一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于人體助力行走機器人液壓與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，為解決以往由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)等需單獨設(shè)計制造所帶來的體積重量過大，設(shè)計制造復(fù)雜，安裝困難的問題，本發(fā)明提供一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，通過將人體助力行走機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)進行高度集成設(shè)計，實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)一體化和小型化，降低了成本及其重量，減少了系統(tǒng)的制造和安裝工序，降低了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維修難度；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可擴展性高，既可用于人體助力行走機器人，又可用于養(yǎng)老助殘用助力機器人。
【專利說明】一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人體助力行走機器人液壓與控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元。
【背景技術(shù)】
[0002]人體助力行走機器人是一種能夠有效提高人體的運動和負(fù)載能力，降低人體氧氣消耗的裝備。隨著科技的發(fā)展，對人體助力行走機器人的需求也凸顯出來。人體助力行走機器人主要通過液壓提供助力，但是當(dāng)前人體助力行走機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)普遍存在著體積、重量偏大的問題。在機器人各處布置的姿態(tài)傳感器及控制器也占用了大量的空間，并且增加了系統(tǒng)的制造、裝配和維修難度。若人體助力行走機器人大量制造并裝備部隊，上述問題則更為突出。因此需要設(shè)計一種小型化高集成度的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一)要解決的技術(shù)問題
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，通過將人體助力行走機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)高度集成于小型化的液壓閥塊中，解決了以往由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)等需單獨設(shè)計制造所帶來的體積重量過大，設(shè)計制造復(fù)雜，安裝困難的問題。
[0005](二)技術(shù)方案
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:該控制單元將液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)集成于小型化的液壓閥塊中。
[0007]其中，所述液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動力為電機，由兩個液壓泵提供人體助力行走機器人的油源供應(yīng)，Pl進油口連接第一單向閥進油口，液壓油從第一單向閥出油口流出后，通過液壓閥塊中的油路分別與第一兩位三通常開開關(guān)閥、第一兩位三通常閉開關(guān)閥、第三兩位三通常閉開關(guān)閥及第一溢流閥的進油口相連；P2進油口連接第二單向閥進油口，液壓油從第二單向閥出油口流出后，通過油路分別與第二兩位三通常開開關(guān)閥、第二兩位三通常閉開關(guān)閥、第四兩位三通常閉開關(guān)閥和第二溢流閥的進油口相連；在設(shè)置有閥塊槽的液壓閥塊中，第一兩位三通常開開關(guān)閥、第一兩位三通常閉開關(guān)閥、第二兩位三通常開開關(guān)閥、第二兩位三通常閉開關(guān)閥、第一溢流閥、第二溢流閥、第三兩位三通常閉開關(guān)閥和第四兩位三通常閉開關(guān)閥的出油口通過油路與出油口 T連接。
[0008]其中，所述姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)包括主控制芯片、加速度傳感器、角速度傳感器、雙軸傾角傳感器、雙軸傾角傳感器過渡板、第一壓力傳感器處理芯片和第二壓力傳感器處理芯片，并集成于液壓閥塊中。
[0009]其中，所述主控制芯片固定于液壓閥塊的閥塊槽的凸臺上，對整個機器人系統(tǒng)進行控制管理。
[0010]其中，所述液壓閥塊的側(cè)面分別安裝有第一矩形連接器和第二矩形連接器；在所述液壓閥塊上部設(shè)置感知控制系統(tǒng)蓋板。
[0011]其中，通過所述第二兩位三通常開開關(guān)閥和第一兩位三通常開開關(guān)閥分別控制左、右側(cè)膝關(guān)節(jié)處單作用液壓助力油缸，在所述第二兩位三通常開開關(guān)閥、第一兩位三通常開開關(guān)閥的控制油口處LA和RA分別設(shè)置有第二壓力傳感器和第一壓力傳感器。
[0012]其中，所述第二兩位三通常閉開關(guān)閥、第四兩位三通常閉開關(guān)閥的控制油口 LB、LC分別與左側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對第二兩位三通常閉開關(guān)閥、第四兩位三通常閉開關(guān)閥的開閉程度進行調(diào)節(jié)；所述第一兩位三通常閉開關(guān)閥、第三兩位三通常閉開關(guān)閥的控制油口 RB、RC分別與右側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對第一兩位三通常閉開關(guān)閥、第三兩位三通常閉開關(guān)閥的開閉程度進行調(diào)節(jié)。
[0013]其中，所述液壓閥塊的閥塊槽的底部分別固定第一芯片過渡板和第二芯片過渡板；在第一芯片過渡板上安裝有第一壓力傳感器處理芯片，實現(xiàn)對第一壓力傳感器信號的采集處理，安裝角速度傳感器，檢測人體軀干部角速度；在第二芯片過渡板上安裝有第二壓力傳感器處理芯片，實現(xiàn)對第一壓力傳感器信號的采集處理安裝有加速度傳感器，檢測人體軀干部加速度。
[0014]其中，所述雙軸傾角傳感器過渡板通過卡槽固定在液壓閥塊上，以感知人體軀干部沿橫軸和縱軸的傾角。
[0015](三)有益效果
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下有益效果:
[0017]1、本發(fā)明通過將人體助力行走機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)進行高度集成設(shè)計，實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)一體化和小型化，降低了成本及其重量，減少了系統(tǒng)的制造和安裝工序，降低了系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維修難度；
[0018]2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可擴展性高，既可可用于人體助力行走機器人，又可用于養(yǎng)老助殘用助力機器人。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明提供的人體助力行走機器人液壓集成控制單元的液壓原理圖；
[0020]圖2為本發(fā)明提供的人體助力行走機器人集成控制單元外觀結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖3為本發(fā)明提供的人體助力行走機器人集成控制單元中液壓部件安裝示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明提供的人體助力行走機器人集成控制單元中控制芯片及各傳感器安裝示意圖。
[0023]圖中:100為液壓閥塊，101為第一壓力傳感器，102為第一兩位三通常開開關(guān)閥，103為第二壓力傳感器，104為第一兩位三通常閉開關(guān)閥，105為第二兩位三通常開開關(guān)閥，106為第二兩位三通常閉開關(guān)閥，107為第一溢流閥，108為第二溢流閥，109為第三兩位三通常閉開關(guān)閥，110為第四兩位三通常開開關(guān)閥，111為第一單向閥，112為第二單向閥，113為內(nèi)六角螺塞，114為管接頭，115為第一壓力傳感器堵頭，116為第二壓力傳感器堵頭，200為感知控制系統(tǒng)蓋板，201為固定螺釘，202為主控制芯片，203為加速度傳感器，204為第一壓力傳感器處理芯片，205為第二壓力傳感器處理芯片，206為角速度傳感器，207為第一芯片過渡板，208為第二芯片過渡板，209為雙軸傾角傳感器，210為雙軸傾角傳感器過渡板，211為第一矩形連接器，212為第二矩形連接器。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細(xì)描述。
[0025]如圖1、2、3和4所示，本發(fā)明提供的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元主要包括用于控制人體助力行走機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液壓閥塊100及相關(guān)的液壓控制閥；用于機器人姿態(tài)感知的加速度傳感器203、角速度傳感器206和雙軸傾角傳感器209 ;用于機器人信息采集處理的主控制芯片202、第一壓力傳感器處理芯片204和第二壓力傳感器處理芯片205。
[0026]如圖1、2和3所示，液壓集成控制單元由兩個液壓泵提供的人體助力行走機器人油源供應(yīng)，分別經(jīng)P1、P2 口進入液壓閥塊100中。Pl進油口直接連接第一單向閥111的進油口，液壓油從第一單向閥111出油口流出后，通過閥塊100中的油路分別與第一兩位三通常開開關(guān)閥102、第一兩位三通常閉開關(guān)閥104、第三兩位三通常閉開關(guān)閥109及第一溢流閥107的進油口相連。P2進油口直接連接第二單向閥112進油口，液壓油從第二單向閥112出油口流出后，通過油路分別與第二兩位三通常開開關(guān)閥105、第二兩位三通常閉開關(guān)閥106、第四兩位三通常閉開關(guān)閥110和第二溢流閥108的進油口相連。在設(shè)置有閥塊槽的液壓閥塊100中，通過油路分別連接第一兩位三通常開開關(guān)閥102、第一兩位三通常閉開關(guān)閥104、第二兩位三通常開開關(guān)閥105、第二兩位三通常閉開關(guān)閥106、第一溢流閥107、第二溢流閥108、第三兩位三通常閉開關(guān)閥109和第四兩位三通常閉開關(guān)閥110的出油口，最終通過出油口 T實現(xiàn)出油口的統(tǒng)一。
[0027]第一單向閥111及第二單向閥112保證了液壓油的單向流動，減少液壓沖擊對液壓泵的影響。第一溢流閥107和第二溢流閥108分別限定了液壓集成控制單元中兩個油路中的最大系統(tǒng)油壓，防止出現(xiàn)過大的系統(tǒng)油壓造成對設(shè)備和穿戴人員的傷害。
[0028]左、右側(cè)膝關(guān)節(jié)處單作用液壓助力油缸分別通過第二兩位三通常開開關(guān)閥105和第一兩位三通常開開關(guān)閥102進行控制，分別將第二兩位三通常開開關(guān)閥105、第一兩位三通常開開關(guān)閥102的控制油口 LA、RA與單作用缸的無桿腔，通過控制開關(guān)閥的開關(guān)實現(xiàn)對液壓缸位移的控制，進而實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動助力。分別在第二兩位三通常開開關(guān)閥105和第一兩位三通常開開關(guān)閥102的控制油口處加裝了液壓油第二壓力傳感器103、第一壓力傳感器101，實時監(jiān)控膝關(guān)節(jié)助力油缸的壓力，保證了控制的有效性。
[0029]左側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)分別與第二兩位三通常閉開關(guān)閥106、第四兩位三通常閉開關(guān)閥110的控制油口 LB、LC相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片202對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對第二兩位三通常閉開關(guān)閥106、第四兩位三通常閉開關(guān)閥110開閉程度進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對左側(cè)髖關(guān)節(jié)雙作用液壓助力油缸的控制。
[0030]右側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)分別與第一兩位三通常閉開關(guān)閥104、第三兩位三通常閉開關(guān)閥109的控制油口 RB、RC相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片202對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對第一兩位三通常閉開關(guān)閥104、第三兩位三通常閉開關(guān)閥109開閉程度進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對左側(cè)髖關(guān)節(jié)雙作用液壓助力油缸的控制。
[0031]所述閥塊100上所鉆的閥孔均為內(nèi)螺紋口，對于工藝孔采用內(nèi)六角螺塞113進行封閉，壓力傳感器分別采用第一壓力傳感器堵頭115 ;第二壓力傳感器堵頭116進行固定，出油口 T及控制油口 1^、1^、^:、狀、1?、1^均采用管接頭114。
[0032]如圖2和4所示，姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)集成于液壓閥塊100的上部的槽中，主要包括人體助力行走機器人的主控制芯片202、加速度傳感器203、角速度傳感器206、雙軸傾角傳感器209、雙軸傾角傳感器過渡板210、第一壓力傳感器處理芯片204和第二壓力傳感器處理芯片205。
[0033]在閥塊槽的底部分別固定第一芯片過渡板207和第二芯片過渡板208。在第一芯片過渡板207上，安裝有第一壓力傳感器處理芯片204，實現(xiàn)對第一壓力傳感器101信號的采集處理；安裝有角速度傳感器206，檢測人體軀干部角速度。在第二芯片過渡板208上，安裝有第二壓力傳感器處理芯片205，實現(xiàn)對第一壓力傳感器103信號的采集處理；安裝有加速度傳感器203，檢測人體軀干部加速度。雙軸傾角傳感器過渡板210通過卡槽固定在閥塊100上，以感知人體軀干部沿橫軸和縱軸的傾角。在閥塊上部槽中的凸臺上固定有人體助力行走機器人的主控制芯片202，可對整個機器人系統(tǒng)進行控制管理。在閥塊100的側(cè)面安裝有第一矩形連接器211和第二矩形連接器212。為了對主控制芯片202、加速度傳感器203和角速度傳感器206及第一壓力傳感器處理芯片204和第二壓力傳感器處理芯片205的保護，在上部安裝有感 知控制系統(tǒng)蓋板200。
[0034]主控制芯片202通過第一矩形連接器211、第二矩形連接器212實現(xiàn)與機器人外部各傳感器及執(zhí)行器等的連接和控制，對于在液壓閥塊100內(nèi)部的傳感器和處理芯片則通過內(nèi)部的導(dǎo)線連接。各種過渡板、傳感器及芯片均通過固定螺釘201進行固定。
[0035]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以進行若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:該控制單元包括的液壓驅(qū)動系統(tǒng)、姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)集成于小型化的液壓閥塊(100)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動力為電機，由兩個液壓泵提供人體助力行走機器人的油源供應(yīng)，Pl進油口連接第一單向閥(111)進油口，液壓油從第一單向閥(111)出油口流出后，通過液壓閥塊(100)中的油路分別與第一兩位三通常開開關(guān)閥(102)、第一兩位三通常閉開關(guān)閥(104)、第三兩位三通常閉開關(guān)閥(109)及第一溢流閥(107)的進油口相連；P2進油口連接第二單向閥(112)進油口，液壓油從第二單向閥(112)出油口流出后，通過油路分別與第二兩位三通常開開關(guān)閥(105)、第二兩位三通常閉開關(guān)閥(106)、第四兩位三通常閉開關(guān)閥(110)和第二溢流閥(108)的進油口相連；在設(shè)置有閥塊槽的液壓閥塊(100)中，第一兩位三通常開開關(guān)閥(102)、第一兩位三通常閉開關(guān)閥(104)、第二兩位三通常開開關(guān)閥(105)、第二兩位三通常閉開關(guān)閥(106)、第一溢流閥(107)、第二溢流閥(108)、第三兩位三通常閉開關(guān)閥(109)和第四兩位三通常閉開關(guān)閥(110)的出油口通過油路與出油口 T連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述姿態(tài)感知及控制系統(tǒng)包括主控制芯片(202)、加速度傳感器(203)、角速度傳感器(206)、雙軸傾角傳感器(209)、雙軸傾角傳感器過渡板(210)、第一壓力傳感器處理芯片(204)和第二壓力傳感器處理芯片(205)，并集成于液壓閥塊(100)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述主控制芯片(202)固定于液壓閥塊(100)的閥塊槽的凸臺上，對整個機器人系統(tǒng)進行控制管理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述液壓閥塊(100)的側(cè)面分別安裝有第一矩形連接器(211)和第二矩形連接器(212);在所述液壓閥塊(100)上部設(shè)置感知控制系統(tǒng)蓋板(200)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:通過所述第二兩位三通常開開關(guān)閥(105)和第一兩位三通常開開關(guān)閥(102)分別控制左、右側(cè)膝關(guān)節(jié)處單作用液壓助力油缸，在所述第二兩位三通常開開關(guān)閥(105)、第一兩位三通常開開關(guān)閥(102)的控制油口處LA和RA分別設(shè)置有第二壓力傳感器(103)和第一壓力傳感器(101)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述第二兩位三通常閉開關(guān)閥(106)、第四兩位三通常閉開關(guān)閥(110)的控制油口 LB、LC分別與左側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片(202)對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對第二兩位三通常閉開關(guān)閥(106)、第四兩位三通常閉開關(guān)閥(110)的開閉程度進行調(diào)節(jié)；所述第一兩位三通常閉開關(guān)閥(104)、第三兩位三通常閉開關(guān)閥(109)的控制油口 RB、RC分別與右側(cè)髖關(guān)節(jié)的雙作用液壓助力油缸的兩側(cè)相連，通過系統(tǒng)的主控制芯片(202)對輸出信號的的占空比的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對第一兩位三通常閉開關(guān)閥(104)、第三兩位三通常閉開關(guān)閥(109)的開閉程度進行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述液壓閥塊(100)的閥塊槽的底部分別固定第一芯片過渡板(207)和第二芯片過渡板(208);在第一芯片過渡板(207)上安裝有第一壓力傳感器處理芯片(204)，實現(xiàn)對第一壓力傳感器(101)信號的采集處理，安裝角速度傳感器(206)，檢測人體軀干部角速度；在第二芯片過渡板(208)上安裝有第二壓力傳感器處理芯片(205)，實現(xiàn)對第一壓力傳感器(103)信號的采集處理安裝有加速度傳感器(203 )，檢測人體軀干部加速度。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的人體助力行走機器人用液壓集成控制單元，其特征在于:所述雙軸傾角傳感器過渡板(210)通過卡槽固定在液壓閥塊(100)上，以感知人體軀干部沿橫軸和縱軸的傾 角。
【文檔編號】F15B13/06GK103697008SQ201310711420
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】王超, 王玉林, 宋慧新, 侯友山 申請人:中國北方車輛研究所