CN109764029A - 一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，包括关节液压缸单元、液压动力单元和液压控制单元，包括第一膝关节柱塞缸（17）、第二膝关节柱塞缸（18），电机（1）、液压泵（2）、第一单向阀（3）、第一安全阀（4）、油箱（8）、第一电磁换向阀（6）、第一比例节流阀（9）、第二单向阀（11）、第一压力传感器（13）、第二安全阀（15）、第二电磁换向阀（7）、第二比例节流阀（10）、第三单向阀（12）、第二压力传感器（14）和第三安全阀（16）。本发明是一种控制更简单、工作更可靠、外形更紧凑、重量更轻、传动效率更高、能耗更低、成本更低的应用于外骨骼机器人上的单动力源液压传动系统。

Description

一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统

技术领域

本发明涉及液压控制技术领域，具体涉及一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴于人体上的机器人，它是一种与人体有着密切认知交互和物理交互的生物机电系统。外骨骼机器人通过姿态仪或脚底压力传感器等采集人体运动意图和趋势，完成对外骨骼进行控制，让其紧密贴随人体四肢工作，从而实现补充或者增强人体肢体的生理机能的目的。

目前，外骨骼机器人主要有电机-减速器传动、液压传动以及气压传动等三类关节驱动方式。其中，液压传动因其功率密度高、输出力量大、传动平稳且具有缓冲功能，适用野外工作环境等优势，被广泛应用于外骨骼机器人中，尤其是在负载助力型外骨骼机器人上，液压传动更是被用作主流传动方案。液压传动的下肢外骨骼中，大部分采用双动力源分别单独给一个液压缸提供动力， 通过液压伺服阀控制液压缸的运动方向和运动速度，同时通过电磁阀、高速开关阀或手动阀等来实现助力功能的开启或关闭。具体当助力功能关闭时，液压缸进油口连通油箱，此时液压缸在人力作用下自由伸缩，从而实现人体带动外骨骼运动。该种液压传动和控制方案虽然能够满足控制外骨骼按照人体运动意图运动的功能，但是，同时具有以下不足之处：1、控制过程复杂，整个系统中需要控制的元件过多，例如其中的液压伺服阀、高速开关阀、冗余电机和泵组成的动力源以及多个传感器等都需要控制。制约外骨骼机器人功能实现的相关因素越多将会造成故障点越多，如此便降低了外骨骼系统对外界环境的适应性以及工作可靠性；2、 外形偏大，重量偏重。外骨骼机器人上的液压系统属于高度集成化的机电液一体化系统，双动力源系统中多出的一套动力源本身重量和体积在整套液压系统重量和体积中占比重较大，最终导致成套液压动力源的外形和重量的显著增加。外骨骼机器人是穿戴于人身上的，其对液压动力源的外形和重量是特别敏感的，一套助力外骨骼机器人上留给液压动力源的空间和重量是十分有限的，在优化基础上减少一部分液压元件对整套外骨骼系统是很有必要的；3、 传动效率较低，液压伺服阀是一种通过牺牲能耗来提高响应速度的控制元件，采用液压伺服阀的液压系统通常存在无效能耗大、传动效率低以及压力损失大的问题。因为较大的无效能耗造成系统工作过程中发热大，需增加散热装置，从而造成系统外形和重量进一步加大，电池续航能力也将大大降低；4、 制造成本过高，不利于研发和市场推广。由于系统中配置了多个液压伺服阀、高速开关阀，以及一套冗余动力源等。一方面，这些液压元件的价格较高，增加了制造成本；另一方面，为了给这些元件留出安装空间，需增加整个外骨骼系统的外形和重量，这样就增加了外骨骼本体的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于设计一种控制更简单、工作更可靠安全、外形更紧凑、重量更轻、传动效率更高、能耗更低，成本更低的应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统。

一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，包括关节液压缸单元、液压动力单元和液压控制单元；所述关节液压缸单元包括第一膝关节柱塞缸和第二膝关节柱塞缸，所述第一膝关节柱塞缸通过阀块内部油路与第一电磁换向阀相连，第二膝关节柱塞缸通过阀块内部油路与第二电磁换向阀相连；所述液压动力单元包括电机、液压泵、第一单向阀、第一安全阀和油箱，所述电机与液压泵通过联轴器连接，并通过电机的法兰盘安装于油箱上，液压泵沉浸式安装于油箱内部；所述液压控制单元由两套完全一样的液压控制子单元构成并与过滤器一起安装在阀块上，其中一套液压控制子单元包括第一电磁换向阀、第一比例节流阀、第二单向阀、第一压力传感器和第二安全阀，所述阀块分别与第一电磁换向阀、第一比例节流阀、第一压力传感器和第二安全阀进油口连接。

进一步的，所述关节液压缸为两根柱塞缸。

进一步的，所述电机为直流无刷电机，通过控制电机的转速和力矩来控制定量液压泵排除油液的流量和压力，从而达到控制柱塞缸伸出速度以及输出力大小的目的。

进一步的，所述电磁换向阀为二位二通电磁换向阀，用于实现两套液压控制子单元共同工作和单独工作时的切换控制。

进一步的，所述液压控制单元还包括第二电磁换向阀、第二比例节流阀、第三单向阀、第二压力传感器和第三安全阀。

本发明具有下列优点：本发明提供了一种控制更简单、工作更可靠、外形更紧凑、重量更轻、传动效率更高、能耗更低、成本更低的应用于外骨骼机器人上的单动力源液压传动系统，它能够很好地满足外骨骼机器人的工作需求，尤其适用于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，也可与常规技术方案配合使用，即液压驱动的外骨骼机器人，部分外骨骼关节均可采用本发明方案来驱动，另外部分外骨骼关节采用常规技术方案来驱动。本发明除了在部队配备的外骨骼上应用以外，还可以应用于医学康复、建筑施工、工厂环境、运动、消防、抢险救灾以及助老等外骨骼上，为其提供液压动力源。

附图说明

图1为本发明的液压原理图；

图2为本发明实施例的外观结构图；

图3为本发明实施例的正视局部剖面图；

图4为本发明实施例的外骨骼膝关节简图。

图中标记如下，1、电机，2、液压泵，3、第一单向阀，4、第一安全阀，5、过滤器，6、第一电磁换向阀，7、第二电磁换向阀，8、油箱，9、第一比例节流阀，10、第二比例节流阀，11、第二单向阀，12、第三单向阀，13、第一压力传感器，14、第二压力传感器，15、第二安全阀，16、第三安全阀，17、第一膝关节柱塞缸，18、第二膝关节柱塞缸，19、阀块，20、外骨骼第一膝关节，21、外骨骼第二膝关节。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

结合图1、图2、图3、图4，本实施例以控制外骨骼膝关节动作为例，设计了一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统。该液压系统能够分别单独驱动第一膝关节柱塞缸 17 和第二膝关节柱塞缸 18，同时也能同时驱动这两个柱塞缸。通过控制第一膝关节柱塞缸 17 来控制外骨骼第一膝关节 20 动作，控制第二膝关节柱塞缸 18 来控制外骨骼第二膝关节 21 动作。该液压系统由关节液压缸、液压动力单元以及液压控制单元三大部分组成。

液压动力单元由电机 1、液压泵 2、第一单向阀 3、第一安全阀 4，油箱 8 这几个元件共同构成。

电机 1 和液压泵 2 通过联轴器连接在一起，而后通过电机法兰盘安装于油箱上。液压泵2 沉浸式安装于油箱 8 内部，这样的布置具有更好的吸油效果，同时能减小液压泵工作时的噪音。油箱 8 为一闭式油箱，这样的设计可以保证油箱在人穿戴外骨骼行走、上下坡坎、下蹲等动作时油液不会泄露。设置第一单向阀 3 的作用是避免油液倒流损坏液压泵。设置第一安全阀 4 的作用是在泵出口压力超过设定压力值的时候泄压以保证设备安全。

液压控制单元由两套完全一样的液压控制子单元构成，其中一套液压控制子单元由第一电磁换向阀 6、第一比例节流阀 9、第二单向阀 11、第一压力传感器 13 和第二安全阀 15 构成，另外一套液压控制子单元由第二电磁换向阀 7、第二比例节流阀 10、第三单向阀 12、第二压力传感器 14 和第三安全阀 16 构成。这两套液压控制子单元和过滤器5 一起安装在阀块 19 上。这两套液压控制子单元将共用一套液压动力单元和过滤器 5。液压动力源提供的高压油将直接进入阀块 19 中，通过过滤器 5 和阀块 19 内部油路后分别与第一电磁换向阀 6、第二电磁换向阀 7、第一比例节流阀 9、第二比例节流阀 10、第一压力传感器 13、第二压力传感器 14、第二安全阀 15、第三安全阀 16 进油口连接，与第二单向阀 11、第三单向阀 12出油口连接；通过阀块 19 内部油路分别与第一比例节流阀9、第二比例节流阀 10、第二安全阀 15、第三安全阀 16 出油口连接，与第二单向阀 11、第三单向阀 12 进油口连接，最终在阀块 19 中将油口统一后，回到油箱 8 中。第一膝关节柱塞缸 17 通过阀块内部油路与第一电磁换向阀 6 相连。第二膝关节柱塞缸 18 通过阀块内部油路与第二电磁换向阀 7 相连。

通电状态下，通过控制电磁换向阀 6、电磁换向阀 7、第一比例节流阀 9、第二比例节流阀 10 的通断以及无刷直流电机 1 的转速和力矩，来控制第一膝关节柱塞缸 17和第二膝关节柱塞缸 18 的动作状态、伸出速度以及输出力大小。

断电状态下，通过第一比例节流阀 9、第二比例节流阀 10 处于常开状态，让第一膝关柱塞缸 17、第二膝关节柱塞缸 18 分别通过第二单向阀 11 和第三单向阀 12 与油箱连通，此时所有油缸处于随动状态，以便于穿戴者的穿戴和行走。

第二安全阀 15 和第三安全阀 16 分别限定了两个液压控制子单元油路中的最大压力，从而保证了穿戴者的人身安全和设备安全。第一压力传感器 13 和第二压力传感器 14 分别实时检测第一膝关节柱塞缸 17 和第二膝关节柱塞缸 18 的压力值，保证了控制的有效性。

有益效果：本发明提供了一种控制更简单、工作更可靠、外形更紧凑、重量更轻、传动效率更高、能耗更低、成本更低的应用于外骨骼机器人上的液压传动动力装置，其具体的有益效果如下：

1.控制过程更加简单

外骨骼机器人作为一种人机协作装置，其核心控制需求是要人体和外骨骼动作协调一致，对于大多数使用需求来说需要外骨骼实时跟随人体运动。相比于常规的方案，本发明采用了最简单直接的方式：首先，去掉了液压伺服阀而只通过控制伺服电机的转速和力矩来控制液压缸伸出速度及输出力大小。其次，系统通电状态下，通过控制比例节流阀的通断、控制伺服电机以及与人体的运动相配合的形式来实现柱塞缸的伸出和缩回；系统断电情况下， 比例节流阀处于常开状态，这时它将与补油单向阀配合工作，在人体运动过程中实现外骨骼实时跟随人体运动的目的。再次，人在穿戴外骨骼关节弯曲时，通过控制比例列流阀实现调节回油流量的功能，从而实现外骨骼关节弯曲过程中产生阻尼效果。另外，该控制过程不需要安装多种的传感器来检测人体运动状态及运动意图，不需要设计复杂算法，不需要功能强大的控制器；

2.外形更加紧凑，重量更轻

本发明相较于传统的方案：首先，去掉了一套冗余液压动力源，而是仅采用一套液压动力源单独或同时给两套液压子系统提供动力；其次，去掉了液压伺服阀、高速开关阀等元件， 而是用比例节流阀替代；再次，去掉了多种传感器。另外，选用的液压元件都是一些微型液压元件。如此一来，整个液压系统精简了不少，同时节省了很多安装空间，让整个液压动力源变得更加的紧凑而轻盈；

3.工作过程更加安全可靠

本发明相较于传统的方案有如下一些安全可靠性优势：首先，因为控制简单，而不需要设置更多的传感器，不需要复杂的控制算法以及不需要功能强大的控制器，换言之本发明需要用到的精密控制元件少，从而存在的潜在故障点少；其次，在液压缸跟随不及时的时候， 本发明允许人体带动液压缸动作，而不受液压动力源最大流量的限制，例如，在空载情况下穿戴者能够快步走，甚至是小跑起来；再次，在电池电量耗尽的情况下，通过本发明中的比例节流阀以及补油单向阀的配合作用下实现人体正常行走，而不会被困在原地；

4.传动效率更高，能耗更低

本发明之所以传动效率更高，能耗更低，是因为其具有如下一些特点：首先，本发明去掉了液压伺服阀而是只通过控制伺服电机的转速和力矩来控制定量液压泵排出油液的流量和压力，从而达到控制柱塞缸伸出速度以及输出力大小的目的，没有了液压伺服阀控制过程中的能量损耗，缩短了液压缸控制过程中的中间环节，从而减少了控制过程中间损耗，增加了传动效率；其次，本发明去掉了一些传感器，而只是保留脚底压力传感器和液压系统压力传感器，比例节流阀和电磁开关阀工作过程中能耗又很小，相较于人体体力的消耗而言可以忽略不计。综合下来，本发明整体耗能便又减少了很多；再次，本发明中液压系统属于低压油源辅助系统，其带来的能耗也是相对较小的；

5.成本更低

本发明没有用到价格高昂的液压伺服阀和高速开关阀等元件，同时，去掉了很多昂贵的传感器，另外，也不需要用到功能强大而价格高的控制器，紧凑的设计也让液压动力源的制造成本降低了不少，由此带来整体成本的降低是显而易见的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，其特征在于，包括关节液压缸单元、液压动力单元和液压控制单元；所述关节液压缸单元包括第一膝关节柱塞缸（17）和第二膝关节柱塞缸（18），所述第一膝关节柱塞缸（17）通过阀块（19）内部油路与第一电磁换向阀（6）相连，第二膝关节柱塞缸（18）通过阀块（19）内部油路与第二电磁换向阀（7）相连；所述液压动力单元包括电机（1）、液压泵（2）、第一单向阀（3）、第一安全阀（4）和油箱（8），所述电机（1）与液压泵（2）通过联轴器连接，并通过电机（1）的法兰盘安装于油箱（8）上，液压泵（2）沉浸式安装于油箱（8）内部；所述液压控制单元由两套完全一样的液压控制子单元构成并与过滤器（5）一起安装在阀块（19）上，其中一套液压控制子单元包括第一电磁换向阀（6）、第一比例节流阀（9）、第二单向阀（11）、第一压力传感器（13）和第二安全阀（15），所述阀块（19）分别与第一电磁换向阀（6）、第一比例节流阀（9）、第一压力传感器（13）和第二安全阀（15）进油口连接。

2.如权利要求1所述一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，其特征在于：所述关节液压缸为两根柱塞缸。

3.如权利要求1所述一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，其特征在于：所述电机为直流无刷电机，通过控制电机的转速和力矩来控制定量液压泵排除油液的流量和压力，从而达到控制柱塞缸伸出速度以及输出力大小的目的。

4.如权利要求1所述一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，其特征在于：所述电磁换向阀为二位二通电磁换向阀，用于实现两套液压控制子单元共同工作和单独工作时的切换控制。

5.如权利要求1所述一种应用于外骨骼机器人的微型单动力源液压系统，其特征在于：所述液压控制单元还包括第二电磁换向阀（7）、第二比例节流阀（10）、第三单向阀（12）、第二压力传感器（14）和第三安全阀（16）。