CN214818555U - 应用于负载机动型外骨骼的液压系统及外骨骼系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统及外骨骼系统，液压系统的两路液压回路并联，且均连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，膝关节液压缸处设有位置传感器；在每路液压回路中，液压泵连接油囊和单向阀，单向阀再连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，从而构成封闭回路；电机连接并驱动液压泵，并且通过控制自身转速来控制液压缸运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动液压缸的伸长运动；液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。本实用新型液压系统结构紧凑、重量轻、体积小、实用性佳。

Description

应用于负载机动型外骨骼的液压系统及外骨骼系统

技术领域

本实用新型涉及外骨骼驱动技术领域，特别涉及一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统及外骨骼系统。

背景技术

负载机动型外骨骼是一套由机械系统、传感系统、动力系统、控制系统等组成的高科技智能化装备，穿戴者既是外骨骼的操作对象，也是使用对象，能与穿戴者携行助力、增强穿戴者体能、减轻和预防穿戴者损伤等。

动力系统是负载机动型外骨骼的能量来源，直接决定了外骨骼的工作效率、运行时间和能源利用率，间接影响着外骨骼的稳定性、可靠性与安全性。当前下肢外骨骼的驱动系统主要有两类方案：一类以蓄电池为能源载体，驱动系统直接输出电力，驱动基于电机的作动器。另外一类是以蓄电池为能源载体，动力采用电机驱动液压系统，以流体传动的方式驱动外骨骼肢体动作。蓄电池-电机方案具有结构简单、可控性好等优点，但在驱动性能上较差。蓄电池－液压方案则具有较高的功率重量比(动力机构功率与重量之比)与较好的控制精度(液压流体通常不可压缩)，因此负载型外骨骼通常采用蓄电池－液压方案。

目前，负载型外骨骼基本都采用双作用液压缸，然而双作用液压缸在体积和重量上都较大，且其伸出和收回都需要控制，使得驱动油路也较为复杂，加重负载机动型外骨骼受到体积与重量的制约，导致负载机动型外骨骼在实用性上常常受限。

实用新型内容

本实用新型的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统，该液压系统具有结构紧凑、重量轻、体积小、实用性佳的优点。

本实用新型的第二目的在于提供一种负载机动型外骨骼系统。

本实用新型的第一目的通过下述技术方案实现：

一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统，包括油囊、两路液压回路、2个髋关节液压缸和2个膝关节液压缸，髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用油缸，每路液压回路均通过液压管连接油囊、对应的1个髋关节液压缸和1个膝关节液压缸；

每路液压回路包括电机、液压泵、单向阀、液压管和液压阀，电机、液压泵和液压阀均与外骨骼系统中的电源相连接，电机、单向阀和液压阀分别与外骨骼系统中的控制系统相连接；

在每路液压回路中，液压泵通过液压管连接油囊和单向阀，单向阀再通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也通过液压管连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，从而构成封闭回路；

电机连接并驱动液压泵，电机通过控制液压泵来控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动；髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，其中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制；

每路液压回路的膝关节液压缸处均设有位置传感器，位置传感器连接控制系统，并向控制系统发送采集的膝关节液压缸实时位置数据。

优选的，两路液压回路的液压阀之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊；两路液压回路的液压泵之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊。

优选的，在每路液压回路中，髋关节液压缸与膝关节液压缸通过液压管相连接，且还共用同一段液压管连接至单向阀和液压阀。

优选的，每条液压回路还设置有溢流阀，溢流阀一端通过液压管连接至液压阀，另一端通过液压管连接至单向阀。

优选的，控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡；运动数据采集卡连接位置传感器并获取传感数据；运动数据采集卡连接伺服驱动器；伺服驱动器通过CAN总线连接电机、单向阀和液压阀。

优选的，电机为直流电机，液压泵为电动齿轮泵，液压阀为常闭型电磁阀。

优选的，油囊、液压泵、单向阀、液压阀和电机安装在负载机动型外骨骼的仿生躯干上；髋关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生髋关节处，且同时连接外骨骼仿生躯干与仿生髋关节；膝关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生膝关节处，且同时连接外骨骼仿生腿上的大腿杆与小腿杆。

更进一步的，仿生髋关节具有3个髋关节自由度，分别为1个主动自由度和2个被动自由度，其中，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；仿生髋关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围；

仿生膝关节具有1个膝关节自由度，该膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；仿生膝关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

更进一步的，当髋关节液压缸驱动仿生髋关节中的一个关节轴前屈/后伸的关节角度θ＝45°时，仿生髋关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩；

当膝关节液压缸驱动仿生膝关节中的一个关节轴屈曲/伸展的关节角度θ＝45°时，仿生膝关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩。

本实用新型的第二目的通过下述技术方案实现：

一种负载机动型外骨骼系统，所述外骨骼系统具有本实用新型第一目的所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型液压系统根据负载机动型外骨骼的左、右腿驱动，分为两路液压回路，每路液压回路均由电机驱动液压泵，液压泵产生的高压油液经过单向阀后传输到髋关节液压缸与膝关节液压缸，从而实现驱动髋关节液压缸与膝关节液压缸的伸长运动，两缸的油压与流量可由电机控制，而两缸缩回则通过人腿自行驱动，且缩回过程中，油液经过液压阀回流到油囊中，由此实现完整高效的仿生髋关节、仿生膝关节运动控制。

(2)本实用新型液压系统采用单作用液压缸，与常用的双作用液压缸相比，体积小，重量轻，驱动油路更简单，可提高负载机动型外骨骼的实用性和灵活性。并且，采用小型化的液压元件如电动齿轮泵、电磁阀等，使每路液压回路相当于一个微型液压站，更有利于液压系统结构紧凑。

(3)本实用新型液压系统的两路液压回路并联连接，可最大程度上避免液压回路之间的干扰，保证每路的独立性，并且，每路液压回路整体组成封闭容腔，液压介质不与空气接触，可以防止液压介质受到来自空气中的固体颗粒及水分的污染，避免空气混入液压介质降低其弹性模量。

(4)本实用新型通过在膝关节液压缸处设置位置传感器，以位置传感器实时检测膝关节液压缸的位置数据作为控制反馈，控制系统能够根据反馈实时调整电机的转速，进而调控髋关节液压缸与膝关节液压缸的运动，同时也可以根据位置数据判断膝关节液压缸是否运动到极限位置，确保在运动到极限位置时能够及时关闭电机，避免损坏液压系统。

附图说明

图1是本实用新型应用于负载机动型外骨骼的液压系统的示意图。

图2是图1液压系统的原理图。

图3是图1液压系统的控制示意图。

图4是负载机动型外骨骼的示意图。

图5是负载机动型外骨骼的侧视图。

图6是仿生腿与髋关节液压缸、膝关节液压缸的连接示意图。

图7是仿生髋关节和仿生膝关节的自由度示意图。

图8是仿生髋关节或仿生膝关节的力矩与关节角度的关系示意图。

标号说明：

油囊1，液压管2，髋关节液压缸3，膝关节液压缸4，电机5，液压泵6，单向阀7，液压阀8，溢流阀9，位置传感器10，电源11，控制系统12，仿生躯干13，仿生腿14，仿生髋关节141，大腿杆142，仿生膝关节143，小腿杆144，仿生踝关节145，仿生脚15，绑带16，负载机动型外骨骼系统100。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统，如图1和图2所示，所述液压系统包括油囊1、并联的两路液压回路、2个髋关节液压缸和2个膝关节液压缸。

如图1～图3所示，每路液压回路相当于一个微型液压站，每路液压回路均通过液压管2连接油囊、对应的1个髋关节液压缸3和1个膝关节液压缸4。髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用油缸(伸长方向主动，缩回方向被动)。

每路液压回路包括电机5、液压泵6、单向阀7和液压阀8。在每路液压回路中，液压泵通过液压管连接油囊和单向阀，单向阀再通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也通过液压管连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，从而构成封闭回路。

由于每路液压回路整体组成封闭容腔，液压介质不与空气接触，因此可以防止液压介质受到来自空气中的固体颗粒及水分的污染，避免空气混入液压介质降低其弹性模量。

电机连接并驱动液压泵，并且通过控制自身转速来控制液压泵，液压泵可以产生油压，因此，电机可以通过液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动。由于髋关节液压缸和膝关节液压缸均为单作用油缸，因此，髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动。在这一过程中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。

如图2所示，两路液压回路的液压阀之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊。也就是说，连接两路液压阀的液压管与油囊之间还通过另一段液压管相连接，该段液压管作为共用管道。

同样，两路液压回路的液压泵之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊。也就是说，连接两路液压泵的液压管与油囊之间还通过另一段液压管相连接，该段液压管作为共用管道。

在每路液压回路中，髋关节液压缸与膝关节液压缸通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至单向阀和液压阀。也就是说，髋关节液压缸与膝关节液压缸之间的液压管与液压回路之间还连接有另一段液压管，该段液压管同时作为髋关节液压缸与膝关节液压缸的进/出油管。

另外，为方便获知髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长或者缩回运动情况，以及判断膝关节液压缸是否运动到极限位置，每路液压回路的膝关节液压缸处均设有位置传感器10，可参见图5，位置传感器连接控制系统，可用来实时检测膝关节液压缸的位置，并向控制系统发送采集的数据。

为防止管路过载，每条液压回路还可以设置有溢流阀9来稳定管路油压，防止溢流。如图2所示，溢流阀一端通过液压管连接至液压阀，另一端通过液压管连接至单向阀。

在本实施例中，电机、液压泵和液压阀均与外骨骼系统中的电源相连接，并由电源供电。电机与外骨骼系统中的控制系统相连接，并由控制系统控制其工作状态，可参见图3。单向阀和液压阀分别与控制系统相连接，并由控制系统控制其开度。

电机可采用直流电机。液压泵可采用电动齿轮泵，本实施例采用的是高转速齿轮泵，其工作转速可达到10000rpm，可被电机直接驱动，减少电机与液压泵之间的传动、变速机构，降低整体重量和空间占用。同时高转速齿轮泵还具有体积小、重量轻的特点，是实现高功率密度动力系统的关键元件。液压阀可采用常闭型电磁阀，液压阀可用来平衡液压缸输出速度(流量)与力矩(油压)的关系，以确保在期望的速度下，有足够的力矩驱动外骨骼系统行走。

如图4和图5所示，所述负载机动型外骨骼系统100主要由控制系统12、从上至下依次连接的仿生躯干13、左、右仿生腿14和左、右仿生脚15构成。仿生躯干、左、右仿生腿可设置有绑带16，以便使用者将外骨骼系统穿戴在身上。

仿生躯干可用于放置负载、控制系统、为各元件供电的电源11、油囊1、液压泵6、单向阀7、液压阀8和电机5。

如图6所示，每条仿生腿14分为从上至下依次连接的仿生髋关节141、大腿杆142、仿生膝关节143、小腿杆144和仿生踝关节145，仿生踝关节连接对应的仿生脚。大腿杆与小腿杆之间可设置IMU传感器，数量可为四个，分别安装在左、右仿生腿的大腿杆与小腿杆上，以便实时检测大腿杆与小腿杆的速度、加速度和/或角速度。IMU传感器可选用ADIS16475IMU传感器，该IMU内置一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。

髋关节液压缸安装在左、右仿生腿上的仿生髋关节处，且同时连接仿生躯干与仿生髋关节。膝关节液压缸安装在左、右仿生腿上的仿生膝关节处，且同时连接大腿杆与小腿杆。膝关节液压缸与髋关节液压缸处还可设置力传感器，用于实时检测膝关节液压缸与髋关节液压缸输出力。

如图7所示，仿生髋关节可看作是一旋转点和绕旋转点旋转的关节轴这样的关节结构。仿生髋关节具有3个髋关节自由度(自由度：DOF)，分别为1个主动自由度和2个被动自由度，其中，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收。仿生髋关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

仿生膝关节具有1个膝关节自由度，该膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展。仿生膝关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。大腿杆与小腿杆即是仿生膝关节的关节轴。

仿生脚可采用安装有脚底压力传感器的智能鞋，脚底压力传感器可用于实时检测人体重量分布和中心变化，以便控制系统判断脚是否与地面接触。脚底压力传感器为薄膜压力传感器。

控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡并下发控制指令；运动数据采集卡连接位置传感器并获取传感数据，以及将传感数据上传给中央控制器；运动数据采集卡连接伺服驱动器，并根据控制指令向伺服驱动器下发驱动指令；伺服驱动器通过CAN总线连接电机、单向阀和液压阀，并根据驱动指令控制电机、单向阀和液压阀。

中央处理器存储有多种机器算法例如智能模糊推理算法、最小化人机交互力控制算法与自适应阻抗调节算法，可用于根据位置传感器和外骨骼系统中其他传感器(脚底压力传感器、IMU传感器、力传感器)的数据生成最优控制指令。中央处理器还可以通过无线通信方式连接计算机，计算机作为监控中心，可以实时监控外骨骼系统的各项传感数据，也可以通过对外骨骼系统下发控制指令。

总的来说，IMU传感器、脚底压力传感器、力传感器和位置传感器构成外骨骼的传感系统，可用于意图感知。控制系统可作为整个外骨骼系统的控制中心，用于认知决策。液压系统构成外骨骼的动力系统，用于驱动仿生躯干和仿生腿、仿生脚构成的机械系统，该机械系统用于执行相关动作。

上述液压系统的工作过程如下：

S1、控制系统先打开单向阀，关闭液压阀，然后上电启动液压系统，电源向电机供电，电机开始工作；

S2、电机驱动液压泵，使液压泵从油囊中抽出油液，油液经过单向阀传输给每路液压回路中的髋关节液压缸和膝关节液压缸；

S3、两路液压回路各自独立，当有一液压回路需要驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长时，控制系统通过控制电机转速来调整液压泵的工作状态，进而调整髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，同时，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，电机基于油压与流量驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸进行伸长运动；

当髋关节液压缸和膝关节液压缸需要缩回时，控制系统控制该液压回路中的液压阀打开，单向阀关闭，之后再由人腿自行驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸缩回，髋关节液压缸和膝关节液压缸的油液经过液压阀回流到油囊中；

在上述过程中，两路液压回路的位置传感器分别实时检测对应液压回路的膝关节液压缸的位置，并将采集的位置数据发送给控制系统；

S4、控制系统根据两路液压回路的位置数据获知髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长或者缩回运动情况，以便实时调整电机转速，进而调控髋关节液压缸和膝关节液压缸的运动，并且还根据位置数据判断膝关节液压缸是否运动到极限位置，以便在运动到极限位置时及时关闭电机。

另外，本实施例还针对液压系统对仿生髋关节/仿生膝关节的驱动情况进行分析。当仿生髋关节/仿生膝关节的关节轴产生围绕关节的扭矩(扭矩为力乘以力臂)时，其力臂R随关节角度θ的变化而变化，通过力学分析计算，绘制出如图8所示的仿生髋关节/仿生膝关节的扭矩和关节角度θ关系图。

图8中的横坐标为角度θ，纵坐标为力矩，T_maxpull为关节轴在不同程度屈曲情况下的最大扭矩，T_maxpush为关节轴在不同程度伸展情况下的最大扭矩。

从图8可知，当髋关节液压缸驱动仿生髋关节中的一个关节轴前屈/后伸的关节角度θ＝45°时，对应图8中位于上方的曲线的最高点，对应位于下方的曲线的最低点，也就是说，在屈曲/伸展角度达到θ＝45°时，仿生髋关节具有最大的力臂(最大扭矩为其最大力乘以力臂)，髋关节液压缸产生最大的扭矩，其他角度下的力臂都小于θ＝45°下的力臂。

同样，当膝关节液压缸驱动仿生膝关节中的一个关节轴屈曲/伸展的关节角度θ＝45°时，仿生膝关节具有最大的力臂，膝关节液压缸产生最大的扭矩，其他角度下的力臂都小于θ＝45°下的力臂，如当θ＝115°时，髋关节液压缸及膝关节液压缸产生的扭矩都较小。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，包括油囊、两路液压回路、2个髋关节液压缸和2个膝关节液压缸，髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用油缸，每路液压回路均通过液压管连接油囊、对应的1个髋关节液压缸和1个膝关节液压缸；

每路液压回路包括电机、液压泵、单向阀、液压管和液压阀，电机、液压泵和液压阀均与外骨骼系统中的电源相连接，电机、单向阀和液压阀分别与外骨骼系统中的控制系统相连接；

在每路液压回路中，液压泵通过液压管连接油囊和单向阀，单向阀再通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也通过液压管连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，从而构成封闭回路；

电机连接并驱动液压泵，电机通过控制液压泵来控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动；髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，其中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制；

每路液压回路的膝关节液压缸处均设有位置传感器，位置传感器连接控制系统，并向控制系统发送采集的膝关节液压缸实时位置数据。

2.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，两路液压回路的液压阀之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊；两路液压回路的液压泵之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊。

3.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，在每路液压回路中，髋关节液压缸与膝关节液压缸通过液压管相连接，且还共用同一段液压管连接至单向阀和液压阀。

4.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，每条液压回路还设置有溢流阀，溢流阀一端通过液压管连接至液压阀，另一端通过液压管连接至单向阀。

5.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡；运动数据采集卡连接位置传感器并获取传感数据；运动数据采集卡连接伺服驱动器；伺服驱动器通过CAN总线连接电机、单向阀和液压阀。

6.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，电机为直流电机，液压泵为电动齿轮泵，液压阀为常闭型电磁阀。

7.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，油囊、液压泵、单向阀、液压阀和电机安装在负载机动型外骨骼的仿生躯干上；髋关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生髋关节处，且同时连接外骨骼仿生躯干与仿生髋关节；膝关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生膝关节处，且同时连接外骨骼仿生腿上的大腿杆与小腿杆。

8.根据权利要求7所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，仿生髋关节具有3个髋关节自由度，分别为1个主动自由度和2个被动自由度，其中，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；仿生髋关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围；

仿生膝关节具有1个膝关节自由度，该膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；仿生膝关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

9.根据权利要求8所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，当髋关节液压缸驱动仿生髋关节中的一个关节轴前屈/后伸的关节角度θ＝45°时，仿生髋关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩；

当膝关节液压缸驱动仿生膝关节中的一个关节轴屈曲/伸展的关节角度θ＝45°时，仿生膝关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩。

10.一种负载机动型外骨骼系统，其特征在于，所述外骨骼系统具有权利要求1～9中任一项所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统。

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