一种柔性膝关节外骨骼装置及其驱动方法与流程

本发明属于医疗康复训练设备相关领域，具体涉及一种柔性膝关节外骨骼装置及其驱动方法，该柔性膝关节外骨骼装置采用电磁力直接驱动，能够实现多个自由度的转动和位置的实时控制。

背景技术：

传统的膝关节外骨骼装置往往把人体膝关节处的弯曲当成只有一个自由度的旋转，外骨骼关节的连接通常是直接铰链在一起的，构件间只能相对旋转，也是只有一个自由度。然而，实际上人体膝关节的接触面是不规则的，膝关节处弯曲时不仅有相对旋转，还有相对移动。因此，传统的膝关节外骨骼装置在弯曲时，会在穿戴者的膝关节处产生额外的压力和力矩，使穿戴者的膝关节受到压迫，甚至有可能伤害到膝关节。因此许多学者尝试研究新型的膝关节外骨骼装置。例如，有学者提出在膝关节外骨骼膝关节处采用凸轮结构，通过设计凸轮轮廓，可以使得外骨骼关节在弯曲时同时有旋转和移动。只要凸轮轮廓设计合适，外骨骼关节处的旋转和移动就能够和人体膝关节处产生的旋转和移动匹配，从而减少外骨骼装置在膝关节处产生的压力和力矩，避免伤害到人体膝关节。可是这种带凸轮的膝关节外骨骼也有一定的局限性，因为每个人的膝盖处的接合面不是完全相同的，所以对于不同的穿戴者，需要设计不同的凸轮结构。

另外，传统的膝关节外骨骼装置通常通过旋转电机提供动力，电机和外骨骼之间的动力传输需要使用齿轮等传动机构。传动机构的存在，会使得整个装置的结构变得复杂和庞大。复杂的结构会使得装置的可控性降低，同时也会对效率造成影响。

传统的膝关节外骨骼装置通常使用编码器进行位置测量，然而新型的膝关节外骨骼为了适应人体，一般会有多个自由度的运动。使用编码器检测多自由度运动的位置时，需要设计复杂的连接机构将多自由度的位置信息转换为旋转信息。这一方面是系统变的更加复杂，过多的传递环节也会影响驱动力的准确性和位置控制的精度。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种新的膝关节外骨骼装置，使其在实现多个自由度的转动的同时，还能够实现精确的驱动和位置控制，以便满足穿戴者的使用需要。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性膝关节外骨骼装置及其驱动方法，该装置设置了一个柔性关节结构，能够使关节实现多个自由度的转动，而且采用电磁直接驱动的方式，使电磁力能够直接作用在膝关节外骨骼上，大小和方向均可控，通过在驱动装置的永磁体胖的每个线圈中心内设置一个三轴传感器，能够实时得到磁传感器处永磁体产生的磁场，进而计算出下连杆实时位置和预期位置，通过对于电流的调整来实现对整个柔性膝关节外骨骼装置的驱动，能够满足佩戴者在舒适性能、运动性能和经济性等多方面的要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性膝关节外骨骼装置，其特征在于，其包括上连杆、下连杆、柔性关节机构和驱动装置，

其中，所述上连杆和下连杆通过柔性关节机构连接在一起，所述柔性关节机构包含外环和内环两部分，其中外环和上连杆固连在一起，内环和下连杆固连在一起，内环可转动地设置在外环内，下连杆的摆动带动内环在外环内部转动，初始状态下，外环和内环的中心是重合的，旋转过程中，外环和内环的中心有一定的偏移，

所述柔性关节装置下端设置有驱动装置，该驱动装置通过驱动下连杆来实现柔性膝关节的转动，所述下连杆靠近柔性关节结构处设置有永磁体，在驱动装置上永磁体摆动范围的两侧设置有线圈，每个线圈的中心设置有一个三轴磁传感器来测量磁场的大小。

进一步优选地，所述下连杆的下端设置有一个滑动副和一个摆动副，来配合下连杆的摆动。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上所述的柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.将永磁体两侧的线圈通电，利用线圈内的三轴磁传感器测量出线圈产生的磁场和永磁体在第j个线圈处产生的磁场之和

S2.根据每个线圈中的实时电流大小，计算出所有线圈在第j个线圈处所产生的磁场B_Ej，进而计算出所有永磁体在第j个线圈处所产生的磁场

S3.计算所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场B_Pj和外骨骼位姿s的关系；

S4.根据步骤S2中得到的永磁体在第j个线圈处所产生的磁场，计算出膝关节外骨骼的实时位姿s；

S5.假设外骨骼期望的运动轨迹为s_i，结合步骤S1中计算得到的实时位姿s，根据PD控制算法计算出外骨骼需要的受力F；

S6.计算受力F与控制电流u的关系矩阵；

S7.根据已知需要的受力F与电流u的关系矩阵，反算出线圈中需要通入的控制电流u,通过控制电流u实现膝关节外骨骼的位置控制；

S8.将永磁体两侧线圈中的电流大小调整为步骤S7中计算出的控制电流大小u，从而膝关节外骨骼转动到达期望位置。

进一步优选地，在步骤S2中，计算永磁体在三轴磁传感器在第j个线圈处所产生的磁场的步骤如下：

由于，

式中，J为线圈中的电流密度，R为第j个线圈的位置，R’为电流密度J的位置，V_i为第i个线圈的所占空间，μ₀为真空磁导率，N_E为线圈个数。

因此，永磁体在三轴磁传感器处所产生的磁场为：

优选地，在步骤S3中，计算所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场B_Pj和外骨骼位姿s的关系的步骤如下：

式中，N_P是永磁体的数目，m_pk是第k块永磁体的磁化强度大小，l_jk是第j块线圈中心和第k块永磁体之间的距离，B_nj和B_tj分别是永磁体组在第j个线圈处产生的磁场B_Pj的法向(垂直纸面)和切向(平行纸面)分量。和分别是B_nj和B_tj的方向向量。f_pn(l_jk)和f_pt(l_jk)是两个关于l_jk的拟合函数。

优选地，在步骤S4中，膝关节外骨骼的实时位置s的计算步骤如下：

定义函数h(s)如下：

式中，s表示B点位姿，B_tj和B_nj是根据位姿s计算得到的所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场的切向和法向分量，和分别是B_tj和B_nj的方向向量。

使用最小梯度法寻找目标函数h(s)的最小值，h(s)取最小值时，即计算值和测量值最接近时的s取为B点的实际位姿，迭代规则为常数α表示迭代速率。

优选地，在步骤S5中，根据PD控制算法计算出外骨骼需要的受力F的步骤如下：

上式中，P为比例系数，D为微分系数，分别表示s_i、s的微分。

优选地，在步骤S6中，计算受力F与控制电流u的关系矩阵的步骤如下：

S61.由于线圈受力大小与线圈中电流大小和磁场强度都成正比，因此将第j块线圈受到的电磁力F_j表示为：

F_j＝K_jI_j，式中

上式中，I_j是第j个线圈中的电流大小，f_Ft是一个关于l_jk的拟合函数，并且l_jk与位置s相关，故f_Ft和s的关系可以求得，

S62.考虑到所有线圈的作用，所有永磁体受到的电磁力的合力表示为：

F＝[K]u

上式中，N_E是线圈的数目。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的柔性膝关节外骨骼装置通过设置了一个柔性关节结构，能够使关节实现多个自由度的转动，更适应佩戴者的使用需要，且采用电磁直接驱动，使电磁力能够直接作用在膝关节外骨骼上，大小和方向均可控。电磁直驱的方式能够避免传动机构的存在，使得装置的结构更加简单，效率和可控性更高。

(2)通过在驱动装置的永磁体胖的每个线圈中心内设置一个三轴传感器，能够实时得到磁传感器处永磁体产生的磁场，进而计算出下连杆实时位置和预期位置，通过对于电流的调整来实现对整个柔性膝关节外骨骼装置的实时驱动。

(3)本发明的柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法，可根据三轴磁传感器测量到的磁场信息，结合当前电流大小和对外骨骼的运动位置的预期，通过8个步骤，计算出控制电流的大小，通过该控制电流的输入来实现柔性膝关节外骨骼装置的驱动，该方法所需的信息量少、计算量少且计算过程简单，便于实施。

(4)本发明的柔性膝关节外骨骼装置结构简单，且能够适应人体关节的不规则性，使得穿戴者的膝关节处受到的负担更轻，并且能够适应于不同穿戴者，实用性更强，其还具有结构简单易加工、成本低廉等优点，减轻佩戴者的经济压力。

附图说明

图1是本发明的柔性膝关节外骨骼的结构示意图；

图2是柔性关节结构的示意图；

图3是电磁驱动装置的结构示意图；

图4是本发明的柔性膝关节外骨骼的驱动控制示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上连杆、2-下连杆、3-柔性关节机构、31-外环、32-内环、4-驱动装置、5-永磁体、6-线圈，A点是外骨骼下连杆的端点，A'点是初始状态时A点所在位置，B点是四块永磁体的中心，并且固定在下连杆上，RB-、RB+是B点的极限运动轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明的柔性膝关节外骨骼的结构示意图；图2是柔性关节结构的示意图；图3是电磁驱动装置的结构示意图；如图1-3所示的柔性膝关节外骨骼装置，其包括上连杆1、下连杆2、柔性关节机构3和驱动装置4，

其中，所述上连杆1和下连杆2通过柔性关节机构3连接在一起，所述柔性关节机构3包含外环31和内环32两部分，其中外环31和上连杆1固连在一起，内环32和下连杆2固连在一起，内环32可转动地设置在外环31内，下连杆2的摆动带动内环32在外环31内部转动，初始状态下，外环31和内环32的中心是重合的，旋转过程中，外环31和内环32的中心有一定的偏移，

所述柔性关节装置3下端设置有驱动装置4，该驱动装置4通过驱动下连杆2来实现柔性膝关节的转动，所述下连杆2靠近柔性关节结构3处设置有永磁体5，在驱动装置4上永磁体摆动范围的两侧设置有线圈6，每个线圈6的中心设置有一个三轴磁传感器来测量磁场的大小。

在本发明的一个具体实施例中，下连杆2的下端设置有一个滑动副和一个摆动副，来配合下连杆2的摆动。

本发明还提供了一种如上所述的柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法，具体包括以下步骤：

S1.将永磁体两侧的线圈通电，利用线圈内的三轴磁传感器测量出线圈产生的磁场和永磁体在第j个线圈处产生的磁场之和

S2.根据每个线圈中的实时电流大小，计算出所有线圈在第j个线圈处所产生的磁场B_Ej，进而计算出所有永磁体在第j个线圈处所产生的磁场

S3.计算所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场B_Pj和外骨骼位姿s的关系；

S4.根据步骤S2中得到的永磁体在第j个线圈处所产生的磁场，计算出膝关节外骨骼的实时位姿s；

S5.假设外骨骼期望的运动轨迹为s_i，结合步骤S1中计算得到的实时位姿s，根据PD控制算法计算出外骨骼需要的受力F；

S6.计算受力F与控制电流u的关系矩阵；

S7.根据已知需要的受力F与电流u的关系矩阵，反算出线圈中需要通入的控制电流u,通过控制电流u实现膝关节外骨骼的位置控制；

S8.将永磁体两侧线圈中的电流大小调整为步骤S7中计算出的控制电流大小u，从而膝关节外骨骼转动到达期望位置。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S2中，计算永磁体在三轴磁传感器在第j个线圈处所产生的磁场的步骤如下：

由于，

式中，J为线圈中的电流密度，R为第j个线圈的位置，R’为电流密度J的位置，V_i为第i个线圈的所占空间，μ₀为真空磁导率，N_E为线圈个数。

因此，永磁体在三轴磁传感器处所产生的磁场为：

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S3中，计算所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场B_Pj和外骨骼位姿s的关系的步骤如下：

式中，N_P是永磁体的数目，m_pk是第k块永磁体的磁化强度大小，l_jk是第j块线圈中心和第k块永磁体之间的距离，B_nj和B_tj分别是永磁体组在第j个线圈处产生的磁场B_Pj的法向(垂直纸面)和切向(平行纸面)分量。和分别是B_nj和B_tj的方向向量。f_pn(l_jk)和f_pt(l_jk)是两个关于l_jk的拟合函数。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S4中，膝关节外骨骼的实时位置s的计算步骤如下：

定义函数h(s)如下：

式中，s表示B点位姿，B_tj和B_nj是根据位姿s计算得到的所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场的切向和法向分量，和分别是B_tj和B_nj的方向向量。

使用最小梯度法寻找目标函数h(s)的最小值，h(s)取最小值时，即计算值和测量值最接近时的s取为B点的实际位姿，迭代规则为常数α表示迭代速率。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S5中，根据PD控制算法计算出外骨骼需要的受力F的步骤如下：

上式中，P为比例系数，D为微分系数，分别表示s_i、s的微分。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S6中，计算受力F与控制电流u的关系矩阵的步骤如下：

S61.由于线圈受力大小与线圈中电流大小和磁场强度都成正比，因此将第j块线圈受到的电磁力F_j表示为：

F_j＝K_jI_j，式中

上式中，I_j是第j个线圈中的电流大小，f_Ft是一个关于l_jk的拟合函数，并且l_jk与位置s相关，故f_Ft和s的关系可以求得，

S62.考虑到所有线圈的作用，所有永磁体受到的电磁力的合力表示为：

F＝[K]u

上式中，N_E是线圈的数目。

在本发明的一个具体实施例中，在步骤S7中，通过求M-P逆(加号广义逆)反算出通电电流的最优解：

u＝[K]^T([K][K]^T)^-1F。

为了更好地解释本发明，以下给出一个具体实施例：

实施例

图1是本发明的柔性膝关节外骨骼的结构示意图，外骨骼的上连杆1和人体大腿固连在一起，外骨骼的下连杆2和人体小腿在C点处相连(包括一个滑动副和一个转动副)。上连杆1和下连杆2通过柔性关节结构3连接在一起，这个柔性关节机构3包含外环31和内环32两部分，其中外环31和上连杆1固连在一起，内环32和下连杆2固连在一起。初始状态下，内环32和外环31的中心是重合的，旋转过程中，内环32和外环31的中心可以有一定的偏移。因此，下连杆2上的B点能够在如图2所示的阴影区域中运动，从而能够适应不同穿戴者的膝关节接合面的不规则性，减轻关节处的负担。

由于传统电机难以实现带有柔性关节的装置的驱动，本发明采用了电磁力直接驱动的方式。驱动装置4的结构如图2所示，设置在柔性关节机构下部，永磁体5固定在下连杆2上，阴影部分是下连杆2上B点的运动范围，线圈6布置在B点运动范围两旁。线圈6通电时，永磁体5和线圈6之间会产生电磁作用力。通过控制线圈6中电流的大小，可以控制电磁力的大小和方向，从而控制膝关节外骨骼的运动。电磁力能够直接作用在膝关节外骨骼上，大小和方向均可控。电磁直驱的方式能够避免传动机构的存在，使得装置的结构更加简单，效率和可控性更高。

在控制过程中，需要通过传感器得到下连杆的位置信息进行反馈。然而本发明设计的柔性结构有多个自由度，传统的位置传感器如编码器难以测量多自由度运动的位置。因此，本发明利用三轴磁传感器设计了一个新型的位置测量系统。在每个线圈的中心都装上一个三轴磁传感器，磁传感器测量到的磁场包含线圈产生的和永磁体产生的磁场两部分。由于磁传感器和线圈位置相对固定，线圈产生的磁场能够计算得到，所以能够实时得到磁传感器处永磁体产生的磁场。因此，当外骨骼下连杆运动时，可以根据得到的永磁体产生的磁场信息反算出下连杆的位置，用来进行位置反馈。

本发明还提供了一种如上所述的电磁力直接驱动的柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.将永磁体两侧的线圈通电，利用线圈内的三轴磁传感器测量出线圈产生的磁场和永磁体在第j个线圈处产生的磁场之和

S2.根据每个线圈中的实时电流大小，计算出所有线圈在第j个线圈处所产生的磁场B_Ej，进而计算出所有永磁体在第j个线圈处所产生的磁场

S3.计算所有永磁体在第j个线圈处产生的磁场B_Pj和外骨骼位姿s的关系；

S4.根据步骤S2中得到的永磁体在第j个线圈处所产生的磁场，计算出膝关节外骨骼的实时位姿s；

S5.假设外骨骼期望的运动轨迹为s_i，结合步骤S1中计算得到的实时位姿s，根据PD控制算法计算出外骨骼需要的受力F；

S6.计算受力F与控制电流u的关系矩阵；

S7.根据已知需要的受力F与电流u的关系矩阵，反算出线圈中需要通入的控制电流u,通过控制电流u实现膝关节外骨骼的位置控制；

S8.将永磁体两侧线圈中的电流大小调整为步骤S7中计算出的控制电流大小u，从而膝关节外骨骼转动到达期望位置。

因此，在控制过程中，先通过磁传感器测量得到的磁场得到膝关节外骨骼的位置，然后根据期望运动到的位置得到需要的电磁力F。最后根据电磁力和线圈通电电流大小的关系，计算得到每个线圈中需要通电的电流大小，从而实现对膝关节外骨骼的驱动和控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。