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CN107943126A - 一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统 - Google Patents

一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统 Download PDF

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CN107943126A
CN107943126A CN201711236259.6A CN201711236259A CN107943126A CN 107943126 A CN107943126 A CN 107943126A CN 201711236259 A CN201711236259 A CN 201711236259A CN 107943126 A CN107943126 A CN 107943126A
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桑枝月
任柳星
赵楠
秦靖淳
占银
商艺琢
黄大年
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Abstract

基于气压变压器调节的仿生血管测试系统属于仿生液压管路技术领域，目的在于解决现有技术中存在的功能单一、传输稳定性差、输送效率低以及管路柔性差的问题。本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统包括：仿生管路，所述仿生管路包括以褶皱形式分布的管路内壁和管路外壁；设置在所述仿生管路外的人造肌肉部分，所述人在肌肉部分包括以褶皱形式分布的肌肉内壁和肌肉外壁，所述肌肉内壁通过与管壁材料相同的弹性材料和所述管路外壁柔性连接；设置在所述仿生管路端口处的管路连接部分，实现相邻两个管路之间的连接；以及传动介质测试部分，通过所述传动介质测试部分测量仿生管路内介质的流速和流量。

Description

一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统
技术领域
本发明属于仿生液压管路技术领域，具体涉及一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统。
背景技术
传统的液压管路有硬管、软管；硬管都是金属材料，包括无缝钢管、有缝钢管、紫铜管；软管多根据系统压力选择，包括耐油橡胶软管、耐油塑料管及尼龙管。传统液压管路功能单一，只起到连接元件和输送介质的作用，介质在液压管路间运动时，受到管路沿程阻力、外界温度、介质压力和负载等因素的影响，从而降低了介质传输的稳定性，输送效率低；通常情况下，介质的动力全部来源于管路外的动力源，在管路内则一直受到各种阻力的影响导致动能持续下降，脉动现象明显。同时传统液压管路柔性较差，对于拉伸、收缩、转弯和蠕动的实现较为困难，很难将之用于人体血管的仿生。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，解决现有技术中存在的功能单一、传输稳定性差、输送效率低以及管路柔性差的问题。
为实现上述目的，本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统包括：
仿生管路，所述仿生管路包括以褶皱形式分布的管路内壁和管路外壁；
设置在所述仿生管路外的人造肌肉部分，所述人在肌肉部分包括以褶皱形式分布的肌肉内壁和肌肉外壁，所述肌肉内壁通过与管壁材料相同的弹性材料和所述和所述管路外壁柔性连接；
设置在所述仿生管路端口处的管路连接部分，实现相邻两个管路之间的连接；
以及传动介质测试部分，通过所述传动介质测试部分测量仿生管路内介质的流速和流量。
所述测试系统还包括管路连接部分，所述管路连接部分为遇到仿生管路内介质溶解的固体管道，所述仿生管路两端设置有45°断口，所述固体管道内嵌与所述仿生管路的两端，所述固体管道由溶于管路内传动介质的有机物构成，所述固体管道根据管路内传动介质性质的不同，选取不同的由易溶于管路内传动介质的小分子有机物构成，比如食盐易溶于水，难溶于油。
所述仿生管路的管路内壁和管路外壁之间形成腔体，所述腔体通过多个分隔壁分成多个管腔，每个管腔内包含多个分形腔。
所述测试系统还包括注射装置及气体供给系统；所述注射装置由连接到管腔内的多个软管组成，所述气体供给系统通过注射装置和所述第一气体腔连接注入气体，使所述第一气体腔为恒压。
所述气体供给系统包括：
动力系统，所述动力系统包括电动机、变速箱、高压泵、低压泵、过滤器和气体箱；电动机通过联轴器与变速箱相连接，变速箱的两个输出轴分别连接高压泵和低压泵，高压泵和低压泵之间通过单向阀连接，低压泵通过过滤器与气体箱相连，并与一个溢流阀并联；
传动系统，包括计算机采控系统、三位四通电磁换向阀Ⅰ、三位四通电磁换向阀Ⅱ、高压蓄能器和低压蓄能器；高压泵和低压泵的输出端分别连接高压蓄能器和低压蓄能器，高压蓄能器分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ的进气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ的回气口，低压蓄能器分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ的回气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ的进气口，计算机采控系统监测气体压力并连接三位四通电磁换向阀Ⅰ和三位四通电磁换向阀Ⅱ的电磁控制器；
以及恒压网络部分，所述恒压网络部分包括气压缸、气压变压器、流量计和压力计；两个气压缸分别与三位四通电磁换向阀Ⅰ的输出端和三位四通电磁换向阀Ⅱ连接，气压缸的运动控制高压泵和气压变压器的排量，气压变压器分别与高压蓄能器输出的高压网络、低压蓄能器输出的低压网络及其注射装置相连，连接处安装有流量计和压力计，整个恒压网络部分并联有一个溢流阀。
所述分形腔内设置有含无机盐、小分子蛋白质及其各种元素离子组成的仿生组织液。
所述人造肌肉部分的肌肉内壁和肌肉外壁之间包括多个弹性腔和多个第二气体腔，多个所述第二气体腔通过分隔壁壁面的多个蜂窝状小孔连通，通过调节模块控制所述弹性腔和第二气体腔膨胀或收缩。
所述调节模块包括微型泵、微型单向阀和微型蓄能器；每个微型泵和一个弹性腔连接，带动弹性腔内物质的输入和输出，微型蓄能器通过单向阀和第二气体腔连通，实现第二气体腔的膨胀与收缩，由于各个第二气体腔相互连通，不需要与微型蓄能器一一对应，只需均匀分布即可；
所述传动介质测试部分包括：
设置在仿生管路一端的粒子图像测速器，包括观测设备和激光器，激光器发射示踪粒子，然后由观测设备完成离子运动情况的运动状态跟踪，实现测速功能；
伸入到仿生管路内部的卡夹式流量仪；
以及八点式贴附于仿生管路内壁褶皱中的应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、角度传感器和表面粘度仪，测量仿生血管的拉伸及收缩形变量、扭转角度和仿生血管内介质粘度数据。
本发明的有益效果为：本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统设计了一种通过多个微型泵、单向阀和微型蓄能器来控制弹性腔和第二气体腔的膨胀和收缩的人造肌肉，并且人造肌肉的肌肉内壁和肌肉外壁以褶皱形式帮助实现仿生管路的弯曲、延伸、蠕动、转弯等动作的控制。管路外壁与肌肉内壁柔性连接，管路内壁和管路外壁均以褶皱形式存在，可自由的拉伸收缩不影响管壁特性，仿生管路的管路外壁和管路内壁之间的管腔内含仿生组织液、无机盐、营养物质等物质用以保持仿生血管的盐温特性；各管腔内又包含多个分腔，其内可通过分腔注射方式供给气体作为气体腔，通过气体供给系统保持恒压，满足仿生血管的压力特性。设计了恒压网络的气体供给系统，管路的第一气体腔通过注射装置与恒压网络部分相连。在仿生血管左右两端设置45°断口，端口处的仿生管路内嵌有易溶于管路内介质的固体小分子有机物，从而可以实现不同仿生管路间的快速移植。利用piv测试器测量管内介质的流速；通过卡夹式流量仪测量流过仿生血管的介质流量；仿生管路内壁褶皱8点式粘附有应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、角度传感器和表面粘度仪，分别测量仿生血管的拉伸、收缩等形变量、扭转角度和仿生血管内介质粘度等数据。
附图说明
图1为本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统结构示意图；
图2为图1中Ⅰ部局部放大图；
图3为图1中Ⅱ部局部放大图；
图4为本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统中气体供给系统示意图；
其中：1、仿生管路，101、管路内壁，102、管路外壁，103、分隔壁，104、第一气体腔，105、分形腔，2、人造肌肉部分，201、肌肉内壁，202、肌肉外壁，203、弹性腔，204、第二气体腔，205、微型泵，206、微型蓄能器，207、微型单向阀，3、传动介质测试部分，301、观测设备，302、激光器，303、卡夹式流量仪，304、应变片Ⅰ，305、应变片Ⅱ，306、角度传感器，307、表面粘度仪，4、管路连接部分，5、注射装置，6、气体供给系统，601、电动机，602、联轴器，603、变速箱，604、高压泵，605、低压泵，606、过滤器，607、气体箱，608、计算机采控系统，609、三位四通电磁换向阀Ⅰ，610、三位四通电磁换向阀Ⅱ，611、高压蓄能器，612、低压蓄能器，613、气压缸，614、气压变压器，615、流量计，616、压力计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1-附图4，本发明的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统包括：
仿生管路1，所述仿生管路1包括以褶皱形式分布的管路内壁101和管路外壁102；
设置在所述仿生管路1外的人造肌肉部分2，所述人在肌肉部分包括以褶皱形式分布的肌肉内壁201和肌肉外壁202，所述肌肉内壁201通过与管壁材料相同的弹性材料和所述管路外壁102柔性连接；
设置在所述仿生管路1端口处的管路连接部分4，实现相邻两个管路之间的连接；
以及传动介质测试部分3，通过所述传动介质测试部分3测量仿生管路1内介质的流速和流量。
所述测试系统还包括管路连接部分4，所述管路连接部分4为遇到仿生管路1内介质溶解的固体管道，所述仿生管路1两端设置有45°断口，所述固体管道内嵌与所述仿生管路1的两端，所述固体管道根据管道内传动介质性质的不同，选取不同的由易溶于管路内传动介质的小分子有机物构成，比如食盐易溶于水，难溶于油。
所述仿生管路1的管路内壁101和管路外壁102之间形成腔体，所述腔体通过多个分隔壁103分成多个管腔，每个管腔内包含多个分形腔105。
所述测试系统还包括注射装置5及气体供给系统6，所述气体供给系统6通过注射装置5和所述第一气体腔104连接注入气体，使所述第一气体腔104为恒压。
所述气体供给系统6包括：
动力系统，所述动力系统包括电动机601、变速箱603、高压泵604、低压泵605、过滤器606和气体箱607；电动机601通过联轴器602与变速箱603相连接，变速箱603的两个输出轴分别连接高压泵604和低压泵605，高压泵604和低压泵605之间通过单向阀连接，低压泵605通过过滤器606与气体箱607相连，并与一个溢流阀并联；
传动系统，包括计算机采控系统608、三位四通电磁换向阀Ⅰ609、三位四通电磁换向阀Ⅱ610、高压蓄能器611和低压蓄能器612；高压泵604和低压泵605的输出端分别连接高压蓄能器611和低压蓄能器612，高压蓄能器611分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ609的进气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ610的回气口，低压蓄能器612分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ609的回气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ610的进气口，计算机采控系统608监测气体压力并连接三位四通电磁换向阀Ⅰ609和三位四通电磁换向阀Ⅱ610的电磁控制器；
以及恒压网络部分，所述恒压网络部分包括气压缸613、气压变压器614、流量计615和压力计616；两个气压缸613分别与三位四通电磁换向阀Ⅰ609的输出端和三位四通电磁换向阀Ⅱ610连接，气压缸613的运动控制高压泵604和气压变压器614的排量，各个气压变压器614分别与高压蓄能器611输出的高压网络、低压蓄能器612输出的低压网络及其注射装置5相连，连接处安装有流量计615和压力计616，整个恒压网络部分并联有一个溢流阀，连接处安装有流量计615和压力计616，整个恒压网络部分并联有一个溢流阀来保护气压回路。
所述管腔内设置有含无机盐、小分子蛋白质及其各种元素离子组成的仿生组织液。
所述人造肌肉部分2的肌肉内壁201和肌肉外壁202之间包括多个弹性腔203和多个第二气体腔204，多个所述第二气体腔204通过分隔壁103壁面的多个蜂窝状小孔连通，通过调节模块控制所述弹性腔203和第二气体腔204膨胀或收缩。分隔壁103只起到边界和支撑作用，气体可以在各个第二气体腔204内流通。
所述调节模块包括微型泵205、微型单向阀207和微型蓄能器206；每个微型泵205和一个弹性腔203连接，带动弹性腔203内物质的输入和输出，微型蓄能器206通过单向阀和第二气体腔204连通，实现第二气体腔204的膨胀与收缩；而由于各个第二气体腔204相互连通，不需要与微型蓄能器206一一对应，只需均匀分布即可。
所述传动介质测试部分3包括：
设置在仿生管路1一端的粒子图像测速器，包括观测设备301和激光器302；
伸入到仿生管路1内部的卡夹式流量仪303；
以及八点式贴附于仿生管路1内壁褶皱中的应变片Ⅰ304、应变片Ⅱ305、角度传感器306和表面粘度仪307，测量仿生血管的拉伸及收缩形变量、扭转角度和仿生血管内介质粘度数据。一般的圆柱类材料的应力、应变测试，都是测量八个方向的参数，面对截面，有上、下、左、右，还有四个方向的45度夹角的四个位置，本发明中提到的八点式即为该八个方向上的位置。
本发明的基于气压变压器调节的仿生血管测试系统具体工作状态如下：
通过多个微型泵205、微型单向阀207和微型蓄能器206来控制弹性腔203和第二气体腔204的膨胀和收缩的人造肌肉，并且人造肌肉的肌肉内壁201、肌肉外壁202以褶皱形式帮助实现仿生管路1的弯曲、延伸、蠕动、转弯等动作的控制。管路外壁102与肌肉内壁201柔性连接，管路内壁101和管路外壁102也均以褶皱形式存在，可自由的拉伸收缩不影响管壁特性，管路内壁101和管路外壁102间的管腔内含仿生组织液、无机盐、营养物质等物质用以保持仿生血管的盐温特性；各管腔内又包含多个分腔，其内可通过分腔注射方式供给气体作为第一气体腔104，通过气体供给系统6保持恒压，满足仿生血管的压力特性。第一气体腔104通过注射装置5与恒压网络部分相连，保持气体供给的恒压特性。在仿生管路1左右两端设置45°断口，断口处的仿生管路1内嵌有由易溶于管路内介质的小分子有机物组成的固体管道，从而可以实现不同仿生管路1间的快速移植。利用piv测试器测量管内介质的流速；通过卡夹式流量仪303测量流过仿生管路1的介质流量；仿生管路1的管路内壁101褶皱8点式粘附有应变片Ⅰ304、应变片Ⅱ305、角度传感器306和表面粘度仪307，分别测量仿生血管的拉伸、收缩等形变量、扭转角度和仿生血管内介质粘度数据。
本发明中的分形腔105内存放仿生组织液，实现仿生管路盐温特性；第一气体腔104实现仿生管路的压力特性。第二气体腔204主要作用是实现仿生管路的蠕动、转弯、拉伸、收缩等运动。
恒压网络的气体供给系统6中计算机采控系统608监测气体压力并连接三位四通电磁换向阀Ⅰ609和三位四通电磁换向阀Ⅱ610来控制阀芯的开闭大小，从而控制通过的气体流量。电动机601通过联轴器602与变速箱603相连接，变速箱603输出两个轴分别连接高压泵604和低压泵605，高压泵604和低压泵605之间连接有一个单向阀，低压泵605通过过滤器606与气体箱607相连，并与一个溢流阀并联，高压泵604和低压泵605的输出端分别连接高压蓄能器611、低压蓄能器612，然后分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ609和三位四通电磁换向阀Ⅱ610的输入、输出端，控制气压缸613的运动，进而控制高压泵604和气压变压器614的排量实现恒压的控制，气压变压器614与注射装置5相连，并安装有流量计615、压力计616监测供给的气压参数信息，整个恒压网络并联有溢流阀来保护气压回路。

Claims (9)

1.一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，包括：
仿生管路(1)，所述仿生管路(1)包括以褶皱形式分布的管路内壁(101)和管路外壁(102)；
设置在所述仿生管路(1)外的人造肌肉部分(2)，所述人在肌肉部分包括以褶皱形式分布的肌肉内壁(201)和肌肉外壁(202)，所述肌肉内壁(201)通过与管壁材料相同的弹性材料和所述管路外壁(102)柔性连接；
设置在所述仿生管路(1)端口处的管路连接部分(4)，实现相邻两个管路之间的连接；
以及传动介质测试部分(3)，通过所述传动介质测试部分(3)测量仿生管路(1)内介质的流速和流量。
2.根据权利要求1所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括管路连接部分(4)，所述管路连接部分(4)为遇到仿生管路(1)内介质溶解的固体管道，所述仿生管路(1)两端设置有45°断口，所述固体管道内嵌与所述仿生管路(1)的两端，所述固体管道由溶于管路内传动介质的有机物构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述仿生管路(1)的管路内壁(101)和管路外壁(102)之间形成腔体，所述腔体通过多个分隔壁(103)分成多个管腔，每个管腔内包含多个分形腔(105)。
4.根据权利要求3所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括注射装置(5)及气体供给系统(6)；所述注射装置(5)由连接到管腔内的多个软管组成，所述气体供给系统(6)通过注射装置(5)和所述第一气体腔(104)连接注入气体，使所述第一气体腔(104)为恒压。
5.根据权利要求4所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述气体供给系统(6)包括：
动力系统，所述动力系统包括电动机(601)、变速箱(603)、高压泵(604)、低压泵(605)、过滤器(606)和气体箱(607)；电动机(601)通过联轴器(602)与变速箱(603)相连接，变速箱(603)的两个输出轴分别连接高压泵(604)和低压泵(605)，高压泵(604)和低压泵(605)之间通过单向阀连接，低压泵(605)通过过滤器(606)与气体箱(607)相连，并与一个溢流阀并联；
传动系统，包括计算机采控系统(608)、三位四通电磁换向阀Ⅰ(609)、三位四通电磁换向阀Ⅱ(610)、高压蓄能器(611)和低压蓄能器(612)；高压泵(604)和低压泵(605)的输出端分别连接高压蓄能器(611)和低压蓄能器(612)，高压蓄能器(611)分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ(609)的进气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ(610)的回气口，低压蓄能器(612)分别接入三位四通电磁换向阀Ⅰ(609)的回气口和三位四通电磁换向阀Ⅱ(610)的进气口，计算机采控系统(608)监测气体压力并连接三位四通电磁换向阀Ⅰ(609)和三位四通电磁换向阀Ⅱ(610)的电磁控制器；
以及恒压网络部分，所述恒压网络部分包括气压缸(613)、气压变压器(614)、流量计(615)和压力计(616)；两个气压缸(613)分别与三位四通电磁换向阀Ⅰ(609)的输出端和三位四通电磁换向阀Ⅱ(610)连接，气压缸(613)的运动控制高压泵(604)和气压变压器(614)的排量，气压变压器(614)分别与高压蓄能器(611)输出的高压网络、低压蓄能器(612)输出的低压网络及注射装置(5)相连，连接处安装有流量计(615)和压力计(616)，整个恒压网络部分并联有一个溢流阀。
6.根据权利要求4所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述分形腔(105)内设置有至少包括含无机盐和小分子蛋白质组成的仿生组织液。
7.根据权利要求3所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述人造肌肉部分(2)的肌肉内壁(201)和肌肉外壁(202)之间包括多个弹性腔(203)和多个第二气体腔(204)，多个所述第二气体腔(204)通过分隔壁(103)壁面的多个蜂窝状小孔连通，通过调节模块控制所述弹性腔(203)和第二气体腔(204)膨胀或收缩。
8.根据权利要求7所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述调节模块包括微型泵(205)、微型单向阀(207)和微型蓄能器(206)；每个微型泵(205)和一个弹性腔(203)连接，带动弹性腔(203)内物质的输入和输出，微型蓄能器(206)通过单向阀和第二气体腔(204)连通，实现第二气体腔(204)的膨胀与收缩。
9.根据权利要求1所述的一种基于气压变压器调节的仿生血管测试系统，其特征在于，所述传动介质测试部分(3)包括：
设置在仿生管路(1)一端的粒子图像测速器，包括观测设备(301)和激光器(302)；
伸入到仿生管路(1)内部的卡夹式流量仪(303)；
以及八点式贴附于仿生管路(1)内壁褶皱中的应变片Ⅰ(304)、应变片Ⅱ(305)、角度传感器(306)和表面粘度仪(307)，测量仿生血管的拉伸及收缩形变量、扭转角度和仿生血管内介质粘度数据。
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