CN108488114A - 一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，包括：伺服电机、双向液压泵、流量匹配阀、助力功能开关阀、油缸和储油容器；采用伺服电机驱动双向旋转的液压泵，通过电机旋向和转速的调节实现执行机构的换向和调速，执行机构需求压力与液压泵工作压力实时匹配，无效能耗小，传动效率可大幅提高。

Description

一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，更具体的说是涉及一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统。

背景技术

外骨骼机器人是一种穿戴在人体上的人机协作装置，在军事、物流、抢险、助残等领域具有广阔应用前景。国内外已有多家机构开展了外骨骼机器人的研发，并获得阶段性研究成果。

按传动形式划分，外骨骼机器人主要有电传动(电机驱动减速机或丝杆)、液压传动(液压油驱动油缸)、气压传动(压缩空气驱动气缸)等三类。其中，液压传动因其功率密度高、输出力量大而在重载型(负重型)外骨骼机器人上成为主流传动方案。

液压传动的外骨骼机器人，一般采用电液伺服阀来控制各油缸的运行方向和运行速度。阀控系统的核心优势是可以获得较高的响应速度，特别是采用恒压油源并增加蓄能器时，因待机压力高，伺服阀响应速度很快，且液压系统瞬时输出功率可以远大于电机最大输出功率。

阀控系统的本质是节流调速，在获得较高响应速度的同时，传动效率相对较低是其先天不足，特别是采用电液伺服阀的恒压油源系统。

其原因在于，在阀控系统中，多个执行机构共用液压油源，油源压力需要满足各执行机构中负载最大的执行机构在运行过程中出现的最高压力需求。各执行机构在同一时刻工作压力需求不同，同一执行机构在不同时刻工作压力需求也不同(机械臂夹角的变化会导致油缸受力的变化)，而液压油源的压力却始终适应的是最高压力需求，这就导致大部分工况下液压油源的总输出功率远大于执行机构需求功率之和，使得无效能耗居高不下。

因此，如何提供一种无效能耗小，传动效率高的应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，采用伺服电机驱动双向旋转的液压泵，通过电机旋向和转速的调节实现执行机构的换向和调速，执行机构需求压力与液压泵工作压力实时匹配，无效能耗小，传动效率可大幅提高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，包括：伺服电机、双向液压泵、流量匹配阀、助力功能开关阀、油缸和储油容器；

所述伺服电机驱动双向旋转的所述双向液压泵，所述双向液压泵至少设置有两个出油口，分别为：液压泵第一出油口和液压泵第二出油口；所述流量匹配阀的流量匹配阀第一出油口与所述双向液压泵的液压泵第一出油口连通，所述流量匹配阀的流量匹配阀第二出油口与所述双向液压泵的液压泵第二出油口连通；并且所述流量匹配阀的流量匹配阀补油泄油口与所述储油容器连通；

所述助力功能开关阀为电控换向阀或手动换向阀或具有电控换向和手动换向控制换向的开关阀；

所述助力功能开关阀有两个工作位，分别为第一工作位和第二工作位；所述助力功能开关阀的初始位为第一工作位或第二工作位；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，通过改变所述伺服电机的旋向和转速可改变所述油缸的运行方向和运行速度；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述油缸的运行方向和运行速度不受所述伺服电机的控制，油缸可在外力作用下自由伸缩。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述油缸为双作用油缸，所述助力功能开关阀至少有三个油口，分别为：助力功能开关阀第一出油口、助力功能开关阀第二出油口、助力功能开关阀补油泄油口；所述助力功能开关阀第一出油口与所述油缸的无杆腔连通；所述助力功能开关阀第二出油口与所述油缸的有杆腔连通；所述助力功能开关阀补油泄油口与所述储油容器连通；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀第二出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互不相通；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀第二出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互相连通。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述油缸采用单作用油缸，并断开所述油缸有杆腔的进油路，所述助力功能开关阀至少有两个油口，分别为：助力功能开关阀第一出油口和助力功能开关阀补油泄油口，所述助力功能开关阀第一出油口与所述油缸无杆腔连通，而所述助力功能开关阀补油泄油口与所述储油容器连通；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互不相通；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互相连通。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，采用单作用油缸时，所述液压泵的所述液压泵第二出油口通过一个节流孔与所述储油容器连通。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，在所述油缸的无杆腔或有杆腔进油路上安装平衡阀，或者所述油缸的无杆腔和有杆腔进油路上均安装所述平衡阀，所述平衡阀上设置有单向阀。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，在所述油缸的无杆腔或有杆腔进油路上安装液压锁，或者所述油缸的无杆腔和有杆腔进油路上均安装所述液压锁。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述助力功能开关阀为具有电控换向和手动换向的开关阀，或者为仅具有电控换向的开关阀，或者为仅具有手动换向的开关阀。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述流量匹配阀采用两个液控单向阀组合来代替、或用一个液控单向阀和一个单向阀组合来代替。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述双向液压泵采用非对称流量液压泵，所述双向液压泵还设置有液压泵第三出油口，并且所述液压泵第三出油口与所述储油容器连通。

优选的，在上述一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统中，所述双向液压泵采用非对称流量液压泵时，所述流量匹配阀采用两个单向阀组合来代替。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明针对阀控系统存在的不足，提出了一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，本发明采用伺服电机驱动双向旋转的液压泵，通过伺服电机旋向和转速的调节实现执行机构的换向和调速，执行机构需求压力与液压泵工作压力实时匹配，无效能耗小，传动效率可大幅提高。本发明适用于外骨骼机器人，尤其适用于重载型(负重型)外骨骼机器人的液压驱动及其控制，既适用于下肢助力也适用于上肢助力，或上下肢共同助力。本发明既可独立使用，也可与其他技术方案配合使用，即液压驱动的外骨骼机器人，部分机械臂关节采用本发明提供的技术方案来驱动，另外部分机械臂关节采用其他技术方案来驱动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为实施例1的液压原理图；

图2附图为实施例2的液压原理图；

图3附图为实施例3的液压原理图；

图4附图为实施例4的液压原理图；

图5附图为实施例5的液压原理图；

图6附图为实施例6的液压原理图；

图7附图为实施例7的液压原理图；

图8附图为实施例8的液压原理图；

图9附图为实施例9的液压原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，采用伺服电机驱动双向旋转的液压泵，通过电机旋向和转速的调节实现执行机构的换向和调速，执行机构需求压力与液压泵工作压力实时匹配，无效能耗小，传动效率可大幅提高。

实施例1

结合附图1所示，是利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸7驱动的第一实施例。方案包括伺服电机1、双向双向液压泵2、流量匹配阀4、平衡阀5、助力功能开关阀6、油缸7、以及储油容器3。

伺服电机1驱动双向旋转的双向双向液压泵2，流量匹配阀4的流量匹配阀第一出油口A2和流量匹配阀第二出油口B2分别连接至双向液压泵2的两侧油口而流量匹配阀补油泄油口T2连接至储油容器3。

油缸7采用双作用油缸，平衡阀5带有单向阀4b，平衡阀5安装在油缸7的无杆腔或有杆腔进油路上，助力功能开关阀6至少有三个油口：助力功能开关阀第一出油口A3、助力功能开关阀第二出油口B3和助力功能开关阀补油泄油口T3，助力功能开关阀第一出油口A3和助力功能开关阀第二出油口B3分别连接至油缸7的有杆腔和无杆腔、而助力功能开关阀补油泄油口T3连接至储油容器3。

助力功能开关阀6为电控换向阀并带有手动换向手柄，电控换向和手动换向可实现等同效果，助力功能开关阀6至少有两个工作位，处于第一工作位时助力功能开关阀第一出油口A3与助力功能开关阀第二出油口B3与助力功能开关阀补油泄油口T3互不相通，处于第二工作位时助力功能开关阀第一出油口A3与助力功能开关阀第二出油口B3与助力功能开关阀补油泄油口T3互相连通，助力功能开关阀6的初始位可以是第一工作位也可以是第二工作位。

助力功能开关阀6处于第一工作位时，通过改变伺服电机1的旋向和转速可改变油缸7的运行方向和运行速度。

助力功能开关阀6处于第二工作位时，油缸7的运行方向和运行速度不受电机的控制，油缸7可在外力作用下自由伸缩。

该实施例的工作原理和功能实现过程如下：

在以下描述中先默认助力功能开关阀6处于第一工作位(图中左位，此时为助力功能开启)，助力功能开关阀6的功能和原理在后文中补充说明。

当需要油缸7伸出时，伺服电机1启动，驱动双向双向液压泵2运转，双向双向液压泵2的液压泵第二出油口B1吸油、液压泵第一出油口A1出油。在启动瞬间，液压泵第一出油口A1压力尚未建立，流量匹配阀4尚未换向，油缸7尚未动作，液压泵第二出油口B1因双向液压泵2吸油而压力降低，此时双向液压泵2可通过流量匹配阀4内置的单向阀4b吸油来补足。

当液压泵第一出油口A1建立压力后，流量匹配阀4换向，流量匹配阀4的流量匹配阀第一出油口A2和流量匹配阀补油泄油口T2之间封闭，而流量匹配阀第二出油口B2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通。液压泵第一出油口A1出油经平衡阀5向油缸7无杆腔供油，油缸7伸出。电机转速越高，则液压泵第一出油口A1出油流量越大，油缸7伸出速度越快。

油缸7伸出时由于无杆腔进油量大而有杆腔出油量少，有杆腔油液全部流回双向液压泵2液压泵第二出油口B1后仍然不能满足双向液压泵2的吸油流量需求。但此时流量匹配阀4的流量匹配阀第二出油口B2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通，故双向液压泵2可通过流量匹配阀第二出油口B2从储油容器3吸油来补足。

当需要油缸7缩回时，伺服电机1反转启动，双向双向液压泵2的液压泵第一出油口A1吸油、液压泵第二出油口B1出油。在启动瞬间，液压泵第二出油口B1压力尚未建立，流量匹配阀4尚未换向，油缸7尚未动作，液压泵第一出油口A1因双向液压泵2吸油而压力降低，此时双向液压泵2可通过流量匹配阀4内置的单向阀4b吸油来补足。

当液压泵第二出油口B1建立压力后，流量匹配阀4换向，流量匹配阀4的流量匹配阀第二出油口B2和流量匹配阀补油泄油口T2之间封闭，而流量匹配阀第一出油口A2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通。液压泵第二出油口B1出油向油缸7有杆腔供油时，液压泵第二出油口B1的压力油还用来控制平衡阀5的开启，当液压泵第二出油口B1压力未上升到平衡阀5开启所需的最小控制压力之前，油缸7无杆腔的油液无法回流到双向液压泵2的液压泵第一出油口A1，只有液压泵第二出油口B1压力足够推动平衡阀5开启之后，油缸7无杆腔才能回油，油缸7才开始缩回。电机转速越高，则液压泵第二出油口B1出油流量越大，油缸7缩回速度越快。

油缸7缩回时由于无杆腔出油量大而有杆腔进油量少，无杆腔油液流回双向液压泵2液压泵第一出油口A1满足其吸油流量需求后还有富余。但此时流量匹配阀4的流量匹配阀第一出油口A2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通，故无杆腔回流油液满足双向液压泵2吸油流量后多出的部分可通过流量匹配阀第一出油口A2排到储油容器3。

通过前文说明可知：通过伺服电机1旋向的改变，可以改变油缸7运行方向；通过改变伺服电机1的转速，可以改变双向液压泵2的供油流量，从而改变油缸7的运行速度。

平衡阀5安装在油缸7无杆腔进油路上，该平衡阀5内置有单向阀4b，该单向阀也可以与平衡阀5分体，与平衡阀5并联安装实现同样功能。设置该阀有两个目的：

第一个目的是在停机状态下使油缸7保持当前位置。在停机状态下，即使油缸7受到外力的作用有缩回的趋势，由于平衡阀5使油缸7无杆腔油液封闭，故油缸7不会下滑，而是保持在当前位置。

第二个目的是使油缸7在负负载工况下可以平稳运行。所谓负负载工况，是指油缸7承受外负载时产生的运动趋势与油缸7实际运动方向一致的工况。比如图1实施例中油缸7承受外力使油缸7有缩回趋势，此时给油缸7无杆腔供油使其缩回，就是典型的负负载工况。这时，一旦打开油缸7无杆腔的排油通道，即使油缸7有杆腔没有供油，油缸7也会在外力作用下自动下滑，如果不对油缸7无杆腔的排油流量进行控制，油缸7的下滑速度就不受控。在这种负负载工况下，采用平衡阀5可使油缸7下滑速度受控且运行平稳。设图1实施例中油缸7的活塞杆一直承受外部施加的轴向推力，当需要油缸7伸出时，双向液压泵2向油缸7无杆腔供油，克服外力后推动油缸7伸出；电机停止运行时，油缸7无杆腔油液被平衡阀5封闭，油缸7保持在当前位置；当需要油缸7缩回时，双向液压泵2向油缸7有杆腔供油，有杆腔建立压力后平衡阀5才能开启，油缸7才会缩回。进一步地，平衡阀5的控制口压力与平衡阀5的阀口开度之间有比例关系或近似比例关系，控制压力越高则阀口开度越大。这样，油缸7的缩回速度受无杆腔压力的控制，其本质上是受油缸7无杆腔进油流量的控制——如果无杆腔进油流量与油缸7运行速度不匹配，会导致油缸7无杆腔压力的变化，从而改变平衡阀5的开度，使油缸7速度得到及时纠正。

当外负载存在冲击时，平衡阀5可以集成过载阀避免油缸7无杆腔冲击压力过高。

在前文说明中，助力功能开关阀6均处于第一工作位，助力功能开关阀6不干扰伺服电机1对油缸7运行方向和运行速度的控制，即此时助力功能开关阀6并未产生任何作用。

下面说明助力功能开关阀6的功能及其工作原理：

助力功能开关阀6是两位三通换向阀，在本发明中，其基本功能是在需要时让油缸7的无杆腔和有杆腔均连通储油容器3(采用单作用缸时只需使油缸7无杆腔连通储油容器3)，使得该油缸7的运行方向和运行速度摆脱伺服电机1的控制。基于本发明工作原理，具体实施时，也可用两位四通换向阀来代替(有一个油口堵住不用)；或者也可用三位三通换向阀甚至三位四通换向阀来代替以实现同样的功能，这种简单的替代并未超出本发明的范围。

作为优选，助力功能开关阀6的换向方式有电控换向与手动换向两种形式同时可用，电控换向未生效时，通过扳动换向手柄也可实现其换向，通过换向手柄操作时有一段空行程，只有越过空行程后才能推动阀芯换向。助力功能开关阀6的初始位是可以按需调整的，可以在断电时开启助力功能，也可以在通电时开启助力功能。

助力功能开关阀6是通电还是断电，可通过程序来设定(作为优选，程序设定的基础上允许穿戴者越权控制)。通过程序设定时，至少可以设定在两种情况使助力功能开关阀6发挥作用(下文说明中以断电开启助力功能为例)：

第一种情况，可在适当位置安装力传感器检测人体实际受力。当人体实际受力未达到第一预设值时不启动伺服电机1，并给助力功能开关阀6通电，这时油缸7的进出油口与储油容器3连通，人体可带动机械臂再带动油缸7运动；当人体受力达到第一预设值而没有达到第二预设值时，不启动伺服电机1，但给助力功能开关阀6断电，这时油缸7保持当前位置；当人体实际受力大于第二预设值，助力功能开关阀6断电并启动伺服电机1，这时油缸7动作，避免人体受力进一步增加。

采用方法，可以实现在空载状态下不启用助力功能，让人体带动机械臂自由运动；除此之外，功能还可以调整人体与外骨骼机器人对外负载的分担比例。

第二种情况，是通过检测人体肢体与对应机械臂的偏差值，当偏差值大于某一设定值时给助力功能开关阀6通电。当人体肢体与对应机械臂的偏差值过大，说明机械臂的运动跟不上人体运动速度，此时给助力功能开关阀6通电，可使人体运动速度不受双向液压泵2最大供油量的限制，人体可越权带动机械臂再带动油缸7动作。这个功能可用于应付一些紧急情况，比如应用于人体下肢助力时，人体因受到障碍将要失去平衡时可以快速调整步态防止摔倒。

作为优选，助力功能开关阀6还带有换向手柄，可通过扳动手柄迫使助力功能开关阀6换向。该换向手柄有两种用法：

第一种用法，手动换向功能仅作为备用功能，比如在电量耗尽时人工扳动手柄使助力功能开关阀6换向。采用这种用法时，电控换向功能必须保留。

第二种用法：是将该手柄绑缚在对应的人体肢体上，当人体肢体与机械臂之间的偏差过大时，人体肢体带动助力功能开关阀6换向，然后人体可越权带动机械臂再带动油缸7动作。进一步地，可以在换向手柄和对应机械臂之间安装位置检测的元件，比如位移传感器、角度传感器等，并采集其信号做简单处理后转换为伺服电机1的输入信号。跟人体肢体同步运动的换向手柄与机械臂之间的偏差方向决定电机的旋转方向，以偏差量的大小决定电机的运行转速。

采用第二种用法时，助力功能开关阀6可以去掉电控换向功能，只保留手动换向功能。但考虑到具体实施时有些关节离液压站距离较远，远程将手柄绑缚在人体肢体上并不方便，对这类关节则优选第一种用法。

当手动换向功能仅作为备用时，如果手柄的存对整体外形和重量产生显著的不利影响，助力功能开关阀6也可以去掉手动换向功能，仅保留电控换向功能，且助力功能开关阀6的初始位优选第二工作位(即助力功能开关阀6处于初始位时油缸7可在外力作用下自由伸缩)。

利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸驱动时，为减小整体外形和重量，其中的大部分液压元件可以做一体化设计，泵的壳体腔代替储油容器3，泵盖上集成安装流量流量匹配阀4和平衡阀5等辅助液压元件。进一步地，多个液压油源可以集成一体，多个双向液压泵2共用壳体和泵盖，这样可使整体外形和重量显著减小。

图2、图3，分别对应利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸驱动的第二、第三实施例：

前文图1实施例中的油缸7采用双作用油缸，采用双作用油缸的好处是可以实现双向助力，其不足之处是能耗偏高。如果空载状态下不启用助力功能而依靠人体带动油缸运动，则因双作用油缸的摩擦阻力相对大，这会使穿戴者感觉吃力。实际使用中外骨骼机器人的部分关节油缸只受到单方向的外负载(承重)，而反方向运动可以利用人体及外骨骼机器人的自重来完成(比如下蹲动作)，或者靠人体肢体力量克服外骨骼机器人的局部自重和机械阻力来完成(比如非承重腿抬大腿和屈小腿动作)，因此，根据具体使用工况，外骨骼机器人的部分关节可以采用单作用油缸驱动，提供单向助力即可。

图2所示是利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸驱动的第二实施例。油缸7采用单作用油缸，油缸7有杆腔不通油，故断开了油缸7有杆腔进油路，平衡阀5安装在油缸7的无杆腔进油路上。

相应地，由于单作用油缸7只有一个油口，故助力功能开关阀6至少有两个油口助力功能开关阀第一出油口A3和助力功能开关阀补油泄油口T3，助力功能开关阀第一出油口A3连接至油缸7无杆腔、而助力功能开关阀补油泄油口T3连接至储油容器3，助力功能开关阀6至少有两个工作位，处于第一工作位时助力功能开关阀第一出油口A3与助力功能开关阀补油泄油口T3互不相通，处于第二工作位时助力功能开关阀第一出油口A3与助力功能开关阀补油泄油口T3互相连通，助力功能开关阀6的初始位可以是第一工作位也可以是第二工作位。

基于本发明的助力功能开关阀6工作原理，具体实施时所用的助力功能开关阀6也可用两位三通或其他形式来替代，这种简单的替代并未超出本发明的范围。

其工作原理和作用过程如下：

当需要油缸7伸出时，其作用原理与作用过程与采用双作用油缸基本相同。区别仅在于，采用单作用油缸时，有杆腔没有油液流向双向液压泵2进口，双向液压泵2只能通过流量匹配阀4从储油容器3吸油。

此外，与采用双作用油缸不同的是，采用单作用油缸时，该油缸只有在外力作用下才会缩回。这个外力可以是人体和机器人的自重，也可以是人体肢体施加的附加力。即采用单作用油缸时该油缸可以缩回的基本条件是油缸7受到驱使其缩回的外力作用，以下在说明油缸7缩回的作用过程时，默认该条件始终成立。

当需要油缸7缩回时，伺服电机1反转启动，双向双向液压泵2的液压泵第一出油口A1吸油、液压泵第二出油口B1出油。在启动瞬间，液压泵第二出油口B1压力尚未建立，流量匹配阀4尚未换向，油缸7尚未动作，液压泵第一出油口A1因双向液压泵2吸油而压力降低，此时双向液压泵2可通过流量匹配阀4内置的单向阀4b吸油来补足。

当液压泵第二出油口B1建立压力后，流量匹配阀4换向，流量匹配阀4的流量匹配阀第二出油口B2和流量匹配阀补油泄油口T2之间封闭，而流量匹配阀第一出油口A2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通。由于液压泵第二出油口B1没有连接至油缸7，其出油口其实是被封闭的，因此，伺服电机1转速很低时双向液压泵2的液压泵第二出油口B1即可建立较高的压力。然而，因为双向液压泵2不可避免存在内泄，伺服电机1的低速启动并不会导致液压泵第二出油口B1超压。

液压泵第二出油口B1出油时迅速建立压力，该压力推动平衡阀5开启，则油缸7可在外力作用下缩回。电机转速越高，则液压泵第二出油口B1压力越高，平衡阀5开度越大，油缸7在同等外力作用下缩回速度越快。

油缸7缩回时双向液压泵2转速很低但无杆腔出油量大，无杆腔油液流回双向液压泵2液压泵第一出油口A1满足其吸油流量需求后还有富余，但此时流量匹配阀4的流量匹配阀第一出油口A2与流量匹配阀补油泄油口T2之间可双向流通，故无杆腔回流油液满足双向液压泵2吸油流量后多出的部分可通过流量匹配阀第一出油口A2排到储油容器3。

通过前文说明可知：采用单作用油缸7时，仍然可以通过改变伺服电机1的旋向来改变油缸7运行方向，通过改变伺服电机1的转速来改变油缸7的运行速度。

需注意的是，单作用油缸7缩回过程中，双向液压泵2的液压泵第二出油口B1出口流量与油缸7缩回速度并不具备准确的对应关系，外负载的大小会影响油缸7缩回速度，伺服电机1的转速调节其实只是用来调节平衡阀5的开度。

结合附图2，实施例2中，伺服电机1的转速与液压泵第二出油口B1压力之间的关系，主要取决于双向液压泵2的内泄量大小。如果双向液压泵2内泄量较大，则同等压力下所需的伺服电机1转速要高些，反之要低些。这样的话，当双向液压泵2容积效率很高，内泄量很小时，所需的伺服电机1转速非常低，虽然有利于降低能耗，但液压泵第二出油口B1对伺服电机1转速的变化过于敏感，不利于液压泵第二出油口B1压力的控制稳定性。

如图3所示，在实施例3中，如果采用的双向液压泵2内泄量很小(比如采用柱塞泵)，可以使双向液压泵2的液压泵第二出油口B1与储油容器3之间经一个小节流孔8连通。这样，为补偿该节流孔8产生的流量损失，伺服电机1的转速需要适当提高，虽然能耗略有增加，但可以提高液压泵第二出油口B1的压力控制稳定性，使油缸7可以更加平稳地缩回。当然，如果所选双向液压泵2低速性能较差，比如采用齿轮泵时，维持平衡阀5的开启压力也需要较高的转速，这时则没有必要增加节流孔8。

图4、图5、图6，分别对应利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸驱动的第四、第五、第六实施例：

在图1实施例中，已经说明设置平衡阀5有两个目的：停机状态下使油缸7保持当前位置，以及在负负载工况下使油缸7运行平稳。因此，是否要设置平衡阀5，得看实际使用需求。

如果只需保持油缸7位置，但没有负负载工况或者并不关注负负载工况下的油缸7运行平稳性，则平衡阀5可以采用液压锁5a来代替。液压锁5a同样可以起到油缸7保持位置的功能，只是在液压锁5a的开度和控制压力之间没有明显的比例关系，因而不能通过改变其控制压力来微调阀口开度，当液压锁5a应用于负负载工况时，容易出现油缸7瞬时速度不稳定的情况，即容易发生顿挫和抖动现象。从功能上来说，平衡阀5一般可以代替液压锁5a，但液压锁5a一般不能代替平衡阀5。但是，因为液压锁5a结构简单，具体实施时如果能用液压锁5a的，则优选液压锁5a而不用平衡阀5。

综上，本发明应用于外骨骼机器人的关节油缸驱动时，要不要采用平衡阀5，是在油缸7无杆腔进油路上还是油缸7有杆腔进油路上设置平衡阀5，还是两侧都设置，平衡阀5是否可以更换成液压锁5a，取决于对应油缸7的具体工况：

如果始终不需要停机状态下使油缸7保持位置，则可以既不用平衡阀5也不用液压锁5a，如图6所示。在图6所示的实施例6中，虽然停机状态下不能稳定地保持油缸7位置，但是，如果伺服电机1自带刹车，且停机状态下电机制动的话，虽然被制动的双向液压泵2不能有效锁住油缸7位置，但也不会出现油缸7快速下滑的情况。此外，采用图6所示的实施例6只是不能实现在停机状态下稳定保持油缸7位置，但在电机启动状态下是可以实现的(电机驱动双向液压泵2在较低转速下运转，维持一定压力与外负载抗衡)。尽管通过维持电机低速运转来保持油缸7位置会增加能耗，但如果这种工况非常少，则去掉平衡阀5和液压锁5a不失为合理选择。

如果经常需要停机状态下使油缸7稳定保持位置，则一般需要设置平衡阀5或液压锁5a——如果油缸7始终只承受单方向外力，则可以只在油缸7单侧油路上设置平衡阀5或液压锁5a；如果油缸7可能承受两个方向的外力，则需要在油缸7两侧油路上均设置平衡阀5或液压锁5a(图4所示，油缸7两侧油路上均设置平衡阀5)。

进一步地，是采用平衡阀5还是液压锁5a，取决于在负负载工况下对油缸7运行平稳性的要求，如果要求负负载工况下油缸7运行平稳，则用平衡阀5，如果对此无要求，则可用液压锁5a代替(图5所示，用液压锁5a代替平衡阀5)。

图7、图8、图9，分别对应利用本发明应用于外骨骼机器人关节油缸7驱动的第七、第八、第九实施例：

在前文各实施例中，均采用流量匹配阀4来解决非对称油缸7进出流量不对称的问题。采用该流量匹配阀4有利于系统的高度集成，且通用性较好。

但是，解决非对称闭式回路进出流量不匹配的问题，只是本发明技术工作的一部分。仅从功能实现上来说，也可采用现有技术来解决流量不对称问题，从而使本发明方案中的局部方案可以被简单替换，但这种替换并未超出本发明的范围。图7、图8、图9所示的实施例7、实施例8、实施例9的方案是本发明的可替代、但非优选方案。

图7所示实施例7是采用两个液控单向阀4a来代替流量匹配阀4，从使用性能上考虑，该方案中宜在泵的进出油口上各安装一个补油单向阀。但仅从功能实现上来说，可以不另外设置补油单向阀。

图8所示实施例8是在实施例7上的进一步简化，将其中一侧的液控单向阀4a改为普通单向阀(一般简称单向阀)4b。该方案中，双向液压泵2从油缸7有杆腔吸油向油缸7无杆腔供油时，双向液压泵2始终存在吸油阻力，故该方案最好配合增压储油容器3使用。

图9所示的实施例9中，采用了非对称流量双向液压泵2a，液压泵第一出油口A1流量大，液压泵第二出油口B1流量小，此外还有液压泵第三个油口T1，液压泵第三个油口T1连通储油容器3。非对称流量双向液压泵2a从液压泵第一出油口A1吸油向液压泵第二出油口B1排油时，通过液压泵第三出油口T1将多余的流量排到储油容器3；非对称流量双向液压泵2a从液压泵第二出油口B1吸油向液压泵第一出油口A1排油时，吸油不足的部分通过液压泵第三出油口T1从储油容器3吸入。这样非对称流量双向液压泵2a进出口流量与非对称缸的进出口流量基本匹配。但由于加工误差和内泄量的客观存在，非对称流量双向液压泵2a本身并不能保证流量完全匹配，因此需要增加液控单向阀4a或普通单向阀4b来辅助。根据非对称流量双向液压泵2a进出流量与油缸7进出流量的偏差情况，可以采用两个液控单向阀、也可以采用一个液控单向阀4a和一个普通单向阀4b、或者采用两个普通单向阀4b来辅助。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，包括：伺服电机、双向液压泵、流量匹配阀、助力功能开关阀、油缸和储油容器；

所述伺服电机驱动双向旋转的所述双向液压泵，所述双向液压泵至少设置有两个出油口，分别为：液压泵第一出油口和液压泵第二出油口；所述流量匹配阀的流量匹配阀第一出油口与所述双向液压泵的液压泵第一出油口连通，所述流量匹配阀的流量匹配阀第二出油口与所述双向液压泵的液压泵第二出油口连通；并且所述流量匹配阀的流量匹配阀补油泄油口与所述储油容器连通；

所述助力功能开关阀为电控换向阀或手动换向阀或具有电控换向和手动换向的开关阀；

所述助力功能开关阀有两个工作位，分别为第一工作位和第二工作位；所述助力功能开关阀的初始位为第一工作位或第二工作位；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，通过改变所述伺服电机的旋向和转速可改变所述油缸的运行方向和运行速度；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述油缸的运行方向和运行速度不受所述伺服电机的控制，油缸可在外力作用下自由伸缩。

2.根据权利要求1所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述油缸为双作用油缸，所述助力功能开关阀至少有三个油口，分别为：助力功能开关阀第一出油口、助力功能开关阀第二出油口、助力功能开关阀补油泄油口；所述助力功能开关阀第一出油口与所述油缸的无杆腔连通；所述助力功能开关阀第二出油口与所述油缸的有杆腔连通；所述助力功能开关阀补油泄油口与所述储油容器连通；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀第二出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互不相通；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀第二出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互相连通。

3.根据权利要求1所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述油缸采用单作用油缸，并断开所述油缸有杆腔的进油路，所述助力功能开关阀至少有两个油口，分别为：助力功能开关阀第一出油口和助力功能开关阀补油泄油口，所述助力功能开关阀第一出油口与所述油缸无杆腔连通，而所述助力功能开关阀补油泄油口与所述储油容器连通；所述助力功能开关阀处于第一工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互不相通；所述助力功能开关阀处于第二工作位时，所述助力功能开关阀第一出油口与所述助力功能开关阀补油泄油口之间互相连通。

4.根据权利要求3所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，采用单作用油缸时，所述液压泵的所述液压泵第二出油口通过一个节流孔与所述储油容器连通。

5.根据权利要求1中所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，在所述油缸的无杆腔或有杆腔进油路上安装平衡阀，或者所述油缸的无杆腔和有杆腔进油路上均安装所述平衡阀，所述平衡阀上设置有单向阀。

6.根据权利要求1中所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，在所述油缸的无杆腔或有杆腔进油路上安装液压锁，或者所述油缸的无杆腔和有杆腔进油路上均安装所述液压锁。

7.根据权利要求1所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述助力功能开关阀为具有电控换向和手动换向的开关阀，或者为仅具有电控换向的开关阀，或者为仅具有手动换向的开关阀。

8.根据权利要求1所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述流量匹配阀采用两个液控单向阀组合来代替、或用一个液控单向阀和一个单向阀组合来代替。

9.根据权利要求1所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述双向液压泵采用非对称流量液压泵，所述双向液压泵还设置有液压泵第三出油口，并且所述液压泵第三出油口与所述储油容器连通。

10.根据权利要求9所述的一种应用于外骨骼机器人的泵控液压传动系统，其特征在于，所述流量匹配阀采用两个单向阀组合来代替。