CN102413804A - 用于操作适于环绕感兴趣对象的外壳的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作适于环绕感兴趣对象的外壳并用于在其上提供力的伺服系统。伺服电动机耦合到电源且操作外壳的位置并且因此操作由外壳施加在感兴趣对象上的力。测量单元测量由电源提供以驱动伺服电动机的原始驱动电流信号I_raw。低通滤波器在所测量的滤波电流信号I_filtered应用低通频率滤波。处理单元基于伺服电动机设置参数确定致动电流信号I_actuated，其中I_actuated指示伺服电动机在操作外壳位置时对I_raw的贡献。该处理单元还确定指示由外壳施加在感兴趣对象上的力的驱动力电流信号I_force，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例。

Description

用于操作适于环绕感兴趣对象的外壳的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于操作适于环绕感兴趣对象的外壳并在其上提供力的伺服系统和方法。

背景技术

US20070203433公开了一种可穿戴放松诱导装置，其包括由紧紧地穿在躯干上的弹性地柔软织物制成的甲胄（harness）或衣服。机电传感器被附接到该织物以用于将穿戴者的呼吸运动转换成表示呼吸速率和深度的电信号。电动操作的换能器附加到该织物以用于提供对身体的关于呼吸的触觉反馈，并且电子电路用于处理由机电传感器产生的电信号且用于以所选的可调节的顺序和速率（rate）操作该换能器。

这样的呼吸带被用于测量人的呼吸速率。大多数带使用气压传感器来在呼吸期间测量胸腔的膨胀和收缩中的变化。已经证实，经引导的呼吸对（快速）放松有益，放松又对人的幸福有益。当前可用的呼吸带仅测量呼吸速率，但是它们不向用户提供关于如何呼吸的内建的触觉刺激，例如反馈。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够同时感测呼吸和致动（actuation）的改进的伺服系统。

根据第一方面，本发明涉及一种用于操作适于围绕感兴趣对象的外壳并且用于在其上提供力的伺服系统，包括：

- 伺服电动机，适于操作外壳的位置且因此操作由外壳施加在感兴趣对象上的力，

- 测量单元，适于测量由电源提供以驱动伺服电动机的原始（raw）驱动电流信号I_raw，

- 低通滤波装置，适于将低通频率滤波应用在I_raw上以用于确定滤波电流信号I_filtered，以及

- 处理单元，适于确定：

  - 基于伺服电动机设置参数的致动电流信号I_actuated，I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw-的贡献，

  - 驱动力电流信号I_force，其指示由外壳施加在感兴趣对象上的力，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例。

由此可见，提供了一种可以还用作力传感器的伺服系统，因为力电流信号I_force指示由外壳施加在感兴趣对象上的力。

在一个实施例中，感兴趣对象是用户的躯干并且其中外壳是环绕躯干的带，该带的位置的操作包括促使带的环绕长度恒定，其中I_force指示由带施加在躯干上的力。

在一个实施例中，感兴趣对象是用户的躯干并且其中外壳是环绕躯干的带，位置的操作包括借助改变带的位置保持带施加在躯干上的力恒定，其中I_force指示由带施加在躯干上的瞬时力，并且其中处理单元将I_force用作操作参数，其用于命令伺服电动机根据I_force调节带的位置以使得所得的力变成基本恒定。以此方式，该带正在随同用户一起“呼吸”，这意味着它未被用户感觉到。即，这使得心电图（ecg）带正相当多地约束胸腔并且因此是强迫人的（obtrusive）。相应地，通过知道该力，提供操作参数，例如，力/电流是否会增加、减小或保持恒定，依赖于该带是否处于固定位置操作模式或固定力操作模式。

在一个实施例中，处理单元进一步适于基于I_force的频率确定用户的呼吸。在应用所述低通滤波，I_force展现出所述电流导致在保持力恒定或导致膨胀/收缩带方面的结果。因此，获得如正弦波的电流信号，其中信号频率是用户的呼吸的清楚指示符。

在一个实施例中，处理单元进一步适于基于I_force的幅度确定用户的呼吸深度。相应地，所得的I_force信号的深度展示出呼吸深度并且因此展现出用户正在吸入/呼出的程度。

在一个实施例中，外壳是第一和第二踝支具（brace），其间具有借助伺服电动机致动的接头，其中该伺服电动机操作该位置以便允许该接头自由移动或施加支持踝的力。

在一个实施例中，处理单元基于I_force的幅度确定由外壳施加在感兴趣对象上的力，使得幅度变得越大，由外壳施加在感兴趣对象上的力变得越大。

在一个实施例中，低通滤波包括低于500Hz、更优选地低于50Hz、更优选地低于50Hz，更优选地等于或小于1Hz的频率滤波。

在一个实施例中，I_actuator是从伺服电动机设置导出的。在一个实施例中，该伺服电动机设置包括伺服电动机的速度、开始和停止位置，其中速度给出电流值，这是从电动机规范得出的。

根据另一个方面，本发明涉及一种操作适于围绕感兴趣对象的外壳并用于通过操作外壳的位置在其上提供力的方法，该方法包括：

- 测量由电源提供以用于驱动伺服电动机操作外壳的位置的原始驱动电流信号I_raw，

- 将低通频率滤波应用在I_raw上以用于确定滤波电流信号I_filtered，以及

- 基于伺服电动机设置参数确定致动电流信号I_actuated，I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw的贡献，以及

- 确定指示由外壳施加在感兴趣对象上的力的驱动力电流I_force，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例。

根据又一个方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其用于在该产品运行在计算机设备上时命令处理单元执行所述方法步骤。

本发明的各方面中的每一个可以与任一其他方面组合。本发明的这些和其他方面将根据下文所述的实施例而变得清楚明白并参照这些实施例而被阐明。

附图说明

将参照附图仅仅示例地描述本发明的实施例，在附图中

图1示出根据本发明的用于操作适于环绕感兴趣对象并且用于在其上提供力的伺服系统，

图2a、b示出图1中的伺服系统的一个实施例，

图3示出外壳是其间具有接头的第一和第二踝支具的实施例，伺服电动机位于该接头处，

图4a-c示出在伺服电动机保持在固定位置的同时通过带上的伺服电动机的电流的测量的实例，

图5描绘了用于将低通频率滤波应用在所测量的原始驱动电流信号I_raw的滤波电路的一个实施例，以及

图6是根据本发明的操作适于环绕感兴趣对象的外壳的方法实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于操作适于环绕感兴趣对象的外壳并用于在其上提供力的伺服系统100。该伺服系统100包括伺服电动机（S_M）101、测量单元（M_U）102、低通滤波装置（L_P）103和处理单元（P_U）104。

伺服电动机（S_M）101可连接到诸如电池或太阳能电池的电源，并且适于操作外壳的位置并因此操作由外壳施加在感兴趣对象上的力。如稍后结合图2和3更详细地讨论的，作为实例，外壳是带、踝支具等等，并且感兴趣的对象可以是用户的躯干或扭伤的踝。

测量单元（M_U）102适用于测量由电源提供以驱动伺服电动机的原始驱动电流信号I_raw。这将结合图4更详细地讨论。

作为实例，低通滤波装置（L_P）103是数字或模拟电路或处理器，其中低通频率滤波被应用在所测量的原始驱动电流信号I_raw 106上。如将结合图4和5更详细地讨论的，所测量的原始驱动电流信号I_raw典型地在kHz（例如大约1kHz）范围内，并且低通滤波包括低于500Hz、更优选地低于50Hz、更优选地低于50Hz、更优选地等于或低于1Hz的频率滤波。滤波的结果是滤波的电流信号I_filted 105。

处理单元（P_U）104适于基于伺服电动机设置参数确定致动电流信号I_actuated 107，其中I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw的贡献。

处理单元（P_U）104进一步适于确定指示由外壳施加在感兴趣对象上的力的驱动力电流信号I_force 107，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例，即I_force~（I_filtered- I_actuated）。

在一个实施例中，该力基于力电流信号I_force 107的幅度确定，使得幅度变得越大，由外壳施加在感兴趣对象上的力变得越大。作为实例，这可以使用简单的校准来完成，其中利用实际力传感器（外部力传感器）测量该实际力若干不同的力值并与力电流信号I_force 107的幅度进行比较。

为进一步澄清典型伺服电动机如何工作，该伺服电动机可以根据由伺服控制器提供的某种编码的信号设置其位置。该编码通常借助方波信号在0伏特与规定的幅度（比如5伏特）之间的规定频率处的脉宽调制（PWM）来完成。在给定的PWM，伺服电动机移动到对应的位置，对于该对应位置，它需要从其电源汲取原始驱动电流信号I_raw 106。当伺服电动机到达属于PWM设置的位置时，它将设法将其保持在该位置。在这种情况下，从电源汲取的原始驱动电流信号I_raw 106将直接取决于施加在伺服上的力。通过将所述滤波应用在驱动电流信号I_raw 106，获得I_filtered- 105。如果伺服电动机同时用作致动器，则伺服电动机改变其位置，但是位置方面的这种改变需要伺服电动机汲取附加电流。如果位置改变导致带的收紧和或放松，则力发生变化并且由此I_filtered发生变化。位置的这种变化导致所述I_actuated的变化，其对I_raw 106作出贡献并且因此对I_filtered- 105作出贡献。作为实例，I_actuated可以从致动器设置（即从速度、开始和停止位置）得出。该速度给出了电流值，其遵循电动机规范。开始与停止位置之间的差除以速度，导致由于致动引起的电流增大的持续时间。

基于上述，通过知道I_filtered和I_actuated，由于外壳施加在感兴趣对象上的力引起的电流信号的贡献可以通过下述公式给出：

I--__force=（I__filtered– I__actuated）/PWN，              （1）

其中I__actuated和PWN二者是从关于伺服系统和驱动它的方式的先验知识得出。如先前所讨论，I__force提供了关于外壳施加在感兴趣对象上的力的信息以及关于主体的呼吸速率的信息。在外壳被保持在恒定位置处的情况下，I__actuated为零，而在伺服电动机同时被用作致动器的情况下，I__actuated为非零。

图2a、2b示出图1中的伺服系统100的一个实施例，其中感兴趣对象是用户200的躯干204，并且其中外壳是环绕躯干的带201。存在两个测量选项，一个是保持电动机的位置恒定，即可变力，而另一个是保持力恒定（I_force的幅度恒定），其中相应地调整带的长度。

当电动机的位置被保持恒定时，所述力可以通过监视I_force来监视，因为力电流信号I_force-指示维持带201的位置恒定所需的从电源汲取的电流，并且因此指示由带201施加在带上的力。在该恒定位置设置中，所述带可以例如被调整以使得在呼吸循环期间最大电流是最大可允许电流信号I_actuated的例如70%。典型地，具有正弦型形状的力电流信号I_force的频率指示用户的呼吸，使得频率越大，呼吸越大。而且，力电流信号I_force的深度可以被用作指示符，指示用户的呼吸深度以及因此指示用户吸气/呼气多少。

另一方面，当所述测量基于保持力电流信号I_force的幅度恒定时，带201施加恒定力在用户的躯干上并且呼吸从位置得出。相应地，位置的操作基于借助改变带的位置维持由带施加在躯干上的力恒定，以便维持力电流信号I_force的幅度恒定并且因此维持由带施加在躯干上的瞬时力。以此方式，伺服电动机使用I_force作为操作参数，通过该手段（by means）根据I_force调整带的位置，使得所得的力变得基本恒定。该测量选项是较少强迫人的（obtrusive）并且在电流设置保持较低的情况下它消耗较少的功率。作为实例，假定I_force（0秒）=1N，I_force（0.2秒）=1.2N，则带201将膨胀直到I_force（0.4秒）=1N为止。在确定I_force的过程中当然存在各种时间指示符，例如I_force可以每秒1次、每秒10次或多于或少于每秒10次被确定。

图3示出一个实施例，其中外壳是第一和第二踝支具300，第一和第二踝支具之间具有接头301，伺服电动机位于其中，其中该接头（joint）借助该伺服电动机致动。相应地，该伺服电动机操作该位置以便允许接头自由移动，即I_force（幅度）被维持恒定，或者允许施加支持踝的力。

图4a-c示出通过外壳（带）上的伺服电动机的电流的测量的实例，同时该电动机保持在固定位置处。原始数据I_raw在图4a中被示出并且表示驱动伺服电动机的电流。伺服电动机的脉宽调制（PWM）驱动导致高频信号（大约1kHz）。图4b示出，通过在I_raw上应用20Hz的低通滤波，获得滤波电流信号I_filtered，其中电动机的机械响应仍以震荡形式（4-6Hz）可见。图4c示出使用1Hz低通滤波器，获得更清楚的I_filtered信号。由于该实例针对外壳的位置是固定的场景应用，所以I_actuated为零（参见公式1）。因此，I_filtered对应于I_force。因此，该干净（clean）I_filtered（I_force）给出了外壳（例如带）的用户的非常干净的呼吸信号。如先前所讨论，力电流信号I_force的渐增的幅度对应于吸气，而渐减的电流对应于呼气。如图所示，这归因于PWM频率与该严厉的滤波适用的感兴趣的频率之间的大差异。

图5描绘了滤波电路的一个实施例。该驱动原始电流信号I_raw可以在模拟或数字域中发生。该低通滤波器可以使用ω₀=1/(R2×C)的截止频率操作。模拟滤波可以借助简单的RC网络实现或实现为这里示出的有缘滤波器。在数字域中，需要在优选地至少为感兴趣信号的频率（尼奎斯特频率）两倍的频率采样信号。在该实施例中，几Hz的采样速率比PWM频率（~kHz）小得多。通过在稍微更高频率（例如数十Hz，仍然明显低于PWM频率）处采样并且将移动平均应用到采样的值，所述信号变得更平滑（参见图4）。

图6示出根据本发明的操作适于环绕感兴趣对象的外壳且用于在其上提供力的方法的实施例的流程图，其中伺服器耦合到电源，适于操作外壳的位置并且因此操作由外壳施加在感兴趣对象上的力。

在步骤（S1）601中，测量由电源提供的用于驱动伺服电动机的原始驱动电流信号I_raw，在步骤（S2）602中，将低通频率滤波应用在I_raw上以用于确定施加的滤波电流信号I_filtered，在步骤（S3）603中，基于伺服电动机设置参数确定致动电流信号I_actuated，I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw的贡献，以及在步骤（S4）604中，确定指示由外壳施加在感兴趣区域上的力的驱动力电流I_force，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例。为了进一步澄清每个相应的步骤，参考在图1-5下先前的讨论。

为了解释而非限制的目的，阐述了所公开的实施例的某些特定细节，以便提供对本发明的清楚和彻底的理解。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以在不完全符合本文所阐述的细节的其他实施例中实践，而不显著脱离本公开的精神和范围。而且，在该上下文中，且为了简要和清楚的目的，省略了公知装置、电路和方法的详细描述，从而避免不必要的细节和可能的混淆。

权利要求中包括附图标记，然而附图标记的包括仅仅是因为清楚的原因并且不应当解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种用于操作适于围绕感兴趣对象的外壳并且用于在其上提供力的伺服系统（100），包括：

- 伺服电动机（101），适于操作外壳的位置且因此操作由外壳施加在感兴趣对象上的力，

- 测量单元（102），适用于测量由电源提供的用于驱动伺服电动机的原始驱动电流信号I_raw（106），

- 低通滤波装置（103），适于将低通频率滤波应用在I_raw上以用于确定滤波电流信号I_filtered（105），以及

- 处理单元（104），适于确定：

  - 基于伺服电动机设置参数的致动电流信号I_actuated，I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw-的贡献，

  - 驱动力电流信号I_force（107），其指示由外壳施加在感兴趣对象上的力，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例。

2.根据权利要求1的伺服系统，其中所述感兴趣对象是用户（200）的躯干（201）并且其中外壳是环绕躯干的带（201），该带的位置的操作包括促使带的环绕长度恒定，其中I_force指示由带施加在躯干上的力。

3.根据权利要求1的伺服系统，其中所述感兴趣对象是用户（200）的躯干（201）并且其中外壳是环绕躯干的带，位置的操作包括借助改变带的位置保持带施加在躯干上的力恒定，其中I_force指示由带施加在躯干上的瞬时力，并且其中处理单元将I_force用作操作参数以用于命令伺服电动机根据I_force调节带的位置以使得所得的力变成基本恒定。

4.根据权利要求2或3的伺服系统，其中处理单元（104）进一步适于基于I_force的频率确定用户的呼吸。

5. 根据权利要求2或3的伺服系统，其中处理单元（104）进一步适于基于I_force的幅度确定用户的呼吸深度。

6.根据权利要求1的伺服系统，其中外壳是第一和第二踝支具（300），其间具有借助伺服电动机致动的接头（301），其中该伺服电动机操作该位置以便允许该接头（301）自由移动或施加支持踝的力。

7.根据权利要求1的伺服系统，其中处理单元（104）基于I_force的幅度确定由外壳（201,300）施加在感兴趣对象上的力，使得幅度变得越大，由外壳施加在感兴趣对象上的力变得越大。

8.根据权利要求1的伺服系统，其中低通滤波包括低于500Hz、更优选地低于50Hz、更优选地低于50Hz，更优选地等于或小于1Hz的频率滤波。

9.根据权利要求1的伺服系统，其中I_actuator是从伺服电动机设置导出的。

10.根据权利要求9的伺服系统，其中所述伺服电动机设置包括伺服电动机的速度、开始和停止位置，其中速度给出电流值，这是从电动机规范得出的。

11.一种操作适于围绕感兴趣对象的外壳并用于在其上提供力的方法，其中伺服电动机适于操作外壳的位置，该方法包括：

- 测量由电源提供的用于驱动伺服电动机的原始驱动电流信号I_raw（601），

- 将低通频率滤波应用在I_raw上以用于确定滤波电流信号I_filtered（602），以及

- 基于伺服电动机设置参数确定致动电流信号I_actuated，I_actuated指示伺服电动机在操作外壳的位置时对I_raw的贡献（603），以及

- 确定指示由外壳施加在感兴趣对象上的力的驱动力电流I_force，其中I_force与I_filtered和I_actuated之间的差成比例（604）。

12.一种计算机程序产品，其用于在该产品在计算机设备上运行时命令处理单元执行权利要求11的方法步骤。

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