CN105626628B - 一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构。包括泵体，在泵体两侧分别设有储液箱和承力座；泵体内设有锥阀芯腔、流道及活塞腔，承力座内设有曲柄连杆机构。该机构采用二级增压模式将机械能转换为液压油压力能，有效提高了能量储存密度，借助曲柄连杆机构将人体行走过程中足部反复下踩运动转化为活塞和阀芯的水平直线运动，并配合复位弹簧实现阀芯与活塞往复运动，实现了机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力，适合应用于液压驱动的人体下肢康复辅助运动器械及可穿戴式外骨骼机器人等具有类似服役工况的执行机构中以降低能耗。同时，装置结构简单，便于加工制造与装配，易于实现系列化生产。

Description

一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构

技术领域

本发明属于流体压力控制元件技术领域，具体涉及一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构。

背景技术

近年来，随着机器人技术和微电子技术的迅速发展，可穿戴和便携式电子设备、人体助力外骨骼及上下肢康复机器人等开始呈现越来越热门的发展趋势。然而，由于此类设备大多依赖蓄电池提供能源，使用过程中需定期更换电池来维持，因此，寻找可靠的能量来源作为此类设备动力源、减少其对外部电池的依赖性已成为该领域研究的重要技术需求。如何将人体行走过程中产生的运动能量转换为可控能的能量俘获技术获得了相关领域研究人员越来越广泛的关注。

现有的人体行走运动能量回收设备主要为了解决微型或便携式电子设备发展为可穿戴结构之后，其在提高人生活品质的同时所带来的功耗和电源供应问题。从能量转化原理来看，此类装置主要通过感知人类机体运动并将其内置元件的移动量或机械变形转化为电能从而实现人体运动能量回收。由于电能须存储在蓄电池中，因此能量回收存储必然经历机械能-电能-化学能的转化过程，在释放利用时又须经历化学能-电能-机械能的逆向转化。能量转化环节较多直接导致回收效率低下，所获得的电功率通常较小。

机械能与流体能特别是液压能的转化更为直接、能量回收效率更高，若将人体能量回收为液压能直接驱动此类设备，将会有效克服目前人体运动能量回收中存在的问题。此外，随着流体传动技术的发展，穿戴式助力机器人如人工外骨骼其驱动开始采用流体传动实现，使得流体传动功率密度高的优势在此类应用场合中发挥到了极致。因此，将人体运动能量回收为液压能直接驱动执行机构实现动力传递和运动控制必将成为未来可穿戴型机器人和机械设备的发展方向之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，该液压能量转化机构设计合理，能够实现机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括泵体，在泵体两侧分别设有储液箱和承力座；

在泵体内设有锥阀芯腔、流道及活塞腔；在泵体顶部设有进油口，进油口与流道相连通，锥阀芯腔底部设有第一吸油口和压油口，第一吸油口和压油口与活塞腔相连通；泵体底部设有出油口，泵体与储液箱相连的一侧设有第二吸油口；

在活塞腔内设有活塞，活塞一侧设有活塞杆，另一侧设有复位弹簧；在出油口处设有第一弹簧，第一弹簧上端设有第一钢球，在第二吸油口处设有第二弹簧，第二弹簧靠近储液箱一侧设有第二钢球；

承力座顶部开设有一个用于施加作用力的孔，承力座与泵体相连一侧的侧壁上开设有两个孔，上端开孔内设有推杆，推杆在孔内滑动构成滑动副；活塞杆则通过下端开孔伸入承力座腔室内，推杆和活塞杆均与曲柄连杆机构相连。

所述锥阀芯腔内设有第一锥阀芯和第二锥阀芯，在第一锥阀芯与锥阀芯腔内壁之间设有第三弹簧；在第一锥阀芯和第二锥阀芯之间设有第四弹簧。

推杆一端伸向泵体，另一端伸向承力座腔室；推杆伸向泵体的一端与第二锥阀芯紧密接触。

推杆与第二锥阀芯紧密接触的一端设为球状。

所述曲柄连杆机构包括第一连杆、压杆及第二连杆；第一连杆的一端与活塞杆相连构成转动副，另一端与压杆中部相连构成转动副；第二连杆的一端与推杆相连构成转动副，另一端与压杆上端相连构成转动副。

压杆下端铰接在承力座上构成转动副。

储液箱侧壁设有储液进油口和储液出油口，储液进油口与流道贯通，储液出油口与第二钢球相配合。

储液箱内部设有隔板和储液弹簧，隔板与储液箱内壁之间构成储液容腔。

在储液箱外端端面上设有端盖，储液弹簧一端与隔板相连，另一端与端盖相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括泵体，在泵体两侧分别设有储液箱和承力座；泵体内设有锥阀芯腔、流道及活塞腔，承力座内设有曲柄连杆机构。采用二级增压模式将机械能转换为液压油压力能，储液箱作为一次增压蓄能和二次增压供油装置，有效提高了能量储存密度。该机构借助曲柄连杆机构将人体行走过程中足部反复下踩运动转化为活塞和阀芯的水平直线运动，并配合复位弹簧实现阀芯与活塞往复运动，实现了机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力，适合应用于液压驱动的人体下肢康复辅助运动器械及可穿戴式外骨骼机器人等具有类似服役工况的执行机构中以降低能耗。同时，装置结构简单，便于加工制造与装配，易于实现系列化生产。

附图说明

图1为本发明的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构的示意图。

其中，1.泵体，2.活塞，3.活塞杆，4.复位弹簧，5.第一钢球，6.第一弹簧，7.第二钢球，8.第二弹簧，9.流道，10.第三弹簧，11.第一锥阀芯，12.第四弹簧，13.第二锥阀芯，14.储液箱，15.隔板，16.储液弹簧，17.端盖，18.承力座，19.第一连杆，20.压杆，21.第二连杆，22.推杆，A1.第一吸油口，A2.压油口，B.第二吸油口，O.进油口，P.出油口，S1.储液进油口，S2.储液出油口。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如附图1所示，本发明用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括泵体1，在泵体1两侧分别设有储液箱14和承力座18；

在泵体1内设有锥阀芯腔、流道9及活塞腔；泵体1内开有进油口O、第一吸油口A1、压油口A2、第二吸油口B、出油口P和流道9；在活塞腔内设有活塞2，活塞2一侧设有活塞杆3，另一侧设有复位弹簧4，复位弹簧被活塞2与泵体1压紧；在出油口P处设有第一弹簧6，第一弹簧6上端设有第一钢球5，第一钢球5与第一弹簧6上端压紧，位于泵体1出油口P处；在第二吸油口B处设有第二弹簧8，第二弹簧8靠近储液箱14一侧设有第二钢球7。锥阀芯腔内设有第一锥阀芯11和第二锥阀芯13，在第一锥阀芯11与锥阀芯腔内壁之间设有第三弹簧10，被第一锥阀芯11与泵体1压紧；在第一锥阀芯11和第二锥阀芯13之间设有第四弹簧12，被第一锥阀芯11和第二锥阀芯13压紧；承力座18顶部开设有一个用于施加作用力的孔，承力座18与泵体1相连一侧的侧壁上开设有两个孔，上端开孔内设有能够与第二锥阀芯13紧密接触的推杆22，推杆22在孔内滑动构成滑动副，且能够伸入承力座18腔室内，推杆22右端做成球状与第二锥阀芯13左端压紧接触；活塞杆3则通过下端开孔伸入承力座18腔室内，推杆22和活塞杆3均与曲柄连杆机构相连。

承力座位于泵体1一侧，其内部腔室内设有曲柄连杆机构，曲柄连杆机构包括第一连杆19、压杆20、第二连杆21；第一连杆19一端与压杆20中部相连构成转动副，另一端与活塞杆3相连构成转动副；第二连杆21一端与压杆20上端相连构成转动副，另一端与推杆22相连构成转动副；压杆20下端铰接在承力座18上构成转动副。

储液箱14位于泵体1另一侧，其上开有储液进油口S1和储液出油口S2，其内部安装隔板15和储液弹簧16；储液进油口S1开设在储液箱14一侧壁的上方，且与流道9贯通；在一侧壁的下方开设有储液出油口S2，储液出油口S2与活塞腔贯通，且能够与第二钢球7配合，阻断第二吸油口B至储液出油口S2的油路；隔板15与储液箱14内壁相配合从而使隔板15一侧面与储液箱14内壁面封闭为储液容腔；储液弹簧16一侧与隔板15另一侧面压紧；端盖17安装在储液箱14最外端的端面上，并将储液弹簧16压紧。

本发明的工作原理如下：

参见图1，初始状态下，复位弹簧4、第三弹簧10、第四弹簧12压缩量均为最小值。当人体行走时足部下踩在压杆20上端施加竖直向下的作用力之后，由于压杆20下端铰接固定在承力座18上，使其分别与第一连杆19和活塞杆3以及第二连杆21和推杆22构成两组曲柄连杆作用力系统，因此在压杆20上端收到竖直向下作用力之后活塞杆3和推杆22均在第一连杆19和第二连杆21的作用下水平向右运动。

在活塞杆3的推动下活塞2向右运动，复位弹簧4压缩量增加。此时，活塞2右侧腔体内的液压油被加压，压力油一部分通过第二吸油口B作用于第二钢球7左半球面，另一部分作用于第一钢球5上半球面。在左侧第二弹簧8以及液压油的压力下第二钢球7右侧面与储液出油口S2锥形面贴紧，第二吸油口B至储液出油口S2油路被切断。当油液作用在第一钢球5上的压力大于第一弹簧6的弹力时，第一钢球5向下运动，活塞2右侧腔体内的液压油经出油口P流出供给执行机构，此液压油压力的大小取决于压杆20上端的作用力。

活塞2向右运动时，活塞2左侧腔体体积变大形成负压。同时，推杆22向右运动推动第二锥阀芯13向右运动，第一吸油口A1至进油口O之间的油路连通。在活塞2左侧腔体内负压的作用下，油液从进油口O流入、第一吸油口A1流出，最终进入活塞2左侧腔体，完成吸油动作。通过设置第三弹簧10、第四弹簧12的不同刚度匹配关系可以使第二锥阀芯13向右运动时将力传递到第一锥阀芯11上，推动第一锥阀芯11也向右运动，阀口关闭，切断压油口A2与流道9的连接。此时，由于流道9被切断，储液出油口S2关闭，因此储液箱14及其内部的隔板15、储液弹簧16均不工作。

当足部下踩动作完成、作用在压杆20上端的竖直向下作用力取消之后，在复位弹簧4的作用下活塞2和活塞杆3向左运动，通过第一连杆19传递力和运动最终使得压杆20以压杆20和承力座18铰接点为支点沿逆时针方向转动。此时，活塞2右侧腔体体积变大形成负压。第一钢球5在第一弹簧6的作用力下与泵体1上的锥形孔面贴紧，出油口P关闭。第二钢球7在右侧来自储液出油口S2处压力油的作用下向左运动压缩第二弹簧8，第二吸油口B至储液出油口S2油路被接通，储液箱14中隔板15左侧腔体内的液压油经储液出油口S2、第二吸油口B进入活塞2右侧腔体。由于储液箱14中的液压油具有一定的压力，在其进入活塞2右侧腔体后将在下一次活塞2向右运动时再次加压，从而实现了二次增压工作模式。

活塞2向左运动时，活塞2左侧腔体内的液压油被压缩，具有一定压力。同时，由于压杆20绕压杆20和承力座18铰接点逆时针转动，第二连杆21和推杆22被压杆20带动向左运动，推杆22右端圆弧接触面作用在第二锥阀芯13上的力被卸载。在第三弹簧10和第四弹簧12的作用下，第一锥阀芯11和第二锥阀芯13均向左运动。第二锥阀芯13锥面与泵体1上的油孔紧密配合，进油口O至第一吸油口A1之间的油路被切断。压油口A2与流道9连通。此时，活塞2左侧腔体内的液压油经压油口A2、流道9、储液进油口S1进入储液箱14。由于活塞2左侧腔体内的液压油在复位弹簧4的作用下被压缩，具有一定的压力，因此，进入储液箱14中具有一定压力的液压油经历了一次加压过程，待进入活塞2右侧腔体之后将完成二次加压。

储液箱14中存储的液压油压力可通过储液弹簧16的压缩量来调节。当储液箱14中存储的压力油压力升高时，隔板15向右运动并与端盖17共同压缩储液弹簧16使其压缩量增加。当储液箱14中存储的压力油压力降低时，隔板15向左运动使储液弹簧16压缩量减小。通过设计活塞杆3直径与复位弹簧4在活塞截面上的等效投影面积相等，可以使每个工作行程中从储液进油口S1进入储液箱14的液压油量与经储液出油口S2流出至活塞2右侧腔体内的液压油量相等，从而实现储液箱内液压油存储过程的动态平衡。

由于锥阀芯与活塞运动位移量差别较大，本机构可通过设计曲柄连杆机构中第一连杆19和第二连杆21的长度及其左端在压杆20上的铰接点位置从而确保阀芯位移较小的情况下实现活塞大位移运动。此外，第四弹簧12的存在可以有效消减阀芯与活塞位移不匹配造成的干涉。

综上所述，本发明的液压能量转化机构采用二级增压模式将机械能转换为液压油压力能，有效提高了能量储存密度，并可实现能量的无损转化。通过曲柄连杆机构将人体行走过程中足部反复下踩运动转化为直线往复运动，与复位弹簧一起推动活塞动作从而实现吸排油工况切换。与传统行走能量回收机构相比，本发明具有结构紧凑、能量直接转化、回收效率高等优点，且采用活塞弹簧结构，便于制造和装配。由于液压能量具有使用灵活方便的特点，该机构可直接作为人体辅助动力装置有效降低人体劳动强度，特别适合应用于液压驱动的人体下肢康复辅助运动器械以及可穿戴式外骨骼机器人等具有类似服役工况的执行机构，作为液压系统动力装置。

Claims (9)

1.一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，包括泵体(1)，在泵体(1)两侧分别设有储液箱(14)和承力座(18)；

在泵体(1)内设有锥阀芯腔、流道(9)及活塞腔；在泵体(1)顶部设有进油口(O)，进油口(O)与流道(9)相连通，锥阀芯腔底部设有第一吸油口(A1)和压油口(A2)，第一吸油口(A1)和压油口(A2)与活塞腔相连通；泵体(1)底部设有出油口(P)，泵体(1)与储液箱(14)相连的一侧设有第二吸油口(B)；

在活塞腔内设有活塞(2)，活塞(2)一侧设有活塞杆(3)，另一侧设有复位弹簧(4)；在出油口(P)处设有第一弹簧(6)，第一弹簧(6)上端设有第一钢球(5)，在第二吸油口(B)处设有第二弹簧(8)，第二弹簧(8)靠近储液箱(14)一侧设有第二钢球(7)；

承力座(18)顶部开设有一个用于施加作用力的孔，承力座(18)与泵体(1)相连一侧的侧壁上开设有两个孔，上端开孔内设有推杆(22)，推杆(22)在孔内滑动构成滑动副；活塞杆(3)则通过下端开孔伸入承力座(18)腔室内，推杆(22)和活塞杆(3)均与曲柄连杆机构相连。

2.根据权利要求1所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，锥阀芯腔内设有第一锥阀芯(11)和第二锥阀芯(13)，在第一锥阀芯(11)与锥阀芯腔内壁之间设有第三弹簧(10)；在第一锥阀芯(11)和第二锥阀芯(13)之间设有第四弹簧(12)。

3.根据权利要求2所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，推杆(22)一端伸向泵体(1)，另一端伸向承力座(18)腔室；推杆(22)伸向泵体(1)的一端与第二锥阀芯(13)紧密接触。

4.根据权利要求3所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，推杆(22)与第二锥阀芯(13)紧密接触的一端设为球状。

5.根据权利要求1所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，所述曲柄连杆机构包括第一连杆(19)、压杆(20)及第二连杆(21)；第一连杆(19)的一端与活塞杆(3)相连构成转动副，另一端与压杆(20)中部相连构成转动副；第二连杆(21)的一端与推杆(22)相连构成转动副，另一端与压杆(20)上端相连构成转动副。

6.根据权利要求5所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，压杆(20)下端铰接在承力座(18)上构成转动副。

7.根据权利要求1所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，储液箱(14)侧壁设有储液进油口(S1)和储液出油口(S2)，储液进油口(S1)与流道(9)贯通，储液出油口(S2)与第二钢球(7)相配合。

8.根据权利要求1所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，储液箱(14)内部设有隔板(15)和储液弹簧(16)，隔板(15)与储液箱内壁之间构成储液容腔。

9.根据权利要求8所述的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，其特征在于，在储液箱(14)外端端面上设有端盖(17)，储液弹簧(16)一端与隔板(15)相连，另一端与端盖(17)相连。