[发明专利]一种无动力液压外骨骼及其控制方法

说明书

本发明公开了一种无动力液压外骨骼及其控制方法，该无动力液压外骨骼使用一个三位四通换向阀对高压油路进行换向，使之始终对支撑腿侧的外骨骼提供助力，而摇摆腿侧的外骨骼不提供助力。行走产生的内部泄漏和容积损失由补油缸进行补充，配合蓄能器保持高压，同时减小载荷的震动，减小人体与背包间的接触力，提升舒适度。该外骨骼对人体行走过程中背负的重物提供支撑，减少负重行走的能量消耗。其非拟人化自由度布局可以防止外骨骼干扰人体自然步态。由于没有液压泵提供动力，外骨骼本身能耗大大降低，提升了外骨骼的续航能力，同时更加轻便。

技术领域

本发明属于步行助力外骨骼领域，具体涉及一种无动力液压外骨骼及其控制方法。

背景技术

步行助力外骨骼是近年来不断发展并得到应用的一种助行设备，主要应用在重物搬运和野外步行的情景中。最早国外出现了用于搬运重物的液压外骨骼，可以提升穿戴者的负重能力，减少人体能量消耗，但是这类基于传统液压系统的动力外骨骼重量较大，穿戴灵活性较差，外骨骼的续航受限于动力单元的电池容量，不适合野外复杂环境。有动力的拟人化布局外骨骼均需要结合特定的传感器和步态识别算法人体的当前状态和运动意图，用于和人体的同步，系统过于复杂，且状态的预测和执行器的跟踪精度有限，难以达到预期效果。

另外，现有的无动力支撑式外骨骼只能在支撑腿伸直的情况下为人体提供支撑助力，在弯腿情况下无法提供助力。基于离合器、棘轮和柔性材料的可穿戴无动力外骨骼本身能量守恒，只能帮助人体进行单个关节或局部肌群的能量调制，缓解特定肌群的疲劳，助力效果有限。

为了克服这些外骨骼的设计缺陷，需要设计一种续航长，助力效果好，同时不影响人体自身步态的轻量化外骨骼系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种利用流体为人体提供步态支撑相静力支持的无动力液压外骨骼及其控制方法。本发明可以有效减小外骨骼本身的耗能，提升续航能力；采用非拟人化布局的同时，优化了助力效果，简化了传感方式和控制策略。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种无动力液压外骨骼，包括左单腿组件、右单腿组件、背架和集成油路块，左单腿组件和右单腿组件结构相同且关于背架的轴线呈中心对称；

所述左单腿组件包括脚套、下腿杆、上腿杆、助力油缸和补油缸；所述脚套用于固定在穿戴者的脚尖，底部设有用于探测触地信号的接触传感器，顶部通过具有三个自由度的脚套万向节与下腿杆底部连接；所述下腿杆的头部与上腿杆的底部铰接；所述助力油缸包括通过动密封连接的助力活塞杆和助力缸体，助力缸体的有杆腔连通大气；所述助力活塞杆的限位端与下腿杆的中上部铰接，助力缸体的限位端与上腿杆的中下部铰接；所述上腿杆为能绕过人体躯干一侧的弧形结构，头部通过具有两个自由度的上腿杆万向节与所述背架相连；所述补油缸包括通过动密封连接的补油缸活塞杆和补油缸体，补油缸体的无杆侧连通大气；所述补油缸体的限位端通过具有两个自由度的上腿杆球头扣与上腿杆上部连接，补油缸活塞杆的限位端通过具有两个自由度的补油缸万向节与背架下部连接；所述背架上设有用于固定在穿戴者背部的背带；

所述集成油路块固定于背架上，包括控制板、电池、三位四通换向阀、蓄能器、增压油箱、可调溢流阀和两组单向阀组；所述三位四通换向阀包括A、B、P和T四个油口，A油口和B油口分别与左单腿组件和右单腿组件的助力油缸无杆腔连通，P油口连接蓄能器，T油口连接增压油箱；所述可调溢流阀的高压端连接蓄能器，低压端连接增压油箱；每个所述单向阀组均包括首尾串联的两个单向阀，单向流通的上游连接增压油箱，下游连接蓄能器；两个单向阀组的中间抽头分别连接左单腿组件和右单腿组件的补油缸有杆腔；所述控制板通过导线分别与接触传感器和三位四通换向阀两侧的电磁铁连接，控制板通过连接的电池供电。

作为优选，所述三位四通换向阀为P型三位四通电磁换向阀。

作为优选，所述背架的左右两侧分别设有用于背负在穿戴者肩上的背带；背带为柔性材质，两端分别固定于所在侧背架的上下沿。