[发明专利]一种基于柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法

权利要求书

1.一种基于柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法，其特征在于，

所述柔性膝关节外骨骼装置包括上连杆(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，

所述柔性关节机构(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；

所述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和外骨骼位置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置s；

S5.假设外骨骼期望的运动轨迹为s_i，结合步骤S1中计算得到膝关节外骨骼的实时位置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。

2.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，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：

3.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，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和外骨骼位置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，n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。

4.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，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点位置，B_tj和B_nj是根据位置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点的实际位置，迭代规则为常数α表示迭代速率。