一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼的制作方法

本发明涉及机器人领域中的助力机构，尤其涉及一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼。

背景技术：

我国的运输行业、物流行业、建筑行业及制造行业的从业人员基数庞大，相当一部分工种需要进行长时间重复性作业动作，由此造成的肢体疲劳损伤，尤其是腰部、膝部最为严重。外骨骼机器人是指一类模仿人体运动状态、加强人体运动能力的、集仿生学与人体工效学的智能穿戴装置，可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的能力。现有的腰部和膝部助力外骨骼助力形式分为两种，分别为主动助力外骨骼和被动助力外骨骼。主动助力外骨骼是通过控制设置于关节处的助力电机的转动方向和转动力矩，对人体上身运动或者膝关节屈伸运动进行辅助，该方案驱动系统质量大、能耗高、续航时间短、人机耦合性差。被动助力外骨骼是主要采用弹簧或弹力绳在人体弯腰或屈膝时蓄能，起身或伸膝时释放，达到助力效果。该方案具有系统简单、质量小、人机贴合性强的优点，但也存在助力大小不可调节的弊端。

申请号201911255477.3提出了一种基于弹簧蓄能的被动腰部助力外骨骼，采用随人体弯腰/起身动作旋转的异形轮控制弹簧的压缩和伸展，在人体弯腰过程中采用弹簧进行储能，当搬起重物起身时，弹簧释能，从而为使用者在搬运过程中提供助力。该方案的最大问题是助力大小不可调节，且只适用于穿戴者由高处至低处的搬运重物助力场景。

申请号201910402215.9提出了一种主被动结合式腰部助力外骨骼，设计了卷曲部件用以将人体弯腰时的重力势能转换成弹性势能。与申请号201911255477.3类似的是该方案在人体搬运重物起身阶段，除了利用储存的弹性势能外，还采用电机驱动主动提供助力。该方案虽然通过减少驱动单元的做功，从而减少驱动单元的供电，减少电池电量消耗，但系统能耗仍然较大。并且这两个专利提出的腰部助力外骨骼都忽略了人体弯腰时膝关节会自然屈曲的特点，不能在实现腰部助力的同时实现膝部助力。

申请号201710736309.0提出了一种膝关节助行机器人，在膝关节处设置了液压阻尼器，并在液压杆上设置了流量调节装置，根据不同的行走状态，控制不同的阻尼力，但是屈曲和伸展阻尼不可独立调节，并且存在膝关节运作过程中腔体内液压油压缩时，电机会受到很大的轴向载荷，调节过程中很容易失步及无法到达指定位置，严重影响膝关节阻尼调节的性能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼，解决现有技术中存在的能耗高、续航时间短、人机耦合性差以及助力大小不可调节的弊端。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决现有技术中存在的能耗高、续航时间短、人机耦合性差以及助力大小不可调节的弊端。

液压阻尼力随着液压油流动速度的变化呈现出不同的性质，流速较慢即层流时阻尼与速度呈线性，流速大即湍流时则阻尼的增大呈非线性。此种性质使得不同速度下阻尼力的调整可通过改变液压油通流面积进而改变液压油流速制造湍流实现阻尼力矩的快速适应与控制，所需能耗远低于电机驱动方式提供相同阻尼力时所产生的能量消耗。本发明基于弹簧-液压阻尼器，构建了一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼。

为实现上述目的，本发明提供了一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼，包括：

腰部组件和腿部组件；

以及液压阻尼调节器，所述液压阻尼调节器包括缸体、钛合金套、缸盖、活塞、助伸弹簧、注油口堵头、交错通道式阀体、阀体密封座、阀体端锥齿轮、角度传感器、电机固定座、直流伺服电机、联轴器以及电机端锥齿轮；

其中，

所述钛合金套同轴嵌套于所述缸体内部；

所述缸盖与所述缸体的上端通过螺纹连接；

所述活塞分为上活塞杆、活塞体以及中空下活塞杆；

所述上活塞杆穿过所述缸盖；

所述中空下活塞杆穿过所述缸体的下端；

所述活塞体在所述缸体内进行上下运动并将所述缸体的内腔分为上腔与下腔；

所述缸体的所述内腔的两端分别与所述钛合金套配钻有上腔油孔与下腔油孔；

所述缸体的缸壁上设有注油口，并且从所述注油口处打通的油道与所述上腔油孔与所述下腔油孔交汇形成一条液压油回路；

所述注油口堵头与所述注油口通过螺纹连接；

所述交错通道式阀体的一侧设有异形轴；

所述异形轴依次与所述阀体密封座上设置的孔、所述阀体端锥齿轮与所述角度传感器同轴配合，且所述阀体端锥齿轮与所述角度传感器以及所述异形轴通过紧定螺钉固定；

所述阀体密封座与所述电机固定座通过螺钉固定于所述缸体的侧壁上；

所述直流伺服电机通过螺纹固定于所述电机固定座上，且电机输出端通过所述联轴器与所述电机端锥齿轮连接；

所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮啮合传动。

进一步地，所述液压阻尼调节器因分别设置于腰部和膝部而存在两种不同结构形式：膝部液压阻尼调节器和腰部液压阻尼调节器。

进一步地，所述膝部液压阻尼调节器中的所述助伸弹簧内置于所述缸体的下腔；所述腰部液压阻尼调节器中的所述助伸弹簧内置于所述缸体的上腔。

进一步地，所述缸体的侧壁上设有一个阀门槽以及两个分别与所述上腔油孔与所述下腔油孔相交的扇形槽，使得从油孔流出的液压油可以流入所述扇形槽中而不对所述交错通道式阀体中的通道之间产生对流冲击。

进一步地，所述两个扇形槽的角度分别为55°和150°。

进一步地，所述交错通道式阀体设置有第一油道和第二油道，且两条油道的轴线为异面直线，使得所述两条油道互不影响且呈一定的角度；所述角度的关系为：将所述两条油道的轴线投影于所述交错通道式阀体的端面，所述轴线的一端相交于所述交错通道式阀体的边缘线上的一点，所述轴线的另一端互成27.5°；所述交错通道式阀体的两个端面设有一圈凸起，减少所述交错通道式阀体与所述缸体以及所述阀体密封座的接触面积，所述交错通道式阀体放置于所述阀门槽内；所述第一油道和第二油道中分别异向地设置单向阀。

进一步地，所述直流伺服电机通过所述阀体端锥齿轮与所述电机端锥齿轮啮合传动，调节所述交错通道式阀体的旋转角度，通过所述交错通道式阀体中的所述第一油道和所述第二油道与所述扇形槽的配合间隙来改变所述交错通道式阀体中所述第一油道和所述第二油道的流量面积，进而改变所述缸体的所述上腔与所述下腔流动的流量，并且在阀门轴端设置角度传感器实现了所述直流伺服电机的全闭环控制。

进一步地，所述腰部组件包括：腰带、肩带、腰部固定座、活塞杆连接块、滑轮组件以及鲍登线；所述腰带和所述肩带为柔性材料，所述肩带的前端绕过人体与所述腰带固定连接；所述腰带固定座为刚性材料，所述腰带固定座的下端与所述腰带通过螺钉固定连接；

所述腿部组件包括大腿杆、大腿绑带、腿杆连接组件、小腿杆、小腿绑带、脚板；所述大腿杆的上端与所述腰带的下端在人体的髋关节位置同轴连接，使所述髋关节具有旋转自由度；所述大腿绑带穿过所述大腿杆的中端所设方形通孔，用以固定所述大腿杆与人体大腿；所述小腿绑带穿过所述小腿杆中端所设方形通孔，用以固定所述小腿杆与人体小腿；所述小腿杆的下端与所述脚板同轴连接，使踝关节具有旋转自由度。

进一步地，在所述腰部组件中，所述滑轮组件包括滑轮固定座、第一滑轮和第二滑轮；所述滑轮固定座通过螺钉固定于所述肩带的后端；所述第一滑轮和所述第二滑轮对称设置于所述滑轮固定座的内部两侧；所述活塞杆连接块与所述腰部液压阻尼调节器中的所述上活塞杆同轴连接，并且所述活塞杆连接块设置有一个第一槽口，所述鲍登线穿过所述活塞杆连接块的所述第一槽口，并分别穿过所述第一滑轮和所述第二滑轮与所述肩带的左右两侧分别固定连接。

进一步地，在所述腿部组件中，所述腿杆连接组件包括液压缸旋转座、第一端盖、腿杆轴承、第二端盖、第三端盖以及活塞杆轴承；所述液压缸旋转座由带凸起的圆柱体和中空圆柱体构成；所述带凸起的圆柱体与所述大腿杆的中端同轴配合；所述第一端盖通过螺钉固定在所述大腿杆的下端，并通过所述带凸起的圆柱体上设置的凸起轴向固定所述液压缸旋转座；所述中空圆柱体与所述膝部液压阻尼调节器的底端固定连接；所述中空下活塞杆穿过所述中空圆柱体上下运动；所述小腿杆的上端设置有第二槽口，所述小腿杆安装于所述第二槽口内；所述大腿杆的下端通孔内安装有所述腿杆轴承，并与所述小腿杆的上端同轴配合；所述第二端盖和所述第三端盖分别通过螺钉固定于所述大腿杆和所述小腿杆连接处的左右两侧，起到轴向固定的作用；所述小腿杆的上端偏后处设置有所述异形轴，所述异形轴的末端设置有螺纹；所述膝部液压阻尼调节器的所述上活塞杆通过所述活塞杆轴承与所述异形轴同轴配合，通过螺母与所述异形轴的末端的螺纹轴向固定杆件。

本发明至少具有以下有益效果：

1、可以实现搬运重物模式以及带负荷行走模式两种模式的助力或阻尼调节；

2、在搬运重物模式下，可以支持由高处至低处与由低处至高处两种搬运模式，适用性强；并且同时可以在弯腰状态下膝关节自然屈曲时对膝关节提供助力；

3、由液压阻尼器与弹簧构成半主动力矩调节系统，助力与阻尼力大小可调节；

4、刚柔耦合式外骨骼结构，质量轻，人机耦合性强；

5、仅用一个电机就实现了液压阻尼双向独立控制，且阻尼调节连续，相比两个电机控制的液压阻尼缸结构，一个电机控制使得机构体积小，重量减轻，耗电减少；

6、能够有效避免作用于阻尼缸中电机的轴向载荷，避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况；能够有效避免从液压油通道流出的液压油对阀体直接对流冲击而产生较大的切向力，大大减少了电机控制阀门转动所需的力矩，减少了耗电量，提高了电机的控制性能；

7、结构精巧且易于加工。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的实施例中一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼的人体穿戴图；

图2是本发明的实施例中装置整体视图；

图3是本发明的实施例中液压阻尼调节器的剖视图；

图4是本发明的实施例中滑轮组件的结构示意图；

图5是本发明的实施例中腿杆连接处的结构示意图；

图6是本发明的实施例中缸体的结构示意图；

图7是本发明的实施例中交错通道式阀体的结构示意图和剖视图；

图8是本发明的实施例中由高处至低处搬运场景示意图；

图9是本发明的实施例中由低处至高处搬运场景示意图；

图10是本发明的实施例中行走状态示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图和具体实施方式对本发明的一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼作具体阐述。

图1是人体穿戴图。

图2是装置整体视图。

如图1、图2所示，本发明提供的一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼具有：

腰部组件1，包括腰带11、肩带12、腰部固定座13、活塞杆连接块14、滑轮组件15以及鲍登线16。所述腰带11和肩带12为柔性材料，肩带12前端绕过人体与腰带11固定连接；所述腰带固定座13为刚性材料，下端与腰带11通过螺钉固定连接；

腿部组件2，包括大腿杆21、大腿绑带22、腿杆连接组件23、小腿杆24、小腿绑带25、脚板26。所述大腿杆21的上端与腰带11的下端在人体髋关节位置同轴连接，使髋关节具有旋转自由度；所述大腿绑带22穿过大腿杆21中端所设方形通孔，用以固定大腿杆21与人体大腿；所述小腿绑带25穿过所述小腿杆24中端所设方形通孔，用以固定小腿杆24与人体小腿；所述小腿杆24的下端与脚板同轴连接，使踝关节具有旋转自由度；以及

液压阻尼调节器3，包括缸体31、钛合金套32、缸盖33、活塞34、助伸弹簧35、注油口堵头38、交错通道式阀体39、阀体密封座310、阀体端锥齿轮311、角度传感器312、电机固定座313、直流伺服电机314、联轴器315以及电机端锥齿轮316。

图3是液压阻尼调节器的剖视图。

如图3所示，所述液压阻尼调节器3因分别设置于腰部和膝部而存在两种不同结构形式：膝部液压阻尼调节器3a以及腰部液压阻尼调节器3b。

所述膝部液压阻尼调节器3a与腰部液压阻尼调节器3b相同的结构特点为：钛合金套32同轴嵌套于缸体31内部；所述缸盖33与缸体31上端通过螺纹连接；所述活塞34可分为上活塞杆341、活塞体342以及中空下活塞杆343，上活塞杆341穿过缸盖33，中空下活塞杆343穿过缸体31下端，活塞体342在缸体31内进行上下运动并将缸体内腔分为上腔与下腔；所述缸体1内腔的两端分别与钛合金套32配钻有上腔油孔361与下腔油孔362，缸体31的缸壁上设有注油口37，并且从注油口处打通的油道与上腔油孔361与下腔油孔362交汇形成一条液压油回路36；所述注油口堵头38与注油口37通过螺纹连接。所述交错通道式阀体39的一侧设有异形轴391，异性轴391依次与阀体密封座310上设置的孔、阀体端锥齿轮311与角度传感器312同轴配合，且阀体端锥齿轮311与角度传感器312与异形轴391通过紧定螺钉固定；所述阀体密封座310与所述电机固定座313通过螺钉固定于缸体31侧壁上；所述直流伺服电机314通过螺纹固定于电机固定座313上，且电机输出端通过联轴器315与电机端锥齿轮316连接；所述阀体端锥齿轮311与电机端锥齿轮316啮合传动。

所述膝部液压阻尼调节器3a与腰部液压阻尼调节器3b不同的结构特点为：膝部液压阻尼调节器3a中的所述助伸弹簧35内置于缸体31下腔，而腰部液压阻尼调节器3b中的所述助伸弹簧35内置于缸体31上腔。

图4是滑轮组件的结构示意图。

如图1、图2、图3、图4所示，所述腰部组件中，滑轮组件15包括滑轮固定座151、第一滑轮152和第二滑轮153。所述滑轮固定座151通过螺钉固定于所述肩带12的后端；所述第一滑轮152和第二滑轮153对称设置于滑轮固定座151的内部两侧；所述活塞杆连接块14与所述腰部液压阻尼调节器3b中的上活塞杆341同轴连接，并且活塞杆连接块14设置有一个第一槽口，所述鲍登线16穿过活塞杆连接块14的第一槽口，并分别穿过第一滑轮152和第二滑轮153与肩带12的左右两侧分别固定连接。

图5是腿杆连接处的结构示意图。

如图1、图2、图3、图5所示，所述腿部组件2中，所述腿杆连接组件23包括液压缸旋转座231、第一端盖232、腿杆轴承233、第二端盖234、第三端盖235以及活塞杆轴承236。所述液压缸旋转座231由带凸起的圆柱体2311和中空圆柱体2312构成，带凸起的圆柱体2311与大腿杆21中端同轴配合，所述第一端盖232通过螺钉固定在大腿杆21下端，并通过带凸起的圆柱体2311上设置的凸起轴向固定液压缸旋转座231，所述中空圆柱体2312与所述膝部液压阻尼调节器3a底端固定连接，中空下活塞杆343穿过中空圆柱体2312上下运动；所述小腿杆24上端设置有第二槽口，小腿杆21安装于第二槽口内，大腿杆21下端通孔内安装有腿杆轴承233并与小腿杆24上端同轴配合，第二端盖234和第三端盖235分别通过螺钉固定于大腿杆21和小腿杆24连接处的左右两侧，起到轴向固定的作用；所述小腿杆24上端偏后处设置有异形轴241，异形轴241的末端设置有螺纹，所述膝部液压阻尼调节器3a的上活塞杆341通过活塞杆轴承236与异形轴241同轴配合，通过螺母与异形轴241末端的螺纹轴向固定杆件。

图6是缸体的结构示意图。

如图6所示，所述缸体31的侧壁上设有一个阀门槽311以及两个分别与上腔油孔361与下腔油孔362相交的扇形槽312，使得从油孔流出的液压油可以流入扇形槽312中而不对阀体中的通道之间产生对流冲击；所述两个扇形槽312的角度分别为55°和150°。

图7是交错通道式阀体的结构示意图和剖视图。

如图7所示，所述交错通道式阀体39设置有第一油道392和第二油道393，且两条油道的轴线为异面直线，使得两条油道互不影响且呈一定的角度，此角度关系为：将两条油道的轴线投影于阀体端面，轴线一端相交于阀体边缘线上的一点，另一端互成27.5°；所述交错通道式阀体39的两个端面设有一圈凸起，减少阀体与缸体31以及阀体密封座310的接触面积，阀体放置于所述阀门槽311内；所述第一油道392和第二油道393中分别异向地设置单向阀394。

如图3、图6、图7所示，所述直流伺服电机314通过所述阀体端锥齿轮311与电机端锥齿轮316啮合传动，调节交错通道式阀体39的旋转角度，通过阀体中第一油道392和第二油道393与扇形槽312的配合间隙来改变阀体中两个液压油通道的流量面积，进而改变液压缸上下腔室流动的流量，并且在阀门轴端设置角度传感器312实现了电机的全闭环控制。

图8是由高处至低处搬运场景示意图。

如图8所示，当人体由高处至低处搬运重物时，腰部液压阻尼器3b中的活塞34在重力作用下向上运动，同时压缩助伸弹簧35进行储能，液压油通过上腔油孔362进入液压回路36到达扇形槽312，交错通道式阀体39在直流伺服电机314带动下转动至预设角度，第二油道393内单向阀394关闭，而通过改变第一油道392与扇形槽312重合面积，进而改变液压油的流通面积，从而提供可变阻尼力，将重物对人体腰部的载荷分散到肩部、背部和下肢，从而达到主动保护腰部骨骼和肌肉的目的；当人体弯腰过程中，膝关节通常会自然屈曲，此时膝部液压阻尼器3a中的活塞34向上运动，同时压缩助伸弹簧35进行储能，与腰部液压阻尼器类似，通过改变第一油道392与扇形槽312重合面积，进而改变液压油的流通面积，从而提供可变阻尼力，起到支撑膝关节载荷的作用。

图9是由低处至高处搬运场景示意图。

如图9所示，当人体由低处至高处搬运重物时，腰部液压阻尼器3b中助伸弹簧35储存的能量得到释放，活塞杆向下运动为腰部起身提供助力；膝部液压阻尼器3a中的助伸弹簧35储存的能量得到释放，活塞杆向下运动为膝关节伸展提供助力。

图10是行走状态示意图。

如图10所示，当在行走过程中膝关节屈曲运动时，活塞34在重力作用下向下运动，同时压缩助伸弹簧35进行储能，液压油通过下腔油孔362进入液压回路36到达扇形槽312，交错通道式阀体39在直流伺服电机314带动下转动至预设角度，第二油道393内单向阀394关闭，而通过改变第一油道392与扇形槽312重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节屈曲时所受的阻尼力改变。

当在行走过程中膝关节伸展运动时，助伸弹簧35储存的能量得到释放，为活塞34向上运动提供助力，液压油通过下腔油孔361进入扇形槽312，交错通道式阀体39在直流伺服电机314带动下转动至预设角度，第一油道392内单向阀394关闭，而通过改变第二油道393与扇形槽312重合面积，进而改变液压油的流通面积，使得膝关节伸展时所受的阻尼力改变。

上述实施方式的作用方式与效果如下：

长时间重复性作业的正常人群，由于长时间搬运重物与带负荷行走，腰肌与膝关节劳损问题突出，严重影响身体健康和工作效率。本发明提供的一种半主动刚柔耦合式液压外骨骼可支持搬运重物与带负荷行走两种工作模式，搬运重物模式又可分为由高处至低处搬运模式与由低处至高处搬运模式。腰背部采用柔性纺织材料和弹力绳作为主要材料，构建腰部外骨骼基础框架，通过结构和受力位置优化，使其与人体柔性贴合；分别设置带有弹簧弹性结构的液压阻尼器于腰部与左右侧膝关节处，为腰部和膝部提供助力或阻尼力，液压阻尼器通过内置单向阀的交错通道式阀体的设计，实现仅通过一条液压油回路就能调节双向的液压油流动流量，并且其中一条通道与注油口合并，最大限度地减少液压缸开孔数，增大液压缸强度并降低漏油可能性，将阀体内嵌于液压缸侧壁上也降低了加工的难度与易漏油度；仅用一个电机就实现了膝关节液压阻尼双向同时独立控制，且阻尼调节连续，相比两个电机控制的液压阻尼缸结构，一个电机控制使得机构体积小，重量减轻，耗电减少；能够有效避免作用于阻尼缸中电机的轴向载荷，避免了因载荷过大引起电机失步和阻尼调节失败的情况；能够有效避免从液压油通道流出的液压油对阀体直接对流冲击而产生较大的切向力，大大减少了电机控制阀门转动所需的力矩，减少了耗电量，提高了电机的控制性能；并且结构精巧且易于加工。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。