CN107605848A - 一种液压缸与膝关节助行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及康复设备领域，公开了一种液压缸与膝关节助行机器人，其中液压缸包括外缸、活塞杆、活塞与缸盖，活塞与活塞杆固定连接，还包括内缸，内缸位于外缸的内部，内缸的外壁与外缸的内壁之间形成储油腔体；活塞位于内缸的内部，以将内缸的腔体分割为靠近内缸尾端的第一腔体与靠近内缸首端的第二腔体；内缸的首端与缸盖连接；储油腔体与第一腔体连通，并与第二腔体之间通过可开闭/关闭的流道连通，其中当流道开启时，活塞与活塞杆可以相对内缸运动；当流道关闭时，活塞与活塞杆相对内缸锁止在当前位置。本发明可以自由切换活塞的运动状态与锁止状态，省去了大功率的电机、液压泵等输出动力的动力装置，有助于简化结构，降低成本。

Description

一种液压缸与膝关节助行机器人

技术领域

本发明涉及康复设备领域，尤其是涉及一种液压缸，以及应用该液压缸的助行机器人。

背景技术

下肢康复设备是近年来迅速发展的一门新兴技术，是机器人技术在医学领域的新应用。下肢康复设备可以固定在人身上，由驱动器驱动模仿正常人的步态，从而带动患者进行行走训练，使下肢有运动障碍的病人得到康复。

现有的下肢康复设备通常由大功率的电机或者液压泵输出动力，相关的结构较为复杂，而且需要配套相应的能源装置，成本较高，同时也会增加下肢康复设备的体积与重量。而对于某些病人而言，其下肢并未完全丧失行动能力，至少能够主动进行膝关节的弯曲，只是膝关节在伸直后腿部力量不足以支撑人体站立，此种情况下病人不需要下肢康复设备主动提供动力，采用现有的下肢康复设备将会增加不必要的成本，也会给病人的携带、使用带来不便。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种液压缸，用于解决下肢康复设备成本高、使用不便的问题。

本发明还公开一种应用上述液压缸的膝关节助行机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种液压缸，包括外缸、活塞杆、活塞与缸盖，活塞与活塞杆固定连接，还包括内缸，内缸位于外缸的内部，内缸的外壁与外缸的内壁之间形成储油腔体；活塞位于内缸的内部，以将内缸的腔体分割为靠近内缸尾端的第一腔体与靠近内缸首端的第二腔体；内缸的首端与缸盖连接；储油腔体与第一腔体连通，并与第二腔体之间通过可开闭/关闭的流道连通，其中

当流道开启时，活塞与活塞杆可以相对内缸运动；

当流道关闭时，活塞与活塞杆相对内缸锁止在当前位置。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括分别设置在活塞两侧的第一弹性件与第二弹性件，当活塞杆伸出时，第一弹性件被压缩；当活塞杆收回时，第二弹性件被压缩。

作为上述方案的进一步改进方式，内缸的尾端与外缸的尾端之间设有储物腔体，外缸的内壁上固定连接有第一弹簧座，活塞杆上固定连接有第二弹簧座，第一弹簧座、第二弹簧座位于储物腔体内，第一弹性件套设在活塞杆上，并位于第一弹簧座、第二弹簧座之间。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括相对内缸保持静止的直线轴承与活动密封圈，直线轴承与活动密封圈设于第二弹簧座与内缸的尾端之间，且分别套设在活塞杆上，其中，直线轴承与活动密封圈相互密封接触，直线轴承的外圈与外缸的内壁之间密封接触，活动密封圈的内圈与活塞杆密封接触。

作为上述方案的进一步改进方式，活塞杆上固定连接有第三弹簧座，第三弹簧座位于第二腔体内，第二弹性件套设在活塞杆上，并位于第三弹簧座以及缸盖之间。

作为上述方案的进一步改进方式，外缸与内缸之间还设有与储油腔体连通的储油介质。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括转轴与动力组件，转轴与缸盖密封连接，并可在动力组件的驱动下相对缸盖转动，流道包括设于转轴上的第一通道，以及设于缸盖上的第二通道，第一通道与第二腔体连通，第二通道与储油腔体连通，且当转轴相对缸盖转动至设定位置时，第一通道与第二通道连通。

作为上述方案的进一步改进方式，转轴的圆周上设有环槽，环槽的首端与第一通道连通，且环槽沿转轴径向的深度自环槽的首端至环槽的尾端的方向逐渐减小。

作为上述方案的进一步改进方式，动力组件包括箱体、舵机、主动齿轮与从动齿轮，舵机通过与箱体与外缸固定连接，舵机的驱动轴与主动齿轮固定连接，从动齿轮与转轴固定连接，主动齿轮与从动齿轮啮合。

一种膝关节助行机器人，包括上壳体、下壳体、脚掌板、角度传感器、压力传感器、控制系统与上述液压缸，上壳体与下壳体转动连接，下壳体与脚掌板连接，角度传感器用于检测下壳体相对上壳体转动的角度值，压力传感器用于检测脚掌板的压力值，控制系统基于角度值与压力值控制流道的开闭/关闭，其中

液压缸的活塞杆与上壳体转动连接，液压缸区别于活塞杆的另一端与下壳体转动连接；

或者，液压缸的活塞杆与下壳体转动连接，液压缸区别于活塞杆的另一端与上壳体转动连接。

本发明的有益效果是：

本发明可以自由切换活塞的运动状态与锁止状态，省去了大功率电机、液压泵等输出动力的动力装置，有助于简化结构，降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的立体示意图；

图2是本发明沿液压缸轴心方向的剖视图；

图3是图2中A向的局部放大示意图；

图4是本发明转轴一个实施例的立体示意图；

图5是本发明转轴沿轴心方向的剖面示意图；

图6是图5中B-B截面的剖面示意图；

图7是本发明膝关节助行机器人一个实施例的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1、示出了本发明一个实施例的立体示意图。如图所示，液压缸包括外缸110，外缸110的一端设置有动力组件，另一端伸出有未示出的活塞杆。动力组件包括与外缸110固定连接的箱体510，以及安装在箱体510上的舵机520。箱体510上还固定连接有连接头610，活塞杆上固定连接有连接头620，连接头610与连接头620用于实现液压缸与外部结构的连接。

参照图2，示出了本发明沿液压缸轴心方向的剖视图，图中流道处于开启状态。如图所示，液压缸除图1中示出的外缸110、箱体510、舵机520、连接头610与连接头620之外，还包括有内缸120、活塞杆210、活塞220、缸盖310、转轴320等结构。

外缸110与内缸120均为圆筒状结构，即外缸110与内缸120的两端分别敞开，从而可以降低加工难度。内缸120的直径小于外缸110的直径，故外缸110可以套在内缸120的外侧，如此设置一方面可以在外缸110与内缸120之间形成一储油腔体；另一方面，由于活塞220只与内缸120的内壁接触，故外缸110的内壁无需精密加工，内缸120的内壁虽然需要精密加工，但是由于其直径小于外缸110的直径，故可以减少精密加工的工作量，进而降低加工成本。

内缸120的长度优选短于外缸110的长度，且内缸120的首端与外缸110的首端大致对齐，从而在内缸120的尾端与外缸110的尾端之间形成储物腔体101。内缸120的首端与缸盖310密封接触，具体地，参照图3，示出了图2中A向的局部放大示意图，如图所示，缸盖310上设置两个直径不等的台阶面，内缸120的端面与较小的台阶面接触。本实施例中缸盖410还用于外缸110首端的密封，具体地，缸盖310通过螺纹连接的方式与外缸110固定连接，外缸110的端面与缸盖310上较大的台阶面接触，并在接触处涂抹胶水进行密封。在本发明的另一实施中，外缸110的首端也可以采用独立的缸盖结构进行密封。

回到图2，外缸110的尾端设有一系列的密封结构以及密封结构的相应安装结构，具体包括第一弹簧座710、密封圈720、活动密封圈730、直线轴承740与密封圈750。第一弹簧座710固定在外缸110尾端的内壁之上，结合密封圈720与活塞杆210封闭外缸110的尾端，具体地，第一弹簧座710上设有供活塞杆210穿过的通孔，密封圈720设置在通孔内，与活塞杆210的表面密封接触，防止外界粉尘进入储物腔体101。此外，外缸110也可以是单侧开口的筒状结构，其中开口侧作为首端，封闭侧作为尾端，在尾端上开设供活塞杆210穿过的通孔即可。

直线轴承740与活动密封圈730设于储物腔体101与内缸120的尾端之间，二者相对内缸120静止，且分别套设在活塞杆210上。其中，直线轴承740与活动密封圈730的接触部位保持密封，直线轴承740的外圈与外缸110的内壁之间通过密封圈750密封接触，活动密封圈730的内圈与活塞杆210密封接触，如此，可以避免内缸120中的液压油泄漏至储物腔体101内。

本实施例中内缸120的尾部端面与直线轴承740的端面接触，同时内缸120尾端的管壁上开设有通孔123，该通孔123用于实现内缸120与储油腔体之间的油液交换。在本发明的另一实施中，内缸120的尾部端面与直线轴承740的端面之间具有间隙，内缸120与储油腔体之间通过该间隙进行油液交换。

优选地，直线轴承740的外壁设有凹槽，凹槽与储油腔体连通。凹槽内设置有储油介质760，该储油介质760优选采用储油棉。

活塞220位于内缸120的内部，将内缸120的腔体分割为靠近内缸120尾端的第一腔体121与靠近内缸120首端的第二腔体122，其中第一腔体121通过上述的通孔123与储油腔体连通。

活塞杆210的一端与活塞220固定连接，另一端穿过活动密封圈730、直线轴承740与第一弹簧座710后从外缸110的尾端伸出，并与连接头620固定连接。

参照图4至图6，图4示出了本发明转轴一个实施例的立体示意图，图5示出了本发明转轴沿轴心方向的剖面示意图，图6示出了图5中B-B截面的剖面示意图。如图所示，转轴320包括柱体321与基座322，柱体321的上部设有一径向的通孔323，中间部位设有一环槽324，环槽324的下方设有环槽325。

转轴320的内部设有第一通道326，第一通道326位于转轴320的轴心，沿转轴320的轴向穿过基座322与部分柱体321后与环槽325的首端连通。

环槽325的长度优选为转轴320的二分之一圆周，且环槽325沿转轴320径向的深度自环槽325的首端至环槽325的尾端的方向逐渐减小。

参照图3、图5与图6，缸盖310的中心设有通孔，转轴320插接在缸盖310上的通孔内，可以相对缸盖310发生转动。同时，转轴320的环槽324内安装有密封圈330，保证转轴320与缸盖310之间的密封接触，防止油液泄漏。

缸盖310上沿转轴320的径向对应环槽325设有第二通道311，第二通道311与上述的储油腔体102连通。随着转轴320的转动，当环槽325的尾端开始与第二通道311连通时，油液可以在第二腔体122与储油腔体102之间自由流动，结合油液在第一腔体121与储油腔体102之间的流动，第一腔体121与第二腔体122处于连通状态，故活塞220可以在内缸120内往复运动，具体地，当活塞杆210缩回时，活塞220向上运动，第一腔体121容积增大，第二腔体122容积减小，油液从第二腔体122进入储油腔体101与第一腔体121内，部分存储在储油介质760内；当活塞杆210伸出时，活塞220向下运动，第一腔体121容积减小，第二腔体122容积增大，储油腔体101与第一腔体121内的油液以及存储在储油介质760内的油液进入第二腔体122内。

随着转轴320的进一步转动，环槽325的深度越来越深，即流道的直径越来越大，油液的流量对应增加，活塞220的运动阻力逐渐缩小，当第一通道326对准第二通道311时油液的流量最大，活塞220的运动阻力最小。

随着转轴320的进一步转动，环槽325与第二通道311错开，流道处于关闭状态，第二腔体122封闭，在油压的作用下，活塞220与活塞杆210相对内缸120锁止在当前位置，无法自由运动。

本发明中优选采用齿轮组作为传动装置，具体地，箱体510内设有主动齿轮530、从动齿轮540与传动板550，主动齿轮530与舵机的驱动轴固定连接，从动齿轮540通过螺钉与传动板550连接，传动板550上设有轴向通孔，以及与该轴向通孔连通的径向通孔，转轴320的顶端插接在该轴向通孔内，通孔323对准传动板550上的径向通孔，并通过插销固定。在本发明的其它实施例中，转轴还可以直接由舵机驱动。

回到图2，本发明还包括分别设置在活塞220两侧的第一弹性件410与第二弹性件420，当活塞杆210伸出时，第一弹性件410被压缩；当活塞杆210收回时，第二弹性件420被压缩。具体地，活塞杆210上固定连接有第二弹簧座770，第二弹簧座770与上述的第一弹簧座710均位于储物腔体101内，第一弹性件410优选为弹簧，其套设在活塞杆210上，一端与第一弹簧座710固定连接，另一端可自由运动。

活塞杆210的首端固定连接有第三弹簧座780，第三弹簧座780位于第二腔体122内。第二弹性件420优选为弹簧，其套设在活塞杆210上，一端与第三弹簧座780固定连接，另一端可自由运动。

第一弹性件410与第二弹性件420可以吸收活塞杆210运动时的冲击力，起到缓冲的作用，同时还可以作为储能元件，存储来自人体腿部的动能。如图2中所示，活塞杆210处于收回状态，第一弹性件410处于舒张状态，第二弹性件420的顶端缸盖310抵接，处于压缩状态。

本发明还公开了一种应用上述液压缸的膝关节助行机器人，参照图7，膝关节助行机器人包括上壳体810、下壳体820、脚掌板830、角度传感器840、弹性连接件850、上连接板860、下连接板870、压力传感器(未示出)、控制系统(未示出)与上述的液压缸。

其中上壳体810与下壳体820按照人体工学设计，上壳体810可以很好地与大腿匹配，下壳体820可以很好的与小腿匹配，二者可通过绑带分别与大腿和小腿固定连接。

上壳体810与下壳体820优选采用树脂或其他塑料等轻质并易于成型的材料制作而成。上壳体810与下壳体820之间通过上连接板860、下连接板870进行连接。上连接板860、下连接板870优选采用铝材制成，保证装置的轻便性。

上连接板860与下连接板870的连接处可发生转动，模拟人体的膝关节。弹性连接件850的两端分别与下壳体820、脚掌板830通过螺钉固定连接。弹性连接件850在行走过程中可发生相应形变，以适应行走过程中的踝关节，提高装置的舒适性。

液压缸的连接头610、连接头620分别与上壳体810、下壳体820转动连接，其中，可以是连接头610与上壳体810转动连接，连接头620与下壳体820转动连接；或者是连接头610与下壳体820转动连接，连接头620与上壳体810转动连接。

角度传感器840通过螺钉固定于上连接板860上，且其旋转中心与上连接板860、下连接板870的旋转中心对应，以测量上、下壳体相对转动的角度值，压力传感器用于检测脚掌板的压力值，控制系统则基于角度值与压力值控制流道的开闭/关闭，其具体的控制原理如下：

液压缸的伸出与缩回分别对应人体小腿的伸直与弯曲，且当小腿伸直时，大腿与小腿之间的角度最大，因此，当角度传感器840检测到上连接板860、下连接板870之间的角度大于某一设定值时，判定膝关节即将进入支撑状态，此时控制系统控制转轴320转动，第一通道326与第二通道311错开，流道处于关闭状态，活塞220锁止当前位置。

当压力传感器检测到脚掌板830的压力降低至某一设定值时，判定膝关节即将由支撑状态切换至弯曲状态，此时控制系统控制转轴320转动，第一通道326与第二通道311连通，流道处于开启状态，液压缸可受人体腿部的驱动而自由伸缩。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种液压缸，包括外缸、活塞杆、活塞与缸盖，所述活塞与所述活塞杆固定连接，其特征在于，还包括内缸，所述内缸位于所述外缸的内部，所述内缸的外壁与所述外缸的内壁之间形成储油腔体；所述活塞位于所述内缸的内部，以将所述内缸的腔体分割为靠近所述内缸尾端的第一腔体与靠近所述内缸首端的第二腔体；所述内缸的首端与所述缸盖连接；所述储油腔体与所述第一腔体连通，并与所述第二腔体之间通过可开闭/关闭的流道连通，其中

当所述流道开启时，所述活塞与活塞杆可以相对所述内缸运动；

当所述流道关闭时，所述活塞与活塞杆相对所述内缸锁止在当前位置。

2.根据权利要求1所述的液压缸，其特征在于，还包括分别设置在所述活塞两侧的第一弹性件与第二弹性件，当所述活塞杆伸出时，所述第一弹性件被压缩；当所述活塞杆收回时，所述第二弹性件被压缩。

3.根据权利要求2所述的液压缸，其特征在于，所述内缸的尾端与所述外缸的尾端之间设有储物腔体，所述外缸的内壁上固定连接有第一弹簧座，所述活塞杆上固定连接有第二弹簧座，所述第一弹簧座、第二弹簧座位于所述储物腔体内，所述第一弹性件套设在所述活塞杆上，并位于所述第一弹簧座、第二弹簧座之间。

4.根据权利要求3所述的液压缸，其特征在于，还包括相对所述内缸保持静止的直线轴承与活动密封圈，所述直线轴承与活动密封圈设于所述第二弹簧座与所述内缸的尾端之间，且分别套设在所述活塞杆上，其中，所述直线轴承与活动密封圈相互密封接触，所述直线轴承的外圈与所述外缸的内壁之间密封接触，所述活动密封圈的内圈与所述活塞杆密封接触。

5.根据权利要求2所述的液压缸，其特征在于，所述活塞杆上固定连接有第三弹簧座，所述第三弹簧座位于所述第二腔体内，所述第二弹性件套设在所述活塞杆上，并位于所述第三弹簧座以及所述缸盖之间。

6.根据权利要求1所述的液压缸，其特征在于，所述外缸与内缸之间还设有与所述储油腔体连通的储油介质。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液压缸，其特征在于，还包括转轴与动力组件，所述转轴与所述缸盖密封连接，并可在所述动力组件的驱动下相对所述缸盖转动，所述流道包括设于所述转轴上的第一通道，以及设于所述缸盖上的第二通道，所述第一通道与所述第二腔体连通，所述第二通道与所述储油腔体连通，且当所述转轴相对所述缸盖转动至设定位置时，所述第一通道与第二通道连通。

8.根据权利要求7所述的液压缸，其特征在于，所述转轴的圆周上设有环槽，所述环槽的首端与所述第一通道连通，且所述环槽沿所述转轴径向的深度自所述环槽的首端至所述环槽的尾端的方向逐渐减小。

9.根据权利要求7所述的液压缸，其特征在于，所述动力组件包括箱体、舵机、主动齿轮与从动齿轮，所述舵机通过所述箱体与所述外缸固定连接，所述舵机的驱动轴与所述主动齿轮固定连接，所述从动齿轮与所述转轴固定连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合。

10.一种膝关节助行机器人，其特征在于，包括上壳体、下壳体、脚掌板、角度传感器、压力传感器、控制系统与权利要求1至9中任一项所述的液压缸，所述上壳体与下壳体转动连接，所述下壳体与所述脚掌板连接，所述角度传感器用于检测所述下壳体相对所述上壳体转动的角度值，所述压力传感器用于检测所述脚掌板的压力值，所述控制系统基于所述角度值与压力值控制所述流道的开闭/关闭，其中

所述液压缸的活塞杆与所述上壳体转动连接，所述液压缸区别于所述活塞杆的另一端与所述下壳体转动连接；

或者，所述液压缸的活塞杆与所述下壳体转动连接，所述液压缸区别于所述活塞杆的另一端与所述上壳体转动连接。