应用于负载机动型外骨骼的液压系统及液压驱动方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统及液压驱动方法，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，其中，液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制。本发明专利技术液压系统结构紧凑、重量轻、体积小、实用性佳。

【技术实现步骤摘要】
应用于负载机动型外骨骼的液压系统及液压驱动方法
本专利技术涉及外骨骼驱动
，特别涉及一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统及液压驱动方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的第二目的在于提供一种应用于负载机动型外骨骼的液压驱动方法。本专利技术的第三目的在于提供一种负载机动型外骨骼系统。本专利技术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，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；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；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，并且通过控制自身转速来控制液压泵；电机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；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，用于实时检测膝关节液压缸的位置，并将采集的数据发送给控制系统。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。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。本专利技术的第二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驱动方法，所述方法基于本专利技术第一目的所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，包括如下步骤：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，在运动到极限位置时关闭电机。本专利技术的第三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专利技术第一目的所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：...

【技术保护点】
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；/n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，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；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；/n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；/n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；电机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；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；/n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，用于实时检测膝关节液压缸的位置，并将采集的数据发送给控制系统。/n...

【技术特征摘要】
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，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；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；
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，并且通过控制自身转速来控制液压泵；电机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；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，用于实时检测膝关节液压缸的位置，并将采集的数据发送给控制系统。


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。


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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：屈盛官，尹鹏，杨靓，曲希帅，曾德政，姜笑天，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44