CN103083119B - 一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，包括支架、集成液压执行器、夹头和套索，集成液压执行器包括二级电液伺服阀和集成缸体，集成缸体的下部设有相互平行布置的活塞腔，集成缸体的顶端开有与活塞腔相通的通孔，集成缸体顶端的通孔中设有密封前端盖；活塞腔的底部设有密封后端盖；每个活塞腔内设有一个液压执行单元，每个液压执行单元对应一个二级电液伺服阀、一个夹头和一个套索，每个液压执行单元包括活塞杆、密封件、防尘圈、活塞杆组合密封件；夹头与活塞杆底端连接，套索固定连接在夹头上。该液压套索驱动装置既解决了液压驱动外骨骼系统复杂油路的布置问题，又克服了外骨骼各关节惯性力比较大的问题。

Description

一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置

技术领域

本发明涉及液压套索驱动装置，具体来说，涉及一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置。

背景技术

外骨骼是一种并联于使用者身体外侧的一种用于助力、助行或者辅助康复治疗的机械系统。

外骨骼可作为一种远距离负重行走者的助力器械，可以广泛应用在军事上。作为单兵装备系统，可以降低士兵自身的能量消耗，提高作战机动性，增强士兵的耐力。

同样，外骨骼可以应用于灾后救援，紧急营救人员也可以借助下肢助力外骨骼背负重物穿越遍布瓦砾、碎片和崎岖不平的路面等轮式车辆无法达到的地方。

在民用方面，家具搬运工、建筑工人、仓库保管员等也可借助外骨骼机器人轻松、安全地搬运重物。另外，外骨骼还可以应用在医疗康复等方面。

外骨骼经过几十年的发展，国内外针对不同的功能需求相继研制出不同的下肢助力外骨骼机器人。一些困扰外骨骼技术发展的瓶颈问题还没有取得突破性进展，非常重要的一方面是外骨骼的驱动能源技术，驱动器既要体积小、重量轻，又必须具有较大的驱动扭矩，同时还要有良好的散热性能。研究实现紧凑、大功率输出的驱动技术是外骨骼技术的难点问题。

现有的外骨骼按照驱动方式大体可分为欠驱动、电机驱动以及液压驱动。电机驱动方式确实在控制上容易实现，控制精度高，但是最大的缺点是输出扭矩小，驱动力有限。液压驱动的输出功率比较大，具有缓冲的作用，而且可以存储一定的能量。但是必须很好的解决以下问题：减小液压驱动系统体积、提高液压驱动系统执行效率、采用良好的控制算法提高控制精度。

人体的肌腱是肌腹两端的索状或膜状致密结缔组织，便于肌肉附着和固定。是由于肌腱的牵引作用才能使肌肉的收缩带动不同骨的运动。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，该液压套索驱动装置既解决了液压驱动外骨骼系统复杂油路的布置问题，又克服了外骨骼各关节惯性力比较大的问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，该驱动装置包括支架、集成液压执行器、夹头和套索，集成液压执行器固定连接在支架上，集成液压执行器包括二级电液伺服阀和集成缸体，集成缸体上部设有带有进油口的进油道和带有出油口的出油道，每个二级电液伺服阀的进油口与集成缸体的进油道相连通，每个二级电液伺服阀的出油口与集成缸体的出油道相连通；集成缸体的下部设有相互平行布置的活塞腔，集成缸体的顶端开有与活塞腔相通的通孔，集成缸体顶端的通孔中设有密封前端盖；活塞腔的底部设有密封后端盖，密封后端盖的外壁上套装有挡环和O型圈组合密封件，挡环和O型圈组合密封件嵌至在密封后端盖和集成缸体的内壁之间；每个活塞腔内设有一个液压执行单元，每个液压执行单元对应一个二级电液伺服阀、一个夹头和一个套索，每个液压执行单元包括活塞杆、密封件、防尘圈、活塞杆组合密封件，活塞杆位于活塞腔中，活塞杆组合密封件套装在活塞杆的上部，活塞杆组合密封件嵌至在活塞杆和活塞腔内壁之间，防尘圈套装在活塞杆的下部，防尘圈嵌至在密封后端盖和活塞杆之间；活塞杆的底端穿出密封后端盖；二级电液伺服阀位于液压执行单元的上方，且每个二级电液伺服阀的第一控制端口和第二控制端口分别与该二级电液伺服阀对应的活塞腔的腔体连通；夹头与活塞杆底端连接，套索固定连接在夹头上。

进一步，所述的夹头包括锥形接头、旋紧螺母和紧钉接头，锥形接头的上部设有上空腔，锥形接头上部壁面设有通孔，锥形接头的中部设有凹槽，该凹槽与上空腔连通，锥形接头中部的外壁面设有外螺纹，锥形接头的下部设有呈倒锥台的锥形体，该锥形体由锥片组成，锥片之间有空隙；锥形接头的上部与活塞杆的底端通过螺拴固定连接；旋紧螺母的上部设有定位孔，该定位孔的内壁设有内螺纹，定位孔的内螺纹与锥形接头中部的外螺纹相配合，旋紧螺母的下部设有呈倒锥台的限位孔，该限位孔可套装在锥形接头下部的锥形体的外侧；紧钉接头呈带有通孔的柱体，该紧钉接头位于锥形接头中部的凹槽中。

进一步，所述的套索包括套管和绳索，套管套装在绳索上，且绳索的一端穿过锥形接头下部的锥形体，固定在紧钉接头上，套管固定连接在支架上。

进一步，所述的集成缸体中设有六个活塞腔。

进一步，所述的每个液压执行单元还包括第一抗磨环和第二抗磨环，该第一抗磨环套装在活塞杆的上部，且位于活塞杆组合密封件的下方，第二抗磨环套装在活塞杆的下部，第二抗磨环位于密封前端盖和活塞杆之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）减小了各个关节的惯性力，便于实现对运动关节的精确控制。传统的液压驱动方式是直接把液压执行装置安装于关节处。本发明把液压执行装置集成为一个整体，置于外骨骼的背部，通过液压缸产生的拉力，拉动绳索，从而驱动外骨骼的各个关节。本发明把液压缸从关节处移到了外骨骼后背，从而减轻了关节处的重量，也即减小了各个关节惯性力，便于实现对运动关节的精确控制。

（2）简化了液压油路管道。传统的液压驱动方式把液压缸置于关节处，必然使油管布置于整个外骨骼。本发明的液压套索驱动装置把液压缸置于了后背处，由于集成度高，缩短了液压油路管道，也减小了油压损耗。

（3）传递路径灵活、尺寸小。由于套索本身细长、柔软的特性，使得传递路径非常灵活。进而使得本发明具有传递路径灵活、尺寸小、机构简洁轻巧等优点。

附图说明

图1是本发明和外骨骼的装配示意图。

图2是本发明中集成液压执行器的结构示意图。

图3是图2的A-A向剖视图。

图4是本发明中夹头的结构示意图。

图5是本发明中夹头和绳索的连接示意图。

图中有：支架1、集成液压执行器2、夹头3、套索4、活塞杆201、密封前端盖202、集成缸体203、密封后端盖204、挡环和O型圈组合密封件205、密封件206、防尘圈207、第一抗磨环208、活塞杆组合密封件209、活塞腔210、二级电液伺服阀211、第二抗磨环212、锥形接头301、旋紧螺母302、紧钉接头303、绳索401。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图5所示，本发明的一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，包括支架1、集成液压执行器2、夹头3和套索4。集成液压执行器2固定连接在支架1上。集成液压执行器2包括二级电液伺服阀211和集成缸体203。集成缸体203上部设有带有进油口的进油道和带有出油口的出油道。每个二级电液伺服阀211的进油口与集成缸体203的进油道相连通，每个二级电液伺服阀211的出油口与集成缸体203的出油道相连通。集成缸体203的下部设有相互平行布置的活塞腔210。集成缸体203的顶端开有与活塞腔210相通的通孔。集成缸体203顶端的通孔中设有密封前端盖202。活塞腔210的底部设有密封后端盖204。密封后端盖204的外壁上套装有挡环和O型圈组合密封件205。挡环和O型圈组合密封件205嵌至在密封后端盖204和集成缸体203的内壁之间。每个活塞腔210内设有一个液压执行单元。每个液压执行单元对应一个二级电液伺服阀211、一个夹头3和一个套索4。每个液压执行单元包括活塞杆201、密封件206、防尘圈207、活塞杆组合密封件209。活塞杆201位于活塞腔210中，活塞杆组合密封件209套装在活塞杆201的上部。活塞杆组合密封件209嵌至在活塞杆201和活塞腔210内壁之间。防尘圈207套装在活塞杆201的下部，防尘圈207嵌至在密封后端盖204和活塞杆201之间。活塞杆201的底端穿出密封后端盖204。二级电液伺服阀211位于液压执行单元的上方，且每个二级电液伺服阀211的第一控制端口和第二控制端口分别与该二级电液伺服阀211对应的活塞腔210的腔体连通。夹头3与活塞杆201底端连接，套索4固定连接在夹头3上。

进一步，所述的夹头3包括锥形接头301、旋紧螺母302和紧钉接头303。锥形接头301的上部设有上空腔，锥形接头301上部壁面设有通孔，锥形接头301的中部设有凹槽，该凹槽与上空腔连通。锥形接头301中部的外壁面设有外螺纹。锥形接头301的下部设有呈倒锥台的锥形体。该锥形体由锥片组成，锥片之间有空隙。锥形接头301的上部与活塞杆201的底端通过螺拴固定连接。旋紧螺母302的上部设有定位孔。该定位孔的内壁设有内螺纹，定位孔的内螺纹与锥形接头301中部的外螺纹相配合。旋紧螺母302的下部设有呈倒锥台的限位孔，该限位孔可套装在锥形接头301下部的锥形体的外侧。紧钉接头303呈带有通孔的柱体，该紧钉接头303位于锥形接头301中部的凹槽中。

进一步，所述的套索4包括套管和绳索401，套管套装在绳索上。绳索401的一端穿过锥形接头301下部的锥形体，固定在紧钉接头303上。套管固定连接在支架1上。

进一步，所述的集成缸体203中设有六个活塞腔210。根据人体外骨骼具有两条腿的髋关节、膝关节、踝关节，设置6个活塞腔，然后分别通过6个夹头3和6个套索4带动髋关节、膝关节、踝关节移动。

进一步，所述的每个液压执行单元还包括第一抗磨环208和第二抗磨环212，该第一抗磨环208套装在活塞杆201的上部，且位于活塞杆组合密封件209的下方，第二抗磨环212套装在活塞杆201的下部，第二抗磨环212位于密封前端盖202和活塞杆201之间。第一抗磨环208和第二抗磨环212具有精确导向和缓解径向力的作用,同时可防止缸内滑动部件的金属件接触磨损。

上述结构的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，主要包括液压驱动装置与套索传动装置。

该结构的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置的工作过程包括液压驱动过程和套索传动过程。

液压驱动过程：集成缸体203采用了一个主进油口和一个主出油口。各个活塞腔210的进油口在集成缸体203中与主进油管道连接，各个活塞腔210的出油口在集成缸体203中与主出油管道连接。液压回路中的液压工作站产生高压油，通过高压油管进入集成缸体203的进油口，高压油通过二级电液伺服阀211的控制口进入液压缸活塞腔210，流量大小通过对二级电液伺服阀211的输入电流控制。高压油进入活塞腔210的下部腔体中，推动活塞杆201向上运动。相反，若高压油进入活塞腔210的上部腔体中，活塞杆201则向下运动。回油经过二级电液伺服阀211流入回油管，最后返回油箱。

套索传动过程：套索4由两端固定的套管与可以在套中自由运动的绳索401组成。套索4连接外骨骼的各个关节与集成油缸2中的各个活塞杆201末端。套索4与活塞杆201连接端利用夹头3加紧，夹头3通过螺拴固定在活塞杆201的末端。绳索401采用多钢丝铰合的柔性索，便于适应索套的传递路径。绳索401的另一端通过夹头3固定在外骨骼的关节处。活塞杆201收缩时拉动绳索401，而套管是固定的，绳索401与套管做相对运动。由于绳索401的拉动带动外骨骼的关节运动。

该液压套索驱动装置结合了液压与套索的优点，应用于助力外骨骼，实现了对外骨骼关节的精确实时控制，从而达到了外骨骼稳定跟随人行走的目的。

在不脱离本驱动系统构思的前提下，做出的若干改进也在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，包括支架(1)和套索(4)，其特征在于，还包括集成液压执行器(2)和夹头(3)，

集成液压执行器(2)固定连接在支架(1)上，集成液压执行器(2)包括二级电液伺服阀(211)和集成缸体(203)，集成缸体(203)上部设有带有进油口的进油道和带有出油口的出油道，每个二级电液伺服阀(211)的进油口与集成缸体(203)的进油道相连通，每个二级电液伺服阀(211)的出油口与集成缸体(203)的出油道相连通；

集成缸体(203)的下部设有相互平行布置的活塞腔(210)，集成缸体(203)的顶端开有与活塞腔(210)相通的通孔，集成缸体(203)顶端的通孔中设有密封前端盖(202)；活塞腔(210)的底部设有密封后端盖(204)，密封后端盖(204)的外壁上套装有挡环和O型圈组合密封件(205)，挡环和O型圈组合密封件(205)嵌至在密封后端盖(204)和集成缸体(203)的内壁之间；

每个活塞腔(210)内设有一个液压执行单元，每个液压执行单元对应一个二级电液伺服阀(211)、一个夹头(3)和一个套索(4)，每个液压执行单元包括活塞杆(201)、密封件(206)、防尘圈(207)、活塞杆组合密封件(209)，活塞杆(201)位于活塞腔(210)中，活塞杆组合密封件(209)套装在活塞杆(201)的上部，活塞杆组合密封件(209)嵌至在活塞杆(201)和活塞腔(210)内壁之间，防尘圈(207)套装在活塞杆(201)的下部，防尘圈(207)嵌至在密封后端盖(204)和活塞杆(201)之间；活塞杆(201)的底端穿出密封后端盖(204)；二级电液伺服阀(211)位于液压执行单元的上方，且每个二级电液伺服阀(211)的第一控制端口和第二控制端口分别与该二级电液伺服阀(211)对应的活塞腔(210)的腔体连通；

夹头(3)与活塞杆(201)底端连接，套索(4)固定连接在夹头(3)上。

2.按照权利要求1所述的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，其特征在于，所述的夹头(3)包括锥形接头(301)、旋紧螺母(302)和紧钉接头(303)，

锥形接头(301)的上部设有上空腔，锥形接头(301)上部壁面设有通孔，锥形接头(301)的中部设有凹槽，该凹槽与上空腔连通，锥形接头(301)中部的外壁面设有外螺纹，锥形接头(301)的下部设有呈倒锥台的锥形体，该锥形体由锥片组成，锥片之间有空隙；锥形接头(301)的上部与活塞杆(201)的底端通过螺拴固定连接；

旋紧螺母(302)的上部设有定位孔，该定位孔的内壁设有内螺纹，定位孔的内螺纹与锥形接头(301)中部的外螺纹相配合，旋紧螺母(302)的下部设有呈倒锥台的限位孔，该限位孔可套装在锥形接头(301)下部的锥形体的外侧；

紧钉接头(303)呈带有通孔的柱体，该紧钉接头(303)位于锥形接头(301)中部的凹槽中。

3.按照权利要求2所述的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，其特征在于，所述的套索(4)包括套管和绳索(401)，套管套装在绳索上，且绳索(401)的一端穿过锥形接头(301)下部的锥形体，固定在紧钉接头(303)上，套管固定连接在支架(1)上。

4.按照权利要求1所述的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，其特征在于，所述的集成缸体(203)中设有六个活塞腔(210)。

5.按照权利要求1所述的用于助力外骨骼的液压套索驱动装置，其特征在于，所述的每个液压执行单元还包括第一抗磨环(208)和第二抗磨环(212)，该第一抗磨环(208)套装在活塞杆(201)的上部，且位于活塞杆组合密封件(209)的下方，第二抗磨环(212)套装在活塞杆(201)的下部，第二抗磨环(212)位于密封前端盖(202)和活塞杆(201)之间。