CN108553263A - 一种液力助行机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及助行机器人技术领域，尤其涉及一种液力助行机器人及控制方法，该机器人包括支撑机构、调节机构、油路管道；支撑机构包括大腿壳体、小腿壳体、连接板和脚掌板；调节机构包括液压缸，液压缸的两端分别与大腿壳体和小腿壳体铰接，液压缸包括缸体和活塞杆，活塞杆的活塞将缸体内部的腔室分隔成第一腔室和第二腔室；油路通道包括第一油路和第二油路，所述第一油路和第二油路可分别连通第一腔室和第二腔室，第一油路和第二油路均可与油箱连通，其中第一油路连接有向活塞底部提供推力的液压泵。本发明的一种液力助行机器人及其控制方法，使用耗能较低，并且能够准确判断腿部运动状态，被动配合人体的行走状态，保证行走过程的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗器械领域，尤其涉及一种液力助行机器人及其控制方法。
背景技术
助行机器人是近年来迅速发展的一门新兴技术，是机器人技术在医学领域的新应用。助行通常包括固定在下肢上的连接件，并通过驱动连接件动作，从而带动人体下肢模仿正常人的步态进行行走训练，使下肢有运动障碍的病人得到康复。目前现有技术中的助行机器人多采用电机作为驱动，而电机驱动刚度角度，对于呈柔性的人体关节来说，容易造成关节的二次损伤，驱动结构复杂，并且耗能较大。同时现有的助行机器人在使用时，通常采用主动控制方式调节腿部的运动状态，使得腿部在运动时，必须主动配合活塞杆的伸缩运动，在其驱动下完成运动，这样的调节方式无法自行调节和控制行走速度，容易造成行走时重心不稳，走路姿势僵硬等问题。
发明内容
本发明旨在解决上述所提及的技术问题，提供一种结构简单，使用能耗较低的液力助行机器人，以及提供一种能够准确的判断行走时腿部所处的状态，并根据该状态控制液力助行机器人工作的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种液力助行机器人，包括支撑机构、调节机构、油路管道；
所述支撑机构包括大腿壳体、小腿壳体、连接板和脚掌板，所述大腿壳体与小腿壳体铰接，所述小腿壳体通过连接板与脚掌板固定连接；
所述调节机构包括液压缸，所述液压缸的两端分别与大腿壳体和小腿壳体铰接，所述液压缸包括缸体，以及与缸体活动连接的活塞杆，所述活塞杆的活塞将缸体内部的腔室分隔成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室位于缸体的底端；
所述油路通道包括第一油路和第二油路，所述第一油路和第二油路可分别连通第一腔室和第二腔室，第一油路和第二油路均可与油箱连通或断开，其中第一油路可以与向活塞底部提供推力的液压泵连通或断开。
优选地，所述大腿壳体和小腿壳体通过分别固定在其上的上加强板和下加强板铰接。
优选地，所述下加强板上设置有安装槽，上加强板上设置有与安装槽配合的连接部，连接部通过销轴与安装槽转动连接。
优选地，还包括控制油路通道通断和液压泵工作的控制器。
优选地，还包括用于检测行走时腿部受力情况的传感器，所述控制器通过传感器检测的信号控制油路通道的通断。
优选地，所述连接板和脚掌板为弹性板体。
优选地，所述传感器包括设置在连接板上的应变片，以及设置在脚掌板上的压力传感器。
优选地，所述第一油路和第二油路通过一个三位四通阀控制其油路的连通。
本发明还提供了一种无泵助行机器人的控制方法，该控制方法采用上述任一方案中的无泵助行机器人，该无泵助行机器人包括设置在连接板上的应变片、设置在脚掌板上的压力传感器，以及连接应变片和压力传感器的控制器，该方法包括以下步骤：
所述应变片检测连接板受力弯曲时产生的应变信号，并将检测到的应变信号传送给控制器；
所述压力传感器检测脚掌板受到压力时产生的压力信号，并将检测到的压力信号传送给控制器；
所述控制器接收并处理所述的应变信号和压力信号，根据处理结果判断此时腿部所处运动状态，当腿部不需要提供外部驱动力时，控制器控制第一油路和第二油路均与油箱连通，当需要提供外部驱动力时，控制器控制第一油路与液压泵连通，第二油路与油箱连通，控制器根据接收的信号计算所需驱动力的大小，控制液压泵提供所需的驱动力，当腿部需要支撑站立时，封闭第一油路和第二油路，使活塞固定在一个位置。
有益效果是：
本发明的一种无泵液力助行机器人在正常平路行走时，无需提供动力，正常行走腿部处于摆动期时，通过髋关节摆动提供的惯性力驱动小腿和大腿相对摆动，正常行走腿部处于支撑期时，通过关闭第一油路和第二油路，提供所需支撑力，在上楼梯时，通过液压泵驱动活塞杆运动，从而提供腿部所需的驱动力和支撑力，驱动腿部伸直，这样可以使得人体在正常平路行走时无需使用液压泵提供动力，减少了能量的损耗，并且助行机器人的结构更加轻巧，降低了生产成本。
本发明的一种液力助行机器人的控制方法通过结合应变片的应变信号和压力传感器的压力信号，控制器能够更加准确的判断人体行走时腿部所处的状态，并根据腿部所处的状态控制油路的通断以及液压泵的工作，进而能够配合人体的行走状态，保证运动过程的稳定性。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1为发明中的一种液力助行机器人的结构示意图；
图2为图1另一视角的结构示意图；
图3为本发明中的液压缸的工作原理图。
具体实施方式
如图1和图3所示，一种液力助行机器人，包括支撑机构、调节机构、油路管道；
支撑机构包括大腿壳体1、小腿壳体2、连接板3和脚掌板4，大腿壳体1与小腿壳体2铰接，小腿壳体2通过连接板3与脚掌板4固定连接；
调节机构包括液压缸5，液压缸5的两端分别与大腿壳体1和小腿壳体2铰接，液压缸5包括缸体6，以及与缸体6活动连接的活塞杆7，活塞杆7的活塞将缸体6内部的腔室分隔成第一腔室8和第二腔室9，第一腔室8位于缸体6的底端；
所述油路通道包括第一油路10和第二油路11，所述第一油路10和第二油路11可分别连通第一腔室8和第二腔室9，第一油路10和第二油路11均可与油箱30连通或断开，其中第一油路10可以与向活塞底部提供推力的液压泵13连通或断开。
在使用时，大腿壳体1、小腿壳体2、连接板3和脚掌板4固定设置在腿部，大腿壳体1和小腿壳体2上可以分别设置有弧形贴合部，在穿戴时可分别与大腿表面和小腿表面紧密贴合，提高其穿戴的稳定性和舒适性。连接板3和脚掌板4可以均为弹性板体，在行走过程中可以发生弹性弯曲，进而能够更好的配合行走过程中脚踝处及脚掌处产生的不同形态变化，进一步的提高了穿戴的舒适性，并且在脚掌与地面接触，使得连接板3和脚掌板4产生弹性弯曲时，还能够吸收一部分的冲击力，起到缓冲的效果，从而对腿部起到一定的保护作用。
人体在正常行走过程中，腿部的摆动期和支撑期交替进行，正常平路行走时，液压泵13无需提供动力，当上楼梯等需要对膝关节提供动力时，液压泵13工作，因此人的所有行走模式可以分为3个不同状态：无动力摆动期、无动力支撑期(平路行走)和有动力支撑期(上楼梯或未伸直状态等)。当腿部处于无动力摆动期时，此时脚掌脱离地面，使第一油路10和第二油路11与油箱30连通，液压泵13不工作，此时通过髋关节摆动过程中的惯性力和小腿的重力作用下驱动活塞杆7运动，从而使得小腿与大腿相互转动，此时第一腔室8和第二腔室9内的液压油通过第一油路10、第二油路11和油箱30进行交换，油箱30可以提供额外的液压油和存储多余的液压油，当腿部处于无动力支撑前期时，此时膝关节已经处于伸直状态，脚掌与地面接触，关闭第一油路10和第二油路11，使两个腔室内的液压油不能流动，从而提供对所需的支撑力，当腿部处于上楼梯或未伸直状态时，控制液压泵13打开，向第一腔室10内提供液压油，从而驱动活塞杆7运动，提供所需的驱动力和支撑力，以使腿部伸直。
如图2所示，更为优选地，大腿壳体1和小腿壳体2可以通过分别固定在其上的上加强板14和下加强板15铰接，上加强板14和下加强板15可以分别设置有两块，上加强板14通过螺钉固定设置在大腿壳体1两侧部的下端，下加强板15通过螺钉固定设置在小腿壳体2两侧部的上端，进一步的，下加强板15上可以设置有安装槽16，上加强板14上设置有与安装槽16配合的连接部17，或者上加强板14上设置有安装槽16，下加强板15上设置有连接部17，连接部17与安装槽16进行插接后，通过销轴18与安装槽16转动连接，采用这样的连接方式，可以提高大腿壳体1和小腿壳体2连接处的结构强度，并且使得小腿壳体2相对于大腿壳体1进行转动时更加稳定。
进一步的，本发明的液力助行机器人还可以包括控制油路通道通断和液压泵13工作的控制器19，通过控制器19对油路的通断进行调控，从而实现对活塞杆7的伸缩运动进行控制。
更进一步的，本发明的液力助行机器人还可以包括用于检测行走时腿部受力情况的传感器20，具体的，传感器20可以包括设置在连接板3上的应变片21，以及设置在脚掌板4上的压力传感器22，控制器19通过传感器20传递的应变信号和压力信号，判断腿部所处运动状态，并根据腿部不同运动状态调节活塞杆7的伸缩运动，从而实现调节机构的被动控制，即调节机构是配合腿部的运动状态，而不是强行带动腿部运动，避免造成行走过程中重心不稳，走路姿势僵硬等问题。并且通过应变信号和压力信号相结合，使得控制器19能够更加准确的判断腿部所处的运动状态，从而便于控制器19精准的调控。
第一油路10和第二油路11可以通过一个三位四通阀31控制其油路的连通，采用一个三位四通阀31实现对两条油路通断的控制，控制更加简单方便，同时减少了阀体的使用，简化了管路的连接结构，该三位四通阀31包括三个工作位：左位、中位和右位，当处于左位时，第一油路10与液压泵13连通，第二油路11与油箱30连通；当处于中位时，第一油路10和第二油路11处于关闭状态；当处于右位时，第一油路10和第二油路11均与油箱30连通。
本发明还提供了一种无泵助行机器人的控制方法，该控制方法采用上述任一方案中的无泵助行机器人，该无泵助行机器人包括设置在连接板3上的应变片21、设置在脚掌板4上的压力传感器22，以及连接应变片21和压力传感器22的控制器19，该方法包括以下步骤：
所述应变片21检测连接板3受力弯曲时产生的应变信号，并将检测到的应变信号传送给控制器19；
所述压力传感器22检测脚掌板4受到压力时产生的压力信号，并将检测到的压力信号传送给控制器19；
所述控制器19接收并处理所述的应变信号和压力信号，根据处理结果判断此时腿部所处运动状态，当腿部不需要提供外部驱动力时，控制器19控制第一油路10和第二油路11均与油箱30连通，当需要提供外部驱动力时，控制器控制第一油路10与液压泵13连通，第二油路11与油箱30连通，控制器19根据接收的信号计算所需驱动力的大小，控制液压泵13的提供所需的驱动力，当腿部需要支撑站立时，封闭第一油路10和第二油路11，使活塞固定在一个位置。
具体的控制过程如下：
当压力传感器22接收不到信号，腿部处于无动力摆动期，此时脚掌脱离地面，控制器19控制第一油路10和第二油路11分别与油箱30连通，髋关节摆动提供的惯性力驱动活塞杆7运动，此时不需要液压泵13提供动力。
由于连接板3弯曲时受力方向不同，因此检测到的应变信号分为正应变信号和负应变信号，当应变当压力传感器22接收到信号，应变片21接收不到信号时，此时处于无动力支撑期，此时膝关节已经处于伸直状态，脚掌与地面接触，关闭第一油路10和第二油路11，使两个腔室内的液压油不能流动，从而提供对所需的支撑力；当压力传感器22接收到信号，应变片21接收到负应变信号时，此时膝关节有伸直逐渐变为弯曲，控制器19控制第一油路10和第二油路11分别与油箱30连通，髋关节摆动使得小腿抬升，并且在抬升时在其重力作用下使得膝关节弯曲，从而使得从无动力支撑期运动至无动力摆动期；当上楼或者膝关节未伸直与地面接触时，压力传感器22接收到信号，应变片21接收到正应变信号时，此时控制液压泵13打开，向第一腔室10内提供液压油，从而驱动活塞杆7运动，提供所需的驱动力和支撑力，以使腿部伸直。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种液力助行机器人，其特征在于，包括支撑机构、调节机构、油路管道；
所述支撑机构包括大腿壳体(1)、小腿壳体(2)、连接板(3)和脚掌板(4)，所述大腿壳体(1)与小腿壳体(2)铰接，所述小腿壳体(2)通过连接板(3)与脚掌板(4)固定连接；
所述调节机构包括液压缸(5)，所述液压缸(5)的两端分别与大腿壳体(1)和小腿壳体(2)铰接，所述液压缸(5)包括缸体(6)，以及与缸体(6)活动连接的活塞杆(7)，所述活塞杆(7)的活塞将缸体(6)内部的腔室分隔成第一腔室(8)和第二腔室(9)，所述第一腔室(8)位于缸体(6)的底端；
所述油路通道包括第一油路(10)和第二油路(11)，所述第一油路(10)和第二油路(11)可分别连通第一腔室(8)和第二腔室(9)，第一油路(10)和第二油路(11)均可与油箱(30)连通或断开，其中第一油路(10)可以与向活塞底部提供推力的液压泵(13)连通或断开。
2.根据权利要求1所述的一种液力助行机器人，其特征在于，所述大腿壳体(1)和小腿壳体(2)通过分别固定在其上的上加强板(14)和下加强板(15)铰接。
3.根据权利要求2所述的一种液力助行机器人，其特征在于，所述下加强板(15)上设置有安装槽(16)，上加强板(14)上设置有与安装槽(16)配合的连接部(17)，连接部(17)通过销轴(18)与安装槽(16)转动连接。
4.根据权利要求1所述的一种液力助行机器人，其特征在于，还包括控制油路通道通断和液压泵(13)工作的控制器(19)。
5.根据权利要求4所述的一种液力助行机器人，其特征在于，还包括用于检测行走时腿部受力情况的传感器(20)，所述控制器(19)通过传感器(20)检测的信号控制油路通道的通断。
6.根据权利要求5所述的一种液力助行机器人，其特征在于，所述连接板(3)和脚掌板(4)为弹性板体。
7.根据权利要求6所述的一种液力助行机器人，其特征在于，所述传感器(20)包括设置在连接板(3)上的应变片(21)，以及设置在脚掌板(4)上的压力传感器(22)。
8.根据权利要求1所述的一种液力助行机器人，其特征在于，所述第一油路(10)和第二油路(11)通过一个三位四通阀(31)控制其油路的连通。
9.一种液力助行机器人的控制方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-8中任一所述的一种液力助行机器人，该液力助行机器人包括设置在连接板(3)上的应变片(21)、设置在脚掌板(4)上的压力传感器(22)，以及连接应变片(21)和压力传感器(22)的控制器(19)，该方法包括以下步骤：
所述应变片(21)检测连接板(3)受力弯曲时产生的应变信号，并将检测到的应变信号传送给控制器(19)；
所述压力传感器(22)检测脚掌板(4)受到压力时产生的压力信号，并将检测到的压力信号传送给控制器(19)；
所述控制器(19)接收并处理所述的应变信号和压力信号，根据处理结果判断此时腿部所处运动状态，当腿部不需要提供外部驱动力时，控制器(19)控制第一油路(10)和第二油路(11)均与油箱(30)连通，当需要提供外部驱动力时，控制器控制第一油路(10)与液压泵(13)连通，第二油路(11)与油箱(30)连通，控制器(19)根据接收的信号计算所需驱动力的大小，控制液压泵(13)提供所需的驱动力，当腿部需要支撑站立时，封闭第一油路(10)和第二油路(11)，使活塞固定在一个位置。
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| CN106618830A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-10 | 北京林业大学 | 一种单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法 |
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2017
- 2017-12-13 CN CN201711330781.0A patent/CN108553263A/zh active Pending
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