CN107939776B - 一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法，涉及机器人液压系统检测技术领域，通过信号采集模块对辅助康复机器人状态进行检测，若辅助康复机器人处于支撑期，信号采集模块对检测传感器的信号进行采集，并传送至信号处理模块，中央控制器对信号进行处理，最后输出控制信号至输出执行模块；能够对液压缸的运行状态进行监控，不间断地采集在支撑期液压系统检测数据的状态变化，使辅助康复机器人能对液压驱动系统的泄漏做出及时的响应，控制报警装置工作，避免了用户使用时行走不自然或支撑期存在腿部打软的现象，提高了用户体验度。

Description

一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法
技术领域
本发明涉及机器人液压系统检测技术领域，具体涉及一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法。
背景技术
液压缸作为液压系统中的执行元件，其也对对液压系统起着重要的动力推进作用。液压缸作为整个系统的驱动部分，其工作是否正常直接关系到康复机器人是否能保持正常工作。液压缸在实际工作过程中，常常会出现动力不足、驱动跳跃等问题，这不仅影响行走步态，而且还会影响驱动力的大小，使用户使用时行走不自然，支撑期存在腿部打软的现象。出现这种现象的关键因素在于液压缸的密封性差，出现液压系统泄漏，进而导致液压系统驱动力不足。
发明内容
本发明目的在于提供一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法，能够对液压缸运行状态进行监控，以解决液压系统泄漏导致驱动力不足的问题。
本发明采取的技术方案是：
一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置，包括：
状态检测模块：包括膝关节角度传感器，用于判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
信号采集模块：包括检测传感器，用于若辅助康复机器人处于支撑期，则采集液压驱动系统中检测传感器的信号，并将采集信号传送至信号处理模块；
信号处理模块：包括中央控制器，用于对所述信号采集模块输出的所述采集信号中的有效信号进行处理；
输出执行模块：用于接收所述中央控制器的输出控制信号，控制报警装置工作。
作为上述技术方案的进一步改进，所述检测传感器为检测液压缸内腔中液体压力信号的液体压力传感器或检测液压缸活塞杆动作加速度信号的加速度传感器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述信号处理模块处理的有效信号为变化时间大于0.2秒的采集信号。
一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
状态检测：膝关节角度传感器检测判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
信号采集：若所述辅助康复机器人处于所述支撑期，则采集液压驱动系统中检测传感器的信号，并将采集信号传至中央控制器；
信号处理：所述中央控制器对所述采集信号进行处理；
信号反馈：所述中央控制器输出控制信号控制报警装置工作。
作为上述技术方案的进一步改进，所述状态检测步骤包括：当膝关节角度传感器检测到膝关节角度与设定值相等时，进行所述支撑期的判断；所述支撑期的判断条件包括：(1)判断所述膝关节是否伸直；(2)判断所述膝关节角度是否不变；当同时满足所述判断条件时，判断所述辅助康复机器人处于所述支撑期。
作为上述技术方案的进一步改进，所述判断所述膝关节是否伸直包括，设置正反转标志位，利用所述膝关节相对所述正反转标志位的转动方向进行判断。
作为上述技术方案的进一步改进，所述判断所述膝关节角度是否不变包括，设置有防干扰域值，利用延时检测所述膝关节角度是否处于允许变化区间进行判断。
作为上述技术方案的进一步改进，所述防干扰域值包括延时时间域和角度允许变化域；所述延时时间域为0～1.5秒，所述角度允许变化域为0～3度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述信号处理步骤包括：所述中央控制器对所述采集信号进行判断，若所述采集信号属于有效信号，则对所述采集信号进行处理，所述有效信号为相比变化时间大于0.2秒的采集信号。
本发明的有益效果是：一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法，通过信号采集模块对辅助康复机器人状态进行检测，若辅助康复机器人处于支撑期，信号采集模块对检测传感器的信号进行采集，并传送至信号处理模块，中央控制器对信号进行处理，最后输出控制信号至输出执行模块；能够对液压缸的运行状态进行监控，不间断地采集在支撑期液压系统检测数据的状态变化，使辅助康复机器人能对液压驱动系统的泄漏做出及时的响应，控制报警装置工作，避免了用户使用时行走不自然或支撑期存在腿部打软的现象，提高了用户体验度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法的一种优选实施例的流程图。
图2是图1中状态检测的算法流程图。
图3是腿部的力学分析图。
图4是液压缸内腔压力收敛曲线。
图5是本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法的另一种优选实施例的流程图。
图6是一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置的优选实施例的结构图。
图7是图6集成的位置示意图。
图8是图6应用到液压驱动系统一个实施例的液压原理图。
图9是图6应用到液压驱动系统另一个实施例的液压原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1为本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法的一种优选实施例的流程图。
本实施例包括以下步骤：
S101：状态检测：膝关节角度传感器检测判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
S102：信号采集：若所述辅助康复机器人处于所述支撑期，则采集液压驱动系统中检测液压缸内腔中液体压力信号的液体压力传感器的信号，并将采集信号传至中央控制器；
S103：信号处理：所述中央控制器对所述采集信号进行判断，若所述采集信号属于有效信号，则对所述采集信号进行处理；
S104：信号反馈：所述中央控制器输出控制信号控制报警装置工作。
本实施例的辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法利用了患者在辅助行走康复的过程中，在摆动期与支撑末期液压缸内腔中液体压力的大小来判断输出力的大小。支撑末期液压缸在人体重力作用下，发生收缩动作，使膝关节弯曲，若液压系统出现泄漏，液压缸在完成收缩动作时，液压油不受阻尼阀门的控制，会导致腿部发生打软现象；在摆动期时，液压缸活塞杆在助伸弹簧的左右下，发生外伸动作，使膝关节伸直，此时若液压系统出现泄漏，那么液压缸在完成伸直动作时，由于发生泄漏，导致助伸力不足，在摆动末期难以使小腿伸直，而且会发生步态不自然的现象；当处于支撑期时，液压缸处于锁死状态，若此时液压缸存在泄漏，锁死状态将会受到破坏，液压缸在人体重力的作用下，必然会导致内腔中的压力减小，从而可以判断液压缸是否存在泄漏。
如图2所示为状态检测的算法流程图。在状态检测步骤S101中，当膝关节角度传感器检测到膝关节角度K与设定值αk相等时，此时检测系统会进入对支撑期的判断；当检测到的膝关节角度K与设定值αk不等时，膝关节角度传感器会继续对膝关节角度K的检测；若检测系统进入对支撑期的判断，存在两个条件判断：(1)判断膝关节是否伸直，此时设置正反转标志位，利用膝关节的转动方向来判断，膝关节伸直时所处的方向为正，flag＝＝1，屈曲时所处的方向为负，flag＝＝0；(2)延时判断膝关节角度的不变性，设置有防干扰域值，依靠延时检测的方法判断膝关节角度是否存在变化，不变化KT＝＝0，变化KT＝＝1；以上两个条件同时满足是(flag＝＝1&&KT＝＝0)的前提下，判断机器人处于支撑期。
进一步地描述，在状态检测步骤S101中，在液压缸阻尼阀门锁死时，用户身体重量靠液压缸活塞杆来支撑，此时液压缸活塞杆会存在瞬时冲击力，因此需要设置一个防干扰域值。辅助康复机器人进入支撑期时，设定值以膝关节完全伸直时的状态设置，即αk＝0，这时需要设定一个防干扰域值，根据人在行走过程中的习惯，存在腿完全伸直时会有抖动，对膝关节角度K设置一个变化范围，在这个范围内，默认膝关节角度K＝αk＝0，即角度允许变化域0≤αk≤3°。而对延时时间的判别，同样是需要设定一个防干扰域值，根据人在行走过程中的习惯，存在腿完全伸直时会有抖动，膝关节角度K为0时，需要设置一个延时时间域值，使得膝关节角度不为0，因此设定此延时时间T1的范围为0≤T1≤1.5s，即延时时间域为0～1.5s。
在信号处理步骤S103中，当处于支撑期时，存在可能会由于路况的复杂而导致用户的身体重心不稳的情况。用户会做出紧急应对反应，此时会伴随身体存在瞬时的抖动情况发生，对支撑期时液压缸内腔的压力产生瞬时的冲击。基于以上的情况，从反应时间上考虑，存在对瞬时与持续的区别。当由于身体重心不稳时，存在瞬时的冲击力，使得液压缸内腔的压力发生瞬时变化。若液压缸存在泄漏，在其压力变化是连续的。设定T2为液压缸内部压力变化时间，对于发生紧急情况时的身体的反应时间，一般取反应时间为0.2s。综上所述，取0≤T2≤0.2s，即当压力传感器测得压力的变化时间为0≤T2≤0.2s，判定不是液压缸的泄漏而导致的压力的变化，因此相比变化时间小于等于0.2s的采集信号不属于有效信号。
在支撑期液压缸内腔压力不变，液压驱动装置阀门处于锁死状态，对支撑期的力学特性进行分析，如图3所示为腿部力学分析图，其中，α为支撑期角度范围；β为支撑期开始时所处角度与垂直中轴线所成角度；1为大腿；2为膝关节；3为小腿；4为踝关节；5为脚部；6为液压驱动装置；F1为液压缸内腔压力。在支撑期开始到进入支撑期此阶段压力呈现出一种收敛趋势，即得出液压缸内腔压力收敛函数
Figure BDA0001506273780000081
其收敛曲线如图4所示。
判断是否发生泄漏时，需要通过一个基准压力值进行对比，在液压缸阻尼阀门锁死时，压力呈现出收敛的趋势状态，但是患者身体重量靠液压缸活塞杆来支撑，此时液压缸活塞杆会存在瞬时冲击力，即存在一个防干扰域值。经调查取患者体重均为60Kg≤M≤80Kg，由力学分析得出，作用力施加于液压缸活塞杆上。建立力学模型，则
Figure BDA0001506273780000082
其中，P为液压缸内部压强；F为液压缸活塞杆所受压力；S为液压缸活塞面积。取
Figure BDA0001506273780000083
则300N≤F≤400N。根据液压缸活塞设计参数得，r＝12mm，即S＝πr2＝452.16mm2，即0.663MPa≤P≤0.885MPa。则液压缸内部压强P的防干扰域值为0.663MPa≤P≤0.885MPa。
参照图5为本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法的另一种优选实施例的流程图。
本实施例包括以下步骤：
S201：状态检测：膝关节角度传感器检测判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
S202：信号采集：若所述辅助康复机器人处于所述支撑期，则采集液压驱动系统中检测液压缸活塞杆动作加速度信号的加速度传感器的信号，并将采集信号传至中央控制器；
S203：信号处理：所述中央控制器对所述采集信号进行判断，若所述采集信号属于有效信号，则对所述采集信号进行处理；
S204：信号反馈：所述中央控制器输出控制信号控制报警装置工作。
其中，状态检测S201与状态检测S101的算法相同。
本实施例的辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法利用了患者在辅助行走康复的过程中，在摆动期与支撑末期液压缸活塞杆运动加速度的大小来判断输出力的大小。支撑末期液压缸活塞杆在人体重力作用下，发生收缩动作，使膝关节弯曲。若液压系统出现泄漏，液压缸在完成收缩动作时，液压油不受阻尼阀门的控制，会导致腿部发生打软现象；在摆动期时，液压缸活塞杆在助伸弹簧的左右下，发生外伸动作，使膝关节伸直。此时若液压系统出现泄漏，那么液压缸在完成伸直动作时，由于发生泄漏，导致助伸力不足，在摆动末期难以使小腿伸直，而且会发生步态不自然的现象。当处于支撑期时，液压缸处于锁死状态，若此时液压缸存在泄漏，锁死状态将会受到破坏，液压缸活塞杆在人体重力的作用下，必然会产生一个向内收缩的加速度，从而可以判断液压缸是否存在泄漏。
在信号处理步骤S203中，判断有效信号的原理与信号处理步骤S103相同。
参照图6为本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置的优选实施例结构图，一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置100，包括：
状态检测模块10：包括膝关节角度传感器，用于判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
信号采集模块20：包括检测传感器，用于若辅助康复机器人处于支撑期，则采集液压驱动系统中检测传感器的信号，并将采集信号传送至信号处理模块；
信号处理模块30：包括中央控制器，用于对所述信号采集模块输出的所述采集信号中的有效信号进行处理；
输出执行模块40：用于接收所述中央控制器的输出控制信号，控制报警装置工作。
状态检测模块10的工作原理是：膝关节角度传感器检测到膝关节角度K与设定值αk相等时，此时检测系统会进入对支撑期的判断；当检测到的膝关节角度K与设定值αk不等时，膝关节角度传感器会继续对膝关节角度K的检测；若检测系统进入对支撑期的判断，存在两个条件判断：(1)判断膝关节是否伸直，此时设置正反转标志位，利用膝关节的转动方向来判断，膝关节伸直时所处的方向为正，flag＝＝1，屈曲时所处的方向为负，flag＝＝0；(2)延时判断膝关节角度的不变性，设置有防干扰域值，依靠延时检测的方法判断膝关节角度是否存在变化，不变化KT＝＝0，变化KT＝＝1；以上两个条件同时满足是(flag＝＝1&&KT＝＝0)的前提下，判断机器人处于支撑期。
信号采集模块20中，检测传感器为检测液压缸内腔中液体压力信号的液体压力传感器211，可选地，也可以为检测液压缸活塞杆动作加速度信号的加速度传感器212；传感器的采集信号转变为电信号，通过运算放大器、滤波器后传至中央控制器。
信号处理模块30中，信号处理模块处理的有效信号为变化时间大于0.2秒的采集信号。。当处于支撑期时，存在可能会由于路况的复杂而导致用户的身体重心不稳的情况。用户会做出紧急应对反应，此时会伴随身体存在瞬时的抖动情况发生，对支撑期时液压缸内腔的压力产生瞬时的冲击。基于以上的情况，从反应时间上考虑，存在对瞬时与持续的区别。当由于身体重心不稳时，存在瞬时的冲击力，使得液压缸内腔的压力发生瞬时变化。若液压缸存在泄漏，在其压力变化是连续的。设定T2为液压缸内部压力变化时间，对于发生紧急情况时的身体的反应时间，一般取反应时间为0.2s。综上所述，取0≤T2≤0.2s，即当压力传感器测得压力的变化时间为0≤T2≤0.2s，判定不是液压缸的泄漏而导致的压力的变化，因此相比变化时间小于等于0.2s的采集信号不属于有效信号。
在本实施例中，如图7所示为本装置100集成的位置示意图。参考图8和图9为本装置100应用到液压驱动系统两个实施例的液压原理图；如图8，液体压力传感器211安装在液压缸213外侧；如图9，活塞杆加速度传感器212安装在活塞杆214外侧。
本发明一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测装置及其方法的实施例，通过信号采集模块对辅助康复机器人膝关节是否伸直和角度是否延时不变的状态进行检测，若辅助康复机器人处于支撑期，信号采集模块对检测传感器的信号进行采集，并传送至信号处理模块，中央控制器对信号进行处理，最后输出控制信号至输出执行模块；；能够对液压缸的运行状态进行监控，不间断地采集在支撑期液压系统检测数据的状态变化，使辅助康复机器人能对液压驱动系统的泄漏做出及时的响应，控制报警装置工作，避免了用户使用时行走不自然或支撑期存在腿部打软的现象，提高了用户体验度。
以上具体结构是对本发明的较佳实施例进行了具体的说明，但本发明创造不限于所述的实施例，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以做出种种的等同变形或者替换，这些等同的变形或者替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
状态检测：膝关节角度传感器检测判断辅助康复机器人是否处于支撑期；
信号采集：若所述辅助康复机器人处于所述支撑期，则采集液压驱动系统中检测传感器的信号，并将采集信号传至中央控制器；
信号处理：所述中央控制器对所述采集信号进行处理；
信号反馈：所述中央控制器输出控制信号控制报警装置工作；
其中，所述状态检测步骤包括：当膝关节角度传感器检测到膝关节角度与设定值相等时，进行所述支撑期的判断；所述支撑期的判断条件包括：(1)判断所述膝关节是否伸直；(2)判断所述膝关节角度是否不变；当同时满足所述判断条件时，判断所述辅助康复机器人处于所述支撑期。
2.根据权利要求1所述的一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于：所述判断所述膝关节是否伸直包括，设置正反转标志位，利用所述膝关节相对所述正反转标志位的转动方向进行判断。
3.根据权利要求2所述的一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于：所述判断所述膝关节角度是否不变包括，设置有防干扰域值，利用延时检测所述膝关节角度是否处于允许变化区间进行判断。
4.根据权利要求3所述的一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于：所述防干扰域值包括延时时间域和角度允许变化域；所述延时时间域为0～1.5秒，所述角度允许变化域为0～3度。
5.根据权利要求1所述的一种辅助康复机器人液压驱动系统泄漏检测方法，其特征在于：所述信号处理步骤包括：所述中央控制器对所述采集信号进行判断，若所述采集信号属于有效信号，则对所述采集信号进行处理，所述有效信号为变化时间大于0.2秒的采集信号；所述变化时间为液压驱动系统压力发生变化的持续时间。
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