一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，下肢外骨骼助力機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括液壓基站模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊、能量回收模塊。本實(shí)用新型在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)上，采用連桿結(jié)構(gòu)，解決人行走過程中膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)與外骨骼關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心不匹配的問題，提高人體穿戴舒適性。本實(shí)用新型所匹配的液壓能量回收模塊，可提高能量利用效率，平緩行走沖擊，提升助力效果。
【專利說明】
一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及服務(wù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]人體肌力較為薄弱，在山區(qū)、叢林等常規(guī)運(yùn)輸工具難以達(dá)到的無路地區(qū)往往無法勝任長時(shí)間負(fù)重行走、搬運(yùn)、攀爬等野外作業(yè)。下肢外骨骼助力機(jī)器人是一種可快速匹配在人體下肢外側(cè)面，可主動或被動跟隨人體運(yùn)動，為腿部提供合適助力的智能化裝置。可穿戴下肢外骨骼助力機(jī)器人顛覆傳統(tǒng)人機(jī)關(guān)系，充分發(fā)揮人機(jī)交互感知特性，引入人的智能決策能力，拓寬人體關(guān)節(jié)力量，完成人機(jī)任務(wù)協(xié)同。
[0003]下肢外骨骼助力機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用前景和用途。隨著人體老年化，人體肌力和機(jī)能會逐漸老化或退化，下肢外骨骼助力機(jī)器人可為老人行走助力，幫助下肢行走功能喪失的殘障人士步行，可提高下肢功能障礙人士行走能力。下肢外骨骼助力機(jī)器人可解放大量艱苦勞動，彌補(bǔ)常規(guī)交通和作業(yè)工具的不足，助人在崎嶇地形行走或進(jìn)行遠(yuǎn)距離重物搬運(yùn)。針對士兵、消防員、救生員等特殊職業(yè)者，下肢外骨骼助力機(jī)器人可用于攜帶武器裝備、滅火裝置、救生用品等其它機(jī)械設(shè)備，提高特殊條件下的機(jī)動能力，獲取局部機(jī)動優(yōu)勢。 綜上，可穿戴型下肢外骨骼助力機(jī)器人可拓展應(yīng)用于醫(yī)療(如下肢康復(fù)訓(xùn)練)、軍事(如協(xié)助單兵攜帶裝備遠(yuǎn)距離崎嶇山路行走)、災(zāi)害救助(如地震現(xiàn)場救助)等領(lǐng)域。
[0004]針對下肢外骨骼機(jī)器人，主要技術(shù)指標(biāo)有三個(gè):一、結(jié)構(gòu)輕便與緊湊性;二、穿戴者舒適性;三、控制的靈活性。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，下肢外骨骼機(jī)器人有其局限性。國內(nèi)外涉及下肢外骨骼機(jī)器人的專利主要有以下幾項(xiàng):分別是申請?zhí)枮?01310257360.5的“一種穿戴型下肢助力機(jī)器人、其折疊方法及用于裝運(yùn)的手拉箱”、申請?zhí)枮?01210370541.4的“便攜式可穿戴下肢康復(fù)及助行外骨骼機(jī)器人”、申請?zhí)枮?00680006514.1的“下部肢體外骨豁”。 所述各專利所采用的電機(jī)驅(qū)動方式，不利于對外骨骼機(jī)器人實(shí)施智能控制，影響了人機(jī)交互的協(xié)調(diào)性，降低了用戶使用該機(jī)器人的安全性。不能滿足人們對于助力機(jī)器人的使用要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題，提出一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，該外骨骼采用電液伺服驅(qū)動，將大腿與髖關(guān)節(jié)處的液壓缸設(shè)計(jì)一體化，使結(jié)構(gòu)更加簡潔。不僅滿足下肢外骨骼機(jī)器人大力矩、高響應(yīng)速度和結(jié)構(gòu)緊湊的需求，同時(shí)解決了人體關(guān)節(jié)中心與機(jī)械結(jié)構(gòu)不匹配的問題。腰帶及腿部綁帶設(shè)計(jì)提高人體穿戴舒適性。液壓系統(tǒng)的能量回收模塊實(shí)現(xiàn)能量回收及能量快速釋放，減小系統(tǒng)能耗。
[0006]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題具體采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]—種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，所述機(jī)器人主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成。
[0008]所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括鞋底、踝關(guān)節(jié)、小腿、膝關(guān)節(jié)、大腿、髖關(guān)節(jié)、腰帶、載物支架和控制系統(tǒng)。
[0009]所述鞋底和小腿通過踝關(guān)節(jié)連接，小腿和大腿通過膝關(guān)節(jié)連接，大腿和腰帶通過髖關(guān)節(jié)連接，載物支架固定在腰帶上，液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)固定于載物支架上。
[0010]所述液壓系統(tǒng)包括液壓基站模塊、關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊、能量回收模塊。
[0011]所述關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊由四條液壓驅(qū)動支路并聯(lián)組成，所述液壓驅(qū)動支路分別對應(yīng)為左髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路、右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路、右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，四個(gè)液壓驅(qū)動支路結(jié)構(gòu)相同。所述左髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括一號電磁伺服比例閥、一號左壓力傳感器、一號右壓力傳感器、左髖關(guān)節(jié)液壓缸及一號液壓缸位移傳感器。所述左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括二號電磁伺服比例閥、二號左壓力傳感器、二號右壓力傳感器、左膝關(guān)節(jié)液壓缸及二號液壓缸位移傳感器。所述右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括三號電磁伺服比例閥、三號左壓力傳感器、三號右壓力傳感器、右膝關(guān)節(jié)液壓缸及三號液壓缸位移傳感器。所述右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括四號電磁伺服比例閥、四號左壓力傳感器、四號右壓力傳感器、右髖關(guān)節(jié)液壓缸及四號液壓缸位移傳感器。
[0012]所述踝關(guān)節(jié)為被動驅(qū)動模塊，由腳底法蘭和腳底連接器組成。
[0013]所述小腿由一號小腿結(jié)構(gòu)和二號小腿結(jié)構(gòu)組成，小腿長度可調(diào)。
[0014]所述膝關(guān)節(jié)由兩個(gè)連桿組成，所述的兩個(gè)連桿與小腿、對應(yīng)的左膝關(guān)節(jié)液壓缸或右膝關(guān)節(jié)液壓缸、大腿構(gòu)成五連桿機(jī)構(gòu)，使膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動中心可移動，解決人體關(guān)節(jié)中心不固定的問題。
[0015]所述髖關(guān)節(jié)由三個(gè)連桿組成，髖關(guān)節(jié)與對應(yīng)的左髖關(guān)節(jié)液壓缸或右髖關(guān)節(jié)液壓缸構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，使髖關(guān)節(jié)運(yùn)動中心可移動，所述各髖關(guān)節(jié)處的液壓缸均嵌入大腿，構(gòu)成大腿一部分，使設(shè)計(jì)一體化，結(jié)構(gòu)更加緊湊。。
[0016]所述液壓基站模塊包括油箱、伺服電機(jī)、補(bǔ)油栗、動力元件變量栗、調(diào)壓回路、出油過濾器、回油過濾器、溫度計(jì)以及液位計(jì)，所述伺服電機(jī)驅(qū)動動力元件變量栗將油箱中油液經(jīng)出油過濾器輸出到油路，所述調(diào)壓回路將壓力油液輸出給關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊，調(diào)壓回路并聯(lián)于液壓回路中，調(diào)整油液壓力，保證所需壓力油液輸出給關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊。
[0017]所述能量回收模塊包括一號蓄能器、與一號蓄能器連接的一號壓力表、與一號蓄能器連接的一號液控?fù)Q向閥、與一號蓄能器連接的一號電磁換向閥、二號蓄能器、與二號蓄能器連接的二號壓力表、與二號蓄能器連接的二號液控?fù)Q向閥、與二號蓄能器連接的二號電磁換向閥，所述一號電磁換向閥和二號電磁換向閥接入關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊中的各關(guān)節(jié)液壓缸回路中。所述一號電磁換向閥和二號電磁換向閥根據(jù)控制器輸出信號使蓄能器能量回收或使蓄能器對外釋放能量。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0019]1.人體行走時(shí)下肢驅(qū)動力的主要來源為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力;人體下肢結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，髖關(guān)節(jié)由位于復(fù)雜盆骨結(jié)構(gòu)內(nèi)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)動，膝關(guān)節(jié)由髕骨等組成的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)中心不固定，是部分線性位移與轉(zhuǎn)動的復(fù)合運(yùn)動，并且人體是柔性關(guān)節(jié)，個(gè)體差異明顯，現(xiàn)有的下肢外骨骼驅(qū)動與機(jī)械結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)為固定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，外骨骼驅(qū)動關(guān)節(jié)容易產(chǎn)生不利于人體下肢運(yùn)動的交互力，由此帶來穿戴的不適應(yīng)和不舒適。本實(shí)用新型針對人體個(gè)性的差異，有效匹配人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)中心與機(jī)械結(jié)構(gòu)不一致的矛盾。
[0020]2.人體在行走時(shí)，觸地瞬間沖擊力峰值能達(dá)到體重的四倍有余。本實(shí)用新型匹配的電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可有效提高驅(qū)動的響應(yīng)速度，降低行走沖擊。同時(shí)，在行走時(shí)滿足快速響應(yīng)、大力矩的需求。
[0021]3.本實(shí)用新型所配置的能量回收模塊，可有效匹配液壓驅(qū)動能量在人體下肢行走步態(tài)周期中的分配比，提高系統(tǒng)能量利用效率。【附圖說明】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0023]圖1為本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本實(shí)用新型的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為本實(shí)用新型的髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4為本實(shí)用新型的液壓系統(tǒng)的連接關(guān)系圖；
[0027]圖5為本實(shí)用新型在雙腿站立階段的結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖；
[0028]圖6為本實(shí)用新型在單腿支撐期右腿站立時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖；
[0029]圖7為本實(shí)用新型在單腿支撐期左腿邁步時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖；
[0030]圖8為本實(shí)用新型在雙腿支撐階段時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0031]為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段和創(chuàng)作特征易于明白了解，下面對本實(shí)用新型進(jìn)一步闡述。
[0032]如圖1和圖2所示，一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，所述外骨骼主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組成。
[0033]所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括鞋底1、踝關(guān)節(jié)2、小腿3、膝關(guān)節(jié)4、大腿6、髖關(guān)節(jié)7、腰帶9、載物支架10和控制系統(tǒng)。[〇〇34]所述踝關(guān)節(jié)2為被動驅(qū)動模塊，由腳底法蘭11和腳底連接器12組成。所述鞋底1和小腿3通過踝關(guān)節(jié)2連接，并和腳底連接器12、一號小腿結(jié)構(gòu)13采用球絞連接，使踝關(guān)節(jié)2可隨人體繞三個(gè)方向轉(zhuǎn)動。
[0035] 所述小腿3由一號小腿結(jié)構(gòu)13及二號小腿結(jié)構(gòu)14通過螺紋連接方式構(gòu)成，通過調(diào)整一號小腿結(jié)構(gòu)13的位置，由定位螺栓鎖緊來調(diào)節(jié)小腿3長度。所述小腿3和大腿6通過膝關(guān)節(jié)4連接，大腿6和腰帶9通過髖關(guān)節(jié)7連接，載物支架10固定在腰帶9上，液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)固定于載物支架10上。所述腰帶9與載物支架10之間通過載物支架10上的連接器22連接。[〇〇36]如圖4所示，所述液壓系統(tǒng)包括液壓基站模塊101、關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301、能量回收模塊 201。
[0037]所述關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301由四條液壓驅(qū)動支路并聯(lián)組成，所述液壓驅(qū)動支路分別對應(yīng)為左髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路、右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路、右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，四個(gè)液壓驅(qū)動支路結(jié)構(gòu)相同；所述左髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括一號電磁伺服比例閥3011、一號左壓力傳感器3021、一號右壓力傳感器3022、左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031及一號液壓缸位移傳感器3041;所述左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括二號電磁伺服比例閥3012、二號左壓力傳感器3023、二號右壓力傳感器3024、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032及二號液壓缸位移傳感器3042;所述右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括三號電磁伺服比例閥3013、三號左壓力傳感器 3025、三號右壓力傳感器3026、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033及三號液壓缸位移傳感器3043;所述右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括四號電磁伺服比例閥3014、四號左壓力傳感器3027、四號右壓力傳感器3028、右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034及四號液壓缸位移傳感器3044。
[0038]動作時(shí)，以左髖關(guān)節(jié)液壓支路為例，控制器輸出控制信號給一號電磁伺服比例閥 3 011，控制一號電磁伺服比例閥3 011中油液流向及流量大小，進(jìn)而控制左髖關(guān)節(jié)液壓缸 3031的推桿的伸縮及伸縮速度，即控制左髖關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動及運(yùn)動速度。一號左壓力傳感器3021、一號右壓力傳感器3022用于實(shí)時(shí)監(jiān)控左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031內(nèi)兩側(cè)腔體油液壓力， 反饋推桿壓力值。所述一號液壓缸位移傳感器3041用于實(shí)時(shí)監(jiān)控左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031的推桿位移，反饋?zhàn)篌y關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值。[0〇39] 所述膝關(guān)節(jié)4由一號滑塊15、二號滑塊18及一號連桿16、二號連桿17組成。一號連桿16、二號連桿17、小腿3、對應(yīng)的左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032或右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033、大腿6構(gòu)成五連桿機(jī)構(gòu)，使膝關(guān)節(jié)4的運(yùn)動中心可移動。
[0040]具體地講，所述一號滑塊15與二號小腿結(jié)構(gòu)14上端固連，一號滑塊15兩端分別設(shè)置有兩個(gè)鉸接頭，兩個(gè)鉸接頭分別與左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032或右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033下端鉸接頭、一號連桿16下端鉸接頭連接。所述二號滑塊18與大腿6下端固連，二號滑塊18設(shè)置有1 個(gè)鉸接頭，二號滑塊18上的鉸接頭與二號連桿17上端鉸接頭連接，一號連桿16上端鉸接頭與二號連桿17下端鉸接頭連接。所述大腿6上端鉸接頭與左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032或右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033上端鉸接頭連接。由此，一號滑塊15，一號連桿16、二號連桿17、左膝關(guān)節(jié)液壓缸 3032或右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033及大腿6構(gòu)成平面閉式五連桿機(jī)構(gòu)。在該閉式五連桿機(jī)構(gòu)中，大腿6為機(jī)架，左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032或右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033的推桿伸縮運(yùn)動帶動一號滑塊15、 一號連桿16、二號連桿17運(yùn)動，從而帶動小腿3做屈曲運(yùn)動。
[0041]上述的閉式五連桿結(jié)構(gòu)解決了人體行走時(shí)膝關(guān)節(jié)中心不固定的問題，減少人體與外骨骼間交互力，提高了穿戴舒適性。[〇〇42]如圖1和圖3所示，所述髖關(guān)節(jié)7由三個(gè)連桿組成，髖關(guān)節(jié)7與對應(yīng)的左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，使髖關(guān)節(jié)7運(yùn)動中心可移動，所述各髖關(guān)節(jié) 7處的液壓缸均嵌入大腿6,構(gòu)成大腿6—部分。[〇〇43]具體地講，所述左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的缸體部分內(nèi)嵌到對應(yīng)側(cè)的大腿6內(nèi)部，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的推桿上設(shè)有的鉸接頭與對應(yīng)側(cè)的髖關(guān)節(jié)7連接。由此，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034在提供驅(qū)動力時(shí)，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的缸體部分也構(gòu)成大腿6的一部分，使外骨骼機(jī)構(gòu)更緊湊。[〇〇44]所述髖關(guān)節(jié)7包括軸套19、三號連桿20及四號連桿21。其中:軸套19與對應(yīng)側(cè)的大腿6上端通過法蘭固定連接，軸套19上端的鉸接頭與三號連桿20下端的鉸接頭連接，三號連桿20上端的鉸接頭與四號連桿21上端的鉸接頭連接，四號連桿21下端的鉸接頭與左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的推桿的鉸接頭連接。由此，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034、軸套19、三號連桿20及四號連桿21構(gòu)成平面閉式四連桿機(jī)構(gòu)。
[0045]在上述四連桿機(jī)構(gòu)中，四號連桿21為機(jī)架，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031或右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的推桿伸縮運(yùn)動帶動對應(yīng)側(cè)的軸套19及三號連桿20運(yùn)動，從而帶動對應(yīng)側(cè)的大腿6 做前后伸展和屈曲運(yùn)動。與膝關(guān)節(jié)4 一樣，該髖關(guān)節(jié)7的閉式四連桿機(jī)構(gòu)解決了人體行走時(shí)髖關(guān)節(jié)中心不固定的問題，使人體穿戴下肢外骨骼運(yùn)動時(shí)更舒適。
[0046]如圖4,所述液壓基站模塊101包括油箱401、伺服電機(jī)103、補(bǔ)油栗105、動力元件變量栗106、調(diào)壓回路、出油過濾器1072、回油過濾器1071、溫度計(jì)108以及液位計(jì)109,所述伺服電機(jī)103驅(qū)動動力元件變量栗106將油箱401中油液經(jīng)出油過濾器1072輸出到油路，所述調(diào)壓回路將壓力油液輸出給關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301。[〇〇47] 所述調(diào)壓回路包括一號單向閥10121、二號單向閥10122、三號單向閥10123、四號單向閥1012 4、溢流閥1011。
[0048]所述伺服電機(jī)103的輸入控制信號為PWM，控制器根據(jù)人體所處不同步態(tài)調(diào)整脈寬調(diào)制(PWM)信號占空比，從而調(diào)整動力元件變量栗106輸出油液流量大小。調(diào)壓回路中溢流閥1011維持系統(tǒng)設(shè)定壓力，保持系統(tǒng)安全。液壓系統(tǒng)為閉式液壓系統(tǒng)，不斷地油液泄漏為其固有屬性，補(bǔ)油栗105則持續(xù)地補(bǔ)償閉式系統(tǒng)由于泄漏損失的油液。
[0049]所述液壓基站模塊101向關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301提供具有一定流量和壓力的油液。其中，流量取決于下肢外骨骼步態(tài)信息，根據(jù)步態(tài)信息評估左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034所需流量，從而調(diào)整伺服電機(jī)1.3控制信號PWM占空比，使動力元件變量栗106輸出流量等于或略大于左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034所需流量之和。其中所需壓力由調(diào)節(jié)調(diào)壓回路加以設(shè)定。[0〇5〇] 如圖4,所述能量回收模塊201包括一號蓄能器2051、與一號蓄能器2051連接的一號壓力表2041、與一號蓄能器2051連接的一號液控?fù)Q向閥2031、與一號蓄能器2051連接的一號電磁換向閥2011、二號蓄能器2052、與二號蓄能器2052連接的二號壓力表2042、與二號蓄能器2052連接的二號液控?fù)Q向閥2032、與二號蓄能器2051連接的二號電磁換向閥2012， 所述一號電磁換向閥2011和二號電磁換向閥2012接入關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301中的各關(guān)節(jié)液壓缸回路中。
[0051]所述能量回收模塊201根據(jù)人體步態(tài)信息選擇工作模式。當(dāng)下肢外骨骼處雙腿站立階段，所述左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034不工作，無需油液，此時(shí)控制器使能量回收模塊201的一號電磁換向閥2011和二號電磁換向閥2012處中位，一號液控?fù)Q向閥2031和二號液控?fù)Q向閥2032處左位，液壓基站模塊101向一號蓄能器2051和二號蓄能器2052補(bǔ)油；當(dāng)所述下肢外骨骼處單腿支撐階段(以右腿支撐階段為例)，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032所需油液流量較大，此時(shí)控制器使一號電磁換向閥2011和二號電磁換向閥2012處左位，一號液控?fù)Q向閥2031和二號液控?fù)Q向閥2032處右位，一號蓄能器2051和一號蓄能器2052向關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301提供能量； 當(dāng)所述下肢外骨骼處雙腿支撐階段，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034所需油液流量較小，此時(shí)控制器使一號電磁換向閥2011 和二號電磁換向閥2012處左位，一號液控?fù)Q向閥2031和二號液控?fù)Q向閥2032處左位，關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊301的多余油液回收至一號蓄能器2051和二號蓄能器2052。[〇〇52]對系統(tǒng)的綜合分析如下:[〇〇53]根據(jù)人行走時(shí)雙腿支撐情況將步態(tài)周期分四個(gè)階段:雙腿站立階段、左腿支撐階段、雙腿支撐階段及右腿支撐階段。
[0054]如圖5所示，當(dāng)所述人體處雙腿站立階段。左/右側(cè)的髖關(guān)節(jié)7和左/右側(cè)的膝關(guān)節(jié)4 靜止，不發(fā)生轉(zhuǎn)動，左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032的推桿和右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033的推桿伸展至最大位移使小腿3與大腿6處直立狀態(tài)，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031的推桿和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的推桿所處位置使人體上身軀干與大腿6處直立狀態(tài)。為保證背負(fù)載荷經(jīng)由雙腿及對應(yīng)側(cè)的液壓缸傳遞至地面，防止各關(guān)節(jié)發(fā)生突然轉(zhuǎn)動，造成人體傷害，控制器控制一號電磁伺服比例閥3011、二號電磁伺服比例閥3012、三號電磁伺服比例閥3013、四號電磁伺服比例閥3014處中位，截?cái)嗌鲜龈鞅壤y，停止向?qū)?yīng)的左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033、右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034供油，使左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸 3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034處鎖定狀態(tài)。
[0055]如圖6和圖7所示，當(dāng)所述人體處于單腿支撐階段(以右腿單腿支撐為例)。
[0056]圖6示意右腿步態(tài)站立期的三種形態(tài):形態(tài)1:步態(tài)站立初期，形態(tài)2:步態(tài)站立中期，形態(tài)3:步態(tài)站立末期。根據(jù)實(shí)際情況，右腿支撐期間人體上身保持直立。從步態(tài)站立形態(tài)1至形態(tài)3，所述大腿6與小腿3間相對轉(zhuǎn)動小，可近似剛性連接，即031 = 032 = 033。對應(yīng)控制器控制三號電磁伺服比例閥3013處中位，截?cái)嗳栯姶潘欧壤y3013,停止向右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033提供油液，使右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033處鎖定狀態(tài)。從步態(tài)站立形態(tài)1到形態(tài)3,所述大腿6與人體上身軀干繞髖關(guān)節(jié)7屈曲運(yùn)動，由設(shè)定最大轉(zhuǎn)動角度0?至設(shè)定最小轉(zhuǎn)動角度 043。對應(yīng)控制器控制四號電磁伺服比例閥3014處左位，右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034的推桿以一定速度由設(shè)定最大位移移動到設(shè)定最小位移。此時(shí)四號液壓缸位移傳感器3044向控制器反饋信號，控制器控制四號電磁伺服比例閥3014處中位，完成屈曲運(yùn)動。[〇〇57]圖7示意左腿步態(tài)邁步期的三種形態(tài):形態(tài)1:步態(tài)邁步初期，形態(tài)2:步態(tài)邁步中期，為邁步運(yùn)動曲線最高點(diǎn)，形態(tài)3:步態(tài)邁步末期。從形態(tài)1到形態(tài)3，所述小腿3與大腿6繞膝關(guān)節(jié)4先做屈曲運(yùn)動至形態(tài)2,由設(shè)定最大轉(zhuǎn)動角度021至設(shè)定最小轉(zhuǎn)動角度022。對應(yīng)控制器控制二號電磁伺服比例閥3011處左位，左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032推桿以一定速度由設(shè)定最大位移移至設(shè)定最小位移。此時(shí)二號液壓缸位移傳感器3042向控制器反饋信號，控制器控制二號電磁伺服比例閥3011處中位，完成屈曲運(yùn)動。之后，所述小腿3與大腿6繞膝關(guān)節(jié)4做伸展運(yùn)動至形態(tài)3,由設(shè)定最小轉(zhuǎn)動角度022至設(shè)定最大轉(zhuǎn)動角度023。對應(yīng)控制器控制二號電磁伺服比例閥3011處右位，左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032推桿以一定速度由設(shè)定最小位移移動至設(shè)定最大位移。此時(shí)二號液壓缸位移傳感器3042向控制器反饋信號，控制器控制二號電磁伺服比例閥3011處中位，完成伸展運(yùn)動。從步態(tài)邁步形態(tài)1到形態(tài)3,所述大腿6與人體上身軀干做伸展運(yùn)動至形態(tài)3。由設(shè)定最小轉(zhuǎn)動角度9ii至設(shè)定最大轉(zhuǎn)動角度012。對應(yīng)控制器控制一號電磁伺服比例閥3011處右位，左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031的推桿以一定速度由設(shè)定最小位移移動至設(shè)定最大位移。此時(shí)位移傳感器3.41向控制器反饋信號，控制器控制一號電磁伺服比例閥3011處中位，完成伸展運(yùn)動。
[0058]如圖8所示，當(dāng)所述人體處雙腿支撐階段，即右腿單腿支撐至左腿單腿支撐的過渡期，雙腿支撐階段各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度很小。在雙腿支撐階段，右腿保持右腿單腿支撐階段右腿站立末期的形態(tài)，左腿保持右腿單腿支撐階段左腿邁步末期的形態(tài)。為保證人體安全及所背負(fù)載荷經(jīng)由雙腿傳遞到地面，防止各關(guān)節(jié)發(fā)生突然地屈曲運(yùn)動，控制器控制一號電磁伺服比例閥3011、二號電磁伺服比例閥3012、三號電磁伺服比例閥3013、四號電磁伺服比例閥3014處中位，使左髖關(guān)節(jié)液壓缸3031、左膝關(guān)節(jié)液壓缸3032、右膝關(guān)節(jié)液壓缸3033和右髖關(guān)節(jié)液壓缸3034處鎖定狀態(tài)。[〇〇59]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，所述外骨骼主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)組 成，其特征在于:所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括鞋底(1)、踝關(guān)節(jié)(2)、小腿(3)、膝關(guān)節(jié)(4)、大腿(6)、髖關(guān)節(jié)(7)、腰 帶(9)、載物支架(10)和控制系統(tǒng)；所述鞋底(1)和小腿(3)通過踝關(guān)節(jié)(2)連接，小腿(3)和大腿(6)通過膝關(guān)節(jié)(4)連接， 大腿(6)和腰帶(9)通過髖關(guān)節(jié)(7)連接，載物支架(10)固定在腰帶(9)上，液壓系統(tǒng)和控制 系統(tǒng)固定于載物支架(10)上；所述液壓系統(tǒng)包括液壓基站模塊(101 )、關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊(301 )、能量回收模塊(201)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述關(guān)節(jié) 驅(qū)動模塊(301)由四條液壓驅(qū)動支路并聯(lián)組成，所述液壓驅(qū)動支路分別對應(yīng)為左髖關(guān)節(jié)液 壓驅(qū)動支路、右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路、右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路，四 個(gè)液壓驅(qū)動支路結(jié)構(gòu)相同；所述左髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括一號電磁伺服比例閥(3011)、 一號左壓力傳感器(3021)、一號右壓力傳感器(3022)、左髖關(guān)節(jié)液壓缸(3031)及一號液壓 缸位移傳感器(3041);所述左膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括二號電磁伺服比例閥(3012)、二號 左壓力傳感器(3023)、二號右壓力傳感器(3024)、左膝關(guān)節(jié)液壓缸(3032)及二號液壓缸位 移傳感器(3042);所述右膝關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括三號電磁伺服比例閥(3013)、三號左壓 力傳感器(3025)、三號右壓力傳感器(3026)、右膝關(guān)節(jié)液壓缸(3033)及三號液壓缸位移傳 感器(3043);所述右髖關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動支路包括四號電磁伺服比例閥(3014)、四號左壓力傳 感器(3027)、四號右壓力傳感器(3028)、右髖關(guān)節(jié)液壓缸(3034)及四號液壓缸位移傳感器 (3044)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述踝關(guān) 節(jié)(2)為被動驅(qū)動模塊，由腳底法蘭(11)和腳底連接器(12)組成。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述小腿 (3)由一號小腿結(jié)構(gòu)(13)和二號小腿(14)結(jié)構(gòu)組成，小腿(3)長度可調(diào)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述膝關(guān) 節(jié)(4)包括一號連桿(16)和二號連桿(17)，所述一號連桿(16)和二號連桿(17)與小腿(3)、 對應(yīng)的左膝關(guān)節(jié)液壓缸(3032)或右膝關(guān)節(jié)液壓缸(3033)、大腿(6)構(gòu)成五連桿機(jī)構(gòu)，使膝關(guān) 節(jié)(4)的運(yùn)動中心可移動。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述髖關(guān) 節(jié)(7)由三個(gè)連桿組成，髖關(guān)節(jié)(7)與對應(yīng)的左髖關(guān)節(jié)液壓缸(3031)或右髖關(guān)節(jié)液壓缸 (3034)構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，使髖關(guān)節(jié)(7)運(yùn)動中心可移動，所述各髖關(guān)節(jié)(7)處的液壓缸均嵌 入大腿(6)，構(gòu)成大腿(6) —部分。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述液壓 基站模塊(101)包括油箱(401)、伺服電機(jī)(103)、補(bǔ)油栗(105)、動力元件變量栗(106)、調(diào)壓 回路、出油過濾器(1072)、回油過濾器(1071)、溫度計(jì)(108)以及液位計(jì)(109)，所述伺服電 機(jī)(103)驅(qū)動動力元件變量栗(106)將油箱(401)中油液經(jīng)出油過濾器(1072)輸出到油路， 所述調(diào)壓回路將壓力油液輸出給關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊(301)。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼，其特征在于:所述能量 回收模塊(201)包括一號蓄能器(2051)、與一號蓄能器(2051)連接的一號壓力表(2041)、與一號蓄能器(2051)連接的一號液控?fù)Q向閥(2031)、與一號蓄能器(2051)連接的一號電磁換 向閥(2011)、二號蓄能器(2052)、與二號蓄能器(2052)連接的二號壓力表(2042)、與二號蓄 能器(2052)連接的二號液控?fù)Q向閥(2032)、與二號蓄能器(2051)連接的二號電磁換向閥 (2012 )，所述一號電磁換向閥(2011)和二號電磁換向閥(2012)接入關(guān)節(jié)驅(qū)動模塊(301)中 的各關(guān)節(jié)液壓缸回路中。
【文檔編號】A61H3/00GK205612707SQ201620155873
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月1日
【發(fā)明人】汪步云, 許德章, 汪志紅, 劉國強(qiáng), 楊偉超, 王毓, 胡飛
【申請人】蕪湖安普機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 安徽工程大學(xué)