[發明專利]一種行走過程背部負重能量可回收的液壓助力外骨骼機構

有效

• 申請號: 202011134934.6
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112497187B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 施虎;羅帥;郭連杰;劉兆盈;徐俊;梅雪松
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開了一種行走過程背部負重能量可回收的液壓助力外骨骼機構，包括結構完全對稱的左、右下肢體和背部能量回收機構；左、右下肢體均包括：足底部件，小腿部件，一組驅動部件，大腿部件，腰部件。本發明下肢體踝關節設置扭簧存儲能量，膝關節與髖關節設置驅動部件輔助人體行走，背部通過一組雙活塞桿液壓缸將人體穿戴外骨骼行走過程中背部負重產生的機械能直接轉化成液壓能，并通過背部的恒壓蓄能器進行液壓能的儲存，存儲的液壓能直接用于下肢外骨骼的備用能源。該能量回收的液壓機構采用雙活塞桿雙作用液壓缸，整體結構簡單、質量小，采用的恒壓蓄能器蓄能密度大，能夠實現機械能與液壓能的高效轉化。

技術領域

本發明屬于下肢外骨骼的能量回收的節能裝置技術領域，涉及一種行走過程背部負重能量可回收的液壓助力外骨骼機構。

背景技術

近年來，外骨骼機器人是科技前沿的新興領域，在單兵作戰攜重、人體助力行走等場合具有廣闊應用前景。液壓驅動具有的功率密度高等優點使其成為此類高端機電設備青睞的驅動方案，但能效偏低仍是一個無法回避的弱點。因此，尋找可靠的能量來源作為此類設備動力源，提高液壓整體系統的能效已成為該領域研究的重要需求。

能量回收是實現液壓系統節能最常用、最有效的手段。外骨骼機器人在跟隨人體行走時產生豐富的機械能，若將此能量回收存儲，繼而采用電機泵與蓄能器復合供能的方式實施驅動，則系統能效可有效增大，動力單元體積和重量隨之減小，增加續航里程。人體背部負重行走時重物隨人體重心運動產生豐富的機械能，對負重外骨骼而言，負重越大產生能量越多，回收價值更大，將人體行走機械能轉化為功率密度更大的液壓能，更容易實現裝置的輕量化和結構緊湊化設計。

能量回收的液壓元件組件多，系統結構復雜，傳統蓄能器能量密度低，會額外增加整體的尺寸和重量，維護性差。如申請號為201910600142.4的中國發明專利申請提出一種用于回收人體背部負重往復運動能量的液壓機構，采用四個對稱分布的液壓缸回收人體行走的運動能，并將儲存于傳統的皮囊蓄能器中。該液壓機構就存在整體結構復雜、質量過重以及能量密度低的問題，因此維護性能也較差。

所以，有必要設計出一種面向外骨骼的液壓式人體行走背部負重能量回收更簡單、質量更輕、蓄能密度更大的機構。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種行走過程背部負重能量可回收的液壓助力外骨骼機構，該液壓助力外骨骼機構用于能量回收的液壓機構采用雙活塞桿雙作用液壓缸，整體結構簡單、整體質量小，采用的恒壓蓄能器蓄能密度大，能夠實現機械能與液壓能的高效轉化，可直接作為備用液壓源為外骨骼提供動力。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

本發明公開了一種行走過程背部負重能量可回收的液壓助力外骨骼機構，包括背部能量回收機構、腰部件、一組結構相同且對稱布置的左、右下肢體及驅動部件；

所述左、右下肢體由上至下均包括依次相連的大腿部件、小腿部件及足底部件；大腿部件與所述腰部件相連；

所述驅動部件用于輔助人體行走，包括第一驅動部件和第二驅動部件，第一驅動部件分別與小腿部件和大腿部件相連，用于輔助膝關節的運動；第二驅動部件分別與大腿部件與腰部件相連，用于輔助髖關節的運動；

所述背部能量回收機構，包括恒壓蓄能器、閥塊組及一組雙活塞桿液壓缸，雙活塞桿液壓缸通過閥塊組與恒壓蓄能器相連；通過一組雙活塞桿液壓缸能夠將行走過程中背部負重產生的機械能直接轉化成液壓能，并通過恒壓蓄能器進行液壓能存儲，存儲的液壓能直接用于下肢外骨骼的備用能源。

優選地，所述背部能量回收機構還包括：背部板、銅柱、固定架、兩組鎖緊螺母、兩組固定板、負重板及一組負重塊；

背部板通過銅柱與固定架相連，所述的一組雙活塞桿液壓缸對稱設置在該固定架上，負重板通過兩個鎖緊螺母和兩個固定板與一組雙活塞桿液壓缸固定，恒壓蓄能器與負重板固定，負重塊與負重板嵌入固定。