CN112008689A - 一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人，包括：躯干外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼以及脚支撑部，所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间通过髋关节连接，所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间通过膝关节连接，所述的小腿外骨骼与脚支撑部之间通过踝关节连接；所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间设置有髋关节驱动液压缸；所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间设置有膝关节驱动液压缸；所述的髋关节驱动液压缸和膝关节驱动液压缸连接有液压驱动装置。本发明是综合利用了外骨骼助力机器人本身的工况特性和电液复合驱动的特性，保证大驱动力的同时，即降低了系统成本，又减轻了系统重量。

Description

一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，具体涉及一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人。

背景技术

外骨骼助力机器人是一种穿戴在人身上，对人体运动进行辅助增强的机器人。穿戴上外骨骼助力机器人的人，在进行搬运、背负等运动时，外骨骼助力机器人可承担运动中的一部分负载力，减轻运动中人的负载。

外骨骼助力机器人目前常用的驱动方式有三种：电动驱动、液压驱动、电液复合驱动。

电动驱动通常是一个伺服电机通过减速器（可能是滚珠丝杠、齿轮箱、谐波减速器、RV减速器等）带动关节转动，外骨骼助力机器人上每一个需要对外输出力量的关节都要安装一个电机和减速器的组合。这种方案的优点是相关元件产业化程度较高，各种元件较为成熟易于采购选用，研发出来的产品易于产业化，价格成本较低。缺点是电动驱动装置体积重量较大，驱动力量有限。

液压驱动则是每一个动力关节都具有一个液压缸驱动，每个液压缸都有一个电液伺服阀来控制液压缸的运动，一台外骨骼助力机器人上所有的液压缸的动力由一个液压泵源来统一提供，液压泵源可能外置通过液压管道连接到外骨骼助力机器人上，也可能安装在外骨骼助力机器人身上。这种方案的优点是输出力量大，功率重量比大，在外骨骼助力机器人动力关节较多的情况下，能减轻产品重量。缺点是涉及到的元器件尤其是电液伺服阀价格高昂，研制周期花费较大。另外若外骨骼助力机器人动力关节数量较少，则液压泵源的体积重量可抵消掉液压缸体积重量轻的优点，此时相比电动驱动优势不大。

电液复合驱动则介于上两者之间，其原理是由伺服电机带动一个可双向运转的液压泵，再由液压泵直接带动一个液压缸来驱动关节运动。相当于由液压泵和液压缸来发挥类似于电动驱动系统中减速器的作用。这种方案的优点是动力传动靠流体来实现，可以实现灵活的布局，比如可将伺服电机和液压泵布置在躯干部位，液压缸则布置在肢体关节处，依靠可自由弯曲的液压软管连接来传递动力，以此来实现更优化的机身重量分布。当关节受到外来冲击力时，该驱动原理可以通过压力溢流阀卸掉冲击力，相比电动驱动更加坚固耐用。该驱动成本价格较电动驱动略高，但低于液压驱动。该驱动原理的缺点是体积重量较大。

申请公布号为CN 106493714 A（申请号为201611165525.6）的中国发明专利申请公开了一种外骨骼搬运助力机器人，包括背部支架、中央控制器、外骨骼上肢部件与外骨骼下肢部件，中央控制器固定安装在背部支架的后侧；两个结构相同的下肢部件分别安装在背部支架的两侧,所述髋关节动力装置安装在腰部助力机器人的背部支架与外骨骼下肢连接处，肩关节动力装置安装在外骨骼肩部。所述髋关节动力装置与肩关节动力装置由传动装置、谐波减速器、盘式电机与角度传感器组成，角度传感器用以测量关节处的角度值，根据测得的角度值由中央控制装置制相应关节的运动。该技术方案采用电机驱动，但是电动驱动装置体积重量较大，驱动力量有限。

发明内容

本发明提供了一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人，是综合利用了外骨骼助力机器人本身的工况特性和电液复合驱动的特性，保证大驱动力的同时，即降低了系统成本，又减轻了系统重量。

外骨骼助力机器人进行负重行走时，当腿处于支撑态（即该腿处于站立在地面上支撑身体的状态）时膝关节提供主要作用，而当腿处在摆动态（即该腿在迈步时处于悬空摆动的状态）时髋关节提供主要作用。结合外骨骼助力机器人的工况特性，充分利用电液复合驱动由流体传递动力带来的布局控制灵活的特性，将腿部膝关节和髋关节的驱动液压缸共享同一套伺服电机和液压泵。当腿处于支撑态时利用控制阀将伺服电机和液压泵与膝关节液压缸连接起来，此时伺服电机和液压泵带动膝关节运动，为膝关节提供助力；当腿处于摆动态时则利用控制阀将伺服电机和液压泵与髋关节液压缸连接起来，此时伺服电机和液压泵带动髋关节运动，为髋关节提供助力。该方案中每条腿都节省了一套伺服电机和液压泵，即降低了系统成本，又减轻了系统重量。

一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人，包括：躯干外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼以及脚支撑部，所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间通过髋关节连接，所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间通过膝关节连接，所述的小腿外骨骼与脚支撑部之间通过踝关节连接；

所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间设置有髋关节驱动液压缸（用于驱动髋关节）；

所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间设置有膝关节驱动液压缸（用于驱动膝关节）；

所述的髋关节驱动液压缸和膝关节驱动液压缸连接有液压驱动装置。

以下作为本发明的优选技术方案：

所述的髋关节驱动液压缸的一端固定在所述躯干外骨骼上，所述的髋关节驱动液压缸的另一端固定在所述大腿外骨骼上。进一步优选，所述的髋关节驱动液压缸的缸体（即外壳）固定在所述躯干外骨骼上，所述的髋关节驱动液压缸的液压杆（即活塞杆）固定在所述大腿外骨骼上。

所述的膝关节驱动液压缸的一端固定在所述大腿外骨骼上，所述的膝关节驱动液压缸的另一端固定在所述小腿外骨骼上。进一步优选，所述的膝关节驱动液压缸的缸体（即外壳）固定在所述大腿外骨骼上，所述的膝关节驱动液压缸的液压杆（即活塞杆）固定在所述小腿外骨骼上。

所述的髋关节驱动液压缸的两腔为杆腔(有杆腔)和塞腔(无杆腔)。

所述的液压驱动装置包括：

液压油箱；

与所述液压油箱连接的液压泵；

与所述液压泵连接的伺服电机；

分别与所述髋关节驱动液压缸的两腔连接的第一控制阀和第二控制阀；

分别与所述膝关节驱动液压缸的两腔连接的第三控制阀和第四控制阀；

所述的第一控制阀和第二控制阀均包含两个输入端和一个输出端；

所述的第一控制阀的第一输入端和第二控制阀的第一输入端连接到所述液压泵的两端；

所述的第一控制阀的第二输入端和第二控制阀的第二输入端连接到所述液压油箱的两端；

所述的第一控制阀的输出端和第二控制阀的输出端分别连接到所述髋关节驱动液压缸的两腔。

所述的第三控制阀和第四控制阀均包含两个输入端和一个输出端；

所述的第三控制阀的第一输入端和第四控制阀的第一输入端连接到所述液压泵的两端；

所述的第三控制阀的第二输入端和第四控制阀的第二输入端连接到所述液压油箱的两端；

所述的第三控制阀的输出端和第四控制阀的输出端分别连接到所述膝关节驱动液压缸的两腔。

当腿处于支撑态时利用第三控制阀和第四控制阀将伺服电机和液压泵与膝关节驱动液压缸连接起来，此时伺服电机和液压泵带动膝关节运动，为膝关节提供助力；当腿处于摆动态时则利用第一控制阀、第二控制阀将伺服电机和液压泵与髋关节驱动液压缸连接起来，此时伺服电机和液压泵带动髋关节运动，为髋关节提供助力。

当操作员的脚压在外骨骼助力机器人的脚支撑部上，且对压力传感器形成一定压力时，控制器判定该腿进入支撑态，第一控制阀的第二输入端和第二控制阀的第二输入端与液压油箱的两端连通，第一控制阀、第二控制阀将驱动髋关节的髋关节驱动液压缸左右两腔均连通至液压油箱；此时髋关节驱动液压缸可在外力作用下自由伸缩，外骨骼助力机器人的髋关节此时可被操作员的髋关节带动自由摆动。由于此时该腿处于支撑态，对髋关节力量要求不高，操作员自身髋关节力量足以应对。第三控制阀的第一输入端和第四控制阀的第一输入端与液压泵的两端连通，液压泵的输出油路通过第三控制阀、第四控制阀均被接至膝关节驱动液压缸，伺服电机依照控制器计算的动力学模型中膝关节所需的动力大小来驱动膝关节驱动液压缸带动膝关节运动，为操作员分担负重载荷。

当外骨骼助力机器人的脚支撑部上的压力传感器检测到压力值减小到某一值时，控制器判定该腿进入摆动态，此时第三控制阀的第二输入端和第四控制阀的第二输入端与液压油箱的两端连通，驱动膝关节的膝关节驱动液压缸与液压油箱直连，此时外骨骼助力机器人的膝关节可由操作员的膝关节带动自由摆动。第一控制阀的第一输入端和第二控制阀的第一输入端与液压泵的两端连通，驱动髋关节的髋关节驱动液压缸与液压泵连接，控制器按照计算出的动力学模型中髋关节所需动力大小来控制伺服电机，伺服电机再通过液压泵、第一控制阀和第二控制阀驱动髋关节驱动液压缸，最终使得髋关节负载被外骨骼助力机器人分担，减轻操作员的髋关节出力负担。

所述的液压油箱与所述液压泵之间连接有两个单向阀，液压油箱通过两个单向阀为液压泵提供油液，保证供油的正确和安全。

所述的躯干外骨骼上设有惯性姿态传感器，用于探测外骨骼助力机器人躯干姿态数据信息。

所述的脚支撑部上设有压力传感器，用来探测外骨骼助力机器人的腿处于支撑态还是摆动态。

所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，还包括控制器， 所述的压力传感器、惯性姿态传感器、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀以及伺服电机均与所述控制器连接。

本发明中，髋关节、膝关节和踝关节为本领域的惯用术语，具体均为活动连接，如铰接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

相比于电动驱动来说，该方案中的髋关节和膝关节共用一套伺服电机，相较电动驱动中髋关节和膝关节都各自具有一套伺服电机来说，大大减少了系统成本。而且可以利用液压传动装置布局的便利性，将伺服电机和液压泵、控制阀等布置在外骨骼助力机器人的躯干部位，仅仅将液压缸布置在外骨骼助力机器人的腿部关节部位，可减少外骨骼助力机器人运动时的能量消耗，增加外骨骼助力机器人对外做功的效率。

相比于液压驱动来说，该方案中的伺服电机在同一时刻仅对一个关节进行驱动，因此没有对全身运动提供动力的大功率液压泵源，因此在驱动关节数量不多的情况下，具备重量轻的优势。同时由于系统中没有昂贵的电液伺服阀，成本较低。

附图说明

图1为本发明电液复合驱动的外骨骼助力机器人的结构示意图；

图2为本发明电液复合驱动的外骨骼助力机器人处于支撑态的结构示意图；

图3为本发明电液复合驱动的外骨骼助力机器人处于摆动态的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明电液复合驱动的外骨骼助力机器人作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明电液复合驱动的外骨骼助力机器人的结构示意图，一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人，包括：躯干外骨骼1、大腿外骨骼2、小腿外骨骼3以及脚支撑部4，躯干外骨骼1与大腿外骨骼2之间通过髋关节连接，大腿外骨骼2与小腿外骨骼3之间通过膝关节连接，小腿外骨骼3与脚支撑部4之间通过踝关节连接； 躯干外骨骼1与大腿外骨骼2之间设置有髋关节驱动液压缸7；髋关节驱动液压缸7的缸体固定在躯干外骨骼1上，髋关节驱动液压缸7的液压杆固定在大腿外骨骼2上。大腿外骨骼2与小腿外骨骼3之间设置有膝关节驱动液压缸6；膝关节驱动液压缸6的缸体固定在大腿外骨骼2上，膝关节驱动液压缸6的液压杆固定在小腿外骨骼3上。

髋关节驱动液压缸7和膝关节驱动液压缸6连接有液压驱动装置。液压驱动装置包括：液压油箱14；与液压油箱14连接的液压泵12；与液压泵12连接的伺服电机13；分别与髋关节驱动液压缸7的两腔连接的第一控制阀8和第二控制阀9；分别与膝关节驱动液压缸6的两腔连接的第三控制阀10和第四控制阀11。

第一控制阀8和第二控制阀9均包含两个输入端和一个输出端；第一控制阀8的第一输入端和第二控制阀9的第一输入端连接到液压泵12的两端；

第一控制阀8的第二输入端和第二控制阀9的第二输入端连接到液压油箱14的两端；第一控制阀8的输出端和第二控制阀9的输出端分别连接到髋关节驱动液压缸7的两腔，第一控制阀8的输出端具体连接到髋关节驱动液压缸7的塞腔(无杆腔)，第二控制阀9的输出端具体连接到髋关节驱动液压缸7的杆腔(有杆腔)。。

第三控制阀10和第四控制阀11均包含两个输入端和一个输出端；第三控制阀10的第一输入端和第四控制阀11的第一输入端连接到液压泵12的两端；第三控制阀10的第二输入端和第四控制阀11的第二输入端连接到液压油箱14的两端；第三控制阀10的输出端和第四控制阀11的输出端分别连接到膝关节驱动液压缸6的两腔，第三控制阀10的输出端具体连接到膝关节驱动液压缸6的塞腔(无杆腔)，第四控制阀11的输出端具体连接到膝关节驱动液压缸6的杆腔(有杆腔)。

液压油箱14与液压泵12之间连接有两个单向阀（单向阀16和单向阀17）。躯干外骨骼1上设有惯性姿态传感器18；脚支撑部4上设有压力传感器5。电液复合驱动的外骨骼助力机器人，还包括控制器15，压力传感器5、惯性姿态传感器18、第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10、第四控制阀11以及伺服电机13均与控制器15连接。

外骨骼助力机器人身体构件包括躯干外骨骼1、大腿外骨骼2、小腿外骨骼3、脚支撑部4组成，髋关节驱动液压缸7负责驱动髋关节，膝关节驱动液压缸6负责驱动膝关节。伺服电机13和液压泵12通过控制阀8、9、10、11（即第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10、第四控制阀11）分别连接到髋关节驱动液压缸7、膝关节驱动液压缸6的两腔。液压油箱14通过单向阀16、17为液压泵12提供油液。外骨骼助力机器人的脚支撑部4上具有压力传感器5，用来探测外骨骼助力机器人的腿处于支撑态还是摆动态。图中虚线表示信号连接，压力传感器5的信号接入控制器15，在外骨骼助力机器人躯干外骨骼1上装有一个惯性姿态传感器18，其输出信号接入控制器15。控制器15对控制阀8、9、10、11（即第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10、第四控制阀11）和伺服电机13进行实时控制。

在操作员穿戴着外骨骼助力机器人行走时，操作员的躯干通过绑带与外骨骼助力机器人的躯干外骨骼1固定，操作员的脚通过绑带与外骨骼助力机器人的脚支撑部4固定，并且操作员的脚踩在压力传感器5上面。控制器15接收来自惯性姿态传感器18输出的躯干姿态数据信息，压力传感器5的输出信息，以及外骨骼助力机器人各关节的位置、速度信息，以此计算整个外骨骼助力机器人的动力学模型，此模型输出值为外骨骼助力机器人各关节所需动力大小。

当操作员的脚压在外骨骼助力机器人的脚支撑部4上，且对压力传感器5形成一定压力时，控制器15判定该腿进入支撑态，控制器15发出信号驱动第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10、第四控制阀11进行动作，将液压回路切换成图2（支撑态）状态：如图2中第一控制阀8、第二控制阀9将驱动髋关节的髋关节驱动液压缸7左右两腔均连通至液压油箱14，即第一控制阀8的第二输入端和第二控制阀9的第二输入端与液压油箱14的两端连通；此时髋关节驱动液压缸7可在外力作用下自由伸缩，外骨骼助力机器人的髋关节此时可被操作员的髋关节带动自由摆动。由于此时该腿处于支撑态，对髋关节力量要求不高，操作员自身髋关节力量足以应对。液压泵12的输出油路通过第三控制阀10、第四控制阀11均被接至膝关节驱动液压缸6，即第三控制阀10的第一输入端和第四控制阀11的第一输入端与液压泵12的两端连通，伺服电机13依照控制器15计算的动力学模型中膝关节所需的动力大小来驱动膝关节驱动液压缸6带动膝关节运动，为操作员分担负重载荷。

当外骨骼助力机器人的脚支撑部4上的压力传感器5检测到压力值减小到某一值时，控制器15判定该腿进入摆动态，此时控制器15驱动控制阀8、9、10、11（即第一控制阀8、第二控制阀9、第三控制阀10、第四控制阀11）将回路切换至图3（摆动态）状态：图3为摆动态时回路状态，此时驱动膝关节的膝关节驱动液压缸6与液压油箱14直连，即第三控制阀10的第二输入端和第四控制阀11的第二输入端与液压油箱14的两端连通，此时外骨骼助力机器人的膝关节可由操作员的膝关节带动自由摆动。驱动髋关节的髋关节驱动液压缸7与液压泵12连接，即第一控制阀8的第一输入端和第二控制阀9的第一输入端与液压泵12的两端连通，控制器15按照计算出的动力学模型中髋关节所需动力大小来控制伺服电机13，伺服电机13再通过液压泵12、第一控制阀8、第二控制阀9驱动髋关节驱动液压缸7，最终使得髋关节负载被外骨骼助力机器人分担，减轻操作员的髋关节出力负担。

Claims (11)

1.一种电液复合驱动的外骨骼助力机器人，包括：躯干外骨骼、大腿外骨骼、小腿外骨骼以及脚支撑部，所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间通过髋关节连接，所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间通过膝关节连接，所述的小腿外骨骼与脚支撑部之间通过踝关节连接；其特征在于，

所述的躯干外骨骼与大腿外骨骼之间设置有髋关节驱动液压缸；

所述的大腿外骨骼与小腿外骨骼之间设置有膝关节驱动液压缸；

所述的髋关节驱动液压缸和膝关节驱动液压缸连接有液压驱动装置。

2.根据权利要求1所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的髋关节驱动液压缸的一端固定在所述躯干外骨骼上，所述的髋关节驱动液压缸的另一端固定在所述大腿外骨骼上。

3.根据权利要求2所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的髋关节驱动液压缸的缸体固定在所述躯干外骨骼上，所述的髋关节驱动液压缸的液压杆固定在所述大腿外骨骼上。

4.根据权利要求1所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的膝关节驱动液压缸的一端固定在所述大腿外骨骼上，所述的膝关节驱动液压缸的另一端固定在所述小腿外骨骼上。

5.根据权利要求4所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的膝关节驱动液压缸的缸体固定在所述大腿外骨骼上，所述的膝关节驱动液压缸的液压杆固定在所述小腿外骨骼上。

6.根据权利要求1所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的液压驱动装置包括：

液压油箱；

与所述液压油箱连接的液压泵；

与所述液压泵连接的伺服电机；

分别与所述髋关节驱动液压缸的两腔连接的第一控制阀和第二控制阀；

分别与所述膝关节驱动液压缸的两腔连接的第三控制阀和第四控制阀。

7.根据权利要求6所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的第一控制阀和第二控制阀均包含两个输入端和一个输出端；

所述的第一控制阀的第一输入端和第二控制阀的第一输入端连接到所述液压泵的两端；

所述的第一控制阀的第二输入端和第二控制阀的第二输入端连接到所述液压油箱的两端；

所述的第一控制阀的输出端和第二控制阀的输出端分别连接到所述髋关节驱动液压缸的两腔。

8.根据权利要求7所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的第三控制阀和第四控制阀均包含两个输入端和一个输出端；

所述的第三控制阀的第一输入端和第四控制阀的第一输入端连接到所述液压泵的两端；

所述的第三控制阀的第二输入端和第四控制阀的第二输入端连接到所述液压油箱的两端；

所述的第三控制阀的输出端和第四控制阀的输出端分别连接到所述膝关节驱动液压缸的两腔。

9.根据权利要求1所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的液压油箱与所述液压泵之间连接有两个单向阀。

10.根据权利要求1所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的躯干外骨骼上设有惯性姿态传感器；

所述的脚支撑部上设有压力传感器。

11.根据权利要求6所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，其特征在于，所述的电液复合驱动的外骨骼助力机器人，还包括控制器，所述的压力传感器、惯性姿态传感器、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀以及伺服电机均与所述控制器连接。

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