一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人

本发明涉及下肢外骨骼机器人，尤其是涉及一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人。

背景技术：

1、执行器是自动控制系统中必不可少的一个重要组成部分，在外骨骼、假肢等机器人控制系统中存在着各种各样的执行器，帮助机器人的关节运动。目前，在外骨骼机器人膝关节上多采用主动驱动或者仅适用于单一工况的被动执行器，前者需要大功率动力源，执行器体积质量大且续航时间短，后者则仅可用于单一工况，无法让外骨骼机器人适用于不同工况。

2、在现有的无源下肢外骨骼机器人中，其执行器刚度和阻尼往往无法满足人体膝关节在多种工况下的顺滑平缓运动，例如人类平地步行时膝关节主要表现为阻尼器，而蹲起时膝关节更像是一个弹簧，但现有的无源执行器无法同时满足这两个工况。除此之外，现有的无源下肢外骨骼机器人多直接采用弹簧用于膝关节，其弹簧力的存在可以在站立相进行助力，但在摆动相却会对人体运动产生阻碍，造成穿戴者的不舒适，难以在实际的外骨骼机器人中得到很好的应用。

3、为了克服这些缺陷，需要设计一款续航时间长、助力效果好、可适应于多种工况且不影响膝关节顺滑运动的轻量化执行器应用于下肢外骨骼机器人。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，去除了大功率动力源，仅用低功率的电磁铁和力矩马达实现了轻量化、长续航的下肢助力外骨骼机器人，根据新型阻尼器原理设计的两种阻尼器均采用半主动控制，将可换弹簧和可控阻尼功能进行分离，可以实现外骨骼机器人膝关节在不同工况下的特定刚度-阻尼需求，达到助力重复性蹲起、快速平地负重行走和长时间站立等多工况的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，包括背部腰板、大腿部件、小腿部件、脚部，所述背部腰板和大腿部件通过髋关节球铰连接，所述大腿部件和小腿部件通过膝关节铰链连接，所述小腿部件和脚部通过踝关节球铰连接，所述大腿部件和小腿部件采用阻尼器作为执行器，所述阻尼器包括柱塞缸组件、阀组、蓄压器组件和油箱，所述柱塞缸组件包括柱塞腔，所述阀组包括电磁换向阀、单向阀一、单向阀二、伺服阀，所述电磁换向阀的端口一连通柱塞腔，电磁换向阀的端口二通过单向阀一连通油箱，电磁换向阀的端口二通过单向阀二连通伺服阀的b口和p口，所述油箱连通伺服阀的a口和t口，电磁换向阀的端口三连通蓄压器组件，所述电磁换向阀的端口一与端口二、端口三切换连通。

4、包括蓄压模式，蓄压模式下，所述电磁换向阀的端口一与端口三连通，柱塞腔连通蓄压器组件。

5、包括下压自锁模式，下压自锁模式下，所述电磁换向阀的端口一与端口二连通，伺服阀处于中位，柱塞腔通过单向阀一连通油箱。

6、包括下压可调阻尼模式，下压可调阻尼模式下，所述电磁换向阀的端口一与端口二连通，所述柱塞腔、单向阀二、伺服阀的p口、伺服阀的a口、油箱连通，所述伺服阀的p口、b口、t口、a口、油箱依次连通。

7、所述阻尼器为集中式阻尼器，所述集中式阻尼器包括柱塞缸、柱塞杆，所述阀组安装于柱塞缸外壁，所述柱塞缸的上端连接端盖，所述柱塞腔和油箱均位于柱塞缸内部，所述蓄压器组件连接于柱塞缸尾部，所述柱塞杆的一端伸入柱塞腔，柱塞杆的另一端连接有鱼眼接头，所述蓄压器组件包括蓄压弹簧、活塞和蓄压缸，所述活塞位于蓄压缸内，活塞、蓄压缸与柱塞缸配合形成蓄压腔，所述蓄压腔连通电磁换向阀的端口三，所述蓄压弹簧的两端分别抵于活塞和蓄压缸。

8、所述油箱位于柱塞腔的外围且两者同心分布。

9、所述鱼眼接头铰接连接小腿部件，所述蓄压缸铰接连接大腿部件。

10、所述阻尼器为分布式阻尼器，所述分布式阻尼器包括柱塞缸、柱塞杆，所述柱塞缸的上端连接端盖，所述柱塞腔位于柱塞缸内部，所述柱塞杆的一端伸入柱塞腔，柱塞杆的另一端连接有鱼眼接头，所述电磁换向阀的端口一通过油管连通柱塞腔。

11、所述柱塞缸的另一端连接有鱼眼接头，所述柱塞杆的鱼眼接头铰接连接小腿部件，所述柱塞缸的鱼眼接头铰接连接大腿部件。

12、所述蓄压器组件和油箱安装于阀组的侧边，所述阀组通过油管连接柱塞缸。

13、本发明的有益效果是：

14、一、根据人体膝关节不同工况下的刚度-阻尼需求，提出一种新型阻尼器原理，可实现蓄压模式、下压自锁模式和下压可调阻尼模式。蓄压模式下，油路和蓄压器组件直接相连，此时为弹簧态，实现储能放能；下压自锁模式下，柱塞杆无法向下运动；下压可调阻尼模式下，通过伺服阀调节流量，此时为阻尼态，实现可控阻尼效果。多种模式的切换实现了弹簧和可控阻尼的分离，提供膝关节在不同工况下运动时的刚度-阻尼需求。

15、二、集中式阻尼器将油箱内置于柱塞缸内部，将蓄压器组件、柱塞缸集成一体，结构紧凑，体积质量较小，且蓄压器组件可进行拆卸，方便根据不同工况的刚度需求来选配不同刚度的蓄压弹簧；分布式阻尼器将油箱、蓄压器组件和柱塞缸分离，而与阀组相连，在此基础上，柱塞缸和阀组可分离，分别布置于无源外骨骼机器人的不同部位。两种阻尼器均采用同一原理，根据阻尼可调的特征，两种阻尼器均实现了可换弹簧和可控阻尼功能，且可根据实际使用情况选用其中一种阻尼器布置于外骨骼机器人上。

16、三、基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，相较现有的主动助力外骨骼机器人，本发明省去大功率电机、液压泵等动力输出元件，在保证助力效果的同时实现了减重、续航等目的；相较现有的被动助力外骨骼机器人，本发明通过阻尼器弹簧和阻尼的主动切换，让外骨骼机器人可以运用于多种工况，尤其适用于需要经常蹲起的拣货、机场安检、润粮等工况，在助力多次蹲起的同时不影响正常步行。

17、四、阻尼器均采用电磁换向阀和伺服阀进行半主动控制，通过电磁阀实现模式的自主切换，保证了系统自动化，通过伺服阀进行流量的控制，提高了阻尼调节系统在快速步行时的响应性。

18、五、采用柱塞缸，加工简单，密封性好，运动稳定性高。

技术特征：

1.一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，包括背部腰板(5)、大腿部件(6)、小腿部件(7)、脚部(8)，其特征在于：所述背部腰板(5)和大腿部件(6)通过髋关节球铰(1)连接，所述大腿部件(6)和小腿部件(7)通过膝关节铰链(2)连接，所述小腿部件(7)和脚部(8)通过踝关节球铰(3)连接，所述大腿部件(6)和小腿部件(7)采用阻尼器作为执行器，所述阻尼器包括柱塞缸组件(41)、阀组(42)、蓄压器组件(43)和油箱(44)，所述柱塞缸组件(41)包括柱塞腔(411)，所述阀组(42)包括电磁换向阀(421)、单向阀一(422)、单向阀二(423)、伺服阀(424)，所述电磁换向阀(421)的端口一连通柱塞腔(411)，电磁换向阀(421)的端口二通过单向阀一(422)连通油箱(44)，电磁换向阀(421)的端口二通过单向阀二(423)连通伺服阀(424)的b口和p口，所述油箱(44)连通伺服阀(424)的a口和t口，电磁换向阀(421)的端口三连通蓄压器组件(43)，所述电磁换向阀(421)的端口一与端口二、端口三切换连通。

2.如权利要求1所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括蓄压模式，蓄压模式下，所述电磁换向阀(421)的端口一与端口三连通，柱塞腔(411)连通蓄压器组件(43)。

3.如权利要求1所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括下压自锁模式，下压自锁模式下，所述电磁换向阀(421)的端口一与端口二连通，伺服阀(424)处于中位，柱塞腔(411)通过单向阀一(422)连通油箱(44)。

4.如权利要求1所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：包括下压可调阻尼模式，下压可调阻尼模式下，所述电磁换向阀(421)的端口一与端口二连通，所述柱塞腔(411)、单向阀二(423)、伺服阀(424)的p口、伺服阀(424)的a口、油箱(44)连通，所述伺服阀(424)的p口、b口、t口、a口、油箱(44)依次连通。

5.如权利要求1-4任意一项所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述阻尼器为集中式阻尼器(4a)，所述集中式阻尼器(4a)包括柱塞缸(412)、柱塞杆(413)，所述阀组(42)安装于柱塞缸(412)外壁，所述柱塞缸(412)的上端连接端盖(415)，所述柱塞腔(411)和油箱(44)均位于柱塞缸(412)内部，所述蓄压器组件(43)连接于柱塞缸(412)尾部，所述柱塞杆(413)的一端伸入柱塞腔(411)，柱塞杆(413)的另一端连接有鱼眼接头(414)，所述蓄压器组件(43)包括蓄压弹簧(432)、活塞(433)和蓄压缸(434)，所述活塞(433)位于蓄压缸(434)内，活塞(433)、蓄压缸(434)与柱塞缸(412)配合形成蓄压腔(431)，所述蓄压腔(431)连通电磁换向阀(421)的端口三，所述蓄压弹簧(432)的两端分别抵于活塞(433)和蓄压缸(434)。

6.如权利要求5所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述油箱(44)位于柱塞腔(411)的外围且两者同心分布。

7.如权利要求5所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述鱼眼接头(414)铰接连接小腿部件(7)，所述蓄压缸(434)铰接连接大腿部件(6)。

8.如权利要求1-4任意一项所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述阻尼器为分布式阻尼器(4b)，所述分布式阻尼器(4b)包括柱塞缸(412)、柱塞杆(413)，所述柱塞缸(412)的上端连接端盖(415)，所述柱塞腔(411)位于柱塞缸(412)内部，所述柱塞杆(413)的一端伸入柱塞腔(411)，柱塞杆(413)的另一端连接有鱼眼接头(414)，所述电磁换向阀(421)的端口一通过油管(45)连通柱塞腔(411)。

9.如权利要求8所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述柱塞缸(412)的另一端连接有鱼眼接头(414)，所述柱塞杆(413)的鱼眼接头(414)铰接连接小腿部件(7)，所述柱塞缸(412)的鱼眼接头(414)铰接连接大腿部件(6)。

10.如权利要求8所述一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述蓄压器组件(43)和油箱(44)安装于阀组(42)的侧边，所述阀组(42)通过油管(45)连接柱塞缸(412)。

技术总结
本发明公开了一种基于阻尼器的无源多工况下肢外骨骼机器人，包括背部腰板、大腿部件、小腿部件、脚部，大腿部件和小腿部件采用阻尼器作为执行器，阻尼器包括柱塞缸组件、阀组、蓄压器组件和油箱，柱塞缸组件包括柱塞腔，阀组包括电磁换向阀、单向阀一、单向阀二、伺服阀，电磁换向阀的端口一连通柱塞腔，电磁换向阀的端口二通过单向阀一连通油箱，电磁换向阀的端口二通过单向阀二连通伺服阀的B口和P口，油箱连通伺服阀的A口和T口，电磁换向阀的端口三连通蓄压器组件，电磁换向阀的端口一与端口二、端口三切换连通。本发明实现了轻量化、长续航的下肢助力外骨骼机器人，达到助力重复性蹲起、快速平地负重行走和长时间站立等多工况目的。

技术研发人员：欧阳小平,包颖炜,杨波,孙茂文,蒋昊宜,凌振飞,刘浩
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13