一种电液伺服驱动单元及其应用的制作方法

1.本发明属于液压驱动技术领域，具体涉及一种电液伺服驱动单元及其应用。


背景技术：

2.目前，下肢外骨骼主要应用于人体下肢的康复训练。穿戴式下肢外骨骼可以穿戴与人体并与人同步运动，在动态步行移动中跟随检测人体运动信息或者主动提供驱动力矩，以帮助穿戴者完成较大负重和较长时间的行走，减轻穿戴者的疲劳。现有下肢外骨骼驱动系统主要采用阀控液压驱动或者关节布置电机的电驱动形式，阀控液压驱动特点是由于下肢王骨骼驱动系统跟随人体运动信息的负载，驱动效率低。电驱动将驱动器布置于关节位置，下肢外骨骼惯量大，对系统功率需求大，同时存在系统自身自扰动问题，跟随能力差。因此改进和优化下肢外骨骼的驱动方式，具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种电液伺服驱动单元及其应用。
4.首先，根据本发明的一方面，本发明提供了一种电液伺服驱动单元，包括伺服电机、第一啮合齿轮泵、第二啮合齿轮泵、充液油箱、第一油路、第二油路、第一单向阀、第一溢流阀、第一压力传感器、第二单向阀、第二溢流阀和第二压力传感器。
5.优选地，伺服电机同时与第一内啮合齿轮泵和第二内啮合齿轮泵连通；第一内啮合齿轮泵一端的油口与第一油路连通，第一啮合齿轮泵另一端的油口通过油管与充液油箱连通；第二内啮合齿轮泵一端的油口与第二油路连通，第二啮合齿轮泵另一端的油口通过油管与充液油箱连通。
6.进一步地，第一压力传感器的一端通过油管与伺服电机连通，第一压力传感器的另一端通过油管与第一油路连通。
7.进一步地，第一单向阀的一端通过油管与第一油路连通，第一单向阀的另一端通过油管与充液油箱连通。
8.进一步地，第一溢流阀的一端通过油管与第一油路连通，第一溢流阀的另一端通过油管与充液油箱连通。
9.进一步地，第二压力传感器的一端通过油管与伺服电机连通，第二压力传感器的另一端通过油管与第二油路连通。
10.进一步地，第二单向阀的一端通过油管与第二油路连通，第二单向阀的另一端通过油管与充液油箱连通。
11.进一步地，第二溢流阀的一端通过油管与第二油路连通，第二溢流阀的另一端通过油管与充液油箱连通。
12.进一步地，第一内啮合齿轮泵与第二内啮合齿轮泵的转向相反。
13.根据本发明的另一方面，本发明还涉及上述电液伺服驱动单元在下肢外骨骼液压驱动系统中的应用。
14.与现有技术相比，本发明的电液伺服驱动单元，同时具有压力信号和流量信号控制功能，可以提高驱动的精准性和安全性。可应用于穿戴式下肢外骨骼机器人驱动系统，在提高下肢外骨骼驱动系统能效的同时降低下肢惯量，起到助力功能，同时可以反馈驱动信息，能够提高下肢外骨骼与人体运动的协调，保证动态步行运动中，下肢外骨骼驱动运动与人的下肢关节运动的对应性和一致性。可以应用于需要协助步行和负重的对象，也可帮助下肢运动轻度障碍者实现康复的下肢外骨骼。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
16.图1为本发明电液伺服驱动单元的结构原理图；
17.图2为本发明电液伺服驱动单元在下肢外骨骼系统中的应用示意图；
18.图中，a1-伺服电机，a2-第一内啮合齿轮泵，a3-第二内啮合齿轮泵，a4-充液油箱，a5-第一油路，a6-第二油路，a7-第一单向阀，a8-第一溢流阀，a9-第一压力传感器，a10-第二单向阀，a11-第二溢流阀，a12-第二压力传感器，a13-驱动缸，a131-驱动缸无杆腔，a132-驱动缸有杆腔，b-关节有杆腔油管，c-关节无杆腔油管，d-关节驱动缸，e-充液总油箱，f-电缆，g-控制器。
具体实施方式
19.以下通过特定的具体实例详细描述本发明的实施方式，但是以下具体实施方式本质上仅是示例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
20.除非另有指明，本发明中使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本领域技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
21.如图1所示，本发明第一示例性实施例提供了一种电液伺服驱动单元，包括伺服电机a1、第一啮合齿轮泵a2、第二啮合齿轮泵a3、充液油箱a4、第一油路a5、第二油路a6、第一单向阀a7、第一溢流阀a8、第一压力传感器a9、第二单向阀a10、第二溢流阀a11和第二压力传感器a12。
22.具体的，伺服电机a1同时与第一内啮合齿轮泵a2和第二内啮合齿轮泵a3连通；第一内啮合齿轮泵a2与第二内啮合齿轮泵a3的转向相反。
23.第一内啮合齿轮泵a2一端的油口与第一油路a5连通，第一啮合齿轮泵a2另一端的油口通过油管与充液油箱a4连通。
24.第一压力传感器a9的一端通过油管与伺服电机a1连通，第一压力传感器a9的另一端通过油管与第一油路a5连通。
25.第一单向阀a7的一端通过油管与第一油路a5连通，第一单向阀a7的另一端通过油管与充液油箱a4连通。
26.第一溢流阀a8的一端通过油管与第一油路a5连通，第一溢流阀a8的另一端通过油
管与充液油箱a4连通。
27.第二内啮合齿轮泵a3一端的油口与第二油路a6连通，第二啮合齿轮泵a3的另一端油口通过油管与充液油箱a4连通。
28.第二压力传感器a12的一端通过油管与伺服电机a1连通，第二压力传感器a12的另一端通过油管与第二油路a6连通。
29.第二单向阀a10的一端通过油管与第二油路a6连通，第二单向阀a10的另一端通过油管与充液油箱a4连通。
30.第二溢流阀a11的一端通过油管与第二油路a6连通，第二溢流阀a11的另一端通过油管与充液油箱a4连通。
31.本实施例电液伺服驱动单元的运行原理如下：
32.当驱动缸a13伸长时，伺服电机a1正转，液压油由充液油箱a4经第一内啮合齿轮泵a2加压通过第一油路a5进入驱动缸无杆腔a131，与此同时，第二内啮合齿轮泵a3将驱动缸有杆腔a132内的油液吸出并经过第二油路a6到充液油箱a4中，当第一内啮合齿轮泵a2输入到驱动缸无杆腔a131的油液超过驱动缸无杆腔a131全行程所需求的油液量，使得该回路油液压力升高时，第一压力传感器a9给伺服电机a1发出信号，使得伺服电机a1减速或停止，起到保护作用。如果驱动缸a13伸出过程发生故障，伺服电机a1未能及时停止，致使油压升高时，油液可通过第一溢流阀a8返回充液油箱a4。第一单向阀a7可以保证第一内啮合齿轮泵a2与驱动缸a13之间的油压，而当第一内啮合齿轮泵a2从驱动缸a13中吸油时可起到保证油液单向流动的作用。第二单向阀a10可以保证第二内啮合齿轮泵a3与驱动缸a13之间的油压，而当第二内啮合齿轮泵a3从驱动缸a13中吸油时可起到保证油液单向流动的作用。
33.当驱动缸a13收缩时，伺服电机a1反转，液压油由充液油箱a4经第二内啮合齿轮泵a3加压通过第二油路a6进入驱动缸有杆腔a132，与此同时，第一内啮合齿轮泵a2将驱动缸无杆腔a131内的油液吸出并经过第一油路a5到充液油箱a4中，当第二内啮合齿轮泵a3输入到驱动缸有杆腔a132的油液超过驱动缸有杆腔a132全行程所需求的油液量，使得该回路油液压力升高时，第二压力传感器a12给伺服电机a1发出信号，使得伺服电机a1减速或停止，起到保护作用。如果驱动缸a13收缩过程发生故障，伺服电机a1未能及时停止，致使油压升高时，油液可通过第二溢流阀a11返回充液油箱a4。
34.本实施例的电液伺服驱动单元，同时具有压力信号和流量信号控制功能，可以提高驱动的精准性和安全性。
35.如图2所示，本发明第二示例性实施例提供了电液伺服驱动单元在下肢外骨骼液压驱动系统中的应用。控制器g发出指令，电液伺服驱动单元a从充液总油箱e抽取油液，经过关节有杆腔油管b、关节无杆腔油管c供给关节驱动缸d，实现关节驱动缸d伸出或缩回，驱动关节进行动作。
36.当伺服电机a1正转，第一内啮合齿轮泵a2从充液总油箱e中吸油，并且输出流量到关节驱动缸d的无杆腔，推动关节驱动缸d伸出，此时第二内啮合齿轮泵a3将关节驱动缸d的有杆腔油液吸出到充液总油箱d中。通过控制器g调节伺服电机a1转速来调节第一内啮合齿轮泵a2和第二内啮合齿轮泵a3的输出流量，从而调节关节驱动缸d的运动速度。通过控制伺服电机a1旋转位置精度来调节关节驱动缸d缸运动的位置精度，第一单向阀a7和第二单向阀a10用于实现关节驱动缸d油液的压力，并实现单向流动。当第二内啮合齿轮泵a3输出到
关节驱动缸d无杆腔中的油液超过关节驱动缸d无杆腔全行程所需求的油液量，使得该回路油液压力升高，此时连接第二内啮合齿轮泵a3和关节驱动缸d之间的第一压力传感器a9和第二压力传感器a12发出信号给伺服电机a1，使得伺服电机a1转速降低，从而控制进入关节驱动缸d无杆腔中的油液流量，起到安全保护作用。当关节驱动缸d伸出运动过程中发生故障，通过第一溢流阀a8和第二溢流阀a11实现过载保护。在关节驱动缸d伸出运动过程中，当关节驱动缸d有杆腔油液全行程排出油液体积量不能满足第二内啮合齿轮泵a3的吸油量要求时，充液总油箱e可以实现补油作用。充液油箱e同时也可以为系统提供阻尼，提高系统的稳定性。伺服电机a1反转时，关节驱动缸d工作原理同上。
37.本实施例的电液伺服驱动单元可应用于穿戴式下肢外骨骼机器人驱动系统，在提高下肢外骨骼驱动系统能效的同时降低下肢惯量，起到助力功能，同时可以反馈驱动信息，能够提高下肢外骨骼与人体运动的协调，保证动态步行运动中，下肢外骨骼驱动运动与人的下肢关节运动的对应性和一致性。可以应用于需要协助步行和负重的对象，也可帮助下肢运动轻度障碍者实现康复的下肢外骨骼。
38.以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。