技术领域
[0001] 本
发明涉及可穿戴的机械机构技术领域，具体而言，涉及一种节流调速液压系统和助力下肢外骨骼。
背景技术
[0002] 助力外骨骼是以人为控制主体，机械结构为动力主体，机械和人相互独立的随动系统，人可以穿戴助力外骨骼进行一系列活动。助力外骨骼的出现对生产力的发展有着巨大作用，主要作用是在人体运动过程中跟随人体运动，以机械动力提升穿戴者的速度、力量和耐力等运
动能力，提高人体运动能效比，扩展人类在了解和改造自然世界的能力。
[0003] 动力单元是助力外骨骼的关键组成部分，现有助力外骨骼动力系统就执行器类型而言主要有液压驱动、气压驱动和
电机驱动三种。在目前外骨骼领域应用中，液压系统在负重出力方面具有较大优势，也被广泛应用.
[0004] 本领域中的液压动力单元基本存在压力建立过程延时性高，时间长，效率低等问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种节流调速液压系统，该节流调速液压系统的液压动力单元响应快，压力建立和卸载延迟短。
[0006] 本发明的另一目的在于提供一种助力下肢外骨骼，由于采用该节流调速液压系统，节流调速液压系统的液压动力单元响应快，助力下肢外骨骼的瞬时刚性足。
[0007] 本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的：
[0008] 本发明提供的一种节流调速液压系统，应用于助力下肢外骨骼，所述助力下肢外骨骼包括两个大腿和两个小腿，两个所述小腿分别与两个所述大腿铰接；所述节流调速液压系统包括动力组件、油箱、两个执行系统和两个电液伺服
阀；每个所述执行系统均包括相互连接的
液压缸和高速
开关阀；两个所述电液
伺服阀分别与所述油箱通过所述动力组件连接，每个所述液压缸的无杆腔与一个所述电液伺服阀连接。
[0009] 每个所述电液伺服阀处于第一开阀状态下，所述动力组件
抽取所述油箱中的液压油至与所述电液伺服阀连接的所述无杆腔，以驱动所述液压缸的
活塞杆伸长；每个所述电液伺服阀处于第二开阀状态下，与所述电液伺服阀连接的所述液压缸的
活塞杆收缩，使得所述无杆腔内的液压油回流至所述油箱；每个所述高速开关阀处于开阀状态下，与所述高速开关阀连接的所述液压缸的活塞杆收缩，使得所述无杆腔内的液压油回流至所述油箱。
[0010] 进一步地，所述高速开关阀包括
阀体、阀套、阀芯和驱动组件；所述阀体具有容置腔，所述容置腔的
侧壁上开设有第一油口和第二油口；所述无杆腔与所述第一油口连接，所述第二油口与所述油箱连接；
[0011] 所述阀芯与所述阀体固定连接，所述阀芯包括阀芯体，所述阀芯体容置于所述容置腔内，所述阀套上设置有连通孔，所述阀套分别与所述容置腔的内壁和所述阀芯体滑动连接，所述驱动组件与所述阀套连接，所述驱动组件用于驱动所述阀套相对所述容置腔的内壁及所述阀芯体滑动，以将所述第一油口和所述第二油口通过所述连通孔连通，或者，密封所述第一油口和所述第二油口。
[0012] 进一步地，所述阀芯体上设置有第一
油槽和第二油槽，所述第一油槽和所述第二油槽分别与所述第一油口及所述第二油口相对设置；在所述开阀状态下，所述连通孔将所述第一油口、所述第二油口、所述第一油槽和所述第二油槽连通。
[0013] 进一步地，所述第一油槽和所述第二油槽均呈环状。
[0014] 进一步地，所述连通孔的数量为多个，多个所述连通孔间隔设置。
[0015] 进一步地，所述阀芯包括连接部，所述连接部和所述阀芯体连接呈T形，所述连接部与所述阀体连接，所述高速开关阀还包括复位件，所述复位件设置在所述阀套与所述连接部之间。
[0016] 进一步地，所述驱动组件包括相互连接的电磁驱动组件和顶杆，所述顶杆远离所述电磁驱动组件的一端与所述阀套连接。
[0017] 进一步地，所述节流调速液压系统包括两个第一压力
传感器和第二
压力传感器；两个所述第一压力传感器分别与两个所述高速开关阀连接，所述第二压力传感器设置在两个所述电液伺服阀与所述油箱之间。
[0018] 进一步地，所述动力组件包括
伺服电机和
齿轮泵，所述伺服电机与所述齿轮泵连接，所述齿轮泵与所述油箱连接，且所述齿轮泵的出口分别与两个所述电液伺服阀连接。
[0019] 本发明提供的一种助力下肢外骨骼，包括躯体、两个大腿、两个小腿、控制系统和所述的节流调速液压系统，每个所述大腿分别与所述躯体铰接，两个所述小腿分别与两个所述大腿远离所述躯体的一端铰接，每个所述液压缸的两端分别与一个所述大腿和与之铰接的所述小腿连接；两个所述电液伺服阀分别与所述控制系统电连接，两个所述高速开关阀分别与所述控制系统电连接，所述控制系统用于分别控制两个所述电液伺服阀处于所述第一开阀状态或所述第二开阀状态；所述控制系统还用于分别控制两个所述高速开关阀处于所述开阀状态。
[0021] 本发明提供的节流调速液压系统，每个电液伺服阀处于第一开阀状态下，动力组件抽取油箱中的液压油至与电液伺服阀连接的无杆腔，以驱动液压缸的活塞杆伸长。每个电液伺服阀处于第二开阀状态下，与电液伺服阀连接的液压缸的活塞杆收缩，使得无杆腔内的液压油回流至油箱。并且，每个高速开关阀处于开阀状态下，与高速开关阀连接的液压缸的活塞杆收缩，使得无杆腔内的液压油回流至油箱。因此，在高速开关阀的配合下，使得压力建立延时短，液压缸响应速度快。
[0022] 本发明提供的助力下肢外骨骼，由于采用该节流调速液压系统，压力建立延时短，液压缸响应速度快外骨骼系统的瞬时刚性足。
附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0024] 图1为本发明具体实施例提供的助力下肢外骨骼的结构示意图。
[0025] 图2为本发明具体实施例提供的节流调速液压系统的结构示意图。
[0026] 图3为本发明具体实施例提供的高速开关阀的一种使用状态图。
[0027] 图4为本发明具体实施例提供的高速开关阀的另一种使用状态图。
[0028] 图标：100-助力下肢外骨骼；110-躯体；120-髋部；130-大腿；140-小腿；150-足部；170-下肢承载系统；200-节流调速液压系统；212-油箱；213-
单向阀；214-
过滤器；215-溢流阀；216-动力组件；2161-伺服电机；2162-齿轮泵；220-液压缸；221-无杆腔；223-活塞杆；
240-电液伺服阀；250-第一压力传感器；260-第二压力传感器；300-高速开关阀；310-阀体；
311-第一油口；312-第二油口；314-容置腔；320-阀套；321-连通孔；330-阀芯；331-阀芯体；
3311-第一油槽；3312-第二油槽；332-连接部；340-驱动组件；3401-电磁驱动组件；341-
衔铁；342-衔铁管；343-线圈；344-极靴；3402-顶杆；350-复位件。
具体实施方式
[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0030] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的
选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0032] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”等指示的方位或
位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033] 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0034] 在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另外有更明确的规定与限定，术语“设置”、“连接”应做更广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或是一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0035] 下面结合附图，对本发明的一个实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
[0036] 图1为本实施例提供的助力下肢外骨骼100的结构示意图。请参照图1，本实施例提供了一种助力下肢外骨骼100，其包括躯体110、髋部120、两个大腿130、两个小腿140、两个足部150、髋部力传递系统(图未标)、两个下肢承载系统170、两个足部传感靴系统(图未标)、控制系统(图未标)和节流调速液压系统200。
[0037] 髋部120与躯体110连接，每个大腿130分别与躯体110铰接，两个小腿140分别与两个大腿130远离躯体110的一端铰接，两个足部150分别与两个小腿140远离两个大腿130的一端连接。髋部力传递系统与髋部120连接，两个下肢承载系统170分别设置在一个大腿130与一个小腿140的连接处，两个足部传感靴系统分别设置在两个足部150。节流调速液压系统200包括两个液压缸220，每个液压缸220的两端分别与一个大腿130和与该大腿130铰接的小腿140连接。髋部力传递系统、两个下肢承载系统170、两个足部传感靴系统和节流调速液压系统200分别与控制系统电连接。
[0038] 可以理解的是，髋部力传递系统、两个下肢承载系统170、两个足部传感靴系统分别用于生成控制
信号，控制系统用于接收
控制信号，并控制节流调速液压系统200，以分别驱动两个液压缸220伸长或收缩。
[0039] 需要说明的是，本实施例中，由于采用该节流调速液压系统200，压力建立延时短，液压缸220响应速度快外骨骼系统的瞬时刚性足。
[0040] 图2为本实施例提供的节流调速液压系统200的结构示意图。请参照图2，具体的，本实施例中，节流调速液压系统200包括两个电液伺服阀240、油箱212、单向阀213、过滤器214、溢流阀215、动力组件216、两个第一压力传感器250、第二压力传感器260和两个执行系统，每个执行系统均包括相互连接的高速开关阀300和液压缸220。
[0041] 两个第一压力传感器250分别与两个高速开关阀300连接，第二压力传感器260设置在两个电液伺服阀240与油箱212之间。两个第一压力传感器250及第二压力传感器260分别和控制系统连接，控制系统用于接收第一压力传感器250、第二压力传感器260生成的压力信号，并控制两个电液伺服阀240、两个高速开关阀300动作，以调节两个液压缸220的伸缩。
[0042] 两个电液伺服阀240分别与油箱212通过动力组件216连接，优选地，本实施例中，动力组件216包括伺服电机2161和齿轮泵2162，伺服电机2161与齿轮泵2162连接，齿轮泵2162与油箱212连接，且齿轮泵2162的出口分别与两个电液伺服阀240连接。
[0043] 本实施例中，单向阀213和过滤器214设置在电液伺服阀240和油箱212之间。具体的，齿轮泵2162的出口、单向阀213、过滤器214依次连接并分别与两个电液伺服阀240连接。溢流阀215设置在过滤器214与电液伺服阀240之间。
[0044] 两个电液伺服阀240分别与两个液压缸220的无杆腔221连接。且两个电液伺服阀240分别与油箱212连接。
[0045] 高速开关阀300与液压缸220的无杆腔221连接，高速开关阀300与油箱212连接，液压缸220用于大腿130连接，液压缸220的活塞杆223用于与小腿140连接。
[0046] 可以理解的是，单向阀213用于控
制动力组件216抽取的液压油单向流动，防止回流。过滤器214具有
净化液压油的作用。溢流阀215作为
安全阀。在其他较佳实施例中，单向阀213、过滤器214及溢流阀215均可选择性地设置。
[0047] 应当理解，本实施例中，选用伺服电机2161和齿轮泵2162作为动力组件216抽取油箱212中的液压油，具有体积小，重量轻的特点，符合轻型节流调速液压系统200的特征。
[0048] 并且，高速开关阀300用于连接液压缸220的无杆腔221和油箱212，可以提高液压缸220响应速度。
[0049] 每个电液伺服阀240处于第一开阀状态下，动力组件216抽取油箱212中的液压油至与电液伺服阀240连接的无杆腔221，以驱动液压缸220的活塞杆223伸长。每个电液伺服阀240处于第二开阀状态下，与电液伺服阀240连接的液压缸220的活塞杆223收缩，使得无杆腔221内的液压油回流至油箱212。
[0050] 每个高速开关阀300处于开阀状态下，与高速开关阀300连接的液压缸220的活塞杆223收缩，使得无杆腔221内的液压油回流至油箱212。
[0051] 可以理解的是，当电液伺服阀240、高速开关阀300处于闭阀状态时，液压缸220的活塞杆223静止。
[0052] 需要说明的是，
发明人发现，采用
球阀式结构的高速开关阀300或者锥阀式结构的高速开关阀300均不能很好的契合助力下肢外骨骼100的使用。例如，球阀式结构为了保证可靠的密封和阀芯330不被卡死，加工
精度要求非常高，加工难度大，制造成本高，而且，开关阀工作间隙调整困难，一般只用于小通径或低压的场合。另一方面，该系列阀一般通径比较小，通流能力较差，在额定压力下空载流量小于10L/min，并且如果没有达到额定压力情况下，流量将迅速降低，该结构如果提高额定压力下的空载流量，将大大降低其响应速度，不满足外骨骼高速开关阀300的使用。
[0053] 本实施例中，发明人采用高速开关阀300和电液伺服阀240配合使用的方法，以契合助力下肢外骨骼100的使用。该高速开关阀300具有高频响和高工作压力，大流量和低节流损失以及体积小，重量轻的特点。另一方面，现有的泵和液压缸220的体积，
质量不能满足外骨骼液压系统使用，其液压缸220的缸径与杆径要与外骨骼实际流量负载匹配，所以本实施例采用自行设计的泵和液压缸220，其有体积小，重量轻的特点，符合负重外骨骼。
[0054] 本实施例中，两个电液伺服阀240均为三通电液伺服阀240，分别与油箱212直接连接，与油箱212通过动力组件216连接，以及与液压缸220的无杆腔221连接。
[0055] 图3为本实施例提供的高速开关阀300的一种使用状态图。图4为本实施例提供的高速开关阀300的另一种使用状态图。请结合参照图3和图4，本实施例中，高速开关阀300包括阀体310、阀套320、阀芯330和驱动组件340。
[0056] 阀体310具有容置腔314，容置腔314的侧壁上开设有第一油口311和第二油口312。液压缸220的无杆腔221与第一油口311连接，第二油口312与油箱212连接。
[0057] 阀芯330与阀体310固定连接，阀套320上设置有连通孔321，阀套320分别与容置腔314的内壁和阀芯330体滑动连接，驱动组件340与阀套320连接，驱动组件340用于驱动阀套
320相对容置腔314的内壁及阀芯330体滑动，以将第一油口311和第二油口312通过连通孔
321连通，或者，密封第一油口311和第二油口312。
[0058] 可以理解的是，本实施例提供的高速开关阀300为一种直动运动式结构，响应速度快。
[0059] 具体地，本实施例中，阀芯330包括相互连接呈T形的阀芯330体和连接部332。连接部332与阀体310固定连接，阀芯330体容置于容置腔314内。阀芯330体上设置有第一油槽3311和第二油槽3312。第一油槽3311、第二油槽3312分别与第一油口311、第二油口312相对设置，以在第一油槽3311与第一油口311连通时形成第一容积腔，第二油槽3312与第二油口
312连通时形成第二容积腔。
[0060] 阀套320上设置有三个连通孔321，三个连通孔321间隔设置。连通孔321的直径大于第一油槽3311和第二油槽3312的距离。两个连通孔321之间的距离大于第一油槽3311和第二油槽3312的距离。
[0061] 可以理解的是，阀套320与容置腔314的内壁及阀芯330体滑动时，可以使第一油口311、第二油口312、第一油槽3311和第二油槽3312连通，形成高速开关阀300的开阀状态，或者密封第一油口311和第二油口312，形成高速开关阀300的闭阀状态。
[0062] 应当理解，连通孔321的数量可以有不同变化，例如一个、两个或其他数量。
[0063] 优选地，第一油槽3311和第二油槽3312均呈环状。可以理解的是，形成的第一容积腔(图未标)、第二容积腔(图未标)在通过阀套320的直线运动控制
流体的流量，结构简单，操作方便，且便于控制。
[0064] 本实施例中，驱动组件340包括相互连接的电磁驱动组件3401和顶杆3402。
[0065] 电磁驱动组件3401包括衔铁341、衔铁341管、线圈343、极靴344，衔铁341和极靴344分别设置在衔铁341管内，线圈343绕设在衔铁341管外，顶杆3402的一端与衔铁341连接，另一端穿过极靴344与阀套320连接。
[0066] 为加快高速开关阀300的相应速度，阀套320与连接部332之间还设置有复位件350。本实施例中，复位件350为回位
弹簧。
[0067] 可以理解的是，这种直动式结构的高速开关阀300结构简单，体积小，重量轻。阀套320的滑动结构容易实现小开口大流量，节省阀的开启关闭时间和降低节流损耗。并且，本实施例中，阀芯330固定，阀套320运动的方式使液动力成为助力或削弱液动力对阀套320运动的影响，并减小了运动部件质量，提高响应速度。
[0068] 请继续结合参照图1和图2，可以理解的是，本实施例中，两个电液伺服阀240、两个高速开关阀300分别与控制系统电连接，控制系统用于分别控制两个电液伺服阀240处于第一开阀状态、第二开阀状态或闭阀状态，并分别控制两个高速开关阀300处于第一开阀状态或闭阀状态。
[0069] 综上，本实施例提供的节流调速液压系统200，当电液伺服阀240、高速开关阀300处于闭阀状态时，液压缸220的活塞杆223静止。当电液伺服阀240处于第一开阀状态下，可以通过动力组件216抽取油箱212中的液压油至与电液伺服阀240连接的无杆腔221，以驱动液压缸220的活塞杆223伸长。当电液伺服阀240处于第二开阀状态下，且高速开关阀300处于开阀状态下，与电液伺服阀240连接的液压缸220的活塞杆223收缩，使得无杆腔221内的液压油通过高速开关阀300和电液伺服阀240回流至油箱212，完成一个运动周期。可以理解的是无杆腔221内的液压油，回流速度快，方便调节。
[0070] 具体到本实施例提供的助力下肢外骨骼100，其工作时，人体穿戴助力下肢外骨骼100，背负重物，整个系统由
电池供电，人穿戴助力下肢外骨骼100进行行走，下蹲，上下坡，爬梯的过程中，每一个步态动作完成时，足底传感器和第一传感器、第二传感器、第三传感器将检测的信号通过传感系统反馈给控制系统，实时监测助力下肢外骨骼100运行状态。与此同时，液压系统部分，伺服电机2161带动泵将
电能转化为液压能，控制系统输出控制信号，利用电液伺服阀240控制流入大小腿140之间的液压缸220的流量和压力，并通过高速开关阀300进一步调节液压缸220的流量和压力。液压系统工作控制过程中，液压缸220具有收回，伸出，静止三个状态。通过控制外骨骼
膝关节液压缸220，以完成腿一个控制周期。如此循环往复，实现助力外骨骼两下肢交替运动，为人体提供助力。
[0071] 该节流调速液压系统200是与外骨骼的运动学特性所匹配的，活塞杆223伸出时，助力下肢外骨骼100的节流调速液压系统200驱动助力外骨骼两腿活塞杆223，使助力外骨骼跟随人体运动为人体提供助力。由人体
运动学模型可知，人体两下肢交替周期性运动、速度变化快和速度峰值时间短。因此采用活塞杆223的助力外骨骼液压系统具有周期性、间歇性和峰值流量持续时间短特点。该系统集成化，结构更紧凑，质量更小，符合携带在外骨骼上。采用高速开关阀300可以有效的提高系统的动态响应性能，从而影响整个外骨骼的性能。
[0072] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
