CN108670731A - 一种电液混合驱动的外骨骼装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电液混合驱动的外骨骼装置，将电机驱动和液压驱动结合在一起，将原驱动系统换为液电混合驱动，电液机械缸和液压机械缸作为二次调节元件驱动直线负载。本发明具有结构简单、操作简单、节能高效、功率密度大等优点，且具有能量回收功能。
Description
技术领域
本发明属于动力驱动技术领域，具体涉及一种电液混合驱动的外骨骼装置。
背景技术
由于人类社会的发展，人们为了提升自身的能力、改善自身的缺陷(例如老人行动不便，腿疾患者等)，开始研制可穿戴机器人。下肢外骨骼是可穿戴机器人中一种，主要提高人体下肢机能，为人体下肢行走提供助力，提高人体承载能力。随着医疗、军事、科技的发展，下肢外骨骼技术应用广泛，己经成为研究的热点技术。而如何给外骨骼提供一个稳定，安全的动力成为了目前一个重要的难题。
而目前主要的关于外骨骼驱动装置有：伯克利分校研制的下肢助力外骨骼BLLX，以及Lockheed Martin公司研制的HULC外骨骼装置，它们都是采用液压驱动的。日本筑波大学研制的HAL以及合肥智能所研制的下肢外骨骼均是采用电机驱动。如专利授权公告号为“CN105030487B”，名称为“一种气动人工肌肉驱动的仿生柔性穿戴式下肢外骨骼服”，该专利提出：在每个助力关节处以气动人工肌肉作为驱动元件，通过向气动人工肌肉充气，增大内部气压使其缩短，模拟肌肉收缩在人体下肢的相应部位产生助力，但存在对使用者关节部位施加驱动力不足，穿戴后行走不灵活等问题。又如“CN104083236A”，名称为“一种紧凑型下肢外骨骼驱动装置”。该专利是以电机为动力通过机械结构产生助力，存在安全性和驱动力不足等问题。
目前，外骨骼的驱动装置主要有液压驱动、电机驱动和气压驱动三种主要驱动方式。液压驱动主要缺点是工作介质液体容易泄露，污染环境，液压元件价格昂贵，液体可压缩，效率低等；电机驱动的缺点有易受外界负载影响，电机、减速器体积和重量大，惯性大，平衡性较差等；气压驱动的缺点有气体可压缩性大，气压驱动精确度低，可控性差，响应速度低。
发明内容
本发明针对外骨骼驱动存在的驱动力和力矩不足、位置控制不精确、灵敏度低等缺点，提出一种电液混合驱动的外骨骼装置，将电机驱动和液压驱动结合在一起，将原驱动系统换为液电混合驱动，具有输出力矩大，定位准确，工作平稳等优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板(27)、腰带(28)、左腿(40)、右腿(39)、左腿髋关节驱动器(34)、左腿膝关节驱动器(36)、右腿髋关节驱动器(29)、右腿膝关节驱动器(31)和第I液压驱动回路(41)，左腿和右腿结构相同，均包括大腿(30)、小腿(32)、脚(33)、髋曲关节(35)、膝关节(37)和踝关节(38)，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连；
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是液压机械缸(11)，其中，液压机械缸包括第Ⅱ变量液压泵/马达(16)、第Ⅱ传动箱(17)和第Ⅱ机械缸(18)；第Ⅱ变量液压泵/马达和第Ⅱ传动箱的输入端同轴连接，第Ⅱ传动箱的输出端和第Ⅱ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅱ变量液压泵/马达通过第Ⅱ传动箱连接至第Ⅱ机械缸；
所述的第I液压驱动回路包括：动力源(1)，主液压泵(2)，第I过滤器(3)，油箱(4)，第I溢流阀(5)，第I单向阀(6)，第II溢流阀(7)，第I蓄能器(8)，压力传感器(9)，高压管路(19)，低压管路(20)，第II单向阀(21)，第III单向阀(22)，第II过滤器(23)，第II蓄能器(24)，第III溢流阀(25)，压力切换阀(26)；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与压力切换阀的第I工作油口C、压力传感器和高压管路连通。压力切换阀的第II工作油口D与第I蓄能器的出油口、第II溢流阀的进油口连通，压力切换阀的第III工作油口E与第II蓄能器的出油口、第III溢流阀的进油口连通，第II溢流阀、第III溢流阀的出油口分别与油箱连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口B与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T2与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板、腰带、左腿、右腿、左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器和第II液压驱动回路，左腿和右腿结构相同，均包括大腿、小腿、脚、髋曲关节、膝关节和踝关节，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连；
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是电液机械缸(10)，其中，电液机械缸包括第Ⅰ变量液压泵/马达(12)、电机(13)、第Ⅰ传动箱(14)和第Ⅰ机械缸(15)；第Ⅰ变量液压泵/马达、电机和第Ⅰ传动箱的输入端同轴连接，连接的方式是第Ⅰ变量液压泵/马达-电机-第Ⅰ传动箱输入端或电机-第Ⅰ变量液压泵/马达-第Ⅰ传动箱输入端；第Ⅰ传动箱的输出端和第Ⅰ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅰ变量液压泵/马达与电机通过第Ⅰ传动箱连接至第Ⅰ机械缸；
所述的第II液压驱动回路包括：动力源，主液压泵，第I过滤器，油箱，第I溢流阀，第I单向阀，第II溢流阀，第I蓄能器，压力传感器，高压管路，低压管路，第II单向阀，第III单向阀，第II过滤器；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与第II溢流阀进油口、压力传感器、第I蓄能器和高压管路连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口A与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T1与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
所述的主液压泵是恒压变量泵、恒功率变量泵，比例恒压泵或电比例变排量泵等中的一种。
所述的第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器是一个液压蓄能器，或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
所述的电液机械缸与液压机械缸根据需要可以互换使用。
所述电液机械缸中的电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。
所述电液机械缸的动力源和第Ⅰ变量泵/马达通过机械联接或离合器联接。
所述的传动箱可以是齿轮传动箱或带传动箱。
所述的电液机械缸和液压机械缸采用行星滚柱丝杠、滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
本发明具有以下的有益效果：
1.与原来电缸相比较，通过将电动缸的电动机增设液压马达，或直接将电动机替换为液压马达，用液压泵来提供动力，可以提供更大的力矩和转矩，弥补了电缸不能运用于大载荷的工况。
2.改进后的电液机械缸、液压机械缸与原电动缸相比，有更高的功重比，可以大幅度缩小机械钢缸的体积，使缸的布置更加灵活。
3.在不改变原有电缸的基础上增加液压马达就可以实现，改造难度低，更容易大规模推广生产。
4.本发明使用的电液机械缸可以将超越负载产生的势能直接转换为电能和液压能储存起来，液压机械缸可以通过液压蓄能器储存液压能。电液机械缸和液压机械缸的回收方式避免了能量的多次转换，能量利用率远高于液压变压器的能量利用率。
附图说明
图1是外骨骼装置结构图；
图2是本发明实施例1原理图；
图3是本发明实施例2原理图；
图4是本发明的液压机械缸结构图；
图5是本发明的电液机械缸结构图。
图中：1-动力源；2-主液压泵；3-第I过滤器；4-油箱；5-第I溢流阀；6-第I单向阀；7-第II溢流阀；8-第I蓄能器；9-压力传感器；10-电液机械缸；11-液压机械缸；12-电机；13-第I变量液压泵/马达；14-第I传动箱；15-第I机械缸；16-第II变量液压泵/马达；17-第II传动箱；18-第II机械缸；19-高压管路；20-低压管路；21-第II单向阀；22-第III单向阀；23-第II过滤器；24-第II蓄能器；25-第III溢流阀；26-压力切换阀；27-载荷板；28-腰带；29-右腿髋关节驱动器；30-大腿；31-右腿膝关节驱动器；32-小腿；33-脚；34-左腿髋关节驱动器；35-髋曲关节；36-左腿膝关节驱动器；37-膝关节；38-踝关节；39-右腿；40-左腿；41-第I液压驱动回路；42-第II液压驱动回路。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板27、腰带28、左腿40、右腿39、左腿髋关节驱动器34、左腿膝关节驱动器36、右腿髋关节驱动器29、右腿膝关节驱动器31和第I液压驱动回路41，左腿和右腿结构相同，均包括大腿30、小腿32、脚33、髋曲关节35、膝关节37和踝关节38，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连。
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是液压机械缸11，如图4所示，其中，液压机械缸包括第Ⅱ变量液压泵/马达16、第Ⅱ传动箱17和第Ⅱ机械缸18；第Ⅱ变量液压泵/马达和第Ⅱ传动箱的输入端同轴连接，第Ⅱ传动箱的输出端和第Ⅱ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅱ变量液压泵/马达通过第Ⅱ传动箱连接至第Ⅱ机械缸。
如图2所示，所述的第I液压驱动回路包括：动力源1，主液压泵2，第I过滤器3，油箱4，第I溢流阀5，第I单向阀6，第II溢流阀7，第I蓄能器8，压力传感器9，高压管路19，低压管路20，第II单向阀21，第III单向阀22，第II过滤器23，第II蓄能器24，第III溢流阀25，压力切换阀26；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与压力切换阀的第I工作油口C、压力传感器和高压管路连通。压力切换阀的第II工作油口D与第I蓄能器的出油口、第II溢流阀的进油口连通，压力切换阀的第III工作油口E与第II蓄能器的出油口、第III溢流阀的进油口连通，第II溢流阀、第III溢流阀的出油口分别与油箱连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口B与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T2与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
实施例2
如图1所示，一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板、腰带、左腿、右腿、左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器和第II液压驱动回路，左腿和右腿结构相同，均包括大腿、小腿、脚、髋曲关节、膝关节和踝关节，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连。
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是电液机械缸10，如图5所示，其中，电液机械缸包括第Ⅰ变量液压泵/马达12、电机13、第Ⅰ传动箱14和第Ⅰ机械缸15；第Ⅰ变量液压泵/马达、电机和第Ⅰ传动箱的输入端同轴连接，连接的方式是第Ⅰ变量液压泵/马达-电机-第Ⅰ传动箱输入端或电机-第Ⅰ变量液压泵/马达-第Ⅰ传动箱输入端；第Ⅰ传动箱的输出端和第Ⅰ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅰ变量液压泵/马达与电机通过第Ⅰ传动箱连接至第Ⅰ机械缸。
如图3所示，所述的第II液压驱动回路包括：动力源，主液压泵，第I过滤器，油箱，第I溢流阀，第I单向阀，第II溢流阀，第I蓄能器，压力传感器，高压管路，低压管路，第II单向阀，第III单向阀，第II过滤器；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与第II溢流阀进油口、压力传感器、第I蓄能器和高压管路连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口A与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T1与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
所述的主液压泵是恒压变量泵、恒功率变量泵，比例恒压泵或电比例变排量泵等中的一种。
所述的第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器是一个液压蓄能器，或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
本发明所述的电液机械缸与液压机械缸根据需要可以互换使用。
本发明所述电液机械缸中的电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。
本发明所述电液机械缸的动力源和第Ⅰ变量泵/马达通过机械联接或离合器联接。
本发明所述的传动箱可以是齿轮传动箱或带传动箱。
本发明所述的电液机械缸和液压机械缸采用行星滚柱丝杠、滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
Claims (9)
1.一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板(27)、腰带(28)、左腿(40)、右腿(39)、左腿髋关节驱动器(34)、左腿膝关节驱动器(36)、右腿髋关节驱动器(29)、右腿膝关节驱动器(31)和第I液压驱动回路(41)，左腿和右腿结构相同，均包括大腿(30)、小腿(32)、脚(33)、髋曲关节(35)、膝关节(37)和踝关节(38)，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连；
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是液压机械缸(11)，其中，液压机械缸包括第Ⅱ变量液压泵/马达(16)、第Ⅱ传动箱(17)和第Ⅱ机械缸(18)；第Ⅱ变量液压泵/马达和第Ⅱ传动箱的输入端同轴连接，第Ⅱ传动箱的输出端和第Ⅱ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅱ变量液压泵/马达通过第Ⅱ传动箱连接至第Ⅱ机械缸；
所述的第I液压驱动回路包括：动力源(1)，主液压泵(2)，第I过滤器(3)，油箱(4)，第I溢流阀(5)，第I单向阀(6)，第II溢流阀(7)，第I蓄能器(8)，压力传感器(9)，高压管路(19)，低压管路(20)，第II单向阀(21)，第III单向阀(22)，第II过滤器(23)，第II蓄能器(24)，第III溢流阀(25)，压力切换阀(26)；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与压力切换阀的第I工作油口C、压力传感器和高压管路连通。压力切换阀的第II工作油口D与第I蓄能器的出油口、第II溢流阀的进油口连通，压力切换阀的第III工作油口E与第II蓄能器的出油口、第III溢流阀的进油口连通，第II溢流阀、第III溢流阀的出油口分别与油箱连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口B与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T2与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
2.一种电液混合驱动的外骨骼装置，包括载荷板、腰带、左腿、右腿、左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器和第II液压驱动回路，左腿和右腿结构相同，均包括大腿、小腿、脚、髋曲关节、膝关节和踝关节，载荷板、腰带与大腿之间通过髋曲关节相连，大腿与小腿之间通过膝关节相连；
所述的左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器是电液机械缸(10)，其中，电液机械缸包括第Ⅰ变量液压泵/马达(12)、电机(13)、第Ⅰ传动箱(14)和第Ⅰ机械缸(15)；第Ⅰ变量液压泵/马达、电机和第Ⅰ传动箱的输入端同轴连接，连接的方式是第Ⅰ变量液压泵/马达-电机-第Ⅰ传动箱输入端或电机-第Ⅰ变量液压泵/马达-第Ⅰ传动箱输入端；第Ⅰ传动箱的输出端和第Ⅰ机械缸的输入端同轴连接；第Ⅰ变量液压泵/马达与电机通过第Ⅰ传动箱连接至第Ⅰ机械缸；
所述的第II液压驱动回路包括：动力源，主液压泵，第I过滤器，油箱，第I溢流阀，第I单向阀，第II溢流阀，第I蓄能器，压力传感器，高压管路，低压管路，第II单向阀，第III单向阀，第II过滤器；所述动力源与主液压泵机械联接，主液压泵的吸油口通过第I过滤器与油箱连通，主液压泵的出油口P同时与第I单向阀的进油口和第I溢流阀的进油口连通，第I溢流阀的出油口与油箱连通；第I单向阀的出油口同时与第II溢流阀进油口、压力传感器、第I蓄能器和高压管路连通；左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第I工作口A与高压管路连通，左腿髋关节驱动器、左腿膝关节驱动器、右腿髋关节驱动器、右腿膝关节驱动器的第II工作口T1与低压管路连通，低压管路与第II单向阀的进油口和第III单向阀的出油口连通，第II单向阀的出油口与油箱连通，第III单向阀通过第II过滤器与油箱连通。
3.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述的主液压泵是恒压变量泵、恒功率变量泵，比例恒压泵或电比例变排量泵等中的一种。
4.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述的第Ⅰ蓄能器和第Ⅱ蓄能器是一个液压蓄能器，或是两个及两个以上的液压蓄能器构成的液压蓄能器组。
5.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述的电液机械缸与液压机械缸根据需要可以互换使用。
6.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述电液机械缸中的电机是交流异步电机、开关磁阻电动机、直流电机或伺服电机中的一种。
7.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述电液机械缸的动力源和第Ⅰ变量泵/马达通过机械联接或离合器联接。
8.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述的传动箱可以是齿轮传动箱或带传动箱。
9.根据权利要求1和2所述的一种电液混合驱动的外骨骼装置，其特征在于：所述的电液机械缸和液压机械缸采用行星滚柱丝杠、滚柱丝杠或梯形丝杠中的任意一种形式传动。
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