CN104622669A - 行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法。控制方法包括：通过感测或测量至少一个关节的动作来收集动作信息；基于感测或测量到的所述至少一个关节的动作来确定所述至少一个关节的动作状态；基于被确定的所述至少一个关节的动作状态来控制行走辅助机器人。

Description

行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法

本申请要求于2013年11月7日提交到韩国知识产权局的第2013-0134784号韩国专利申请的权益，所述申请的公开内容通过引用合并于此。

技术领域

示例实施例涉及一种行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法。

背景技术

行走辅助装置可帮助行走有困难的用户，进而让该用户更容易行走。由于先天原因(诸如遗传缺陷)或后天原因(诸如年龄、疾病、事故等)，人们可能行走有困难。提供行走辅助装置以减轻这种行走困难。

行走辅助装置的示例包括行走辅助车和行走辅助机器人，其中，行走辅助车设置有至少一个轮子和支撑板，行走辅助机器人通过在行走期间将所需要的力施加到人体的肌肉来帮助用户行走。

行走辅助机器人可固定在人体的臀部、大腿、小腿等，并通过经由致动器和各种机械将力(例如，力矩)施加到肌肉和关节来帮助肌肉和关节运动，进而帮助穿戴者更容易行走。

发明内容

因此，一些示例实施例提供一种可适当和有效地帮助用户行走的行走辅助机器人以及一种控制行走辅助机器人的方法。

示例实施例将部分地在以下的描述中阐述，并且从所述描述中部分将是清楚的，或通过所述示例实施例的实践可被获知。

一些示例实施例涉及一种行走辅助机器人。

在一些示例实施例中，行走辅助机器人包括：至少一个关节；动作信息收集单元，用于感测或测量所述至少一个关节的动作；处理单元，用于基于感测或测量到的所述至少一个关节的动作来确定所述至少一个关节的动作状态，并基于与所述至少一个关节的动作状态有关的被确定的结果来控制行走辅助机器人。

一些示例实施例涉及一种控制行走辅助机器人的方法。

在一些示例实施例中，所述方法包括：通过感测或测量至少一个关节的动作来收集动作信息；基于收集到的动作信息来确定所述至少一个关节的动作状态；基于所确定的所述至少一个关节的动作状态来控制行走辅助机器人。

一些示例实施例涉及一种控制行走辅助装置的至少一个关节的运动的方法。

在一些示例实施例中，所述方法包括：检测行走辅助装置的所述至少一个关节的动作；基于所述至少一个关节的动作来确定行走辅助装置的当前行走阶段，其中，当前行走阶段是与行走操作相关的多个行走阶段中的一个；基于当前行走阶段将辅助力矩施加到和所述至少一个关节相关的肢体。

在一些示例实施例中，辅助力矩包括主动分量、阻尼分量和动态补偿分量中的一个或更多个。

在一些示例实施例中，所述方法还包括：连续确定所述至少一个关节是正将正功施加到肢体以使肢体加速，还是正将负功施加到肢体以使肢体减速；如果所述至少一个关节正将正功施加到肢体，则调整辅助力矩的主动分量来增加被施加到肢体的辅助力矩；如果所述至少一个关节正将负功施加到肢体，则调整辅助力矩的阻尼分量来减小被施加到肢体的辅助力矩。

在一些示例实施例中，调整主动分量的步骤包括：基于力矩变化模式来确定主动分量，其中，力矩变化模式基于先前观察到的关节的动作被计算；调整阻尼分量的步骤包括：基于关节的角速度来确定阻尼分量，使得行走辅助装置的行走速度被保持在阈值以上。

在一些示例实施例中，行走辅助装置被配置为由用户穿戴，并且调整主动分量的步骤包括：确定用户和行走辅助装置是否正一致地行走，并且如果行走辅助装置和用户未一致地行走，则增加主动分量。

在一些示例实施例中，所述方法还包括：基于关于在先前行走状态改变时的时间的时间信息、关于力矩变化位置的力矩变化位置信息以及关于在当前行走状态下的最大关节力矩的信息，确定与当前行走阶段相关的力矩变化模式；基于力矩变化模式在当前行走阶段施加辅助力矩，使得辅助力矩按照时间的函数变化，并且使辅助力矩小于或等于与当前行走阶段相关的最大关节力矩。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，示例实施例的这些和/或其他方面将变得清楚和更易于理解，其中：

图1是示出行走辅助机器人的一个实施例的前视图；

图2是示出行走辅助机器人的一个实施例的侧视图；

图3是示出行走辅助机器人的一个实施例的配置的示图；

图4和图5是行走模型的一个实施例的示意图；

图6是力矩变化模式的一个实施例的示意图；

图7是计算出的运动信息的一个实施例的示意图；

图8是示出控制行走辅助机器人的方法的一个实施例的流程图；

图9是示出估计行走辅助机器人的关节动作的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

在此公开详细的说明性实施例。然而，在此公开的具体的结构和功能细节仅是代表性的，用于描述示例实施例的目的。可以以多种替换方式来实现示例实施例，并且示例性实施例不应被解释为仅受限于在此阐述的示例实施例。

然而，应理解的是，不意图将本公开限制于所公开的特定示例实施例。相反，示例实施例将覆盖所有落在示例实施例的范围内的修改、等同物和替代物。相同的标号在附图的描述中始终指示相同元件。

将理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等可在此被用于描述各种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，类似地，第二元件可被称为第一元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意组合和所有组合。

将理解的是，当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，所述元件可直接连接到或耦接到所述另一元件，或存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。应以相同的方式解释用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在…之间”对于“直接在…之间”，“相邻”对于“直接相邻”等)。

在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图进行限制。如在此所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式还意图包括复数形式。还将理解的是，当在此使用术语“包括”和“包含”时，表示陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

还应注意的是，在一些可选的实现中，功能/动作可能不按数字指出的顺序发生。例如，依据有关的功能/动作，连续示出的两副图事实上可基本同时执行，或有时可以以相反顺序执行。

现在将参照示出一些示例实施例的附图更全面地描述各种示例实施例。在附图中，为了清楚，层的厚度和区域被夸大。

在下文中，将参照图1至图6描述行走辅助机器人的一些示例实施例。

图1和图2分别是示出行走辅助机器人的一些示例实施例的前视图和侧视图，图3是示出行走辅助机器人的一些示例实施例的配置的示图。

如图1至图3中所示，行走辅助机器人1可包括行走辅助装置2和主体装置10，其中，行走辅助装置2被固定到穿戴者的腿或脚的一部分或全部以帮助穿戴者行走，主体装置10用于控制辅助行走装置2和/或收集各种信息。

如图1和图2中所示的行走辅助装置2可包括第一结构20、第二结构30和第三结构40中的至少一个。在以下对行走辅助机器人1的描述中，为了解释清楚起见，将描述包括全部的第一结构20、第二结构30和第三结构40的行走辅助机器人1的示例实施例。然而，行走辅助机器人1可不包括全部的前述的第一结构20、第二结构30和第三结构40，而是可仅包括第一结构20、第二结构30和第三结构40中的一部分，例如，行走辅助机器人1可仅包括第一结构20。主体装置10、第一结构20、第二结构30以及第三结构40之间的接合处可被称为行走辅助机器人的关节。

根据一些示例实施例，行走辅助装置2可包括单个第一结构20、单个第二结构30和单个第三结构40，使得穿戴者可在左腿和右腿中的任意一个上穿戴第一结构20、第二结构30和第三结构40之一。根据其他示例实施例，如图1中所示，行走辅助装置2可被配置为穿戴在穿戴者的左腿和右腿两者上，并因此，行走辅助装置2可包括第一结构20和20a对、第二结构30和30a对以及第三结构40和40a对。在行走辅助装置2包括第一结构20和20a对、第二结构30和30a对以及第三结构40和40a对的情况下，结构20和20a对、结构30和30a对或结构40和40a对的功能或操作除了不同的驱动方向外可基本相同。同样地，根据其他示例实施例，在行走辅助装置2中，可成对地提供结构20至40中的一部分。例如，行走辅助装置2可包括第一结构20和20a对、单个第二结构30和单个第三结构40。

在下文中，将参照第一结构20至第三结构40中的结构被单个地提供的情况来描述示例实施例，然而，示例实施例基本上同样适用于每个结构被成对地提供的情况。

对于行走动作，第一结构20可帮助穿戴者的大腿和髋关节运动。第一结构20可包括至少一个第一驱动单元21和至少一个第一支撑部件22。

第一驱动单元21可响应于从主体装置10的处理单元17发送的控制指令或通过致动器18的驱动来产生各种大小的力矩，并可将力矩施加到第一支撑部件22。第一驱动单元21可将固定或可变力矩施加到第一支撑部件22。第一驱动单元21可在将各种大小的力矩施加到第一支撑部件22时沿至少一个方向旋转。第一驱动单元21的旋转范围可在穿戴者的髋关节的运动范围内。

根据一些示例实施例，第一驱动单元21可包括使用从例如主体装置10的电源16供给的电力来产生各种大小的力矩的至少一个电机。所述至少一个电机可以是具有编码器的电机。根据其他示例实施例，第一驱动单元21可包括通过从主体装置10供给的电力、液压或气压运行的至少一个活塞或缸体装置。根据其他示例实施例，第一驱动单元21可包括至少一个电机以及至少一个活塞或缸体装置。

所述至少一个第一支撑部件22可连接到第一驱动单元21，并使用由第一驱动单元21产生的力矩沿至少一个方向旋转。第一支撑部件22可具有各种形状。例如，第一支撑部件22可采用至少一个支撑板的形式，并且/或包括多个转向节(knuckle)和将转向节相互连接的连杆(link)。所述多个转向节可采用支撑杆或支撑板的形式。可将至少一个第一固定部件23安装至第一支撑部件22。第一支撑部件22可通过第一固定部件23固定在穿戴者的大腿的内侧或外侧。

第一支撑部件22可经由第一固定部件23将由第一驱动单元21产生的期望的大小的力矩施加到穿戴者的大腿。例如，当第一支撑部件22通过第一驱动单元21的驱动而旋转时，第一支撑部件22经由第一固定部件23被固定到的穿戴者的大腿可沿相同方向旋转。因此，第一结构20可将期望的大小的力矩施加到例如穿戴者的大腿或髋关节以帮助穿戴者抬起或放下大腿。以这种方式，行走辅助机器人1可在穿戴者抬起他们的腿时或在行走期间帮助穿戴者。

第一固定部件23可由金属或各种其他弹性材料(诸如橡胶)等构成。第一固定部件23可采用规定的链条、弹性带或各种其他带的形式。也可将可由本领域技术人员采用的用于将第一支撑部件22固定到例如大腿的各种固定部件应用于第一固定部件23。

如图3中所示，第一结构20还可包括至少一个第一感测单元25。所述至少一个第一感测单元25可感测以下项中的至少一个：第一驱动单元21的操作、第一支撑部件22的操作以及穿戴者的髋关节的动作。第一感测单元25可基于感测的结果产生电信号，其中，感测的结果包括诸如关节角度、第一支撑部件22的倾斜度、关节的角速度和关节的加速度的信息。第一感测单元25可将由此获得的信息发送到动作状态确定器17b。

第一感测单元25例如可包括以下项中的至少一个：至少一个关节角度传感器、至少一个倾斜度传感器、至少一个加速度计和至少一个惯性测量单元(IMU)。第一感测单元25可安装在第一驱动单元21和第一支撑部件22中的至少一个上。例如，第一感测单元25可安装在第一驱动单元21和第一支撑部件22两者上。另外，第一感测单元25的一些组件可安装在第一驱动单元21上，且第一感测单元25的其他组件可安装在第一支撑部件22上。例如，关节角度传感器可安装在第一驱动单元21上，倾斜度传感器或惯性测量单元可安装在第一支撑部件22上。

如图3中所示，根据一些示例实施例，第一结构20还可包括至少一个第一测量单元26。所述至少一个第一测量单元26可连接到第一驱动单元21以测量与第一驱动单元21的操作有关的信息。与第一驱动单元21的操作有关的信息可包括第一驱动单元21的旋转角度、角速度和角加速度中的至少一个。例如，如果第一驱动单元21包括具有编码器的电机，则第一测量单元26可使用编码器的编码值来测量关节角度、速度和加速度。第一测量单元26可将由此测量的各种参数发送到关节动作估计器17a。

对于行走动作，第二结构30可帮助穿戴者的小腿和膝关节的运动。第二结构30可包括第二驱动单元31、第二支撑部件32和第二固定部件33。

第二驱动单元31可按与第一驱动单元21相同的方式沿至少一个方向产生各种大小的力矩。类似地，第二驱动单元31可包括至少一个电机和/或至少一个活塞或缸体装置。第二驱动单元31的所述至少一个电机可具有编码器。

至少一个第二支撑部件32可使用由第二驱动单元31产生的力矩沿至少一个方向旋转。第二支撑部件32的配置、结构、材料等可与以上描述的第一支撑部件22的配置、结构、材料等相同或不同。

第二结构30可包括一个或更多个用于将第二支撑部件32固定在穿戴者的小腿上的第二固定部件33和34。第二支撑部件32可通过第二固定部件33和34固定在穿戴者的小腿的内侧或外侧。第二固定部件33和34的配置、结构、材料等可与以上描述的第一固定部件23的配置、结构、材料等相同或不同。由于第二支撑部件32可通过第二固定部件33和34固定在小腿上，因此第二结构30可将规定大小的力矩施加到例如穿戴者的小腿或膝关节。以这种方式，第二结构30可帮助穿戴者抬起或放下小腿。

如图3中所示，第二结构30可包括至少一个第二感测单元35。所述至少一个第二感测单元35可感测第二驱动单元31的操作、第二支撑部件32的操作以及穿戴者的膝关节的动作中的至少一个，可将感测的结果转换为电信号，并可将电信号发送到动作状态确定器17b。第二感测单元35可包括至少一个关节角度传感器、至少一个倾斜度传感器、至少一个加速度计和至少一个惯性测量单元中的至少一个。第二感测单元35可安装在第二驱动单元31和第二支撑部件32中的至少一个上。按与第一感测单元25相同的方式，第二感测单元35的一些组件可安装在第二驱动单元31上，其他组件可安装在第二支撑部件32上。

如图3中所示，根据一些示例实施例，第二结构30可包括至少一个第二测量单元36。所述至少一个第二测量单元36可测量与第二驱动单元31的操作有关的信息，例如，第二驱动单元31的旋转角度、角速度和角加速度。如果第二驱动单元31包括具有编码器的电机，则第二测量单元36可使用编码器的编码器值来测量关节角度、速度和加速度。第二测量单元36可将由此收集到的各种参数发送到关节动作估计器17a。

对于行走动作，第三结构40可帮助穿戴者的脚踝的动作。第三结构40可包括第三驱动单元41、脚踏部件42和第三固定部件43。

按与第一驱动单元21相同的方式，第三驱动单元41可沿至少一个方向产生各种大小的力矩，以帮助穿戴者的与踝关节和脚踝周围的肌肉有关的动作。第三驱动单元41可按与第一驱动单元21和第二驱动单元31相同的方式包括至少一个电机和至少一个活塞或缸体装置中的至少一个。所述至少一个电机可具有编码器。

脚踏部件42可被配置为支撑落在其上的穿戴者的脚底。

第三固定部件43可用来将落在脚踏部件42上的穿戴者的脚固定在脚踏部件42上。第三固定部件43的配置、结构、材料等可与以上描述的第一固定部件23或第二固定部件33或34的配置、结构、材料等相同或不同。

如图3中所示，第三结构40还可包括至少一个第三感测单元45。所述至少一个第三感测单元45可感测以下项中的至少一个：第三驱动单元41的操作、第三固定部件43的操作以及穿戴者的踝关节的动作。第三感测单元45可包括至少一个关节角度传感器、至少一个倾斜度传感器、至少一个加速度计和至少一个惯性测量单元中的至少一个。第三感测单元45还可包括压力传感器。压力传感器可安装在脚踏部件42上。压力传感器可基于感测到的穿戴者的体重来感测穿戴者是否正穿戴着行走辅助机器人1，并且/或可感测穿戴者是否正站立着。另外，压力传感器可以是地面反作用力(GRF)传感器，其中，GRF传感器用于感测在行走期间被传递到穿戴者的脚的地面反作用力。第三感测单元45可将基于上述的感测由此产生的信号发送到动作状态确定器17b。

如图3中所示，第三结构40还可包括至少一个第三测量单元46。所述至少一个第三测量单元46可测量与第三驱动单元41的操作有关的信息，并将测量到的信息发送到关节动作估计器17a。如果第三驱动单元41包括具有编码器的电机，则第三测量单元46可使用编码器的编码器值来测量关节角度、速度和加速度。

根据一些示例实施例，行走辅助机器人1的第一固定部件23、第二固定部件33和34以及第三固定部件43的数量可大于或小于行走辅助机器人1的以上描述的第一固定部件23、第二固定部件33和34以及第三固定部件43。

以上描述的第一结构20至第三结构40的操作可由安装在主体装置10上的致动器18启动或控制。第一结构20至第三结构40可分别接收控制信号，或可在接收电力时由致动器18操作。

主体装置10可控制行走辅助装置2的操作和/或收集各种信息。另外，主体装置10可支撑穿戴者的上身，以帮助穿戴者稳定地穿戴行走辅助机器人1。

如图1和图2中所示，主体装置10可包括可容纳用于控制行走辅助机器人1的各种元件的壳体10a。壳体10a可容纳例如主体感测单元15、电源16和印刷电路板，其中，用于实现处理单元17的功能的处理器或各种半导体芯片可安装在印刷电路板上。主体装置10的外壳10a可安全地保护或稳定地固定被容纳在壳体10a中的各种元件。壳体10a可容纳用于控制行走辅助机器人1的各种元件，诸如印刷电路板，其中，用于提供处理单元17的功能的处理器或各种半导体芯片可安装在印刷电路板上。

主体装置10还可包括一个或更多个第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12。第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12可用来将壳体10a固定在穿戴者的身体的一部分上，例如，固定在穿戴者的腰部。例如，第一腰部固定部件11可连接到壳体10a，第二腰部固定部件12可连接到第一腰部支撑部件13。第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12可由金属或各种弹性材料(诸如橡胶)等形成，并可采用链条、弹性带或各种其他带的形式。可将可由本领域技术人员采用的用于将壳体10a固定在腰部、臀部等上的各种其他固定部件用作第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12。主体装置10还可包括用于支撑穿戴者的腰部的第一腰部支撑部件13。可将第一腰部支撑部件13设计为具有与穿戴者的腰部的形状相应的形状，以支撑穿戴者的腰部。第一腰部支撑部件13可通过至少一个第二腰部支撑部件14连接到壳体10a。

如图3中所示，主体装置10可包括例如主体感测单元15、电源16、处理单元17和致动器18。

主体感测单元15可感测穿戴者的各种动作和/或收集与动作有关的各种信息。例如，主体感测单元15可感测穿戴者的行走速度。主体感测单元15可包括以下项中的至少一个：至少一个速度传感器、至少一个倾斜度传感器、至少一个加速度计、至少一个惯性测量单元和位置测量单元(诸如，全球定位系统(GPS)单元)。

电源16可向壳体10a内部的各个元件或行走辅助装置2的各个驱动单元21、31和41的元件供电。电源16可被容纳在壳体10a中。电源16可以是原电池或蓄电池。原电池可包括汞电池、锰电池、碱性电池和锂电池中的至少一个。蓄电池可包括镍镉(Ni-cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池、铅酸电池、锂离子(Li-ion)电池、锂聚合物电池等。

处理单元17可基于从第一感测单元25、第二感测单元35和第三感测单元45和/或第一测量单元26、第二测量单元36和第三测量单元46发送的信息，确定至少一个关节(诸如臀关节、膝关节和踝关节)的动作状态或与每个关节相应的驱动单元21、31或41的操作状态。另外，处理单元17可基于针对所述至少一个关节的动作状态或与每个关节相应的驱动单元21、31或41的操作状态所确定的结果，产生用于控制行走辅助机器人1的控制信号。

处理单元17可包括容纳在壳体10a中的处理器。处理器可以是处理装置，其中，在该处理装置中，算术逻辑单元、寄存器、程序计数器、指令解码器、控制电路等安装在至少一个硅芯片上。处理器可由安装在印刷电路板上的至少一个半导体芯片来实现，其中，所述印刷电路板容纳在壳体10a中。

更详细地讲，处理单元17可包括处理器和存储器(未示出)。

处理器可以是算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够按定义的方式对命令做出响应并执行指令的任何其他装置，使得处理器使用这样的指令被编程，其中，所述指令将处理装置配置为用于执行图8和/或图9中示出的操作的专用计算机，从而处理单元17基于指示所述至少一个关节的动作状态或驱动单元21、31和41的操作状态的信号来控制致动器18和/或行走辅助装置2的驱动单元21、31和41。

可将指令存储在非暂时性计算机可读介质上。非暂时性计算机可读介质的示例包括：磁介质(诸如硬盘、软盘和磁带)、光学介质(诸如CD ROM盘和DVD)、磁光介质(诸如光盘)和被专门被配置为存储和执行程序指令的硬件装置(诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存等)。非暂时性计算机可读介质还可以是分布式网络，使得程序指令以分布式方式被存储和执行。程序指令可由一个或更多个处理器来执行。

如图3中所示，处理单元17可包括关节动作估计器17a、动作状态确定器17b和控制指令产生器17c。

关节动作估计器17a可通过基于从各个测量单元26、36和46发送的至少一条与动作有关的信息计算穿戴者和行走辅助机器人1的逆动力学模型，估计关节的动作。例如，在一些示例实施例中，关节动作估计器17a可基于行走模型来估计关节的动作。

图4和图5是根据行走模型的一些示例实施例的有限状态机模式的示意图。

参照图4，可将穿戴者的行走操作划分为八个阶段s1至s8。

在第一行走阶段s1，右腿可处于承重反应(LR)状态，左腿可处于预摆荡(PSw)状态。如图4和图5中所示，在从第八行走阶段s8至第一行走阶段s1的阶段转变期间，右脚的脚后跟可接触地面。在另一方面，在前述的阶段转变(s8-s1)期间，左脚的脚趾可与地面接触，并且左脚的脚后跟可离开地面。

在第二行走阶段s2，右腿处于站立中期(MSt)状态，左腿处于摆荡初期(ISw)状态。在从第一行走阶段s1至第二行走阶段s2的阶段转变期间，右脚的脚后跟和脚趾可与地面接触，左腿开始摆荡动作。在前述的阶段转变(s1-s2)期间，左脚的脚后跟可首先离开地面，并且左脚的脚趾可在左脚的脚后跟离开地面之后离开地面。

在第三行走阶段s3，右腿仍然处于站立中期(MSt)状态，左腿处于摆荡中期(MSw)状态。在从第二行走阶段s2至第三行走阶段s3的阶段变换期间，右脚的脚后跟和脚趾两者都接触地面，左腿继续实现摆荡动作。在前述的阶段转变(s2-s3)期间，右脚和左脚可位于彼此接近。

在第四行走阶段s4，右腿处于站立终末期(TSt)状态，左腿处于摆荡终末期(TSw)状态。在从第三行走阶段s3至第四行走阶段s4的阶段转变期间，右脚的脚后跟开始离开地面。另一方面，右脚的脚趾可仍然接触地面。同时，在前述的阶段转变(s3-s4)期间，左脚还没有接触地面。

在第五行走阶段s5，左腿处于承重反应(LR)状态，右腿与预摆荡(PSw)状态相应。在从第四行走阶段s4到第五行走阶段s5的阶段转变期间，左脚的脚后跟接触地面。同时，在上述的阶段转变(s4-s5)期间，右脚的脚趾可仍然接触地面，并且右脚的脚后跟可离开地面。

在第六行走阶段s6，左腿处于站立中期(MSt)状态，右腿与摆荡初期(ISw)状态相应。在从第五行走阶段s5到第六行走阶段s6的阶段转变期间，左脚的脚后跟和脚趾可接触地面。在前述的阶段转变(s5-s6)期间，随着右脚的脚趾离开地面，右腿可开始摆荡动作。

在第七行走阶段s7，左腿仍然处于站立中期(MSt)状态，右腿与摆荡中期(MSw)状态相应。在从第六行走阶段s6到第七行走阶段s7的阶段转变期间，左脚的脚后跟和脚趾两者都接触地面，并且在前述的阶段转变(s6-s7)期间，右腿继续实现摆荡动作。

在第八行走阶段s8，左腿处于站立终末期(TSt)状态，右腿与摆荡终末期(TSw)状态相应。在前述的阶段转变(s7-s8)期间，右脚仍未接触地面，并且在从第七行走阶段s7到第八行走阶段s8的阶段转变期间，左脚的脚后跟开始离开地面。

在行走期间可依次重复以上描述的第一阶段至第八阶段s1至s8。

所述至少一个测量单元26、36或46可测量并收集在行走中的阶段转变s8-s1至s7-s8期间的与至少一个关节的动作有关的信息。所述至少一个测量单元26、36或46可测量在阶段转变s8-s1至s7-s8期间的任何一个特定时间点的与关节的动作有关的信息。根据示例实施例，所述至少一个测量单元26、36或46可测量在一个阶段转变期间的多个特定时间点的与关节的动作有关的信息，并获得多条特定信息的平均值或中间值。

例如，所述至少一个测量单元26、36或46可收集与穿戴者的多个关节之中的至少一个关节的动作有关的信息，其中，所述至少一个关节与所述至少一个测量单元26、36或46相应。另外，所述至少一个测量单元26、36或46可收集与第一驱动单元21、第二驱动单元31和第三驱动单元41之中的对应于所述至少一个测量单元26、36或46的至少一个驱动单元21、31或41的操作有关的信息，从而收集与至少一个关节的动作有关的信息。在此情况下，由所述至少一个测量单元26、36或46测量的信息可包括以下项中的至少一个：至少一个关节的角度、至少一个关节的角速度、至少一个关节的角加速度、行走辅助机器人1的行走速度以及地面反作用力。由所述至少一个测量单元26、36或46测量的信息可发送到关节动作估计器17a，或可临时或永久存储在存储装置中，并随后发送到关节动作估计器17a。

根据一些示例实施例，所述至少一个测量单元26、36或46可测量并收集在所有阶段转变期间的与至少一个关节的动作有关的信息。根据其他示例实施例，所述至少一个测量单元26、36或46可仅收集在部分阶段转变期间的与至少一个关节的动作有关的信息。例如，所述至少一个测量单元26、36或46可仅测量并收集在第一阶段转变s8-s1至第四阶段转变s3-s4期间的与至少一个关节的动作有关的信息。

根据一些示例实施例，当所述至少一个测量单元26、36或46测量并收集与至少一个关节的动作有关的信息时，关于测量时间点的时间信息也可与其他信息一起被发送到关节动作估计器17a。

关节动作估计器17a可使用关于测量单元26、36或46实现测量时的时间点的时间信息以及由测量单元26、36或46测量到的信息，来计算并估计关节的动作。在此情况下，估计出的关节的动作可被用来确定至少一个关节在随后的行走阶段的动作状态。例如，估计出的在第一阶段转变s8-s1至第四阶段转变s3-s4期间的关节的动作可被用来确定在第五行走阶段s5至第八行走阶段s8期间的至少一个关节的动作状态。

关节动作估计器17a可估计在使用插值测量与关节的动作有关的信息时的多个时间点之间的与关节的动作有关的信息。例如，关节动作估计器17a可估计关节的角度、角速度和角加速度。

关节动作估计器17a可基于来自第一测量单元26、第二测量单元36和第三测量单元46中的至少一个测量单元的至少一个测量值来计算至少一个关节的力矩。关节动作估计器17a可利用由第一测量单元26、第二测量单元36和第三测量单元46测量的与至少一个关节的动作有关的各种参数(例如，关节的角度、角速度和加速度)来计算所述至少一个关节的力矩。

根据一些示例实施例，关节动作估计器17a可使用以下的等式1来计算关节的力矩。

等式1

$\mathrm{\τ}=M\left(q\right)\frac{d^{2}q}{{\mathrm{dt}}^2}+C(q,\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}})+G\left(q\right)$

在等式1中，τ是关节的力矩，q是关节的角度，t是时间。因此，dq/dt是关节的角速度，d²q/dt²是关节的角加速度。M(·)是用于反映基于穿戴者的姿态可变化的质量的函数，C(·)是用于反映基于腿的转动的科里奥利(Coriolis)力的函数，G(·)是用于反映重力的函数。根据一些示例实施例，各个函数可由用户来定义，或可由用户在多个预先定义的函数中选择。

关节动作估计器17a可将由关节动作估计器17a产生的至少一个估计或计算出的结果(例如，估计或计算出的关节的力矩、角度、角速度或角加速度的结果)发送到动作状态确定器17b。

动作状态确定器17b可基于感测到或测量到的关节的动作来确定至少一个关节的动作是处于正功状态还是处于负功状态。

根据一些示例实施例，动作状态确定器17b可使用从第一感测单元25、第二感测单元35和第三感测单元45中的至少一个感测单元发送的信号来确定动作状态。根据其他示例实施例，动作状态确定器17b可从关节动作估计器17a接收与估计出的关节的动作有关的信息(例如，关于估计出的关节的力矩或角度值的数据)，并基于接收到的数据来确定关节的动作状态。

根据一些示例实施例，动作状态确定器17b可基于感测到或测量到的关节的动作来计算与至少一个关节的运动有关的运动信息(例如，功率和/或功)。例如，动作状态确定器17b可基于由第一感测单元25、第二感测单元35和第三感测单元45感测到的力矩或由关节动作估计器17a估计出的关节的力矩，计算与关节的运动有关的运动信息。根据一些示例实施例，动作状态确定器17b可使用下面的等式2来计算运动信息(例如，功率)。

等式2

$P=\mathrm{\τ}\left(t\right)\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}$

在等式2中，P是功率，τ(t)是基于时间的力矩的函数，q(t)是关节基于时间的角度，dq/dt是关节基于时间的角速度。动作状态确定器17b可使用等式2将功率P包括运动信息中。

功率是做功的速率，因此，动作状态确定器17b可通过以下的等式3经由对由等式2表示的功率P的积分来计算功W。

等式3

$W={\∫}_{t1}^{t2}\mathrm{\τ}\left(t\right)\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}$

在等式3中，W是功，与功率P一样，功W可被用作运行信息。

如果计算出的运动信息(即，功率P或功W)具有正值或改变成正值，则动作状态确定器17b可确定关节的动作状态是正功状态。如果计算出的运动信息具有负值或改变成负值，则动作状态确定器17b可确定关节的动作状态是负功状态。

另外，动作状态确定器17b可基于感测到或测量到的至少一个关节的动作来确定关节的动作状态是否被改变。例如，动作状态确定器17b可确定关节的动作状态是从静止状态改变成正功状态还是改变成负功状态。另外，动作状态确定器17b可确定关节的动作状态是从负功状态改变成正功状态，还是从负功状态改变成正功状态。

动作状态确定器17b可基于每个关节或基于每个驱动单元21、31或41来确定动作状态。

控制指令产生器17c可基于来自动作状态确定器17b的确定结果来产生控制指令，并随后将控制指令发送到致动器18或各个驱动单元21、31和41，从而控制行走辅助机器人1的动作。

如果动作状态确定器17b发送表示关节的动作状态被改变的确定结果，则控制指令产生器17c可停止当前控制模式，并启动新控制模式。如果动作状态确定器17b发送表示关节的动作状态没有改变的确定结果，则控制指令产生器17c可保持当前控制模式不停止。

如果动作状态确定器17b发送表示关节处于正功状态的确定结果，则控制指令产生器17c可基于用于对至少一个关节的动作进行加速的加速辅助控制模式来控制行走辅助机器人1。如果动作状态确定器17b发送表示关节处于负功状态的确定结果，则控制指令产生器17c可基于用于对至少一个关节的动作进行减速的减速辅助控制模式来控制行走辅助机器人1。

控制指令产生器17c可经由从控制模式数据库19读取控制模式来获取基于每个状态的控制模式，并随后基于获取的控制模式来产生控制信号。产生的控制信号可发送到致动器18或行走辅助装置2。

可将由控制指令产生器17c产生的控制指令调整为将用于对外力(诸如，重力、地面反作用力等)的补偿的动态补偿力矩施加到所述至少一个关节，并随后将所述控制指令发送到各个驱动单元21、31和41。

根据一些示例实施例，控制指令产生器17c可基于以下的等式4来计算将施加到至少一个关节的力矩，基于计算出的力矩产生用于致动器18或行走辅助装置2的控制指令，并随后将产生的控制指令发送到致动器18或行走辅助装置2。

等式4

τ_des＝w_sync(τ_pw+τ_nw)+τ_comp

在等式4中，τ_des是将施加到关节的辅助力矩，τ_pw是主动力矩，τ_nw是阻尼力矩，W_sync是用于表示穿戴者和行走辅助机器人1的同步水平的人和机器人同步指数，τ_comp是动态补偿力矩。

在下文中，将描述等式4的主动力矩τ_pw。

主动力矩τ_pw是将施加到穿戴者的腿以辅助穿戴者的腿加速的力矩。根据一些示例实施例，可将主动力矩确定为通过以下的等式5和等式6所示。

等式5

如果有效，则 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pw}}=A\left(t\right)\·\mathrm{sign}\left(\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}\right)-D_n$

等式6

如果无效，则τ_pw＝0

等式5是用于在主动力矩τ_pw有效的情况下计算主动力矩τ_pw的等式，等式6是用于在主动力矩τ_pw无效的情况下计算主动力矩τ_pw的等式。

在等式5和等式6中，A(t)是表示力矩变化模式的函数，此函数示出基于时间t的力矩的变化，sign(·)是用于确定力矩变化模式的符号的函数。因此，如果输入值是正数，则sign(·)可输出1，如果输入值是负数，则sign(·)可输出-1。D_n是用于反映负阻尼的负阻尼系数，并可小于零。

图6是表示等式5的力矩变化模式的函数A(t)的一些示例实施例的示意图。

参照图6，在一些示例实施例中，可基于关于在先前行走状态改变时的时间的时间信息t、关于力矩变化位置的力矩变化位置信息vp以及关于在当前行走状态下的最大关节力矩的信息来获取力矩变化模式A(t)。

可使用在状态改变时从有限状态机模型获取的关于测量时间点的时间信息来获取关于在先前行走状态改变时的时间的时间信息t。

可使用关于在状态改变时的关节角度的信息以及从有限状态机模型获取的关于测量时间点的信息来获取关于力矩变化位置的力矩变化位置信息vp。例如，由于如果关节角度变成最大，则力矩方向可被改变，因此可使用关于关节角度变成最大时的时间点的时间信息来获取关于力矩变化位置的力矩变化位置信息vp。

基于关于在先前行走状态改变时的时间的时间信息t以及关于力矩变化位置的力矩变化位置信息vp，可获取力矩方向为恒定时的时间段it。同时，将施加的力矩的大小可与当前行走状态的最大关节力矩成比例。在此情况下，可把将施加的力矩的大小定义为小于最大关节力矩的值。通过获取如上所述的关于先前行走状态改变时的时间的时间信息t、关于力矩变化位置的力矩变化位置信息vp、力矩方向为恒定时的时间段、关于在当前行走状态下的最大关节力矩的信息，如图6中所示，可定义基于时间t的力矩变化模式的函数A(t)。

等式5的负阻尼系数D_n是用于通过将摆动施加到关节来辅助对关节动作的加速的值。

当使用主动力矩τ_pw时，控制指令产生器17c可使用等式5来计算主动力矩τ_pw，并随后使用计算出的主动力矩τ_pw来计算辅助力矩τ_des。可将包括主动力矩τ_pw的辅助力矩τ_des施加到关节。如果阻尼力矩τ_nw为0，则可仅使用主动力矩τ_pw和动态补偿力矩τ_comp来获取等式4的辅助力矩τ_des。

当不使用主动力矩τ_pw时，如等式6所示，主动力矩τ_pw可为零。当主动力矩τ_pw为零时，在等式4中仅保留阻尼力矩τ_nw和动态补偿力矩τ_comp。因此，控制指令产生器17c可计算仅包括阻尼力矩τ_nw和动态补偿力矩τ_comp的辅助力矩τ_des，并将计算出的辅助力矩τ_des施加到关节。

如果关节的动作状态是负功状态，则控制指令产生器17c可通过使用等式5计算主动力矩τ_pw来获取包括主动力矩τ_pw的辅助力矩τ_des，并随后基于辅助力矩τ_des产生用于各个驱动单元21、31和41的控制信号，并将控制信号发送到各个驱动单元21、31和41。如果关节的动作状态不是正功状态，则如等式6所示，控制指令产生器17c可确定主动力矩τ_pw为零，并因此获取不包括主动力矩τ_pw的辅助力矩τ_des。关节的动作状态不为正功状态的情况例如可以是关节的动作状态是负功状态的情况。

在下文中，将描述等式4的阻尼力矩τ_nw。

根据一些示例实施例，控制指令产生器17c可使用以下的等式7和等式8来计算阻尼力矩τ_nw。

等式7

如果有效，则 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{nw}}=-D_p\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}$

等式8

如果无效，则τ_nw＝0

等式7是用于在阻尼力矩τ_nw有效的情况下计算阻尼力矩τ_nw的等式，等式8是用于在阻尼力矩τ_nw无效的情况下计算阻尼力矩τ_nw的等式。

在等式7中，D_p是可随机选择的正阻尼系数。参考等式7的描述，阻尼力矩τ_nw的大小可与关节的角速度dq/dt成比例，并且阻尼力矩τ_nw的方向可与关节的角速度dq/dt的方向相反。

通过基于关节的角速度dq/dt来确定阻尼力矩τ_nw，行走辅助装置2可防止使行走速度减小得超出预期，这使得不必在接下来的行走阶段施加高的辅助力矩。按这种方式，行走辅助机器人1可更有效地实现行走。

如以上所讨论的，控制指令产生器17c可基于主动力矩τ_pw、阻尼力矩τ_nw和动态补偿力矩τ_comp使用等式4来计算辅助力矩τ_des。当使用阻尼力矩τ_nw时，阻尼力矩τ_nw可具有基于等式7计算出的非零值。在这种情况下，包括非零阻尼力矩τ_nw的辅助力矩τ_des可由控制指令产生器17c使用等式4来计算，并被施加到关节。如果主动力矩τ_pw为零，则可仅使用阻尼力矩τ_nw和动态补偿力矩τ_comp来获取辅助力矩τ_des。假设在不使用阻尼力矩τ_nw的情况下，如等式8所述，阻尼力矩τ_nw可以为零，因此在等式4中仅保留有主动力矩τ_pw和动态补偿力矩τ_comp。因此，可将仅包括主动力矩τ_pw和动态补偿力矩τ_comp的辅助力矩τ_des施加到关节。

如果关节的动作状态是负功状态，则控制指令产生器17c可通过基于等式7计算阻尼力矩τ_nw来获取包括阻尼力矩τ_nw的辅助力矩τ_des，并随后基于辅助力矩τ_des来产生用于各个驱动单元21、31和41的规定的控制信号。然后，控制指令产生器17c可将产生的控制信号发送到各个驱动单元21、31和41。如果关节的动作状态不是负功状态，例如，如果关节的动作状态是正功状态，则如等式6所示，控制指令产生器17c可判断出阻尼力矩τ_nw为零，并因此获取不包括阻尼力矩τ_nw的辅助力矩τ_des。

在下文中，将描述等式4的同步指数W_sync。

同步指数W_sync可表示穿戴者和行走辅助机器人1之间的相似度。可经由对行走阶段的重复性或周期性的比较来获取这种相似度。通过将同步指数W_sync代入将被施加到关节的力矩，行走辅助机器人1可施加更有效的辅助力矩，因此行走辅助机器人1可防止将不正确的辅助力矩施加到每个关节。

根据一些示例实施例，可通过以下的等式9来计算同步指数W_sync。

等式9

$w_{\mathrm{sync}}=\frac{1}{w_1{\left|\right|P_{k-1}-P_k\left|\right|}^2+w_2{\left|\right|t_{k-1}-t_k\left|\right|}^2}$

在等式9中，w₁和w₂是可由系统设计者等选择的权重值，P是关于在阶段转变期间的动作的信息，t是关于阶段转变时间的信息，k是表示当前状态的索引，k-1是表示先前状态的索引。因此，P_k是关于在当前阶段转变期间的动作的信息，P_k-1是关于在先前阶段转变期间的动作的信息。

在下文中，将描述等式4的动态补偿力矩τ_comp。

行走辅助机器人1可将动态补偿力矩τ_comp代入辅助力矩τ_des，来减小由于行走辅助机器人1的各种元件的摩擦或能量损失、重力或地面反作用力等而导致的穿戴者对行走辅助机器人1的阻力。可将动态补偿力矩τ_comp与主动力矩τ_pw或阻尼力矩τ_nw一起施加到关节。另外，即使当主动力矩τ_pw或阻尼力矩τ_nw未被施加到关节时，仍可将动态补偿力矩τ_comp施加到关节。

根据一些示例实施例，当腿处于站立状态(St)时和当腿处于摆荡状态(Sw)时，可将动态补偿力矩τ_comp相等或不同地施加到腿。

根据一个实施例，可通过以下的等式10来计算被施加到处于站立状态(St)的腿的关节的动态补偿力矩τ_comp。

等式10

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{comp}}=K(q_d-q)+D_v\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}+G\left(q\right)$

在等式10中，K_S(·)是被定义用于对力量进行补偿的函数，D_V(·)是被定义用于对粘性摩擦进行补偿的函数，G(·)是被定义用于对重力进行补偿的函数。q_d是处于理想状态的关节的角度，q是测量到的关节的角度。dq/dt是关节的角速度。

换句话说，如果腿处于站立状态(St)，则还可将动态补偿力矩τ_comp施加到腿的关节，以实现对力量、粘性摩擦和重力的补偿。

根据一些示例实施例，可使用以上的等式10来计算被施加到处于摆荡状态(Sw)的腿的关节的动态补偿力矩τ_comp，如以下更详细地讨论的，也可利用等式11和等式12基于摆荡的速度来计算动态补偿力矩τ_comp。

当腿以低速摆荡时，可按与当腿处于站立状态时相同的方式通过上面的等式10来计算动态补偿力矩τ_comp。

当腿以高速摆荡时，可通过以下的等式11和等式12来计算动态补偿力矩τ_comp。

等式11

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{comp}}=K_s(q_d-q)+D_v\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}+M\left(q\right)\frac{d^{2}q}{{\mathrm{dt}}^2}$

等式12

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{comp}}=K_s(q_d-q)+D_v\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}}+M\left(q\right)\frac{d^{2}q}{{\mathrm{dt}}^2}+C(q,\frac{\mathrm{dq}}{\mathrm{dt}})+G\left(q\right)$

在等式11和等式12中，M(·)是被定义用于对加速度进行校正的函数，C(·)是用于反映科里奥利力的函数。其他的变量已参照等式10在上面被定义。换句话说，在实现高速摆荡时，行走辅助机器人1可考虑到对加速度的补偿、对科里奥利力的补偿以及对重力的补偿中的至少一个来确定被施加到关节的动态补偿力矩τ_comp，这可减小在高速行走期间穿戴者对行走辅助机器人1的阻力。

图7是计算出的运动信息的一些示例实施例的示意图。

如上所述，为了控制行走辅助机器人1，动作状态确定器17b和控制指令产生器17c可按规定间隔连续地或周期性地确定当前动作，并基于被确定的结果来产生规定的控制信号。另外，为了控制每个关节(诸如，左髋关节、右髋关节、左膝关节和右膝关节)，动作状态确定器17b和控制指令产生器17c可单独地确定每个关节的动作，并基于被确定的结果来产生单独的控制信号。因此，在所有的行走阶段连续地确定左髋关节和右髋关节以及左膝关节和右膝关节的动作，并基于被确定的动作来计算运动信息。图7示出了基于计算出的运动信息的被确定的结果的示例。在图7中，黑线B1指出处于正功状态的部分，白线B2指出处于负功状态的部分。

参照图7，例如在第二行走阶段s2中所示，可不同地确定不同关节(例如，右髋关节和右膝关节)的动作状态。另外，即使在同一关节的情况下，例如在髋关节的情况下，仍可例如根据第一行走阶段s1至第八行走阶段s8在每个行走阶段中不同地确定动作状态。

因此，按照与每个关节相应的驱动单元21、31或41，可产生不同的控制信号，并且可将不同的辅助力矩施加到每个关节来辅助行走。结果，行走辅助机器人1可基于每个关节施加适当的辅助力矩，这可最大化行走辅助益处。

图3中示出的致动器18是用于将例如电能转换成其他类型的能量(例如动能)的装置。致动器18可基于从处理单元17发送的控制信号来驱动或控制行走辅助装置2的各个元件，例如，第一驱动单元21、第二驱动单元31和第三驱动单元41。

根据实施例，如图3中所示，主体装置10还可包括控制模式数据库19。控制模式数据库19可存储用于帮助行走辅助机器人1的各种控制模式。控制模式数据库19可存储在被安装在壳体10a中的存储装置中。存储装置可以是经由对磁盘面的磁化来存储数据的盘存储装置，或可以是使用各种类型的存储半导体来存储数据的半导体存储装置。

在下文中，将参照图8和图9来描述控制行走辅助机器人的方法。

图8是示出控制行走辅助机器人的方法的一些示例实施例的流程图。

参照图8，在操作S100，行走辅助机器人1的感测单元25、35和45可感测至少一个关节的动作。感测单元25、35和45可直接测量穿戴者的至少一个关节的动作，或可通过感测每个结构20、30或40的操作来感测关节的动作。感测单元25、35和45可基于每个关节感测动作。根据一些示例实施例，所述至少一个关节可包括穿戴者的髋关节、膝关节和踝关节中的至少一个。

在操作S110，行走辅助机器人1的处理单元17可基于感测到的关节的动作来计算与所述至少一个关节的运动有关的运动信息。根据一些示例实施例，处理单元17可使用等式2计算与至少一个关节的运动有关的运动信息。

在操作S120，处理单元17可基于计算出的运动信息来确定所述至少一个关节的动作状态。另外，在操作S130，处理单元17可确定动作状态是否被改变。动作状态可包括正功状态和负功状态中的至少一个。根据一些示例实施例，如果计算出的运动信息具有正值或改变成正值，则处理单元17可确定关节的动作状态处于正功状态。如果计算出的运动信息具有负值或改变成负值，则处理单元17可确定关节的动作状态处于负功状态。

在操作S140，如果在操作S130，所述至少一个关节的动作状态被改变，则行走辅助机器人1的处理单元17可停止行走辅助机器人1的当前控制模式，并激活新的控制模式。新的控制模式可根据至少一个关节的动作状态被确定。

在操作S150，处理单元17可确定所述至少一个关节的动作状态是否为正功状态，并且，如果动作状态是正功状态，则在操作S151，处理单元17可从当前控制模式切换到与正功状态相应的控制模式。与正功状态相应的控制模式可以是用于对所述至少一个关节的动作进行加速的加速辅助模式。在加速辅助模式下，可通过等式5来计算主动力矩τ_pw。根据示例实施例，可将权重值(例如，同步指数W_sync)添加到主动力矩τ_pw。可通过等式9来计算同步指数W_sync。

在操作160，处理单元17可确定所述至少一个关节的动作状态是否为负功状态(而不是正功状态)，并且，如果动作状态是负功状态，则在操作S161，处理单元17可从当前控制模式切换到与负功状态相应的控制模式。与负功状态相应的控制模式可以是用于对所述至少一个关节的动作进行减速的减速辅助模式。在减速辅助模式下，可通过等式7来计算阻尼力矩τ_nw。根据示例实施例，可将权重值(例如，同步指数W_sync)添加到阻尼力矩τ_nw。

如果在操作S150和S160，处理单元17确定所述至少一个关节的动作状态既不是正功状态也不是负功状态，则行走辅助机器人1可根据目前的控制模式进行操作，并可输出错误消息。另外，行走辅助机器人1可基于正功状态和负功状态来终止控制。

参照回到操作S130，如果在操作S130，处理单元130确定所述至少一个关节的动作状态未被改变，则行走辅助机器人1可基于目前的控制模式进行操作，并且，如以下所讨论的，在一些示例实施例中，随后动态补偿可被应用于被确定的控制模式。

根据一些示例实施例，在基于关节的动作状态的控制模式被确定(S151和S161)之后，在操作S170，处理单元17可确定是否实现动态补偿。可在确定控制模式(S151和S161)之后确定是否实现动态补偿，或者可与确定控制模式(S151和S161)同时确定是否实现动态补偿。

如果实现动态补偿，则在操作S171，可使用动态补偿力矩τ_comp来产生最终的辅助力矩τ_des。可通过等式10来确定动态补偿力矩τ_comp。如果不实现动态补偿，则最终的辅助力矩τ_comp可等于主动力矩τ_pw或阻尼力矩τ_nw。可将作为权重值的同步指数W_sync添加到主动力矩τ_pw或阻尼力矩τ_nw。

在操作S180，处理单元17可在行走期间重复上述操作S100至S170。

图9是示出估计行走辅助机器人的关节的动作的方法的一些示例实施例的流程图。

参照图9，不同与在操作S100感测所述至少一个关节的动作，在操作S200，至少一个测量单元26、36或46可测量并收集与对应于每个测量单元26、36或46的至少一个关节的动作有关的信息。例如，与至少一个关节的动作有关的信息可包括关节的力矩、角度、角速度、角加速度。此外，可额外收集测量时间。

在操作S201，行走辅助机器人1的处理单元17可基于测量的信息来计算关节的力矩。更具体地讲，处理单元17可利用等式1来计算关节的力矩。

如以下将更加详细地描述的，使用计算出的力矩，处理单元117可执行与处理S110至S180类似的操作S210至S280。

在操作S210，行走辅助机器人1的处理单元17可使用计算出的关节的力矩来计算与所述至少一个关节的运动有关的运动信息，在操作S220，处理单元17可使用计算出的运动信息来确定所述至少一个关节的动作状态。

如果所述至少一个关节的动作状态被改变(S230)，则可停止用于控制行走辅助机器人1的当前控制模式(S240)。如果被确定的动作状态是正功状态(S250)，则可将行走辅助机器人1的控制模式切换到与正功状态相应的控制模式(S251)。如果被确定的动作状态是负功状态(S260)，则可将行走辅助机器人1的控制模式切换到与负功状态相应的控制模式(S261)。与正功状态相应的控制模式可以是上述的加速辅助模式。与负功状态相应的控制模式可以是上述的减速辅助模式。

根据是否实现动态补偿(S270)，可产生包括或不包括动态补偿力矩τ_comp的辅助力矩τ_des(S271)。如果不实现动态补偿，则辅助力矩τ_des可等于上述的主动力矩τ_pw或上述的阻尼力矩τ_nw。这里，可将作为权重值的同步指数W_sync添加到主动力矩τ_pw或阻尼力矩τ_nw。

在操作S280，处理单元17可在行走期间重复上述操作S200至S271。

如从以上描述清楚的，利用行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法，将适当的力施加到穿戴行走辅助机器人的穿戴者的肌肉或关节，这使穿戴者自然地行走，而不存在由于行走辅助机器人而导致的不便。

利用行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法，在适当的时间将适当的力施加到穿戴者，这可最大化行走辅助益处。

利用行走辅助机器人和控制行走辅助机器人的方法，在行走期间将适当的力施加到穿戴者的肌肉或关节，这可减少穿戴者的能量消耗。

另外，能够基于每个关节准确地感测和估计根据行走速度或环境改变而显著变化的正功时间段和负功时间段。

另外，由于在能量方面更加有效的行走辅助，可减少行走辅助机器人的能量消耗，这可使行走辅助机器人在长时间内实现行走辅助。

此外，行走辅助机器人的能量消耗的减少可促使用于行走辅助机器人的电池的大小和质量的减小，并因此促使行走辅助机器人的质量的减小。按这种方式，可减少由于行走辅助机器人的质量而导致的穿戴者的穿戴不便。

虽然已示出并描述了一些示例实施例，但是本领域的技术人员将理解的是，在不脱离示例实施例的原理和精神的情况下，可在实施例中做出改变，其中，示例实施例的范围由权利要求书及其等同物定义。

Claims (26)

1.一种控制行走辅助机器人的运动的方法，所述方法包括：

通过感测或测量行走辅助机器人的至少一个关节的动作来收集动作信息；

基于收集到的动作信息来确定所述至少一个关节的动作状态；

基于所确定的所述至少一个关节的动作状态来控制行走辅助机器人的运动。

2.如权利要求1所述的方法，其中，确定动作状态的步骤包括：

基于收集到的动作信息来确定所述至少一个关节的动作状态是否被改变。

3.如权利要求1所述的方法，其中，确定动作状态的步骤包括：

基于收集到的动作信息来确定所述至少一个关节是处于正功状态还是负功状态。

4.如权利要求3所述的方法，其中，确定所述至少一个关节是处于正功状态还是负功状态的步骤包括：

计算与感测或测量出的所述至少一个关节的动作有关的运动信息。

5.如权利要求4所述的方法，其中，确定所述至少一个关节是处于正功状态还是负功状态的步骤还包括：

如果计算出的运动信息是正数，则确定所述至少一个关节处于正功状态，

如果计算出的运动信息是负数，则确定所述至少一个关节处于负功状态。

6.如权利要求1所述的方法，其中，收集动作信息的步骤包括：

收集与至少一个时间点关联的、和所述至少一个关节的动作有关的动作信息，其中，所述动作信息包括以下项中的至少一项：所述至少一个关节的角度、所述至少一个关节的角速度、所述至少一个关节的角加速度、行走辅助机器人的行走速度以及由地面对行走辅助机器人施加的地面反作用力GRF。

7.如权利要求6所述的方法，其中，确定动作状态的步骤包括：

基于与所述至少一个时间点关联的动作信息来计算所述至少一个关节的力矩；

基于计算出的所述至少一个关节的力矩来计算与所述至少一个关节的动作有关的运动信息。

8.如权利要求1所述的方法，其中，控制行走辅助机器人的运动的步骤包括：

当所述至少一个关节的动作处于正功状态时，使所述至少一个关节的动作加速；

当所述至少一个关节的动作处于负功状态时，使所述至少一个关节的动作减速。

9.如权利要求8所述的方法，其中，使动作加速的步骤包括：

将主动力矩施加到所述至少一个关节，其中，主动力矩使用基于所述至少一个关节的先前动作所计算的力矩变化模式被确定。

10.如权利要求9所述的方法，还包括：

基于行走阶段从先前行走状态改变到当前行走状态的时间、关于力矩变化位置的信息以及关于在当前行走状态下的最大关节力矩的信息来确定力矩变化模式。

11.如权利要求8所述的方法，其中，在使动作加速时，基于穿戴者和行走辅助机器人之间的行走周期的相似度的权重值被添加到施加于所述至少一个关节的主动力矩。

12.如权利要求8所述的方法，其中，使动作减速的步骤包括：

将阻尼力矩施加到所述至少一个关节，其中，阻尼力矩基于关节的角速度或权重值，其中，所述权重值基于穿戴者和行走辅助机器人之间的行走周期的相似度。

13.如权利要求8所述的方法，其中，使动作加速的步骤和使动作减速的步骤中的至少一个步骤包括：将动态补偿力矩另外地施加到所述至少一个关节。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个关节包括髋关节、膝关节和踝关节中的一个或更多个。

15.一种行走辅助机器人，包括：

至少一个关节；

动作检测器，被配置为通过感测或测量所述至少一个关节的动作来检测所述至少一个关节的动作；

处理器，被配置为基于检测到的所述至少一个关节的动作来确定所述至少一个关节的动作状态，并基于所述至少一个关节的动作状态来控制行走辅助机器人的运动。

16.如权利要求15所述的行走辅助机器人，其中，动作检测器包括传感器和动作测量装置中的至少一个，其中，传感器被配置为感测至少一个关节的动作，动作测量装置被配置为测量与至少一个关节的动作有关的信息。

17.如权利要求16所述的行走辅助机器人，其中，传感器包括以下项中的至少一项：关节角度传感器、倾斜度传感器、加速度计、地面反作用力GRF传感器和惯性测量单元。

18.如权利要求15所述的行走辅助机器人，其中，处理器被配置为基于检测到的所述至少一个关节的动作来确定所述至少一个关节的动作状态的改变。

19.如权利要求15所述的行走辅助机器人，其中，处理器被配置为基于检测到的所述至少一个关节的动作来确定所述至少一个关节是处于正功状态还是负功状态。

20.如权利要求19所述的行走辅助机器人，其中，处理器被配置为计算与感测或测量出的所述至少一个关节的动作有关的运动信息。

21.一种控制行走辅助装置的至少一个关节的运动的方法，所述方法包括：

检测行走辅助装置的所述至少一个关节的动作；

基于所述至少一个关节的动作来确定行走辅助装置的当前行走阶段，其中，当前行走阶段是与行走操作相关的多个行走阶段中的一个行走阶段；

基于当前行走阶段将辅助力矩施加到与所述至少一个关节相关的肢体。

22.如权利要求21所述的方法，其中，辅助力矩包括主动分量、阻尼分量和动态补偿分量中的一个或更多个。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

连续确定所述至少一个关节是正在将正功施加到肢体以使肢体加速，还是正在将负功施加到肢体以使肢体减速；

如果所述至少一个关节正在将正功施加到肢体，则调整辅助力矩的主动分量来增加被施加到肢体的辅助力矩；

如果所述至少一个关节正在将负功施加到肢体，则调整辅助力矩的阻尼分量来减小被施加到肢体的辅助力矩。

24.如权利要求23所述的方法，其中：

调整主动分量的步骤包括：基于力矩变化模式来确定主动分量，其中，力矩变化模式基于先前观察到的关节的动作被计算；

调整阻尼分量的步骤包括：基于所述至少一个关节的角速度来确定阻尼分量，使得行走辅助装置的行走速度被保持在阈值以上。

25.如权利要求23所述的方法，其中，

行走辅助装置被配置为由用户穿戴，

调整主动分量的步骤包括：

确定用户和行走辅助装置是否正一致地行走，

如果行走辅助装置和用户未一致地行走，则增加主动分量。

26.如权利要求21所述的方法，还包括：

基于关于在先前行走状态改变时的时间的时间信息、关于力矩变化位置的力矩变化位置信息以及关于在当前行走状态下的最大关节力矩的信息，确定与当前行走阶段关联的力矩变化模式；

基于力矩变化模式在当前行走阶段期间施加辅助力矩，使得辅助力矩按照时间的函数变化，并且使辅助力矩小于或等于与当前行走阶段关联的最大关节力矩。