本發明屬于醫療康復訓練設備相關領域，具體涉及一種柔性膝關節外骨骼裝置及其驅動方法，該柔性膝關節外骨骼裝置采用電磁力直接驅動，能夠實現多個自由度的轉動和位置的實時控制。

背景技術：

傳統的膝關節外骨骼裝置往往把人體膝關節處的彎曲當成只有一個自由度的旋轉，外骨骼關節的連接通常是直接鉸鏈在一起的，構件間只能相對旋轉，也是只有一個自由度。然而，實際上人體膝關節的接觸面是不規則的，膝關節處彎曲時不僅有相對旋轉，還有相對移動。因此，傳統的膝關節外骨骼裝置在彎曲時，會在穿戴者的膝關節處產生額外的壓力和力矩，使穿戴者的膝關節受到壓迫，甚至有可能傷害到膝關節。因此許多學者嘗試研究新型的膝關節外骨骼裝置。例如，有學者提出在膝關節外骨骼膝關節處采用凸輪結構，通過設計凸輪輪廓，可以使得外骨骼關節在彎曲時同時有旋轉和移動。只要凸輪輪廓設計合適，外骨骼關節處的旋轉和移動就能夠和人體膝關節處產生的旋轉和移動匹配，從而減少外骨骼裝置在膝關節處產生的壓力和力矩，避免傷害到人體膝關節。可是這種帶凸輪的膝關節外骨骼也有一定的局限性，因為每個人的膝蓋處的接合面不是完全相同的，所以對于不同的穿戴者，需要設計不同的凸輪結構。

另外，傳統的膝關節外骨骼裝置通常通過旋轉電機提供動力，電機和外骨骼之間的動力傳輸需要使用齒輪等傳動機構。傳動機構的存在，會使得整個裝置的結構變得復雜和龐大。復雜的結構會使得裝置的可控性降低，同時也會對效率造成影響。

傳統的膝關節外骨骼裝置通常使用編碼器進行位置測量，然而新型的膝關節外骨骼為了適應人體，一般會有多個自由度的運動。使用編碼器檢測多自由度運動的位置時，需要設計復雜的連接機構將多自由度的位置信息轉換為旋轉信息。這一方面是系統變的更加復雜，過多的傳遞環節也會影響驅動力的準確性和位置控制的精度。

由于存在上述缺陷和不足，本領域亟需做出進一步的完善和改進，設計一種新的膝關節外骨骼裝置，使其在實現多個自由度的轉動的同時，還能夠實現精確的驅動和位置控制，以便滿足穿戴者的使用需要。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種柔性膝關節外骨骼裝置及其驅動方法，該裝置設置了一個柔性關節結構，能夠使關節實現多個自由度的轉動，而且采用電磁直接驅動的方式，使電磁力能夠直接作用在膝關節外骨骼上，大小和方向均可控，通過在驅動裝置的永磁體胖的每個線圈中心內設置一個三軸傳感器，能夠實時得到磁傳感器處永磁體產生的磁場，進而計算出下連桿實時位置和預期位置，通過對于電流的調整來實現對整個柔性膝關節外骨骼裝置的驅動，能夠滿足佩戴者在舒適性能、運動性能和經濟性等多方面的要求。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種柔性膝關節外骨骼裝置，其特征在于，其包括上連桿、下連桿、柔性關節機構和驅動裝置，

其中，所述上連桿和下連桿通過柔性關節機構連接在一起，所述柔性關節機構包含外環和內環兩部分，其中外環和上連桿固連在一起，內環和下連桿固連在一起，內環可轉動地設置在外環內，下連桿的擺動帶動內環在外環內部轉動，初始狀態下，外環和內環的中心是重合的，旋轉過程中，外環和內環的中心有一定的偏移，

所述柔性關節裝置下端設置有驅動裝置，該驅動裝置通過驅動下連桿來實現柔性膝關節的轉動，所述下連桿靠近柔性關節結構處設置有永磁體，在驅動裝置上永磁體擺動范圍的兩側設置有線圈，每個線圈的中心設置有一個三軸磁傳感器來測量磁場的大小。

進一步優選地，所述下連桿的下端設置有一個滑動副和一個擺動副，來配合下連桿的擺動。

按照本發明的另一方面，提供了一種如上所述的柔性膝關節外骨骼裝置的驅動方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.將永磁體兩側的線圈通電，利用線圈內的三軸磁傳感器測量出線圈產生的磁場和永磁體在第j個線圈處產生的磁場之和

S2.根據每個線圈中的實時電流大小，計算出所有線圈在第j個線圈處所產生的磁場B_Ej，進而計算出所有永磁體在第j個線圈處所產生的磁場

S3.計算所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場B_Pj和外骨骼位姿s的關系；

S4.根據步驟S2中得到的永磁體在第j個線圈處所產生的磁場，計算出膝關節外骨骼的實時位姿s；

S5.假設外骨骼期望的運動軌跡為s_i，結合步驟S1中計算得到的實時位姿s，根據PD控制算法計算出外骨骼需要的受力F；

S6.計算受力F與控制電流u的關系矩陣；

S7.根據已知需要的受力F與電流u的關系矩陣，反算出線圈中需要通入的控制電流u,通過控制電流u實現膝關節外骨骼的位置控制；

S8.將永磁體兩側線圈中的電流大小調整為步驟S7中計算出的控制電流大小u，從而膝關節外骨骼轉動到達期望位置。

進一步優選地，在步驟S2中，計算永磁體在三軸磁傳感器在第j個線圈處所產生的磁場的步驟如下：

由于，

式中，J為線圈中的電流密度，R為第j個線圈的位置，R’為電流密度J的位置，V_i為第i個線圈的所占空間，μ₀為真空磁導率，N_E為線圈個數。

因此，永磁體在三軸磁傳感器處所產生的磁場為：

優選地，在步驟S3中，計算所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場B_Pj和外骨骼位姿s的關系的步驟如下：

式中，N_P是永磁體的數目，m_pk是第k塊永磁體的磁化強度大小，l_jk是第j塊線圈中心和第k塊永磁體之間的距離，B_nj和B_tj分別是永磁體組在第j個線圈處產生的磁場B_Pj的法向(垂直紙面)和切向(平行紙面)分量。和分別是B_nj和B_tj的方向向量。f_pn(l_jk)和f_pt(l_jk)是兩個關于l_jk的擬合函數。

優選地，在步驟S4中，膝關節外骨骼的實時位置s的計算步驟如下：

定義函數h(s)如下：

式中，s表示B點位姿，B_tj和B_nj是根據位姿s計算得到的所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場的切向和法向分量，和分別是B_tj和B_nj的方向向量。

使用最小梯度法尋找目標函數h(s)的最小值，h(s)取最小值時，即計算值和測量值最接近時的s取為B點的實際位姿，迭代規則為常數α表示迭代速率。

優選地，在步驟S5中，根據PD控制算法計算出外骨骼需要的受力F的步驟如下：

上式中，P為比例系數，D為微分系數，分別表示s_i、s的微分。

優選地，在步驟S6中，計算受力F與控制電流u的關系矩陣的步驟如下：

S61.由于線圈受力大小與線圈中電流大小和磁場強度都成正比，因此將第j塊線圈受到的電磁力F_j表示為：

F_j＝K_jI_j，式中

上式中，I_j是第j個線圈中的電流大小，f_Ft是一個關于l_jk的擬合函數，并且l_jk與位置s相關，故f_Ft和s的關系可以求得，

S62.考慮到所有線圈的作用，所有永磁體受到的電磁力的合力表示為：

F＝[K]u

上式中，N_E是線圈的數目。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：

(1)本發明的柔性膝關節外骨骼裝置通過設置了一個柔性關節結構，能夠使關節實現多個自由度的轉動，更適應佩戴者的使用需要，且采用電磁直接驅動，使電磁力能夠直接作用在膝關節外骨骼上，大小和方向均可控。電磁直驅的方式能夠避免傳動機構的存在，使得裝置的結構更加簡單，效率和可控性更高。

(2)通過在驅動裝置的永磁體胖的每個線圈中心內設置一個三軸傳感器，能夠實時得到磁傳感器處永磁體產生的磁場，進而計算出下連桿實時位置和預期位置，通過對于電流的調整來實現對整個柔性膝關節外骨骼裝置的實時驅動。

(3)本發明的柔性膝關節外骨骼裝置的驅動方法，可根據三軸磁傳感器測量到的磁場信息，結合當前電流大小和對外骨骼的運動位置的預期，通過8個步驟，計算出控制電流的大小，通過該控制電流的輸入來實現柔性膝關節外骨骼裝置的驅動，該方法所需的信息量少、計算量少且計算過程簡單，便于實施。

(4)本發明的柔性膝關節外骨骼裝置結構簡單，且能夠適應人體關節的不規則性，使得穿戴者的膝關節處受到的負擔更輕，并且能夠適應于不同穿戴者，實用性更強，其還具有結構簡單易加工、成本低廉等優點，減輕佩戴者的經濟壓力。

附圖說明

圖1是本發明的柔性膝關節外骨骼的結構示意圖；

圖2是柔性關節結構的示意圖；

圖3是電磁驅動裝置的結構示意圖；

圖4是本發明的柔性膝關節外骨骼的驅動控制示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

1-上連桿、2-下連桿、3-柔性關節機構、31-外環、32-內環、4-驅動裝置、5-永磁體、6-線圈，A點是外骨骼下連桿的端點，A'點是初始狀態時A點所在位置，B點是四塊永磁體的中心，并且固定在下連桿上，RB-、RB+是B點的極限運動軌跡。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是本發明的柔性膝關節外骨骼的結構示意圖；圖2是柔性關節結構的示意圖；圖3是電磁驅動裝置的結構示意圖；如圖1-3所示的柔性膝關節外骨骼裝置，其包括上連桿1、下連桿2、柔性關節機構3和驅動裝置4，

其中，所述上連桿1和下連桿2通過柔性關節機構3連接在一起，所述柔性關節機構3包含外環31和內環32兩部分，其中外環31和上連桿1固連在一起，內環32和下連桿2固連在一起，內環32可轉動地設置在外環31內，下連桿2的擺動帶動內環32在外環31內部轉動，初始狀態下，外環31和內環32的中心是重合的，旋轉過程中，外環31和內環32的中心有一定的偏移，

所述柔性關節裝置3下端設置有驅動裝置4，該驅動裝置4通過驅動下連桿2來實現柔性膝關節的轉動，所述下連桿2靠近柔性關節結構3處設置有永磁體5，在驅動裝置4上永磁體擺動范圍的兩側設置有線圈6，每個線圈6的中心設置有一個三軸磁傳感器來測量磁場的大小。

在本發明的一個具體實施例中，下連桿2的下端設置有一個滑動副和一個擺動副，來配合下連桿2的擺動。

本發明還提供了一種如上所述的柔性膝關節外骨骼裝置的驅動方法，具體包括以下步驟：

S1.將永磁體兩側的線圈通電，利用線圈內的三軸磁傳感器測量出線圈產生的磁場和永磁體在第j個線圈處產生的磁場之和

S2.根據每個線圈中的實時電流大小，計算出所有線圈在第j個線圈處所產生的磁場B_Ej，進而計算出所有永磁體在第j個線圈處所產生的磁場

S3.計算所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場B_Pj和外骨骼位姿s的關系；

S4.根據步驟S2中得到的永磁體在第j個線圈處所產生的磁場，計算出膝關節外骨骼的實時位姿s；

S5.假設外骨骼期望的運動軌跡為s_i，結合步驟S1中計算得到的實時位姿s，根據PD控制算法計算出外骨骼需要的受力F；

S6.計算受力F與控制電流u的關系矩陣；

S7.根據已知需要的受力F與電流u的關系矩陣，反算出線圈中需要通入的控制電流u,通過控制電流u實現膝關節外骨骼的位置控制；

S8.將永磁體兩側線圈中的電流大小調整為步驟S7中計算出的控制電流大小u，從而膝關節外骨骼轉動到達期望位置。

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S2中，計算永磁體在三軸磁傳感器在第j個線圈處所產生的磁場的步驟如下：

由于，

式中，J為線圈中的電流密度，R為第j個線圈的位置，R’為電流密度J的位置，V_i為第i個線圈的所占空間，μ₀為真空磁導率，N_E為線圈個數。

因此，永磁體在三軸磁傳感器處所產生的磁場為：

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S3中，計算所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場B_Pj和外骨骼位姿s的關系的步驟如下：

式中，N_P是永磁體的數目，m_pk是第k塊永磁體的磁化強度大小，l_jk是第j塊線圈中心和第k塊永磁體之間的距離，B_nj和B_tj分別是永磁體組在第j個線圈處產生的磁場B_Pj的法向(垂直紙面)和切向(平行紙面)分量。和分別是B_nj和B_tj的方向向量。f_pn(l_jk)和f_pt(l_jk)是兩個關于l_jk的擬合函數。

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S4中，膝關節外骨骼的實時位置s的計算步驟如下：

定義函數h(s)如下：

式中，s表示B點位姿，B_tj和B_nj是根據位姿s計算得到的所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場的切向和法向分量，和分別是B_tj和B_nj的方向向量。

使用最小梯度法尋找目標函數h(s)的最小值，h(s)取最小值時，即計算值和測量值最接近時的s取為B點的實際位姿，迭代規則為常數α表示迭代速率。

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S5中，根據PD控制算法計算出外骨骼需要的受力F的步驟如下：

上式中，P為比例系數，D為微分系數，分別表示s_i、s的微分。

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S6中，計算受力F與控制電流u的關系矩陣的步驟如下：

S61.由于線圈受力大小與線圈中電流大小和磁場強度都成正比，因此將第j塊線圈受到的電磁力F_j表示為：

F_j＝K_jI_j，式中

上式中，I_j是第j個線圈中的電流大小，f_Ft是一個關于l_jk的擬合函數，并且l_jk與位置s相關，故f_Ft和s的關系可以求得，

S62.考慮到所有線圈的作用，所有永磁體受到的電磁力的合力表示為：

F＝[K]u

上式中，N_E是線圈的數目。

在本發明的一個具體實施例中，在步驟S7中，通過求M-P逆(加號廣義逆)反算出通電電流的最優解：

u＝[K]^T([K][K]^T)^-1F。

為了更好地解釋本發明，以下給出一個具體實施例：

實施例

圖1是本發明的柔性膝關節外骨骼的結構示意圖，外骨骼的上連桿1和人體大腿固連在一起，外骨骼的下連桿2和人體小腿在C點處相連(包括一個滑動副和一個轉動副)。上連桿1和下連桿2通過柔性關節結構3連接在一起，這個柔性關節機構3包含外環31和內環32兩部分，其中外環31和上連桿1固連在一起，內環32和下連桿2固連在一起。初始狀態下，內環32和外環31的中心是重合的，旋轉過程中，內環32和外環31的中心可以有一定的偏移。因此，下連桿2上的B點能夠在如圖2所示的陰影區域中運動，從而能夠適應不同穿戴者的膝關節接合面的不規則性，減輕關節處的負擔。

由于傳統電機難以實現帶有柔性關節的裝置的驅動，本發明采用了電磁力直接驅動的方式。驅動裝置4的結構如圖2所示，設置在柔性關節機構下部，永磁體5固定在下連桿2上，陰影部分是下連桿2上B點的運動范圍，線圈6布置在B點運動范圍兩旁。線圈6通電時，永磁體5和線圈6之間會產生電磁作用力。通過控制線圈6中電流的大小，可以控制電磁力的大小和方向，從而控制膝關節外骨骼的運動。電磁力能夠直接作用在膝關節外骨骼上，大小和方向均可控。電磁直驅的方式能夠避免傳動機構的存在，使得裝置的結構更加簡單，效率和可控性更高。

在控制過程中，需要通過傳感器得到下連桿的位置信息進行反饋。然而本發明設計的柔性結構有多個自由度，傳統的位置傳感器如編碼器難以測量多自由度運動的位置。因此，本發明利用三軸磁傳感器設計了一個新型的位置測量系統。在每個線圈的中心都裝上一個三軸磁傳感器，磁傳感器測量到的磁場包含線圈產生的和永磁體產生的磁場兩部分。由于磁傳感器和線圈位置相對固定，線圈產生的磁場能夠計算得到，所以能夠實時得到磁傳感器處永磁體產生的磁場。因此，當外骨骼下連桿運動時，可以根據得到的永磁體產生的磁場信息反算出下連桿的位置，用來進行位置反饋。

本發明還提供了一種如上所述的電磁力直接驅動的柔性膝關節外骨骼裝置的驅動方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.將永磁體兩側的線圈通電，利用線圈內的三軸磁傳感器測量出線圈產生的磁場和永磁體在第j個線圈處產生的磁場之和

S2.根據每個線圈中的實時電流大小，計算出所有線圈在第j個線圈處所產生的磁場B_Ej，進而計算出所有永磁體在第j個線圈處所產生的磁場

S3.計算所有永磁體在第j個線圈處產生的磁場B_Pj和外骨骼位姿s的關系；

S4.根據步驟S2中得到的永磁體在第j個線圈處所產生的磁場，計算出膝關節外骨骼的實時位姿s；

S5.假設外骨骼期望的運動軌跡為s_i，結合步驟S1中計算得到的實時位姿s，根據PD控制算法計算出外骨骼需要的受力F；

S6.計算受力F與控制電流u的關系矩陣；

S7.根據已知需要的受力F與電流u的關系矩陣，反算出線圈中需要通入的控制電流u,通過控制電流u實現膝關節外骨骼的位置控制；

S8.將永磁體兩側線圈中的電流大小調整為步驟S7中計算出的控制電流大小u，從而膝關節外骨骼轉動到達期望位置。

因此，在控制過程中，先通過磁傳感器測量得到的磁場得到膝關節外骨骼的位置，然后根據期望運動到的位置得到需要的電磁力F。最后根據電磁力和線圈通電電流大小的關系，計算得到每個線圈中需要通電的電流大小，從而實現對膝關節外骨骼的驅動和控制。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。