CN114050702A - 基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，包括：永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置，控制器和电源。其中，永磁无轴承电机和下肢外骨骼支架通过连杆连接，控制器分别电连接角运动检测装置和电源，电源还电连接永磁无轴承电机的定子侧。角运动检测装置用于检测穿戴下肢外骨骼支架的使用者发生倾倒需要依靠时所需要产生的角动量，并把角动量发送到控制器，控制器在接收到角动量时控制电源向永磁无轴承电机提供电流，永磁无轴承电机在接入电流时转子通过改变速度向下肢外骨骼支架提供轴向方向所需要的角动量，进而与使用者发生倾倒需要依靠时提供支撑，维持整个系统的重心平衡，提高使用者的自主行动能力。

Description

基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统。

背景技术

可穿戴式下肢外骨骼支架(俗称机械腿)作为一种辅助医疗器械，可以有效帮助下肢肌肉关节损伤或偏瘫的患者实现站立和行走。近年来出现的下肢外骨骼机器人在外骨骼支架的基础上增加了动力系统、控制检测系统和传动系统，甚至可以通过感应人体的运动状态，自动控制机械腿的运动，保持人体重心平衡，同时提升人体负重能力，除了可用于人体下肢的康复训练和提升人体负载能力外，在军事、应急救援等领域也有广泛的应用前景。但目前国内外下肢外骨骼机器人都尚处于研发阶段，制造和使用成本较高，且舒适性较差。而无动力下肢外骨骼支架简单实用，体积小重量轻，更便于下肢运动能力下降的患者尤其是老年患者的使用。但是现有的下肢外骨骼支架不能实现自平衡，使用者需要自己或借助他人帮助以保持身体重心平衡，这就降低了下肢外骨骼支架的实用性能和使用效果。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中下肢外骨骼支架不能实现自平衡的问题，本申请提供一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统。

本申请的方案如下：

一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，包括：

永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置，控制器和电源；

所述永磁无轴承电机和所述下肢外骨骼支架通过连杆连接；

所述控制器分别电连接所述角运动检测装置和所述电源；

所述电源还电连接所述永磁无轴承电机；

所述角运动检测装置用于检测使用者发生倾倒需要依靠时所需要的角动量，并把角动量信号发送到所述控制器；

所述控制器用于在接收到所述角动量信号时控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供电流；

所述永磁无轴承电机用于在接入电流时向所述下肢外骨骼支架提供轴向方向的角动量。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述永磁无轴承电机包括：

空心外环和内环；

所述空心外环表面缠绕有多个线圈，内壁呈环形金属轨道；其中，所述线圈电连接所述电源；

所述内环上设置有多组永磁体，且所述内环设置在所述空心外环内壁形成的的所述环形金属轨道上；

所述空心外环表面缠绕的线圈在通电时产生磁场，所述内环在所述线圈产生磁场的牵引作用下进行水平方向的圆周运动。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述空心外环包括：外环导体和外环铁芯；

所述空心外环为分段结构，所述外环导体和所述外环铁芯交错连接成环；

所述线圈缠绕在所述外环铁芯上。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述内环包括：环型永磁体载体和转矩永磁体组；

所述环型永磁体载体设置在所述空心外环内壁的环形金属轨道上；

所述转矩永磁体组包括多个转矩永磁体，多个所述转矩永磁体均沿所述环型永磁体载体圆周方向设置；所述转矩永磁体组用于在所述线圈产生磁场的牵引作用下被动受力运动，并带动所述环型永磁体载体设置在所述空心外环内壁形成的环形金属轨道上进行水平方向的圆周运动。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述内环还包括：防碰撞永磁体组和悬浮永磁体组；

所述防碰撞永磁体组包括多个防碰撞永磁体，多个所述防碰撞永磁体均沿所述环型永磁体载体径向方向设置；所述防碰撞永磁体组用于和所述外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生径向推力；

所述悬浮永磁体组包括多个悬浮永磁体，多个所述悬浮永磁体均沿所述环型永磁体载体轴向方向设置；所述悬浮永磁体组用于和所述外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生轴向悬浮力。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述转矩永磁体设置在所述防碰撞永磁体和所述悬浮永磁体之间；所述防碰撞永磁体设置在所述转矩永磁体和所述悬浮永磁体之间；所述悬浮永磁体设置在所述防碰撞永磁体和所述转矩永磁体之间。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，所述控制器用于在接收到所述角动量时，根据所述角动量的大小，基于预先配置的算法，计算实现总力矩平衡需要的电流值；控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供对应的电流。

优选的，在本申请一种可实现的方式中，还包括：

角速度传感器和光感传感器；

所述角速度传感器和所述光感传感器设置在所述空心外环内部，并分别连接所述控制器；

所述角速度传感器用于检测所述内环的转动角速度，并将所述内环的转动角速度发送到所述控制器；

所述光感传感器用于检测所述内环与所述空心外环的相对位置，并将所述内环与所述空心外环的相对位置发送到所述控制器；

所述控制器还用于根据所述内环的转动角速度，所述内环与所述空心外环的相对位置，控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供对应的电流。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请涉及一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，包括：永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置，控制器和电源。其中，永磁无轴承电机和下肢外骨骼支架通过连杆连接，控制器分别电连接角运动检测装置和电源，电源还电连接永磁无轴承电机的定子侧。角运动检测装置用于检测穿戴下肢外骨骼支架的使用者发生倾倒需要依靠时所需要产生的角动量，并把角动量发送到控制器，控制器在接收到角动量时控制电源向永磁无轴承电机提供电流，永磁无轴承电机在接入电流时转子通过改变速度向下肢外骨骼支架提供轴向方向所需要的角动量，进而与使用者发生倾倒需要依靠时提供支撑，维持整个系统的重心平衡，提高使用者的自主行动能力。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请一个实施例提供的一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统的结构示意图；

图2是本申请一个实施例提供的一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统的电路结构示意图；

图3是本申请一个实施例提供的永磁无轴承电机的空心外环结构示意图；

图4是本申请一个实施例提供的永磁无轴承电机的内环结构示意图；

图5是本申请一个实施例提供的永磁无轴承电机双环结构采用的直线电机原理图及内环运行角速度原理图；

图6是本申请一个实施例提供的永磁无轴承运动过程中内环和空心外环的磁场交互示意图；

图7为一个实施例提供的一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统保持重心平衡的原理图。

附图标记：永磁无轴承电机-1；连杆-2；腰部承载架-3；大腿连杆-4；膝关节轴-5；小腿连杆-6；脚踏板-7；角运动检测装置-8；控制器-9；电源-10。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，参照图1-图2，包括：

永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置8，控制器9和电源10；

其中，下肢外骨骼支架主要包括：腰部承载架3，大腿连杆4，膝关节轴5，小腿连杆6和脚踏板7；膝关节轴5，结合小腿连杆6及脚踏板7，用于支撑和平衡人体重心；

永磁无轴承电机和下肢外骨骼支架通过连杆2连接；

控制器9分别电连接角运动检测装置8和电源10；

电源10还电连接永磁无轴承电机；

角运动检测装置8用于检测使用者发生倾倒需要依靠时所需要的角动量，并把角动量信号发送到控制器9；

控制器9用于在接收到角动量信号时控制电源10向永磁无轴承电机提供电流；

永磁无轴承电机用于在接入电流时向下肢外骨骼支架提供轴向方向的角动量。

本实施例中的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，包括：永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置8，控制器9和电源10。其中，永磁无轴承电机和下肢外骨骼支架通过连杆连接，控制器9分别电连接角运动检测装置8和电源10，电源10还电连接永磁无轴承电机的定子侧。角运动检测装置8用于检测穿戴下肢外骨骼支架的使用者发生倾倒需要依靠时所需要产生的角动量，并把角动量发送到控制器9，控制器9在接收到角动量时控制电源10向永磁无轴承电机提供电流，永磁无轴承电机用于在接入电流时转子通过改变速度向下肢外骨骼支架提供轴向方向所需要的角动量，进而与使用者发生倾倒需要依靠时提供支撑，维持整个系统的重心平衡，提高使用者的自主行动能力

一些实施例中的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，参照图3-图4，永磁无轴承电机包括：

空心外环和内环；

空心外环表面缠绕有多个线圈，内壁呈环形金属轨道；其中，线圈电连接电源10；

内环上设置有多组永磁体，且内环设置在空心外环内壁形成的环形金属轨道上；

空心外环表面缠绕的线圈在通电时产生磁场，内环在线圈产生磁场的牵引作用下进行水平方向的圆周运动。

具体的，空心外环包括：外环导体和外环铁芯；

空心外环为分段结构，外环导体和外环铁芯交错连接成环；

线圈缠绕在外环铁芯上。

内环包括：环型永磁体载体和转矩永磁体组；

环型永磁体载体设置在空心外环内壁的环形金属轨道上；

转矩永磁体组包括多个转矩永磁体，多个转矩永磁体均沿环型永磁体载体圆周方向设置；转矩永磁体组用于在线圈产生磁场的牵引作用下被动受力运动，并带动环型永磁体载体设置在空心外环内壁形成的环形金属轨道上进行水平方向的圆周运动。

本实施例中，空心外环为分段结构，外环导体和外环铁芯交错连接成环，其中非导体的外环铁芯部分缠绕线圈，双环结构的内环基于直线电机原理在空心外环中作水平圆周转动，参照图5，通过向空心外环转矩线圈中通入频率可控的高频交流电流，使外环产生行波磁场，从而推动内环的环型永磁体载体进行水平圆周转动。

进一步的，为了减少了能量的消耗，内环还包括：防碰撞永磁体组和悬浮永磁体组；

防碰撞永磁体组包括多个防碰撞永磁体，多个防碰撞永磁体均沿环型永磁体载体径向方向设置；所述防碰撞永磁体组用于和所述外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生径向推力；

悬浮永磁体组包括多个悬浮永磁体，多个悬浮永磁体均沿环型永磁体载体轴向方向设置；悬浮永磁体组用于和外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生轴向悬浮力。

本实施例中，参照图6，通过在环型永磁体载体上设置防碰撞永磁体组和悬浮永磁体组，外环导体部分由于永磁体的运动切割产生电流，根据楞次定律，感应电流的磁场和切割的磁场方向相互排斥，从而可以保证内环悬浮。

一些实施例中的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，

转矩永磁体设置在防碰撞永磁体和悬浮永磁体之间；防碰撞永磁体设置在转矩永磁体和悬浮永磁体之间；悬浮永磁体设置在防碰撞永磁体和转矩永磁体之间。

本实施例中提供了一种转矩永磁体组，防碰撞永磁体组和悬浮永磁体组在环型永磁体载体上的设置方式。

优选的，各永磁体之间的间隔相同。

优选的，各组永磁体包括4个，或6个，或8个永磁体。

优选的，相邻两个转矩永磁体的磁极设置方向相同；

防碰撞永磁体S极朝向内环圆心；

悬浮永磁体S极朝下。

本实施例中的内环采用永磁材料，且形成n-s-n-s磁极结构。

一些实施例中的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，

控制器9用于在接收到角动量时，根据角动量的大小，基于预先配置的算法，计算实现总力矩平衡需要的电流值；控制电源10向永磁无轴承电机提供对应的电流。

本实施例中，预先配置的算法具体包括：

外环线圈产生的磁场同步速度按照下述公式确定：

v_s＝2wf

其中，v_s表示外环线圈产生的行波磁场同步速度，单位为m/s；w表示磁极极距，单位为m；f表示外环线圈所通电流频率，单位为Hz。

此时，空心外环和内环共同构成一个空载的永磁同步电机，内环的运动的角速度为

ω＝v_s/r＝2wf/r

其中r为内环永磁转子的平均半径。

系统总的角动量为：

L＝Jω

其中，J是内环转子的转动惯量。

如图7所示，当使用者穿戴的膝关节轴5产生一个辅助力矩时，在此过程中，假设膝关节轴5对人体重心所产生的力矩大小为M，作用时间为Δt，则有

ΔL＝MΔt＝JΔω

即外界或辅助系统对人体产生力矩时，只需要相应的变换内环的转速即可实现总力矩的平衡，从而可保持人体的重心稳定。而内环的转速可以通过空心外环线圈所通电流频率进行改变，即只需相应的变换空心外环线圈所通电流频率即可实现总力矩的平衡。

本实施例中的永磁无轴承电机，可以通过改变电流方向从而改变内环的转动方向，进而改变永磁无轴承电机向下肢外骨骼支架提供的角动量的方向。

一些实施例中的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，还包括：

角速度传感器和光感传感器；

角速度传感器和光感传感器设置在空心外环内部，并分别连接控制器9；

角速度传感器用于检测内环的转动角速度，并将内环的转动角速度发送到控制器9；

光感传感器用于检测内环与空心外环的相对位置，并将内环与空心外环的相对位置发送到控制器9；

控制器9还用于根据内环的转动角速度，内环与空心外环的相对位置，控制电源10向永磁无轴承电机提供对应的电流。

本实施例中，通过角速度传感器和光感传感器实时监测内环的转动角速度，内环与空心外环的相对位置，进而调节空心外环线圈所通的电流频率，以实现对内环转动角速度的控制，同时保持内环与空心外环的相对位置不变。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，包括：

永磁无轴承电机，下肢外骨骼支架，角运动检测装置，控制器和电源；

所述永磁无轴承电机和所述下肢外骨骼支架通过连杆连接；

所述控制器分别电连接所述角运动检测装置和所述电源；

所述电源还电连接所述永磁无轴承电机；

所述角运动检测装置用于检测使用者发生倾倒需要依靠时所需要的角动量，并把角动量信号发送到所述控制器；

所述控制器用于在接收到所述角动量信号时控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供电流；

所述永磁无轴承电机用于在接入电流时向所述下肢外骨骼支架提供轴向方向的角动量。

2.根据权利要求1所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，所述永磁无轴承电机包括：

空心外环和内环；

所述空心外环表面缠绕有多个线圈，内壁呈环形金属轨道；其中，所述线圈电连接所述电源；

所述内环上设置有多组永磁体，且所述内环设置在所述空心外环内壁形成的的所述环形金属轨道上；

所述空心外环表面缠绕的线圈在通电时产生磁场，所述内环在所述线圈产生磁场的牵引作用下进行水平方向的圆周运动。

3.根据权利要求2所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，

所述空心外环包括：外环导体和外环铁芯；

所述空心外环为分段结构，所述外环导体和所述外环铁芯交错连接成环；

所述线圈缠绕在所述外环铁芯上。

4.根据权利要求3所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，

所述内环包括：环型永磁体载体和转矩永磁体组；

所述环型永磁体载体设置在所述空心外环内壁的环形金属轨道上；

所述转矩永磁体组包括多个转矩永磁体，多个所述转矩永磁体均沿所述环型永磁体载体圆周方向设置；所述转矩永磁体组用于在所述线圈产生磁场的牵引作用下被动受力运动，并带动所述环型永磁体载体设置在所述空心外环内壁形成的环形金属轨道上进行水平方向的圆周运动。

5.根据权利要求4所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，

所述内环还包括：防碰撞永磁体组和悬浮永磁体组；

所述防碰撞永磁体组包括多个防碰撞永磁体，多个所述防碰撞永磁体均沿所述环型永磁体载体径向方向设置；所述防碰撞永磁体组用于和所述外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生径向推力；

所述悬浮永磁体组包括多个悬浮永磁体，多个所述悬浮永磁体均沿所述环型永磁体载体轴向方向设置；所述悬浮永磁体组用于和所述外环导体中感应的电流和磁场之间相互作用产生轴向悬浮力。

6.根据权利要求5所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，

所述转矩永磁体设置在所述防碰撞永磁体和所述悬浮永磁体之间；所述防碰撞永磁体设置在所述转矩永磁体和所述悬浮永磁体之间；所述悬浮永磁体设置在所述防碰撞永磁体和所述转矩永磁体之间。

7.根据权利要求1所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，

所述控制器用于在接收到所述角动量时，根据所述角动量的大小，基于预先配置的算法，计算实现总力矩平衡需要的电流值；控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供对应的电流。

8.根据权利要求2所述的基于永磁无轴承电机的下肢外骨骼支架自平衡系统，其特征在于，还包括：

角速度传感器和光感传感器；

所述角速度传感器和所述光感传感器设置在所述空心外环内部，并分别连接所述控制器；

所述角速度传感器用于检测所述内环的转动角速度，并将所述内环的转动角速度发送到所述控制器；

所述光感传感器用于检测所述内环与所述空心外环的相对位置，并将所述内环与所述空心外环的相对位置发送到所述控制器；

所述控制器还用于根据所述内环的转动角速度，所述内环与所述空心外环的相对位置，控制所述电源向所述永磁无轴承电机提供对应的电流。

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