[发明专利]一种基于柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法

说明书

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，该装置包括上连杆、下连杆、柔性关节机构和驱动装置，柔性关节装置下端设置有驱动装置，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。本发明还公开了该柔性膝关节外骨骼装置的驱动方法。本发明采用电磁力直接驱动，能够实现关节多个自由度的转动，还能通过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。且该装置能够适应人体关节的不规则性，适用于不同的穿戴者，还具有结构简单易加工、成本低廉等优点。

技术领域

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。

发明内容

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，

所述柔性关节机构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。