一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于流体压力控制元件技术领域，具体涉及一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构。
【背景技术】
[0002]近年来，随着机器人技术和微电子技术的迅速发展，可穿戴和便携式电子设备、人体助力外骨骼及上下肢康复机器人等开始呈现越来越热门的发展趋势。然而，由于此类设备大多依赖蓄电池提供能源，使用过程中需定期更换电池来维持，因此，寻找可靠的能量来源作为此类设备动力源、减少其对外部电池的依赖性已成为该领域研究的重要技术需求。如何将人体行走过程中产生的运动能量转换为可控能的能量俘获技术获得了相关领域研究人员越来越广泛的关注。
[0003]现有的人体行走运动能量回收设备主要为了解决微型或便携式电子设备发展为可穿戴结构之后，其在提高人生活品质的同时所带来的功耗和电源供应问题。从能量转化原理来看，此类装置主要通过感知人类机体运动并将其内置元件的移动量或机械变形转化为电能从而实现人体运动能量回收。由于电能须存储在蓄电池中，因此能量回收存储必然经历机械能-电能-化学能的转化过程，在释放利用时又须经历化学能-电能-机械能的逆向转化。能量转化环节较多直接导致回收效率低下，所获得的电功率通常较小。
[0004]机械能与流体能特别是液压能的转化更为直接、能量回收效率更高，若将人体能量回收为液压能直接驱动此类设备，将会有效克服目前人体运动能量回收中存在的问题。此外，随着流体传动技术的发展，穿戴式助力机器人如人工外骨骼其驱动开始采用流体传动实现，使得流体传动功率密度高的优势在此类应用场合中发挥到了极致。因此，将人体运动能量回收为液压能直接驱动执行机构实现动力传递和运动控制必将成为未来可穿戴型机器人和机械设备的发展方向之一。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，该液压能量转化机构设计合理，能够实现机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0007]—种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括栗体，在栗体两侧分别设有储液箱和承力座；
[0008]在栗体内设有锥阀芯腔、流道及活塞腔;在栗体顶部设有进油口，进油口与流道相连通，锥阀芯腔底部设有第一吸油口和压油口，第一吸油口和压油口与活塞腔相连通;栗体底部设有出油口，栗体与储液箱相连的一侧设有第二吸油口；
[0009]在活塞腔内设有活塞，活塞一侧设有活塞杆，另一侧设有复位弹簧;在出油口处设有第一弹簧，第一弹簧上端设有第一钢球，在第二吸油口处设有第二弹簧，第二弹簧靠近储液箱一侧设有第二钢球；
[0010]承力座顶部开设有一个用于施加作用力的孔，承力座与栗体相连一侧的侧壁上开设有两个孔，上端开孔内设有推杆，推杆在孔内滑动构成滑动副;活塞杆则通过下端开孔伸入承力座腔室内，推杆和活塞杆均与曲柄连杆机构相连。
[0011]所述锥阀芯腔内设有第一锥阀芯和第二锥阀芯，在第一锥阀芯与锥阀芯腔内壁之间设有第三弹簧;在第一锥阀芯和第二锥阀芯之间设有第四弹簧。
[0012]推杆一端伸向栗体，另一端伸向承力座腔室;推杆伸向栗体的一端与第二锥阀芯紧密接触。
[0013]推杆与第二锥阀芯紧密接触的一端设为球状。
[0014]所述曲柄连杆机构包括第一连杆、压杆及第二连杆;第一连杆的一端与活塞杆相连构成转动副，另一端与压杆中部相连构成转动副；第二连杆的一端与推杆相连构成转动副，另一端与压杆上端相连构成转动副。
[0015]压杆下端铰接在承力座上构成转动副。
[0016]储液箱侧壁设有储液进油口和储液出油口，储液进油口与流道贯通，储液出油口与第二钢球相配合。
[0017]储液箱内部设有隔板和储液弹簧，隔板与储液箱内壁之间构成储液容腔。
[0018]在储液箱外端端面上设有端盖，储液弹簧一端与隔板相连，另一端与端盖相连。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0020]本发明公开了一种用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括栗体，在栗体两侧分别设有储液箱和承力座;栗体内设有锥阀芯腔、流道及活塞腔，承力座内设有曲柄连杆机构。采用二级增压模式将机械能转换为液压油压力能，储液箱作为一次增压蓄能和二次增压供油装置，有效提高了能量储存密度。该机构借助曲柄连杆机构将人体行走过程中足部反复下踩运动转化为活塞和阀芯的水平直线运动，并配合复位弹簧实现阀芯与活塞往复运动，实现了机械能与液压能的高效转化，可直接作为液压源为驱动系统提供动力，适合应用于液压驱动的人体下肢康复辅助运动器械及可穿戴式外骨骼机器人等具有类似服役工况的执行机构中以降低能耗。同时，装置结构简单，便于加工制造与装配，易于实现系列化生产。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的用于人体行走能量回收的液压能量转化机构的示意图。
[0022]其中，1.栗体，2.活塞，3.活塞杆，4.复位弹簧，5.第一钢球，6.第一弹簧，7.第二钢球，8.第二弹簧，9.流道，10.第三弹簧，11.第一锥阀芯，12.第四弹簧，13.第二锥阀芯，14.储液箱，15.隔板，16.储液弹簧，17.端盖，18.承力座，19.第一连杆，20.压杆，21.第二连杆，22.推杆，Al.第一吸油口，A2.压油口，B.第二吸油口，0.进油口，P.出油口，S1.储液进油口，S2.储液出油口。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0024]如附图1所示，本发明用于人体行走能量回收的液压能量转化机构，包括栗体1，在栗体I两侧分别设有储液箱14和承力座18;
[0025]在栗体I内设有锥阀芯腔、流道9及活塞腔;栗体I内开有进油口0、第一吸油口 Al、压油口 A2、第二吸油口B、出油口P和流道9;在活塞腔内设有活塞2，活塞2—侧设有活塞杆3，另一侧设有复位弹簧4，复位弹簧被活塞2与栗体I压紧;在出油口 P处设有第一弹簧6，第一弹簧6上端设有第一钢球5，第一钢球5与第一弹簧6上端压紧，位于栗体I出油口 P处;在第二吸油口 B处设有第二弹簧8，第二弹簧8靠近储液箱14 一侧设有第二钢球7。锥阀芯腔内设有第一锥阀芯11和第二锥阀芯13，在第一锥阀芯11与锥阀芯腔内壁之间设有第三弹簧10，被第一锥阀芯11与栗体I压紧;在第一锥阀芯11和第二锥阀芯13之间设有第四弹簧12，被第一锥阀芯11和第二锥阀芯13压紧;承力座18顶部开设有一个用于施加作用力的孔，承力座18与栗体I相连一侧的侧壁上开设有两个孔，上端开孔内设有能够与第二锥阀芯13紧密接触的推杆22，推杆22在孔内滑动构成滑动副，且能够伸入承力座18腔室内，推杆22右端做成球状与第二锥阀芯13左端压紧接触;活塞杆3则通过下端开孔伸入承力座18腔室内，推杆22和活塞杆3均与曲柄连杆机构相连。
[0026]承力座位于栗体I一侧，其内部腔室内设有曲柄连杆机构，曲柄连杆机构包括第一连杆19、压杆20、第二连杆21;第一连杆19一端与压杆20中部相连构成转动副，另一端与活塞杆3相连构成转动副;第二连杆21—端与压杆20上端相连构成转动副，另一端与推杆22相连构成转动副;压杆20下端铰接在承力座18上构成转动副。
[0027]储液箱14位于栗体I另一侧，其上开有储液进油口SI和储液出油口 S2，其内部安装隔板15和储液弹簧16;储液进油口 SI与流道9贯通;储液出油口 S2与第二钢球7配合;隔板15与储液箱14内壁相配合从而使隔板15—侧面与储液箱14内壁面封闭为储液容腔;储液弹簧16—侧与隔板15另一侧面压紧;端盖17安装在储液箱14最外端的端面上，并将储液弹簧16压紧。
[0028]本发明的工作原理如下:
[0029]参见图1，初始状态下，复位弹簧4、第三弹簧10、第四弹簧12压缩量均为最小值。当人体行走时足部下踩在压杆20上端施加竖直向下的作用力之后，由于压杆20下端铰接固定在承力座18上，使其分别与第一连杆19和活塞杆3以及第二连杆21和推杆22构成两组曲柄连杆作用力系统，因此在压杆20上端收到竖直向下作用力之后活塞杆3和推杆22均在第一连杆19和第二连杆21的作用下水平向右运动。
[0030]在活塞杆3的推动下活塞2向右运动，复位弹簧4压缩量增加。此时，活塞2右侧