[发明专利]应用于负载机动型外骨骼的液压系统及液压驱动方法

权利要求书

1.一种应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，包括油囊、两路液压回路、2个髋关节液压缸和2个膝关节液压缸，髋关节液压缸和膝关节液压缸均采用单作用油缸，每路液压回路均通过液压管连接油囊、对应的1个髋关节液压缸和1个膝关节液压缸；

每路液压回路包括电机、液压泵、单向阀、液压管和液压阀，电机、液压泵和液压阀均与外骨骼系统中的电源相连接，并由电源供电；电机与外骨骼系统中的控制系统相连接，并由控制系统控制其工作状态；单向阀和液压阀分别与控制系统相连接，并由控制系统控制其开度；

在每路液压回路中，液压泵通过液压管连接油囊和单向阀，单向阀再通过液压管连接髋关节液压缸和膝关节液压缸，液压阀也通过液压管连接油囊、髋关节液压缸和膝关节液压缸，从而构成封闭回路；

电机连接并驱动液压泵，并且通过控制自身转速来控制液压泵；电机通过液压泵控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长及缩回运动过程中的油压，通过液压泵和单向阀控制髋关节液压缸和膝关节液压缸伸长运动过程中的流量，以驱动髋关节液压缸和膝关节液压缸的伸长运动；髋关节液压缸和膝关节液压缸的缩回运动由人腿自行驱动，其中，髋关节液压缸和膝关节液压缸的换相和缩回运动过程中的流量通过液压阀控制；

每路液压回路的膝关节液压缸处均设有位置传感器，位置传感器连接控制系统，用于实时检测膝关节液压缸的位置，并将采集的数据发送给控制系统。

2.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，两路液压回路的液压阀之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊；两路液压回路的液压泵之间通过液压管相连接，且还共用同一段液压管来连接至油囊。

3.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，在每路液压回路中，髋关节液压缸与膝关节液压缸通过液压管相连接，且还共用同一段液压管连接至单向阀和液压阀。

4.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，每条液压回路还设置有溢流阀，溢流阀一端通过液压管连接至液压阀，另一端通过液压管连接至单向阀。

5.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，控制系统由中央处理器、运动数据采集卡、伺服驱动器、CAN总线组成，中央处理器连接运动数据采集卡并下发控制指令；运动数据采集卡连接位置传感器并获取传感数据，以及将传感数据上传给中央控制器；运动数据采集卡连接伺服驱动器，并根据控制指令向伺服驱动器下发驱动指令；伺服驱动器通过CAN总线连接电机、单向阀和液压阀，并根据驱动指令控制电机、单向阀和液压阀。

6.根据权利要求1所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，油囊、液压泵、单向阀、液压阀和电机安装在负载机动型外骨骼的仿生躯干上；髋关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生髋关节处，且同时连接外骨骼仿生躯干与仿生髋关节；膝关节液压缸安装在负载机动型外骨骼的左、右仿生腿上的仿生膝关节处，且同时连接外骨骼仿生腿上的大腿杆与小腿杆。

7.根据权利要求6所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，仿生髋关节具有3个髋关节自由度，分别为1个主动自由度和2个被动自由度，其中，1个主动自由度是指髋关节前屈/后伸，2个被动自由度是指髋关节内旋/外旋、髋关节外展/内收；仿生髋关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围；

仿生膝关节具有1个膝关节自由度，该膝关节自由度为主动自由度，是指膝关节屈曲/伸展；仿生膝关节的运动范围在各自由度上的运动范围大于人体步行的运动范围，且小于人体运动的最大运动范围。

8.根据权利要求7所述的应用于负载机动型外骨骼的液压系统，其特征在于，当髋关节液压缸驱动仿生髋关节中的一个关节轴前屈/后伸的关节角度θ＝45°时，仿生髋关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩；

当膝关节液压缸驱动仿生膝关节中的一个关节轴屈曲/伸展的关节角度θ＝45°时，仿生膝关节具有最大的力臂，产生最大的扭矩。