一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置

摘要

本发明公开了一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置，包括：液压缸，包括液压腔，配合插装于液压腔的活塞与活塞杆；节流阀的第一进口端、第一出口端一对一的连通于液压缸的第一流道、第二流道；第一电机连接于节流阀并控制节流阀的开口大小；齿轮泵的第二进口端、第二出口端通过滑阀连接于液压缸的第一流道、第二流道；第二电机连接于滑阀并用于驱动滑阀移动换位；蓄能组件包括连通于齿轮泵与滑阀之间的流道的蓄能腔，蓄能腔内插装有与蓄能腔密封滑动的弹簧上隔腔、弹簧下隔腔，弹簧上隔腔与弹簧下隔腔之间设有蓄能缓冲弹簧。阻尼能够自动实时调节，以控制不同负载力和人体步态下的阻尼力的大小，实现自然流畅的转动。

权利要求

1.一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置，其特征在于，包括：液压缸(5)，包括液压腔(14)、连通于所述液压腔(14)的上部腔体的第一流道(15)以及连通于所述液压腔(14)的下部腔体的第二流道(16)；

活塞(4)，配合插装于所述液压腔(14)；

活塞杆(2)，连接于所述活塞(4)并用于带动关节组件；

节流阀(8)，包括第一进口端与第一出口端，所述第一进口端、所述第一出口端一对一的连通于所述第一流道(15)、所述第二流道(16)；

第一电机，连接于所述节流阀(8)并用于控制所述节流阀(8)的开口大小；

齿轮泵(10)，包括第二进口端与第二出口端，所述第二进口端、所述第二出口端通过滑阀(9)连接于所述第一流道(15)、所述第二流道(16)；

第二电机，连接于所述滑阀(9)并用于驱动所述滑阀(9)移动换位；

蓄能组件，包括连通于所述齿轮泵(10)与滑阀(9)之间的流道的蓄能腔(17)，所述蓄能腔(17)内插装有与所述蓄能腔(17)密封滑动的弹簧上隔腔(6)、弹簧下隔腔(7)，所述弹簧上隔腔(6)与所述弹簧下隔腔(7)之间设有蓄能缓冲弹簧(13)；

其中，所述液压缸(5)包括缸体、密封连接于所述缸体上端的上端盖(3)，所述缸体的下端设有密封连接所述蓄能组件的密封接口，所述液压腔(14)、所述第一流道(15)、所述第二流道(16)均设于所述缸体内；

所述蓄能组件包括蓄能缸体(12)，所述蓄能腔(17)设于所述蓄能缸体(12)并贯通于所述蓄能缸体(12)的上端面，所述蓄能缸体(12)的上端密封插装于所述密封接口；

所述节流阀(8)、所述滑阀(9)，所述齿轮泵(10)均安装于所述液压缸(5)内部。

2.根据权利要求1所述的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，其特征在于，所述液压缸(5)设有第三流道，所述蓄能腔(17)通过所述第三流道连通于所述齿轮泵(10)与滑阀(9)之间的流道。

3.根据权利要求2所述的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，其特征在于，所述第三流道上设有用于控制所述第三流道的流量的针阀(11)，所述针阀(11)连接于第三电机。

4.根据权利要求1所述的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，其特征在于，所述活塞杆(2)的上端设有用于连接关节组件的活塞杆耳(1)。

5.根据权利要求4所述的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，其特征在于，所述节流阀(8)为球体节流阀。

说明书

一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置

技术领域

[0001] 本发明涉及关节驱动技术领域，更具体地说，涉及一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置。

背景技术

[0002] 我国残疾人口中截肢患者的人口数量较大，由于交通事故、工伤以及自然灾害等突发事件或者由于糖尿病等疾病的原因都有可能是造成人体残疾，但是他们中只有部分人
安装了下肢假肢或者使用了外骨骼系统，而这是目前能让截肢者能够回归社会的有效手
段。

[0003] 传统的穿戴式机器人关节部分采用机械阻尼，其阻尼值不能随步态调整，因此会导致步态不自然、驱动效率不高。同时目前部分关节驱动结构体积重量较大、结构复杂，维
护不方便。

[0004] 因此，如何解决现有关节驱动装置导致步态不自然、结构复杂且体积重量较大的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置，阻尼能够自动实时调节，以控制不同负载力和人体步态下的阻尼力的大小，实现自然流畅的转
动。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0007] 一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置，包括：

[0008] 液压缸，包括液压腔、连通于所述液压腔的上部腔体的第一流道以及连通于所述液压腔的下部腔体的第二流道；

[0009] 活塞，配合插装于所述液压腔；

[0010] 活塞杆，连接于所述活塞并用于带动关节组件；

[0011] 节流阀，包括第一进口端与第一出口端，所述第一进口端、所述第一出口端一对一的连通于所述第一流道、所述第二流道；

[0012] 第一电机，连接于所述节流阀并控制所述节流阀的开口大小；

[0013] 齿轮泵，包括第二进口端与第二出口端，所述第二进口端、所述第二出口端通过滑阀连接于所述第一流道、所述第二流道；

[0014] 第二电机，连接于所述滑阀并用于驱动所述滑阀移动换位；

[0015] 蓄能组件，包括连通于所述齿轮泵与滑阀之间的流道的蓄能腔，所述蓄能腔内插装有与所述蓄能腔密封滑动的弹簧上隔腔、弹簧下隔腔，所述弹簧上隔腔与所述弹簧下隔
腔之间设有蓄能缓冲弹簧。

[0016] 优选的，所述液压缸包括缸体、密封连接于所述缸体上端的上端盖，所述缸体的下端设有密封连接所述蓄能组件的密封接口，所述液压腔、所述第一流道、所述第二流道设于
所述缸体内。

[0017] 优选的，所述蓄能组件包括蓄能缸体，所述蓄能腔设于所述蓄能缸体并贯通于所述蓄能缸体的上端面，所述蓄能缸体的上端密封插装于所述密封接口。

[0018] 优选的，所述液压缸设有第三流道，所述蓄能腔体通过所述第三流道连通于所述齿轮泵与滑阀之间的流道。

[0019] 优选的，所述第三流道上设有用于控制所述第三流道的流量的针阀，所述针阀连接于第三电机。

[0020] 优选的，所述活塞杆的上端设有用于连接关节组件的活塞杆耳。

[0021] 优选的，所述节流阀为球体节流阀。

[0022] 优选的，所述第一电机、所述第二电机、所述节流阀、所述滑阀，所述齿轮泵均安装于所述液压缸内部。

[0023] 本发明所提供的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，当人体处于平地行走、下楼梯、下斜坡等关节所需力矩较小的状态时，此时无需驱动提供主动力矩，采用被动驱动模
式，滑阀停在中位，使齿轮泵与液压腔的流道关闭，液压腔的上部腔体与下部腔体通过节流
阀连通，并通过第一电机控制节流阀阀口的开口大小，以调节阻尼力的大小，实现阻尼连续
可调，进而实现自然流畅的转动。

[0024] 当人体处于上楼梯、上斜坡等关节所需力矩较大的状态时，采用主动驱动模式，关闭节流阀，齿轮泵为液压腔供能，根据人体步态曲线为关节提供足够的主动力矩，弥补被动
驱动在此类步态的不足，根据下肢摆动状态控制滑阀的位置，以进行换位控制液压油的供
油方向，从而改变活塞杆的运动方向以改变关节的转动角度；在人体站直时，通过滑阀停在
中位，使齿轮泵与液压腔的流道关闭，成为刚性支撑。

[0025] 在整个行走过程中，蓄能组件对于多余的能量进行蓄能，多余的液压油流入蓄能组件的蓄能腔，进入蓄能状态，当需要提供能量时，蓄能组件中的液压油供能，同时压缩的
弹簧也会给活塞杆提供回复力，从而提高行走过程中的能量利用率，同时达到行走过程的
缓冲助力的功能，从而实现行走步态的柔顺自然，行走过程舒适安全。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本发明所提供用于关节驱动的主被动混合驱动装置具体实施例的内部结构示意图；

[0028] 图2为本发明所提供用于关节驱动的主被动混合驱动装置具体实施例的正视示意图。

[0029] 其中，1‑活塞杆耳、2‑活塞杆、3‑上端盖、4‑活塞、5‑液压缸、6‑弹簧上隔腔、7‑弹簧下隔腔、8‑节流阀、9‑滑阀、10‑齿轮泵、11‑针阀、12‑蓄能缸体、13‑蓄能缓冲弹簧、14‑液压
腔、15‑第一流道、16‑第二流道、17‑蓄能腔。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 本发明的核心是提供一种用于关节驱动的主被动混合驱动装置，阻尼能够自动实时调节，以控制不同负载力和人体步态下的阻尼力的大小，实现自然流畅的转动。

[0032] 请参考图1至图2，图1为本发明所提供用于关节驱动的主被动混合驱动装置具体实施例的内部结构示意图；图2为本发明所提供用于关节驱动的主被动混合驱动装置具体
实施例的正视示意图。

[0033] 本发明所提供的用于关节驱动的主被动混合驱动装置，包括：

[0034] 液压缸5，包括液压腔14、连通于液压腔14的上部腔体的第一流道15以及连通于液压腔14的下部腔体的第二流道16；

[0035] 活塞4，配合插装于液压腔14；

[0036] 活塞杆2，连接于活塞4并用于带动关节组件；

[0037] 节流阀8，包括第一进口端与第一出口端，第一进口端、第一出口端一对一的连通于第一流道15、第二流道16；

[0038] 第一电机，连接于节流阀8并控制节流阀8的开口大小；

[0039] 齿轮泵10，包括第二进口端与第二出口端，第二进口端、第二出口端通过滑阀9连接于第一流道15、第二流道16；

[0040] 第二电机，连接于所述滑阀9并用于驱动所述滑阀9移动换位；

[0041] 蓄能组件，包括连通于齿轮泵10与滑阀9之间的流道的蓄能腔17，蓄能腔17内插装有与蓄能腔17密封滑动的弹簧上隔腔6、弹簧下隔腔7，弹簧上隔腔6与弹簧下隔腔7之间设
有蓄能缓冲弹簧13。

[0042] 其中，液压缸5包括液压腔14，液压腔14内插装有活塞4、活塞杆2，液压缸5底部连接有蓄能组件，液压缸5内连通于液压腔14的上部腔体的第一流道15以及连通于液压腔14
的下部腔体的第二流道16，节流阀8包括第一进口端与第一出口端，第一进口端、第一出口
端一对一的连通于第一流道15、第二流道16，节流阀8通过伸出的阀杆连接于第一电机，由
第一电机来控制球形节流阀8的转动开口大小，以改变液压腔14的液压油的流量大小。

[0043] 通过第二电机控制滑阀9相对第一流道15、第二流道16的位置来控制液压油路的接通、换向以及中停，从而控制流进液压腔14的液压油的流向，进而控制液压腔14内活塞4
的运动方向。整个液压系统的驱动采用插装式的齿轮泵10，通过泵的运转来给整个系统提
供能量。

[0044] 液压缸5的下部安装有蓄能组件，蓄能组件包括蓄能缓冲弹簧13、弹簧上隔腔6、弹簧下隔腔7，弹簧安装在弹簧上隔腔6、弹簧下隔腔7的内部，通过弹簧的压缩和释放来推动
弹簧隔腔的上下运动，从而推动蓄能腔17内存储的液压油来补充齿轮泵10的液压油，在蓄
能组件与泵体之间的第三流道上安装有针阀11，针阀11的阀杆可通过第三电机相连，通过
控制第三电机的转动来控制针阀11的开口大小，调节蓄能组件补充液压油流量的大小。

[0045] 当人体处于平地行走、下楼梯、下斜坡等关节所需力矩较小的状态时，此时无需驱动提供主动力矩，采用被动驱动模式，滑阀9停在中位，使齿轮泵10与液压腔14的流道关闭，
液压腔14的上部腔体与下部腔体通过节流阀8连通，并通过第一电机控制节流阀8阀口的开
口大小，以调节阻尼力的大小，从而实现阻尼连续可调；在人体站直时，关闭节流阀8，使得
液压腔14的上部腔体与下部腔体之间通路关闭，成为刚性支撑。

[0046] 当人体处于上楼梯、上斜坡等关节所需力矩较大的状态时，此时需要驱动提供主动力矩，采用主动驱动模式，关闭节流阀8，齿轮泵10为液压腔14供能，根据人体步态曲线为
关节提供足够的主动力矩，弥补被动驱动在此类步态的不足，根据下肢摆动状态控制滑阀9
的位置，以进行换位控制液压油的供油方向，从而改变活塞杆2的运动方向以改变关节的转
动角度；在人体站直时，通过滑阀9停在中位，使齿轮泵10与液压腔14的流道关闭，成为刚性
支撑。

[0047] 在整个行走过程中，蓄能组件对于多余的能量进行蓄能，多余的液压油流入蓄能组件的蓄能腔17，进入蓄能状态，当需要提供能量时，蓄能组件中的液压油供能，同时压缩
的弹簧也会给活塞杆2提供回复力，从而提高行走过程中的能量利用率，同时达到行走过程
的缓冲助力的功能。蓄能组件的供能可通过针阀11来控制液压油流量的大小，从而实现行
走步态的柔顺自然。

[0048] 在上述实施例的基础之上，考虑到蓄能组件与液压缸5的具体实施方式，作为一种优选，液压缸5包括缸体、密封连接于缸体上端的上端盖3，缸体的下端设有密封连接蓄能组
件的密封接口，液压腔14、第一流道15、第二流道16设于缸体内。蓄能组件包括蓄能缸体12，
蓄能腔17设于蓄能缸体12并贯通于蓄能缸体12的上端面，蓄能缸体12的上端密封插装于密
封接口，实现液压缸5与蓄能组件的一体化，进而实现体积重量最小化，体积重量小、结构紧
凑、能耗低。具体的，液压缸5设有第三流道，蓄能腔17通过第三流道连通于齿轮泵10与滑阀
9之间的流道。

[0049] 在上述实施例的基础之上，作为一种优选，第三流道上设有用于控制第三流道的流浪的针阀11，针阀11连接于第三电机，以通过第三电机控制针阀11的开口大小，从而控制
液压油流量的大小，保证实现行走步态的低能耗和柔顺性。

[0050] 在上述实施例的基础之上，作为一种优选，活塞杆2的上端设有用于连接关节组件的活塞杆耳1。具体的，可通过钢丝绳连接活塞杆耳1与关节组件，从而通过钢丝绳带动关节
组件转动。考虑到节流阀8的具体设置，具体的，节流阀8为球体节流阀。

[0051] 在上述实施例的基础之上，作为一种优选，节流阀8、齿轮泵10均安装于液压缸5内部。

[0052] 本实施例中，将节流阀8、齿轮泵10均嵌入液压缸5的内部，集成为一体，极大地简化了装配结构，进一步实现驱动结构的结构紧凑化和轻量化。

[0053] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0054] 以上对本发明所提供的关节驱动的主被动混合驱动装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助
理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱
离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本
发明权利要求的保护范围内。