的加强板13上，另一端和步进电机推杆20的固定端相连接，所述步进电动推杆20可通过两个可调节上L板19、下L板21的尺寸参数使得动物固定平台18摆动的极限角度发生改变，从而满足不同的实验要求。当步进电机推杆20伸长缩短时，推杆电机33会带动摆动板23和动物固定平台18做往复摆动，以模拟飞行过程中的仰俯运动。通过传动支撑系统1和双轴转动动物载台系统3的复合运动，模拟飞行环境，完成动物的离心处理。
所述的动物固定平台18为矩形对称结构，所述动物固定平台18中心圆形区域有动物平台座26的安装过孔，所述动物固定平台18除了中心圆形区域其余有均匀分布有长条孔，所述动物固定平台18的四周进行了折边处理。
如图5所示，本发明中的旋转主轴12包括方轴28、上安装板27、下安装板29和底板30，所述方轴28上自顶往下固定有上安装板27、下安装板29、底板30，连接所述的上安装板27和转臂15内端的顶面固定连接，所述下安装板29伸出端的侧面有所述转臂15的安装孔，所述转臂15的两侧面和下安装板29固定连接，所述底板30和回转支承11的外圈31固定连接，所述回转支承11外圈31在动力作用下旋转运动时，旋转主轴12同时也会一起做旋转运动。
所述的转臂15为C字型结构且开口朝下，所述转臂15外端为两垂直支架14的半圆结构，所述的两个垂直支架14之间的下方固定连接有加强板13，用于提高转臂15的刚度。所述转臂15内端顶面有旋转主轴12上安装板27的安装过孔，所述转臂15内端两侧面有旋转主轴12下安装板29的安装过孔，所述转臂15两侧面和顶面按照一定比例挖有椭圆孔。，减轻转臂质量的同时减少风阻，当旋转主轴12转动时也会带动四转臂系统2一起转动。
Claims (6)
1.一种四转臂多自由度动物离心机，其特征在于包括支撑系统(1)、四转臂系统(2)以及安装于臂端的双轴转动动物载台系统(3)；所述支撑系统(1)包括基座(8)、主电机(6)、传动轴(5)、主动齿轮(4)、减速器(7)、静止支撑(10)、回转支承(11)和旋转主轴(12)；主电机(6)、减速器(7)和静止支撑(10)固定于基座(8)上，减速器(7)连接主电机(6)，减速器(7)连接传动轴(5)，传动轴(5)连接主动齿轮(4)，主动齿轮(4)与回转支承(11)的齿轮啮合连接；回转支承(11)内圈(32)与静止支撑(10)连接，外圈(31)与旋转主轴(12)的底部连接，旋转主轴(12)与四转臂系统(2)的轴心连接；所述双轴转动动物载台系统(3)包括动物固定平台(18)、L板(19)、L板(21)、电动旋转台(22)、摆动板(23)、轴承座(24)、动物平台座(26)、旋转电机(34)、推杆电机(33)；动物固定平台(18)固定于动物平台座(26)上，动物平台座(26)的下端面与电动旋转台(22)连接，电动旋转台(22)放置在摆动板(23)上，摆动板(23)上的两端通过短轴(25)与轴承座(24)连接；摆动板(23)通过上L板(19)连接步进电机(33)的推杆(20)，推杆下端连接下L板(21)；所述四转臂系统(2)的顶端设有凹形垂直支架(14)和凹形底部的加强板(13)，垂直支架(14)两侧的通孔与双轴转动动物载台系统(3)的两个轴承座(24)连接，加强板(13)与双轴转动动物载台系统(3)的下L板连接；四转臂系统(2)在主电机(6)作用下以旋转主轴(12)为圆心带动双轴转动动物载台系统(3)沿水平地面做回转转动；动物固定平台(18)受旋转电机(34)作用做旋转运动；推杆电机(33)使得步进电机推杆(20)伸长缩短时，带动摆动板(23)和动物固定平台(18)做俯仰摆动，通过三者运动的复合叠加来模拟实验飞行环境。
2.根据权利要求1所述四转臂多自由度动物离心机，其特征在于：四转臂中部固定控制柜(17)，柜门方向位于两相邻所述转臂的中间，通过三角安装板(16)与转臂相互固定；控制柜(17)内置控制系统，控制系统与主电机(6)、四个臂上的推杆电机(33)和旋转电机(34)电连接。
3.根据权利要求1所述四转臂多自由度动物离心机，其特征在于：所述旋转主轴(12)包括方轴(28)、上安装板(27)、下安装板(29)和底板(30)，所述方轴(28)上自顶往下固定有上安装板(27)、下安装板(29)、底板(30)，连接所述的上安装板(27)和转臂(15)内端的顶面固定连接，所述下安装板(29)伸出端的侧面有所述转臂(15)的安装孔，所述转臂(15)的两侧面和下安装板(29)固定连接，所述底板(30)和回转支承(11)的外圈(31)固定连接。
4.根据权利要求1所述四转臂多自由度动物离心机，其特征在于：所述的动物固定平台(18)为矩形对称结构，所述动物固定平台(18)中心圆形区域有动物平台座(26)的安装过孔，所述动物固定平台(18)除了中心圆形区域其余有均匀分布有长条孔，所述动物固定平台(18)的四周进行了折边处理。
5.根据权利要求1所述四转臂多自由度动物离心机，其特征在于：所述的转臂(15)的截面为C字型结构且开口朝下。
6.根据权利要求1或5所述四转臂多自由度动物离心机，其特征在于：所述的转臂(15)的两侧面和顶面均匀设有椭圆孔。
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