CN110319065A - 一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构。通过液压缸将人体行走过程中背包中重物产生的机械能直接转化成液压能，并通过蓄能器进行液压能的储存，储存在蓄能器中的高压液压油通过两位三通阀直接作用于液压下肢外骨骼的执行机构；该发明还设计了可以直接用于转化由于往复式运动产生的机械能到液压能的阀块机构，包括阀体、具有三位换向功能的主阀芯，主阀芯调压弹簧，有导通和锁紧双重功能的锥阀、锥阀调压弹簧，机构作全部采用液压油控制，简化了能量装换电控系统和油管连接，特别适合于具有往复式运动特征机构的机械能向液压能的转化的工况需求。

Description

一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构
技术领域
本发明属于能量回收再利用的节能技术领域，涉及一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构。
背景技术
近年来，随着机器人技术和微电子技术的迅速发展，可穿戴和便携式电子设备、人体助力外骨骼及上下肢康复机器人等呈现越来越热门的发展趋势。然而，由于此类设备大多依赖蓄电池提供能源，使用过程中需定期更换电池来维持，因此，寻找可靠的能量来源作为此类设备动力源、减少其对外部电池的依赖性已成为该领域研究的重要技术需求。如何将人体行走过程中产生的运动能量转换为可控能的能量俘获技术获得了相关领域研究人员越来越广泛的关注。
现有的人体行走运动能量回收设备主要为了解决微型或便携式电子设备发展为可穿戴结构之后，其在提高人生活品质的同时所带来的功耗和电源供应问题。从能量转化原理来看，此类装置主要通过感知人类机体运动并将其内置元件的移动量或机械变形转化为电能从而实现人体运动能量回收。由于电能须存储在蓄电池中，因此能量回收存储必然经历机械能-电能-化学能的转化过程，在释放利用时又须经历化学能-电能-机械能的逆向转化。能量转化环节较多直接导致回收效率低下，所获得的电功率通常较小。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，该液压机构设计合理，能够实现机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，包括固定架、蓄能器、一组重物、拉线式位移传感器、阀块机构和与人体背部相连的背包；蓄能器、重物、拉线式位移传感器、阀块机构及背包均设置于固定架上；
所述固定架包括上部杆、下部杆、三根横杆、一组固定光轴和一组直线导轨，三根横杆平行设置于上部杆和下部杆之间，固定光轴和直线导轨均垂直设置在上部杆和下部杆之间，且一侧的固定光轴与其同侧的直线导轨固连，直线导轨固定在上部杆和下部杆上，三根横杆分别与直线导轨连接；
在上部杆、下部杆上各对称设置一组用于将机械能转化为液压能的液压缸；在三根横杆上设置有两组移动板，两个重物分别固定于一组移动板上，两组液压缸均能够在对应位置的移动板上做伸缩运动；蓄能器设置在中部横杆上，拉线式位移传感器的一端与上部杆固定，另一端与中部横杆相连；
阀块机构包括进油口P、第一工作口A、第二工作口B和蓄能器进油口T，第一工作口A与固定架下部的液压缸相连，第二工作口B与固定架上部的液压缸相连，蓄能器进油口T连接至蓄能器，进油口P与油源连接。
优选地，三根横杆分别为上部横杆、中部横杆和下部横杆，上部横杆和中部横杆分别通过一组直线轴承与直线导轨相连，下部横杆通过一组锁紧直线轴承与直线导轨相连。
进一步优选地，蓄能器通过卡箍固定在中部横杆上。
进一步优选地，拉线式位移传感器的一端与上部杆固定，另一端通过L型固定件与中部横杆固定。
优选地，对称设置两组液压缸包括第一液压缸和第二液压缸，以及第三液压缸和第四液压缸；
第一液压缸和第二液压缸的一端分别通过第一铰链和第二铰链与上部杆固定，另一端分别通过第五铰链和第六铰链与靠近上部杆的第一移动板和第二移动板相连；第三液压缸和第四液压缸的一端分别通过第三铰链和第四铰链与下部杆固定，另一端分别通过第七铰链和第八铰链与靠近下部杆的第三移动板和第四移动板相连。
优选地，一组固定光轴为平行设置的第一固定光轴和第二固定光轴，第一固定光轴和第二固定光轴通过双孔十字平行支架和对应侧的直线导轨固连。
优选地，一组直线导轨为平行设置的第一直线导轨和第二直线导轨，第一直线导轨和第二直线导轨通过光轴支座固定在上部杆和下部杆上。
优选地，阀块机构包括阀体，阀体内设有具有三相换位功能的主阀芯、第一锥阀芯和第二锥阀芯，主阀芯一端装有第一弹簧，另一端装有第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧分别用第一盖板和第二盖板压紧；第一锥阀芯的一端装有第三弹簧，第二锥阀芯的一端装有第四弹簧；
主阀芯开有第一孔，阀体上开有进油口P、第一工作口A、第二工作口B、蓄能器进油口T、第二孔、第三孔及第四孔；
主阀芯一端通过第二孔和第二工作口B相通，另一端通过第三孔和第一工作口A相通。
进一步优选地，当重物相对人体向下运动时，设置在下部杆上的一组液压缸进行压油动作，设置在上部杆上的一组液压缸进行吸油动作，第一工作口A中高压油通过第三孔将主阀芯向一侧推动，高压油通过第一工作口A进入主阀芯中的第一孔和第一锥阀芯到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体中的流道与第二工作口B相通，并进入设置在上部杆上的一组液压缸中完成吸油动作。
进一步优选地，当重物相对人体向上运动时，设置在上部杆上的一种液压缸进行压油动作，设置在下部杆上的一组液压缸进行吸油动作，第二工作口B中高压油通过第二孔把主阀芯向另一侧推动，高压油通过第二工作口B进入阀体中的第四孔和第一锥阀芯到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体中的流道与第一工作口A相通，并进入设置在下部杆上的一组液压缸中完成吸油动作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，第一，通过液压缸将人体行走过程中背包中重物产生的机械能直接转化成液压能，利用两组对称的液压缸进行行走过程中机械能的收集，直接把机械能转换成液压能，挺高了能量转换的效率；第二，通过蓄能器进行液压能的储存，蓄能器作为能量回收装置和动力源输出最终实现节能，储存在蓄能器中的高压液压油通过两位三通阀直接作用于液压下肢外骨骼的执行机构。第三，液压机构还设计了可以直接用于转化由于往复式运动产生的机械能到液压能的阀块机构，包括阀体、具有三位换向功能的主阀芯，主阀芯调压弹簧，有导通和锁紧双重功能的锥阀、锥阀调压弹簧，机构作全部采用液压油控制，简化了能量装换电控系统和油管连接，机构作全部采用液压油控制，简化了能量装换电控系统和油管连接，特别适合于具有往复式运动特征机构的机械能向液压能的转化的工况需求。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的后视图；
图3为本发明的液压驱动系统原理图；
图4为本发明的用于转换往复式运动机械到液压能机构的结构示意图。
其中：1.1、1.2、1.3、1.4为双孔十字平行支架；2.1为第一铰链、2.2为第二铰链、2.3为第三铰链、2.4.为第四铰链；3.1第一液压缸、3.2第二液压缸、3.3第三液压缸、3.4第四液压缸；4.1第一直线导轨、4.2第二直线导轨；5.1、5.2.为重物；6为蓄能器；7为卡箍；8为下部杆；9.1、9.2为锁紧直线轴承；10为背包；11.1、11.2、11.3、11.4为直线轴承；12.1为第一固定光轴、12.2为第二固定光轴；13为拉线式位移传感器；14为上部杆；15.1为第一移动板、15.2为第三移动板、15.3为第四移动板、15.4为第二移动板；16.1、16.2、16.3、16.4为光轴支座；17.1为第五铰链、17.2为第七铰链、17.3为第八铰链、17.4为第六铰链；18为L型固定件；19.1为上部横杆、19.2为中部横杆、19.3为下部横杆；20为阀块机构；21.1为第一盖板、21.2为第二盖板；22.阀体；23.1为第一弹簧、23.2为第二弹簧；24为主阀芯；25.1为第一锥阀芯、25.2为第二锥阀芯；26.1为第三弹簧、26.2为第四弹簧；27为第一孔；28为第二孔；29为第四孔；30为第三孔；31为两位三通阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-图4，本发明一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，包括固定架、蓄能器6、一组重物、拉线式位移传感器13、阀块机构20和与人体背部相连的背包10；蓄能器6、重物、拉线式位移传感器13、阀块机构20及背包10均设置于固定架上；
所述固定架包括上部杆14、下部杆8、三根横杆、一组固定光轴和一组直线导轨，三根横杆平行设置于上部杆14和下部杆8之间，固定光轴和直线导轨均垂直设置在上部杆14和下部杆8之间，且一侧的固定光轴与其同侧的直线导轨固连，直线导轨固定在上部杆14和下部杆8上，三根横杆分别与直线导轨连接；
在上部杆14、下部杆8上各对称设置一组用于将机械能转化为液压能的液压缸；在三根横杆上设置有两组移动板，两个重物分别固定于一组移动板上，两组液压缸均能够在对应位置的移动板上做伸缩运动；蓄能器6设置在中部横杆上，拉线式位移传感器13的一端与上部杆14固定，另一端与中部横杆相连；
阀块机构20包括进油口P、第一工作口A、第二工作口B和蓄能器进油口T，第一工作口A与固定架下部的液压缸相连，第二工作口B与固定架上部的液压缸相连，蓄能器进油口T连接至蓄能器6，进油口P与油源连接。
一组固定光轴为平行设置的第一固定光轴12.1和第二固定光轴12.2，第一固定光轴12.1和第二固定光轴12.2通过双孔十字平行支架和对应侧的直线导轨固连。一组直线导轨为平行设置的第一直线导轨4.1和第二直线导轨4.2，第一直线导轨4.1和第二直线导轨4.2通过光轴支座固定在上部杆14和下部杆8上。
如图1和图2所示，三根横杆分别为上部横杆19.1、中部横杆19.2和下部横杆19.3，蓄能器6通过卡箍7固定在中部横杆19.2上，拉线式位移传感器13的一端与上部杆14固定，另一端通过L型固定件18与中部横杆19.2固定。上部横杆19.1和中部横杆19.2分别通过直线轴承11.1、11.3与导轨相连，下部横杆19.3通过一组锁紧直线轴承9.1、9.2与第一直线导轨4.1和第二直线导轨4.2相连。
对称设置两组液压缸包括第一液压缸3.1和第二液压缸3.2，以及第三液压缸3.3和第四液压缸3.4；
第一液压缸3.1和第二液压缸3.2的一端分别通过第一铰链2.1和第二铰链2.2与上部杆14固定，另一端分别通过第五铰链17.1和第六铰链17.4与靠近上部杆14的第一移动板15.1和第二移动板15.4相连；第三液压缸3.3和第四液压缸3.4的一端分别通过第三铰链2.3和第四铰链2.4与下部杆8固定，另一端分别通过第七铰链17.2和第八铰链17.3与靠近下部杆8的第三移动板15.2和第四移动板15.3相连。
如图3和图4所示，所述可以直接用于转化由于往复式运动产生的机械能到液压能的阀块机构20，阀块机构20包括阀体22和一个两位三通阀31，在阀体22内部分别装有主阀芯24、锥阀芯25.1、25.2、主阀芯24一端装有第一弹簧23.1，另一端装有第一弹簧23.2，两个弹簧23.1、23.2用盖板21.1、21.2压紧；锥阀芯25.1、25.2一端装有第二弹簧26.1、26.2，主阀芯开有第一孔27，阀体22上开有进油口P、第一工作口A、第二工作口B、蓄能器进油口T、和三个孔26、28、29。主阀芯24左端通过第二孔28和第二工作口B相通，主阀芯25右端通过第三孔30和第一工作口A相通阀块机构20包括阀体22，阀体22内设有具有三相换位功能的主阀芯24、第一锥阀芯25.1和第二锥阀芯25.2，主阀芯24一端装有第一弹簧23.1，另一端装有第二弹簧23.2，第一弹簧23.1和第二弹簧23.2分别用第一盖板21.1和第二盖板21.2压紧；第一锥阀芯25.1的一端装有第三弹簧26.1，第二锥阀芯25.2的一端装有第四弹簧26.2；
主阀芯24开有第一孔27，阀体22上开有进油口P、第一工作口A、第二工作口B、蓄能器进油口T、第二孔28、第三孔30及第四孔29；
主阀芯24一端通过第二孔28和第二工作口B相通，另一端通过第三孔30和第一工作口A相通。
本发明的工作原理如下：
当人穿戴能量转化装置时，重物5.1、5.2和蓄能器6随着人行走过程进行上下移动，四个用于能量回收的液压缸3.1、3.2、3.3、3.4交替进行吸油和压油动作，当蓄能器6中的液压油压力达到设定压力时或者机构出现问题时可以利用锁紧直线轴承9.1、9.2进行锁紧，锁紧后重物5.1、5.2和蓄能器6就不能相对人体进行运动。
当重物相对人体向下运动时，设置在下部杆8上的一组液压缸进行压油动作，设置在上部杆14上的一组液压缸进行吸油动作，第一工作口A中高压油通过第三孔30将主阀芯24向一侧推动，高压油通过第一工作口A进入主阀芯24中的第一孔27和第一锥阀芯25.1到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器6中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体22中的流道与第二工作口B相通，并进入设置在上部杆14上的一组液压缸中完成吸油动作。
当重物相对人体向上运动时，设置在上部杆14上的一种液压缸进行压油动作，设置在下部杆8上的一组液压缸进行吸油动作，第二工作口B中高压油通过第二孔28把主阀芯24向另一侧推动，高压油通过第二工作口B进入阀体22中的第四孔29和第一锥阀芯25.1到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器6中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体22中的流道与第一工作口A相通，并进入设置在下部杆8上的一组液压缸中完成吸油动作。
当蓄能器6中的液压油压力达到设定压力时，此时阀块机构20的主阀芯24处于附图4中的位置，储存在蓄能器6中的高压液压油通过两位三通阀31直接作用于液压下肢外骨骼的执行机构，具体地，蓄能器6中的高压液压用通过蓄能器进油口T、第二锥阀芯25.2进入主阀芯24上的第一孔27和进油口P相通用于驱动液压下肢外骨骼的执行器。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，包括固定架、蓄能器(6)、一组重物、拉线式位移传感器(13)、阀块机构(20)和与人体背部相连的背包(10)；蓄能器(6)、重物、拉线式位移传感器(13)、阀块机构(20)及背包(10)均设置于固定架上；
所述固定架包括上部杆(14)、下部杆(8)、三根横杆、一组固定光轴和一组直线导轨，三根横杆平行设置于上部杆(14)和下部杆(8)之间，固定光轴和直线导轨均垂直设置在上部杆(14)和下部杆(8)之间，且一侧的固定光轴与其同侧的直线导轨固连，直线导轨固定在上部杆(14)和下部杆(8)上，三根横杆分别与直线导轨连接；
在上部杆(14)、下部杆(8)上各对称设置一组用于将机械能转化为液压能的液压缸；在三根横杆上设置有两组移动板，两个重物分别固定于一组移动板上，两组液压缸均能够在对应位置的移动板上做伸缩运动；蓄能器(6)设置在中部横杆上，拉线式位移传感器(13)的一端与上部杆(14)固定，另一端与中部横杆相连；
阀块机构(20)包括进油口P、第一工作口A、第二工作口B和蓄能器进油口T，第一工作口A与固定架下部的液压缸相连，第二工作口B与固定架上部的液压缸相连，蓄能器进油口T连接至蓄能器(6)，进油口P与油源连接。
2.根据权利要求1所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，三根横杆分别为上部横杆(19.1)、中部横杆(19.2)和下部横杆(19.3)，上部横杆(19.1)和中部横杆(19.2)分别通过一组直线轴承与直线导轨相连，下部横杆(19.3)通过一组锁紧直线轴承与直线导轨相连。
3.根据权利要求2所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，蓄能器(6)通过卡箍(7)固定在中部横杆(19.2)上。
4.根据权利要求2所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，拉线式位移传感器(13)的一端与上部杆(14)固定，另一端通过L型固定件(18)与中部横杆(19.2)固定。
5.根据权利要求1所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，对称设置两组液压缸包括第一液压缸(3.1)和第二液压缸(3.2)，以及第三液压缸(3.3)和第四液压缸(3.4)；
第一液压缸(3.1)和第二液压缸(3.2)的一端分别通过第一铰链(2.1)和第二铰链(2.2)与上部杆(14)固定，另一端分别通过第五铰链(17.1)和第六铰链(17.4)与靠近上部杆(14)的第一移动板(15.1)和第二移动板(15.4)相连；第三液压缸(3.3)和第四液压缸(3.4)的一端分别通过第三铰链(2.3)和第四铰链(2.4)与下部杆(8)固定，另一端分别通过第七铰链(17.2)和第八铰链(17.3)与靠近下部杆(8)的第三移动板(15.2)和第四移动板(15.3)相连。
6.根据权利要求1所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，一组固定光轴为平行设置的第一固定光轴(12.1)和第二固定光轴(12.2)，第一固定光轴(12.1)和第二固定光轴(12.2)通过双孔十字平行支架和对应侧的直线导轨固连。
7.根据权利要求1所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，一组直线导轨为平行设置的第一直线导轨(4.1)和第二直线导轨(4.2)，第一直线导轨(4.1)和第二直线导轨(4.2)通过光轴支座固定在上部杆(14)和下部杆(8)上。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，阀块机构(20)包括阀体(22)，阀体(22)内设有具有三相换位功能的主阀芯(24)、第一锥阀芯(25.1)和第二锥阀芯(25.2)，主阀芯(24)一端装有第一弹簧(23.1)，另一端装有第二弹簧(23.2)，第一弹簧(23.1)和第二弹簧(23.2)分别用第一盖板(21.1)和第二盖板(21.2)压紧；第一锥阀芯(25.1)的一端装有第三弹簧(26.1)，第二锥阀芯(25.2)的一端装有第四弹簧(26.2)；
主阀芯(24)开有第一孔(27)，阀体(22)上开有进油口P、第一工作口A、第二工作口B、蓄能器进油口T、第二孔(28)、第三孔(30)及第四孔(29)；
主阀芯(24)一端通过第二孔(28)和第二工作口B相通，另一端通过第三孔(30)和第一工作口A相通。
9.根据权利要求8所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，当重物相对人体向下运动时，设置在下部杆(8)上的一组液压缸进行压油动作，设置在上部杆(14)上的一组液压缸进行吸油动作，第一工作口A中高压油通过第三孔(30)将主阀芯(24)向一侧推动，高压油通过第一工作口A进入主阀芯(24)中的第一孔(27)和第一锥阀芯(25.1)到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器(6)中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体(22)中的流道与第二工作口B相通，并进入设置在上部杆(14)上的一组液压缸中完成吸油动作。
10.根据权利要求9所述的用于回收人体背部负重往复运动能量的液压机构，其特征在于，当重物相对人体向上运动时，设置在上部杆(14)上的一种液压缸进行压油动作，设置在下部杆(8)上的一组液压缸进行吸油动作，第二工作口B中高压油通过第二孔(28)把主阀芯(24)向另一侧推动，高压油通过第二工作口B进入阀体(22)中的第四孔(29)和第一锥阀芯(25.1)到达蓄能器进油口T，储存在蓄能器(6)中完成压油动作，进油口P流出的低压液压油通过阀体(22)中的流道与第一工作口A相通，并进入设置在下部杆(8)上的一组液压缸中完成吸油动作。
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