CN110712191A - 一种外骨骼机器人液压驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器人液压驱动系统，包括：内模块、外模块、髋部液压缸和膝部液压缸，内模块包括电机、液压泵、油箱、联轴器和第一阀块，油箱位于第一阀块的底部，电机通过联轴器与液压泵连接，且电机固定在第一阀块内；外模块包括阀控电机、减速器、光电码盘组件、旋转式换向阀和第二阀块，阀控电机、减速器和旋转式换向阀依次连接，光电码盘组件套设在旋转式换向阀上，旋转式换向阀位于第二阀块上，液压泵固定在第一阀块上且嵌入第二阀块内，阀控电机与膝部液压缸连接，第二阀块连接髋部液压缸。本发明实现了人机步态耦合控制，达到人体和外骨骼协调一致。

Description

一种外骨骼机器人液压驱动系统

技术领域

本发明涉及微型液压系统技术领域，更具体的说是涉及一种外骨骼机器人液压驱动系统，用于对外骨骼机器人中下肢髋关节、膝关节各个支路的液流进行压力、流量、流向控制，实现外骨骼机器人负重自由行走。

背景技术

外骨骼机器人是一种典型的外骨骼助力装置，可为穿戴者提供助力、支撑、保护等功能，融合了人体运动意图获取，多轴运动控制、机械仿生设计等机器人技术，是一种典型的人机一体化系统，可用于军事、运输、医疗康复等方面。

外骨骼机器人液压驱动系统是机、电、液、软件高度融合高科技产品，所涉及的领域不止是人工智能技术、机器人技术、生物医药工程、流体工程等技术，而是一个综合性产品，国外对于我们具有较高的技术壁垒。为了填补国内空白，液压驱动系统成功研发对于加快外骨骼机器人的研发步伐，早日应用到军事、医学等领域具有重大意义。

因此，如何提供一种外骨骼机器人液压驱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，本发明提供了一种外骨骼机器人液压驱动系统，液压元件微型化和系统高度集成，实现了人机步态耦合控制，达到人体和外骨骼协调一致。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种外骨骼机器人液压驱动系统，包括：内模块、外模块、髋部液压缸和膝部液压缸，所述内模块、所述髋部液压缸和所述膝部液压缸均与所述外模块连接；

所述内模块包括驱动电机、液压泵、油箱、联轴器和第一阀块，所述油箱位于所述第一阀块的底部，所述驱动电机通过所述联轴器与所述液压泵连接，且所述驱动电机固定在所述第一阀块内；

所述外模块包括阀控电机、减速器、光电码盘组件、旋转式换向阀和第二阀块，所述阀控电机、所述减速器和所述旋转式换向阀依次连接，所述光电码盘组件套设在所述旋转式换向阀上，所述旋转式换向阀位于所述第二阀块上，所述液压泵固定在所述第一阀块上且嵌入所述第二阀块内，所述第二阀块连接所述髋部液压缸。

进一步，所述外模块还包括第二压力传感器、液控单向阀和单向阀，所述第二压力传感器、所述液控单向阀和所述单向阀均安装在所述第二阀块的孔道内；

所述内模块还包括第一压力传感器，所述第一压力传感器安装在所述第一阀块相应的孔道内。

进一步，所述油箱包括集气室、排气阀、活塞和腔室，所述排气阀安装在所述集气室上，所述活塞位于所述集气室与所述腔室之间，所述腔室位于所述第一阀块的底部。

进一步，所述旋转式换向阀包括旋转式换向阀阀芯和旋转式换向阀阀体，所述旋转式换向阀阀芯嵌入所述旋转式换向阀阀体内，所述旋转式换向阀阀体固定在所述第二阀块上，所述减速器的输出轴嵌入所述旋转式换向阀阀芯的内孔中。

进一步，所述光电码盘组件包括光电码盘和光电码盘座，所述光电码盘位于所述光电码盘座的缝隙内，且所述光电码盘套设在所述旋转式换向阀阀芯上，所述光电码盘用于检测所述旋转式换向阀阀芯的位置，所述光电码盘座通过所述旋转式换向阀阀体固定在所述第二阀块上，所述光电码盘座用于将所述光电码盘接收的信号发送给电控系统。

进一步，所述外模块还包括支座，所述支座位于所述减速器和所述旋转式换向阀之间，所述减速器通过螺钉固定在所述支座上，所述支座通过所述旋转式换向阀阀体固定在所述第二阀块上。

进一步，还包括髋部转轴和髋部轴承，所述髋部轴承套设在所述髋部转轴上，且所述髋部转轴一端固定在所述第一阀块上，另一端固定在所述第二阀块上，所述髋部轴承插入所述髋部液压缸的缸筒内。

进一步，所述内模块和所述外模块均包括溢流阀和堵头，所述溢流阀和所述堵头均安装在所述第一阀块或所述第二阀块的孔道内，所述溢流阀防止液压系统输出压力过高。

进一步，还包括连接螺柱、连接螺母和连接螺钉，所述连接螺柱和所述连接螺母匹配，且所述第一阀块通过所述连接螺柱、所述连接螺母和所述连接螺钉与所述第二阀块连接。

进一步，所述第一压力传感器设置为两个，所述第二压力传感器设置为一个。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种外骨骼机器人液压驱动系统，外骨骼机器人液压驱动系统集成在机器人下肢，左右下肢各一套液压驱动系统，结构对称，工作相互独立，设置在外骨骼机器人身体各部位的传感器识别穿戴者意图，控制液压系统相应电机动作，髋部液压缸和膝部液压缸共用一个液压源，双作用液压泵作为动力源输出压力油，一路通过改变液压泵的旋转方向控制髋部液压缸伸缩，另一路通过旋转式换向阀控制膝部液压缸伸缩，从而驱动“髋部”和“膝部”关节动作，实现了人机步态耦合控制，达到人体和外骨骼协调一致。

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附图为本发明提供的一种外骨骼机器人液压驱动系统结构示意图。

图2附图为图1的分解图。

图3附图为内模块结构示意图。

图4附图为外模块结构示意图，其中图4a、图4b、图4c为外模块不同角度的三维图。

图5附图为本发明提供的一种外骨骼机器人液压驱动系统原理框图。

其中，

1、内模块，101、驱动电机，102、液压泵，103、油箱，1031、集气室，1032、排气阀，1033、活塞，1034、腔室，104、联轴器，105、第一阀块，106、第一压力传感器，108、连接螺母，2、外模块，200、连接螺柱，201、阀控电机，202、减速器，203、光电码盘组件，2031、光电码盘，2032、光电码盘座，204、旋转式换向阀，2041、旋转式换向阀阀芯，2042、旋转式换向阀阀体，205、第二阀块，206、第二压力传感器，207、液控单向阀，209、支座，210、单向阀，211、管接头，212、螺堵，3、髋部液压缸，4、膝部液压缸，5、髋部转轴，6、髋部轴承，7、连接螺钉，12-1、溢流阀，12-2、堵头。

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外骨骼机器人液压驱动系统，如图1-2所示，包括内模块1、外模块2、髋部液压缸3和膝部液压缸4，内模块1为液压系统动力元件，为液压系统提供压力油，外模块2为液压系统控制元件和辅助元件，控制压力油的换向，监测系统压力，髋部液压缸3和膝部液压缸4均为液压系统的执行元件，分别用于驱动髋关节和膝关节动作。

具体的，如图3所示，内模块1包括驱动电机101、液压泵102、油箱103、联轴器104、第一阀块105、两个第一压力传感器106；

如图4所示，外模块2包括阀控电机201、减速器202、光电码盘组件203、旋转式换向阀204、第二阀块205、第二压力传感器206、液控单向阀207、支座209和单向阀210；

第二阀块205和第一阀块105通过连接螺柱200、连接螺母108和连螺钉7固定在一起，其中，连接螺柱200和连接螺母108设置为3组，驱动电机101通过联轴器104与液压泵102连接，驱动电机101带动液压泵102旋转，从油箱103吸油并向外模块输出压力油，驱动电机101通过螺栓固定在第一阀块105上，液压泵102固定在第一阀块105上且嵌入在第二阀块205内，油箱103用于储存和回收液压油，油箱103包括集气室1031、排气阀1032、活塞1033和腔室1034，其中，排气阀1032安装在集气室1031上，集气室1031通过三个活塞1033对应与三个腔室1034隔开，腔室1034位于第一阀块105的底部，具体的，腔室1034内储存油液，液压泵102旋转产生吸力，从腔室1034内吸油，输出髋部液压缸或膝部液压缸内使其活塞杆伸出，活塞1033在油液负压和集气室1031内气体压力作用下运行，避免腔室1034内形成真空；髋部液压缸或膝部液压缸活塞杆缩回时，多余的油液排入腔室1034，推动活塞1033，压缩集气室1031内空气。第一压力传感器106通过螺纹安装在第一阀块105的孔道内，与油液接触，接收油压信号，然后转换为电信号，通过导线接入电控系统，用于监测髋部液压缸油口压力；

旋转式换向阀204包括旋转式换向阀阀芯2041和旋转式换向阀阀体2042，光电码盘组件203包括光电码盘2031和光电码盘座2032，阀控电机201固定在减速器202上，减速器202通过螺钉固定在支座209上，支座209通过旋转式换向阀阀体2042固定在第二阀块205上，且旋转式换向阀阀体2042也固定在第二阀块205上，减速器202的输出轴嵌入旋转式换向阀阀芯2041的内孔中，光电码盘2031套设在旋转式换向阀阀芯2041上，光电码盘2031用于检测旋转式换向阀阀芯2041的位置，光电码盘座2032通过旋转式换向阀阀体2042固定在第二阀块205上，光电码盘座2032用于将光电码盘2031接收的信号发送给电控系统，第二压力传感器206、两个液控单向阀207和单向阀210对应安装在第二阀块205的孔道内，第二压力传感器206插入第二阀块205部分，通过孔道与油液接触，接收油压信号，然后转换为电信号，通过导线接入电控系统，用于监测膝部液压缸油口压力，液控单向阀207实现泵的补油和回油，液控单向阀207进油口与油箱接通，出油口与髋部液压缸油腔接通，当髋部液压缸活塞杆伸出时，髋部液压缸油腔内油液增加，油箱通过液控单向阀向髋部液压缸补油；当髋部液压缸活塞杆缩回时，油腔内油液减少，多余的油液通过液压单向阀流回油箱(泵产生的压力作用在液控单向阀控制口，使液控单向阀可以反向流通)；单向阀210只允许油液向一个方向流动，用于膝部液压缸9补油。

为了进一步优化上述技术方案，还包括髋部转轴5和髋部轴承6，髋部轴承6安装在髋部转轴5和髋部液压缸3缸筒之间，髋部转轴5插入髋部轴承6内孔，髋部轴承6插入髋部液压缸3缸筒。髋部转轴5一端支撑在第一阀块105内孔，另一端支撑在第二阀块205内孔，且通过螺钉固定在第二阀块205上。

髋部转轴5插入第一阀块105内孔，通过第一阀块105和髋部转轴5的孔道实现髋部液压缸3有杆腔与液压泵一油口连通。

髋部转轴5插入第二阀块205内孔，通过第二阀块205和髋部转轴5的孔道实现髋部液压缸3无杆腔与液压泵另一油口连通。

为进一步优化上述技术方案，内模块1和外模块2均包括溢流阀12-1和堵头12-2，堵头12-2位于溢流阀12-1上，溢流阀12-1安装在第一阀块105的孔道内或第二阀块205的孔道内，溢流阀12-1起安全阀作用，当系统压力超过溢流阀设定压力时，溢流阀阀芯开启，使系统中多余油液通过该阀溢出至油箱，油压无法继续升高，防止液压系统输出压力过高。

为进一步优化上述技术方案，外模块2还包括管接头211和螺堵212，管接头211通过螺纹连接在第二阀块上，另一头螺纹与软管连接，用于实现外模块与膝部液压缸油路沟通，螺堵212通过螺纹连接在第二阀块上，用于封堵油路。

如图5所示，本发明的工作原理为：

髋部液压缸和膝部液压缸共用一个液压源，双作用微型液压泵102作为动力源输出压力油，一路通过改变液压泵的旋转方向控制髋部液压缸8伸缩，另一路通过旋转式换向阀204控制膝部液压缸9伸缩。通过改变泵驱动电机101的转速，调节两个液压缸的动作速度；液控单向阀207实现髋部液压缸的补油和回油；单向阀210用于膝部液压缸9补油。

膝部液压缸和髋部液压缸的控制策略如下：

人体支撑相阶段，足部与地面接触，初始时髋关节角度为最大值30°。油箱内的油液通过下侧液控单向阀进入液压泵102下油口，上油口输出压力油，进入髋部液压缸3无杆腔，髋部液压缸3活塞杆伸出，髋关节角度减小，身体重心前移，直至足部准备离地。在此期间，旋转式换向阀204先工作于左位，膝部液压缸4活塞杆缩回，小腿弯曲，足部完全着地后，旋转式换向阀204工作于右位，膝部液压缸3活塞杆伸出，下肢直立。

摆动相阶段，足部离开地面，液压泵102上油口吸油，下油口输出压力油，进入髋部液压缸有杆腔，髋部液压缸3活塞杆缩回；旋转式换向阀204工作于左位，膝部液压缸4无杆腔卸荷，膝关节在外部复位力作用下屈，下肢随髋关节前摆。在此期间，膝关节只需克服小腿和足部重力动作。

当机器人停止动作时，液压泵102停转，旋转式换向阀204工作于中位，膝部液压缸4无杆腔油液被锁定，膝关节被锁定，支撑人体状态保持。

本发明的工作过程为：

当膝部液压缸不动作，仅髋部液压缸动作时，旋转式换向阀处于中位。

液压泵在电机带动下沿一个方向旋转时，油箱内的油液通过下侧液控单向阀进入液压泵下腔，液压泵上腔输出高压油，通过第二阀块205和髋部转轴5的孔道进入髋部液压缸无杆腔，髋部液压缸活塞杆伸出，髋关节后摆。高压油将下侧液控单向阀打开，髋部液压缸有杆腔油液通过下侧液控单向阀流回油箱。

当改变电机旋转方向时，油箱内油液通过上侧液控单向阀进入液压泵上腔，液压泵下腔输出高压油，通过第一阀块105和髋部转轴5的孔道进入髋部液压缸有杆腔，髋部液压缸活塞杆缩回，髋关节前摆。高压油将上侧液控单向阀打开，髋部液压缸无杆腔油液通过上侧液控单向阀流回油箱。

需驱动膝部液压缸时，首先使旋转式换向阀工作于右位，油箱内的油液通过液压泵下腔进入，上腔输出高压油，通过旋转式换向阀进入膝部液压缸无杆腔，膝部液压缸活塞杆伸出，膝关节伸。

使旋转式换向阀工作于左位时，通过外部附加力可使膝部液压缸活塞杆缩回，膝关节屈。膝部液压缸无杆腔油液通过旋转式换向阀流回油箱。

本发明外骨骼机器人液压驱动系统属于微型液压系统，外骨骼机器人是一种穿戴式的机器人，具有仿生动作的下肢结构，液压系统布置于穿戴者两腿左右侧。机器人跟随穿戴者膝关节、髋关节两个关节同步动作，分担使用者的负重，降低使用者本身的能量消耗；

本发明通过分解正常人步行姿态，了解人体下肢各部件运动时角度数据，受力力矩，各肌肉块作用，通过肌电反应意图，由传感器实时传递状态数据，通过软件控制靠髋关节和膝关节的屈/伸运动完成人体行走，实现了人机步态耦合控制，达到人体和外骨骼协调一致。

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)

1.一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，包括：内模块(1)、外模块(2)、髋部液压缸(3)和膝部液压缸(4)，所述内模块(1)、所述髋部液压缸(3)和所述膝部液压缸(4)均与所述外模块(2)连接；

所述内模块(1)包括驱动电机(101)、液压泵(102)、油箱(103)、联轴器(104)和第一阀块(105)，所述油箱(103)位于所述第一阀块(105)的底部，所述驱动电机(101)通过所述联轴器(104)与所述液压泵(102)连接，且所述驱动电机(101)固定在所述第一阀块(105)内；

所述外模块(2)包括阀控电机(201)、减速器(202)、光电码盘组件(203)、旋转式换向阀(204)和第二阀块(205)，所述阀控电机(201)、所述减速器(202)和所述旋转式换向阀(204)依次连接，所述光电码盘组件(203)套设在所述旋转式换向阀(204)上，所述旋转式换向阀(204)位于所述第二阀块(205)上，所述液压泵(102)固定在所述第一阀块(105)上且嵌入所述第二阀块(205)内，所述第二阀块(205)与所述髋部液压缸(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述外模块(2)还包括第二压力传感器(206)、液控单向阀(207)和单向阀(210)，所述第二压力传感器(206)、所述液控单向阀(207)和所述单向阀(210)均安装在所述第二阀块(205)相应的孔道内；

所述内模块(1)还包括第一压力传感器(106)，所述第一压力传感器(106)安装在所述第一阀块(105)的孔道内。

3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述油箱(103)包括集气室(1031)、排气阀(1032)、活塞(1033)和腔室(1034)，所述排气阀(1032)安装在所述集气室(1031)上，所述活塞(1033)位于所述集气室(1031)和所述腔室(1034)之间，所述腔室(1034)位于所述第一阀块(105)的底部。

4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述旋转式换向阀(204)包括旋转式换向阀阀芯(2041)和旋转式换向阀阀体(2042)，所述旋转式换向阀阀芯(2041)嵌入所述旋转式换向阀阀体(2042)内，所述旋转式换向阀阀体(2042)固定在所述第二阀块(205)上，所述减速器(202)的输出轴嵌入所述旋转式换向阀阀芯(2041)的内孔中。

5.根据权利要求4所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述光电码盘组件(203)包括光电码盘(2031)和光电码盘座(2032)，所述光电码盘(2031)位于所述光电码盘座(2032)的缝隙内，且所述光电码盘(2031)套设在所述旋转式换向阀阀芯(2041)上，所述光电码盘(2031)用于检测所述旋转式换向阀阀芯(2041)的位置，所述光电码盘座(2032)通过所述旋转式换向阀阀体(2042)固定在所述第二阀块(205)上，所述光电码盘座(2032)用于将所述光电码盘(2031)接收的信号发送给电控系统。

6.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述外模块(2)还包括支座(209)，所述支座(209)位于所述减速器(202)和旋转式换向阀(204)之间，所述减速器(202)通过螺钉固定在所述支座(209)上，所述支座(209)通过所述旋转式换向阀阀体(2042)固定在所述第二阀块(205)上。

7.根据权利要求3所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，还包括髋部转轴(5)和髋部轴承(6)，所述髋部轴承(6)套设在所述髋部转轴(5)上，且所述髋部转轴(5)一端固定在所述第一阀块(105)上，另一端固定在所述第二阀块(205)上，所述髋部轴承(6)插入所述髋部液压缸(3)的缸筒内。

8.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述内模块(1)和所述外模块(2)均包括溢流阀(12-1)和堵头(12-2)，所述溢流阀(12-1)和所述堵头(12-2)均安装在所述第一阀块(105)或所述第二阀块(205)的孔道内，所述溢流阀(12-1)防止液压系统输出压力过高。

9.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，还包括连接螺柱(200)、连接螺母(108)和连接螺钉(7)，所述连接螺柱(200)和所述连接螺母(108)匹配，且所述第一阀块(105)通过所述连接螺柱(200)、所述连接螺母(108)和所述连接螺钉(7)与所述第二阀块(205)连接。

10.根据权利要求2所述的一种外骨骼机器人液压驱动系统，其特征在于，所述第一压力传感器(106)设置为两个，所述第二压力传感器(206)设置为一个。

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