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】本發明屬于人體助力行走機器人液壓與控制【技術領域】，為解決以往由于液壓驅動系統、姿態感知及控制系統等需單獨設計制造所帶來的體積重量過大，設計制造復雜，安裝困難的問題，本發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動系統、姿態感知及控制系統進行高度集成設計，實現其結構一體化和小型化，降低了成本及其重量，減少了系統的制造和安裝工序，降低了系統的安裝、調試和維修難度；本發明結構簡單緊湊，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
【技術領域】
[0001]本發明屬于人體助力行走機器人液壓與控制【技術領域】，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】
[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載能力，降低人體氧氣消耗的裝備。隨著科技的發展，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，但是當前人體助力行走機器人的液壓驅動系統普遍存在著體積、重量偏大的問題。在機器人各處布置的姿態傳感器及控制器也占用了大量的空間，并且增加了系統的制造、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。
【發明內容】
[0003](一)要解決的技術問題
[0004]本發明要解決的技術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動系統、姿態感知及控制系統高度集成于小型化的液壓閥塊中，解決了以往由于液壓驅動系統、姿態感知及控制系統等需單獨設計制造所帶來的體積重量過大，設計制造復雜，安裝困難的問題。
[0005](二)技術方案
[0006]為解決上述技術問題，本發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動系統、姿態感知及控制系統集成于小型化的液壓閥塊中。
[0007]其中，所述液壓驅動系統的動力為電機，由兩個液壓泵提供人體助力行走機器人的油源供應，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閥、第一兩位三通常閉開關閥、第三兩位三通常閉開關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閥、第二兩位三通常閉開關閥、第四兩位三通常閉開關閥和第二溢流閥的進油口相連；在設置有閥塊槽的液壓閥塊中，第一兩位三通常開開關閥、第一兩位三通常閉開關閥、第二兩位三通常開開關閥、第二兩位三通常閉開關閥、第一溢流閥、第二溢流閥、第三兩位三通常閉開關閥和第四兩位三通常閉開關閥的出油口通過油路與出油口 T連接。
[0008]其中，所述姿態感知及控制系統包括主控制芯片、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，對整個機器人系統進行控制管理。
[0010]其中，所述液壓閥塊的側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置感知控制系統蓋板。
[0011]其中，通過所述第二兩位三通常開開關閥和第一兩位三通常開開關閥分別控制左、右側膝關節處單作用液壓助力油缸，在所述第二兩位三通常開開關閥、第一兩位三通常開開關閥的控制油口處LA和RA分別設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閥、第四兩位三通常閉開關閥的控制油口 LB、LC分別與左側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側相連，通過系統的主控制芯片對輸出信號的的占空比的調節，實現對第二兩位三通常閉開關閥、第四兩位三通常閉開關閥的開閉程度進行調節；所述第一兩位三通常閉開關閥、第三兩位三通常閉開關閥的控制油口 RB、RC分別與右側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側相連，通過系統的主控制芯片對輸出信號的的占空比的調節，實現對第一兩位三通常閉開關閥、第三兩位三通常閉開關閥的開閉程度進行調節。
[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]與現有技術相比較，本發明具備如下有益效果:
[0017]1、本發明通過將人體助力行走機器人的液壓驅動系統、姿態感知及控制系統進行高度集成設計，實現其結構一體化和小型化，降低了成本及其重量，減少了系統的制造和安裝工序，降低了系統的安裝、調試和維修難度；
[0018]2、本發明結構簡單緊湊，可擴展性高，既可可用于人體助力行走機器人，又可用于養老助殘用助力機器人。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發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為本發明提供的人體助力行走機器人集成控制單元外觀結構圖；
[0021]圖3為本發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閥，103為第二壓力傳感器，104為第一兩位三通常閉開關閥，105為第二兩位三通常開開關閥，106為第二兩位三通常閉開關閥，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閥，110為第四兩位三通常開開關閥，111為第一單向閥，112為第二單向閥，113為內六角螺塞，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]為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0025]如圖1、2、3和4所示，本發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動系統的液壓閥塊100及相關的液壓控制閥；用于機器人姿態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，分別經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閥102、第一兩位三通常閉開關閥104、第三兩位三通常閉開關閥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閥105、第二兩位三通常閉開關閥106、第四兩位三通常閉開關閥110和第二溢流閥108的進油口相連。在設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閥102、第一兩位三通常閉開關閥104、第二兩位三通常開開關閥105、第二兩位三通常閉開關閥106、第一溢流閥107、第二溢流閥108、第三兩位三通常閉開關閥109和第四兩位三通常閉開關閥110的出油口，最終通過出油口 T實現出油口的統一。
[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油壓，防止出現過大的系統油壓造成對設備和穿戴人員的傷害。
[0028]左、右側膝關節處單作用液壓助力油缸分別通過第二兩位三通常開開關閥105和第一兩位三通常開開關閥102進行控制，分別將第二兩位三通常開開關閥105、第一兩位三通常開開關閥102的控制油口 LA、RA與單作用缸的無桿腔，通過控制開關閥的開關實現對液壓缸位移的控制，進而實現膝關節的轉動助力。分別在第二兩位三通常開開關閥105和第一兩位三通常開開關閥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，實時監控膝關節助力油缸的壓力，保證了控制的有效性。
[0029]左側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側分別與第二兩位三通常閉開關閥106、第四兩位三通常閉開關閥110的控制油口 LB、LC相連，通過系統的主控制芯片202對輸出信號的的占空比的調節實現對第二兩位三通常閉開關閥106、第四兩位三通常閉開關閥110開閉程度進行調節，進而實現對左側髖關節雙作用液壓助力油缸的控制。
[0030]右側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側分別與第一兩位三通常閉開關閥104、第三兩位三通常閉開關閥109的控制油口 RB、RC相連，通過系統的主控制芯片202對輸出信號的的占空比的調節實現對第一兩位三通常閉開關閥104、第三兩位三通常閉開關閥109開閉程度進行調節，進而實現對左側髖關節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螺紋口，對于工藝孔采用內六角螺塞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，姿態感知及控制系統集成于液壓閥塊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進行控制管理。在閥塊100的側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實現與機器人外部各傳感器及執行器等的連接和控制，對于在液壓閥塊100內部的傳感器和處理芯片則通過內部的導線連接。各種過渡板、傳感器及芯片均通過固定螺釘201進行固定。
[0035]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以進行若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
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動系統、姿態感知及控制系統集成于小型化的液壓閥塊(100)中。
2.根據權利要求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:所述液壓驅動系統的動力為電機，由兩個液壓泵提供人體助力行走機器人的油源供應，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閥(102)、第一兩位三通常閉開關閥(104)、第三兩位三通常閉開關閥(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閥(105)、第二兩位三通常閉開關閥(106)、第四兩位三通常閉開關閥(110)和第二溢流閥(108)的進油口相連；在設置有閥塊槽的液壓閥塊(100)中，第一兩位三通常開開關閥(102)、第一兩位三通常閉開關閥(104)、第二兩位三通常開開關閥(105)、第二兩位三通常閉開關閥(106)、第一溢流閥(107)、第二溢流閥(108)、第三兩位三通常閉開關閥(109)和第四兩位三通常閉開關閥(110)的出油口通過油路與出油口 T連接。
3.根據權利要求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:所述姿態感知及控制系統包括主控制芯片(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.根據權利要求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，對整個機器人系統進行控制管理。
5.根據權利要求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)上部設置感知控制系統蓋板(200)。
6.根據權利要求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閥(105)和第一兩位三通常開開關閥(102)分別控制左、右側膝關節處單作用液壓助力油缸，在所述第二兩位三通常開開關閥(105)、第一兩位三通常開開關閥(102)的控制油口處LA和RA分別設置有第二壓力傳感器(103)和第一壓力傳感器(101)。
7.根據權利要求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閥(106)、第四兩位三通常閉開關閥(110)的控制油口 LB、LC分別與左側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側相連，通過系統的主控制芯片(202)對輸出信號的的占空比的調節，實現對第二兩位三通常閉開關閥(106)、第四兩位三通常閉開關閥(110)的開閉程度進行調節；所述第一兩位三通常閉開關閥(104)、第三兩位三通常閉開關閥(109)的控制油口 RB、RC分別與右側髖關節的雙作用液壓助力油缸的兩側相連，通過系統的主控制芯片(202)對輸出信號的的占空比的調節，實現對第一兩位三通常閉開關閥(104)、第三兩位三通常閉開關閥(109)的開閉程度進行調節。
8.根據權利要求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.根據權利要求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 優先權日:2013年12月20日
【發明者】王超, 王玉林, 宋慧新, 侯友山 申請人:中國北方車輛研究所