CN104739620B - 辅助行走设备和控制所述辅助行走设备的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种辅助行走设备和控制所述辅助行走设备的方法。所述辅助行走设备包括允许用户直观地调节辅助行走设备的性能的输入单元及一种控制所述辅助行走设备的方法。所述辅助行走设备包括：输入单元，被设置为调节辅助行走设备的可变特性；处理器，响应于通过输入单元对可变特性的调节，调节与可变特性的调节相关的可变参数；致动器，响应于用于改变可变特性对可变参数的调节，输出改变的辅助力。

Description

辅助行走设备和控制所述辅助行走设备的方法
本申请要求于2013年12月30日在韩国知识产权局提交的第10-2013-0166515号韩国专利申请的权益，所述专利申请的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的实施例涉及一种辅助行走设备和控制所述辅助行走设备的方法。
背景技术
辅助行走设备是帮助遭受行走不便的用户从而允许用户容易行走的机械装置。人们可能因为先天原因(诸如遗传缺陷)或后天原因(诸如年龄、疾病和事故)而遭受行走不便。辅助行走设备已经发展为解决这样的行走不便。
辅助行走设备的示例包括设置有至少一个轮子和支撑体的辅助行走车和将行走所需的力施加到人体的肌肉以辅助用户行走的辅助行走机器人。
辅助行走机器人被固定到人体的臀部、股部或胫部，从而通过经由致动器和各种机械装置施加有助于用户的肌肉和关节运动的辅助力(诸如旋转力)来辅助肌肉和关节运动。
发明内容
因此，本发明的一方面提供一种辅助行走设备和控制所述辅助行走设备的方法，其中，所述辅助行走设备包括允许用户直观地调节辅助行走设备的性能的输入单元。
本发明的其他方面将在下面的描述中部分地阐述，并且部分地将从描述中是显然的，或者可通过本发明的实施而得知。
根据本发明的一方面，一种辅助行走设备包括：输入单元，被设置为调节辅助行走设备的可变特性；处理器，响应于通过输入单元对可变特性的调节而调节与可变特性的调节相关的可变参数；致动器，响应于用于改变可变特性对可变参数的调节，输出改变的辅助力。
根据本发明的一方面，一种辅助行走设备包括：输入单元，设置有用于调节辅助行走设备的可变特性的用户界面，其中，可变特性包括以下项中的至少一项：辅助力的大小、辅助行走设备的响应速度和辅助行走设备的运动平稳性；致动器，响应于通过用户界面对可变特性的调节，输出改变的辅助力以改变可变特性。
根据本发明的一方面，一种控制辅助行走设备的方法包括：通过输入单元接收用于调节可变特性的调节命令；响应于用于调节可变特性的调节命令，处理器调节与可变特性的调节相关的可变参数；响应于对可变参数的调节，致动器输出改变的辅助力。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面将变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出根据示例性实施例的辅助行走设备的前视图；
图2是示出根据一实施例的辅助行走设备的侧视图；
图3是示出根据一实施例的辅助行走设备的框图；
图4和图5是示出根据一实施例的行走模型的示图；
图6和图7是示出根据各种实施例的提供给辅助行走设备的输入单元的用于调节可变特性的用户界面的概念图；
图8是示出根据一实施例的对辅助行走设备的负载转矩的阶跃输入的时间响应的示图；
图9是示出根据阻尼比的超调量(overshoot)的变化的示图；
图10是示出随着固有频率的上升时间和调整时间的变化的示图；
图11是示出根据一实施例的控制辅助行走设备的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出了示例的本发明的实施例，其中，相同的参考标号始终表示相同的元件。
图1是示出根据示例性实施例的辅助行走设备的前视图，图2是示出根据一实施例的辅助行走设备的侧视图。图3是示出根据一实施例的辅助行走设备的框图，图4和图5是示出根据一实施例的行走模型的示图。
如图1至图3中所示，辅助行走设备1可包括被固定在用户的腿部或脚部以辅助用户行走的行走辅助单元2和用于控制行走辅助单元2的体单元10。
根据示出的实施例，如图1和图2中所示，行走辅助单元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。下文中，将给出对辅助行走设备1包括第一结构20、第二结构30和第三结构40的情况的详细描述。
根据一实施例，行走辅助单元2可包括第一结构20、第二结构30和第三结构40。在这种情况下，第一结构20、第二结构30和第三结构40中的至少一个可安装在用户的左腿和右腿之一上。根据另一实施例，行走辅助单元2可包括一对第一结构20和20a、一对第二结构30和30a以及一对第三结构40和40a，使得行走辅助单元2如图1中所示安装在用户的左腿和右腿二者上。在行走辅助单元2包括一对第一结构20、一对第二结构30和一对第三结构40的情况下，结构20至40基本上具有相同的功能并执行相同的操作。根据另一实施例，结构20至40中的一些结构可作为单个元件被提供给行走辅助单元2，结构20至40中的其他结构可被成对提供。例如，行走辅助单元2可包括第一结构20和20a、一个第二结构30和一个第三结构40。
下文中，将给出对第一结构20至第三结构40的描述。所述描述也适用于每对结构中的另外一半。
当用户行走时，第一结构20可辅助用户的股部和髋关节的运动。第一结构20可包括至少一个第一致动器21和至少一个第一支撑器22。
第一致动器21可根据从体单元10的处理器17传送的控制命令产生转矩，并将转矩施加到第一支撑器22。当转矩被施加到第一支撑器22时，第一致动器21可沿至少一个方向旋转。第一致动器21的旋转的范围可在用户的髋关节的运动范围内。
根据一实施例，第一致动器21可包括根据从体单元10的电源16提供的电能产生转矩的电机。电机可设置有编码器。根据另一实施例，例如，第一致动器21可包括根据从体单元10提供的电能或根据产生转矩的流体压力(诸如水压或气压)运转的至少一个活塞或汽缸装置。在一些实施例中，第一致动器21可包括至少一个电机和至少一个活塞或汽缸装置二者。
至少一个第一支撑器22可连接到第一致动器21，从而根据第一致动器21产生的转矩沿至少一个方向旋转。第一支撑器22可采用各种形式。例如，第一支撑器22可包括至少一个支撑板。另外，第一支撑器22可包括多个部分和连接各个部分的连接件(link)。在此，所述部分可以是支撑器或支撑板。至少一个第一固定部件23可安装在第一支撑器22上。第一支撑器22可通过第一固定部件23被固定到用户的股部的外部或内部。
第一支撑器22可通过第一固定部件23将第一致动器21产生的转矩施加到用户的股部。具体地，当第一支撑器22根据第一致动器21的操作而旋转时，通过第一固定部件23固定到第一支撑器22的用户的股部可沿与第一支撑器22相同的方向旋转。换言之，第一结构20可将转矩施加到用户的股部或髋关节以辅助用户提升或降低股部。从而，可通过辅助行走设备1所提供的辅助力来辅助行走或提升腿部。
第一固定部件23可由金属材料或弹性材料(诸如橡胶)形成。第一固定部件23可采用如图1中所示的链条的形式，或者可被实现为具有弹性的带或条(strap)。第一固定部件23的示例可包括本领域技术人员可采用的用来将第一支撑器22固定到股部的各种固定构件。
第一结构20可包括如图3中所示的至少一个第一传感器25。第一传感器25可感测第一致动器21的操作、第一支撑器22的操作和用户的髋关节的操作中的至少一个。第一传感器25可产生与感测到的操作相应的电信号。从而，与行走相关的信息可被获得。与行走相关的信息可包括关节角度、第一支撑器22的倾斜度、关节角加速度和关节加速度中的至少一个。通过第一传感器25获得的信息可如图3中所示被传送到处理器17。
例如，第一传感器25可包括关节角度传感器、倾斜传感器、加速度传感器和惯性测量单元(IMU)中的至少一个。第一传感器25可被安装在第一致动器21和第一支撑器22中的至少一个上。在一些实施例中，第一致动器21和第一支撑器22二者可设置有第一传感器25。另外，第一传感器25的一部分可安装在第一致动器21上，第一传感器25的其他部分可安装在第一支撑器22上。例如，关节角度传感器可安装在第一致动器21上，倾斜传感器或IMU可安装在第一支撑器22上。
根据一实施例，第一结构20可如图3中所示包括至少一个第一测量单元26。第一测量单元26可连接到第一致动器21以获得与第一致动器21的操作相关的信息。与第一致动器21的操作相关的信息可包括第一致动器21的旋转角度、角速度和角加速度中的至少一个。在第一致动器21是具有编码器的电机的情况下，第一测量单元26可使用来自编码器的值测量关节的角度、速度和加速度。第一测量单元26可如图3中所示将测量的参数传送到处理器17。
当用户行走时，第二结构30可辅助用户的小腿和膝关节的运动。如图1至图3所示，第二结构30可包括第二致动器31、第二支撑器32和第二固定部件33。
第二致动器31可按照与第一致动器21相同的方式产生转矩。另外，第二致动器31可包括活塞和汽缸装置中的至少一个和电机，电机可包括编码器。
第二支撑器32可根据第二致动器31产生的转矩而旋转。第二支撑器32和32a的配置、结构和材料可与第一支撑器22和22a的配置、结构和材料相同。
第二结构30可包括至少一个第二固定部件33、34以将第二支撑器32固定到用户的小腿。第二支撑器32可通过第二固定部件33、34被固定到用户的小腿的外部或内部。第二固定部件33、34的配置、结构和材料可与第一固定部件23的配置、结构和材料相同。
第二支撑器32可通过第二固定部件33将第二致动器31产生的转矩施加到用户的小腿或膝关节。具体地，当第二支撑器32根据第二致动器31的操作而旋转时，通过第二固定部件33固定到第二支撑器32的用户的小腿或膝关节可沿与第二支撑器32的旋转方向相同的方向旋转。换言之，第二结构30可将转矩施加到用户的小腿或膝关节以辅助用户提升或降低小腿。从而，可通过辅助行走设备1所提供的辅助力来辅助行走或用户的腿部的提升。
如图3中所示，第二结构30可包括至少一个第二传感器35。第二传感器35可感测第二致动器31的操作、第二固定部件33的操作和用户的膝关节的操作中的至少一个，将感测到的操作转换为电信号，并如图3中所示将电信号传送到处理器17。第二传感器35可包括关节角度传感器、倾斜传感器、加速度传感器和IMU中的至少一个。第二传感器35可被安装在第二致动器31和第二支撑器32中的至少一个上。与第一传感器25类似地，第二传感器35的一部分可安装在第二致动器31上，第二传感器35的其他部分可安装在第二支撑器32上。
根据一实施例，第二结构30可包括至少一个第二测量单元36。第二测量单元36可获得与第二致动器31的操作相关的信息。与第二致动器31的操作相关的信息可包括第二致动器31的旋转角度、角速度和角加速度中的至少一个。在第二致动器31是具有编码器的电机的情况下，第二测量单元36可使用来自编码器的值测量关节的角度、速度和加速度。第二测量单元36所测量的参数可被传送到处理器17。
当用户行走时，第三结构40可辅助用户的踝关节的运动。如图1中所示，第三结构40可包括第三致动器41、脚支撑器42和第三固定部件43。
与第一致动器21类似地，第三致动器41可产生转矩以辅助与踝关节和踝关节周围的肌肉相关的用户的运动。与第一致动器21和第二致动器31类似地，第三致动器41可包括活塞和汽缸装置中的至少一个和电机，电机可包括编码器。
脚支撑器42可支撑用户的脚的脚底。
第三固定部件43可将置于脚支撑器42上的用户的脚固定到脚支撑器42。第三固定部件43的配置、结构和材料可与第一固定部件23或第二固定部件33的配置、结构和材料相同。
如图3中所示，第三结构40可包括第三传感器45。第三传感器45可感测第三致动器41的操作、第三固定部件43的操作和用户的踝关节的操作中的至少一个。第三传感器45可包括关节角度传感器、倾斜传感器、加速度传感器和IMU中的至少一个。第三传感器45可包括压力传感器。压力传感器可安装在脚支撑器42上。压力传感器可感测用户的体重，从而感测用户是否穿戴了辅助行走设备1或者用户是否正在站立。另外，压力传感器可以是感测当用户行走时传送到用户的脚部的地面反作用力(GRF)的GRF传感器。如图3中所示，根据第三传感器45的感测所产生的信号可被传送到处理器17。
另外，如图3中所示，第三结构40可包括至少一个第三测量单元46。第三测量单元46可测量与第三致动器41的操作相关的信息，并将测量的信息传送到处理器17。在第三致动器41是具有编码器的电机的情况下，第三测量单元46可使用来自编码器的值测量关节的角度、速度和加速度。
体单元10可控制行走辅助单元2的操作或获得与行走相关的信息。另外，体单元10可支撑用户的上半身以辅助用户稳定地穿戴辅助行走设备1。
如图1和图2中所示，体单元10可包括可安装用于控制辅助行走设备1的各种组件的壳体10a以及可输入与辅助行走设备1的操作相关的命令的输入单元50。壳体10a可配备有印刷电路板，在印刷电路板上可安装体传感器15、电源16、处理器17或各种半导体芯片。体单元10的壳体10a可安全地保护安装在壳体10a中的组件，并稳定地固定组件。
体单元10还可包括第一腰部固定部件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可将壳体10a固定到用户的腰部。第一腰部固定部件11可例如连接到壳体10a，第二腰部固定部件12可连接到第一腰部支撑器13。第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12可由金属材料或弹性材料(诸如橡胶)形成。第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12可以是链条、具有弹性的带或各种类型的条。第一腰部固定部件11和第二腰部固定部件12可包括本领域技术人员可采用的用来将壳体10a固定到腰部或臀部的各种固定装置。体单元10还可包括用于支撑用户的腰部的第一腰部支撑器13。第一腰部支撑器13可被设计为与用户的腰部的形状相应的形状，从而支撑用户的腰部。如图1中所示，第一腰部支撑器13可通过第二腰部支撑器14连接到壳体10a。
如图3中所示，体单元10可包括体传感器15、电源16、处理器17和输入单元50。
体传感器15可感测用户的运动以获得与这种运动相关的各种信息。例如，体传感器15可感测用户的行走速度。体传感器15可包括速度传感器、倾斜传感器、加速度传感器、IMU和位置测量传感器(例如，全球定位系统(GPS))中的至少一个。
电源16可对壳体10a中的各种组件或者行走辅助单元2的组件(诸如致动器21、31和41)供电。电源16可安装在壳体10a中。电源16可以是原电池或二次电池。原电池可包括汞干电池、锰电池、碱性电池和锂电池中的至少一个。二次电池可包括镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池和锂聚合物电池。
处理器17可基于从第一传感器至第三传感器25、35和45以及第一测量单元至第三测量单元26、36和46传送的信息，来确定髋关节、膝关节、踝关节和与前述关节相应的致动器21、31、41中的每一个的操作状态。另外，处理器17可基于关于关节和与所述关节相应的致动器21、31、41的操作状态的确定来产生用于控制辅助行走设备1的控制信号。
处理器17可以是设置有至少一个硅芯片的处理单元，在所述至少一个硅芯片上安装有算术逻辑单元、寄存器、编程计数器、命令解码器和/或控制电路。处理器17可通过布置在在壳体10a中安装的印刷电路板上的至少一个半导体芯片来实现。
处理器17可通过基于与从测量单元26、36和46传送的运动相关的信息计算辅助行走设备和用户的逆动态模型来估计关节的运动。
根据一个实施例，处理器17可基于预定的行走模型来估计关节的运动。图4和图5是示出作为根据一实施例的行走模型的示例的有限的状态机模型的示图。参照图4，行走可被划分为八个阶段s1至s8。
在第一行走阶段s1中，右腿处于承重反应(loading response，LR)状态，左腿处于摆动前期(PSw)状态。当发生从第八行走阶段s8到第一行走阶段s1的过渡时，右脚的脚后跟可如图4和图5所示接触地面。另一方面，左脚的脚趾可接触地面，左脚的脚后跟可与地面间隔开(s8-s1)。
在第二行走阶段s2中，右腿处于站立中期(MSt)状态，左腿处于摆动初期(ISW)状态。在从第一行走阶段s1到第二阶段s2的过渡期间，右脚的脚趾和脚后跟同时接触地面，左腿开始摆动。左腿的脚后跟可首先离开地面，左脚的脚趾可在脚后跟离开地面后离开地面(s1-s2)。
在第三行走阶段s3中，右腿仍然处于MSt状态，而左腿处于摆动中期(MSw)状态。在从第二行走阶段s2到第三行走阶段s3的过渡期间，右脚的所有脚趾和脚后跟接触地面，左腿保持摆动。右脚和左脚可彼此接近地放置(s2-s3)。
在第四行走阶段s4中，右腿处于站立末期(TSt)状态，左腿处于摆动末期(TSw)状态。当发生从第三行走阶段s3到第四行走阶段s4的过渡时，右脚的脚后跟开始离开地面。另一方面，右脚的脚趾可仍然与地面接触。同时，左脚保持与地面间隔开(s3-s4)。
与第一行走阶段s1相反，在第五行走阶段s5中，左腿处于LR状态，右腿处于PSw状态。当发生从第四行走阶段s4到第五行走阶段s5的过渡时，左脚的脚后跟接触地面。同时，右脚的脚趾可与地面接触，右脚的脚后跟可与地面间隔开(s4-s5)。
在第六行走阶段s6中，左腿处于MSt状态，右腿处于ISw状态。当发生从第五行走阶段s5到第六行走阶段s6的过渡时，左脚的脚趾和脚后跟可同时接触地面。右腿可开始摆动，同时右脚的脚趾离开地面(s5-s6)。
在第七行走阶段s7中，左腿仍然处于MSt状态，右腿处于MSw状态。当发生从第六行走阶段s6到第七行走阶段s7的过渡时，左脚的脚趾和脚后跟都接触地面，右腿保持执行摆动运动(s6-s7)。
在第八行走阶段s8中，左腿处于TSt状态，右腿处于TSw状态。当发生从第七行走阶段s7到第八行走阶段s8的过渡时，右脚仍然保持与地面间隔开，左脚的脚后跟开始离开地面(s7-s8)。
在行走进行时，可重复第一阶段s1至第八阶段s8。
当在行走期间发生行走阶段过渡(s8-s1至s7-s8)时，至少一个测量单元26、36、46可测量和收集与至少一个关节的运动相关的信息。至少一个测量单元26、36、46可在过渡处理期间(s8-s1至s7-s8)的特定时间点测量与关节的运动相关的信息。根据实施例，至少一个测量单元26、36、46可在过渡处理期间的多个时间点测量与关节的运动相关的信息，从而获得多条信息的平均值或中间值。
具体地，至少一个测量单元26、36、46可收集关于与至少一个测量单元26、36、46相应的用户关节中的至少一个用户关节的运动的信息。另外，至少一个测量单元26、36、46可收集关于与至少一个测量单元26、36、46相应的第一致动器至第三致动器21、31和41中的至少一个致动器的操作的信息，以收集与至少一个关节的运动相关的信息。在这种情况下，由测量单元26、36、46收集的信息可包括关节角度、关节角速度、关节角加速度、辅助行走设备1的行走速度和GRF。由至少一个测量单元26、36、46测量的信息可被传送到处理器17，或者可被暂时或非暂时地存储在存储单元中，然后被传送到处理器17。
根据一实施例，至少一个测量单元26、36、46可在全部过渡处理期间测量和收集与至少一个关节的运动相关的信息。根据另一实施例，至少一个测量单元26、36、46可在部分过渡处理期间收集与至少一个关节的运动相关的信息。例如，至少一个测量单元26、36、46可仅在从第一过渡处理(s8-s1)到第四过渡处理(s3-s4)的过渡处理期间测量和收集与至少一个关节的运动相关的信息。
根据一实施例，在至少一个测量单元26、36、46测量和收集与至少一个关节的运动相关的信息的情况下，除了其他信息之外的关于测量时间点的时间信息也可被传送到处理器17。
处理器17可使用关于测量单元26、36、46进行测量的时间点的时间信息和由测量单元26、36、46测量的信息来计算和估计至少一个关节的运动。在这种情况下，估计的关节的运动可用于确定在后续行走阶段中至少一个关节的运动状态。例如，在第一过渡处理至第四过渡处理(s8-s1至s3-s4)期间估计的关节的运动可用于确定在第五行走阶段s5至第八行走阶段s8中至少一个关节的运动状态。
处理器17可使用预定插值技术在测量信息的多个时间点之间的时间点估计与关节的运动相关的信息。在这种情况下，估计的与关节的运动相关的信息可包括关节角度、关节角速度和关节角加速度。
处理器17可基于由第一测量单元至第三测量单元26、36和46中的至少一个测量单元测量的至少一个值来计算至少一个关节的转矩。在这种情况下，由第一测量单元至第三测量单元26、36和46测量的至少一个关节的各种参数(例如，关节角度、关节角速度和关节加速度)可用于计算至少一个关节的转矩。
根据示出的实施例的辅助行走设备向用户提供用于直观地调节与辅助行走设备的性能相关联的可变特性的方法，使得可变特性适合于用户的体型和行走习惯。可变特性是用户可调节的与辅助行走设备的性能相关联的特性，以根据用户的体型和行走习惯方便且自然地使用辅助行走设备。
可变特性可包括辅助行走设备所提供的辅助力的大小、辅助行走设备的响应速度和辅助行走设备的运动平稳性。
当辅助行走设备需要产生用于辅助用户行走的更大的力或更小的力时，辅助力的大小需要被调节。当辅助力响应于用户的运动而需要被快速提供时，辅助行走设备的响应速度需要被调节。另外，当期望更舒适且自然的行走时，辅助行走设备的运动平稳性需要被调节。可变特性不限于前述示例。可变特性可包括需要被调节以确保更舒适且自然的行走的与辅助行走设备的性能相关联的任何特性。
根据示出的实施例的辅助行走设备包括输入单元50，其中，输入单元50设置有用户界面，以允许用户直观地调节可变特性。
图6和图7是示出根据各种实施例的提供给辅助行走设备的输入单元的用于调节可变特性的用户界面的示例的示图。
如图6中所示，将被调节的可变特性的代表性属性的名称51可显示在输入单元50上。例如，如图6中所示，辅助力的大小可由“大小”指示，辅助行走设备的响应速度可由“响应速度”指示，辅助行走设备的运动平稳性可由“平稳性”指示。这也适用于图7中示出的输入单元50的示例。
另外，如图6中所示，输入单元50可包括针对每个可变特性设置的用于增大或减小每个可变特性的等级的至少一个调节按钮52，或如图7中所示，输入单元50可包括针对每个可变特性设置的用于增大或减小每个可变特性的等级的一个调节拨盘54。
用户可操纵图6的调节按钮52或图7的调节拨盘54，以将可变特性中的期望的可变特性的当前等级调节到更高或更低的等级。另外，输入单元50可如图6和图7中所示包括自动按钮53。当自动按钮53被用户按压时，根据预定设置自动地调节每个可变特性。用户可预先存储适合于用户的体型和行走习惯的设置，并可通过操纵自动按钮53来根据期望的设置调节辅助行走设备的性能，而不用频繁地调节可变特性。输入单元50可设置有用于这样的设置的单独的按钮或拨盘。可选地，在不采用单独的按钮或拨盘的情况下，可通过根据预定规则操纵设置的用于调节可变特性的按钮来建立和存储这些设置。按钮和拨盘仅为示例。用户界面还可通过诸如操纵杆或轨迹球的结构来构造。
图6和图7中示出的用户界面仅是说明性的。用户界面可采用触摸屏以通过触摸调节可变特性。可选地，用户界面可被实现有语音识别装置，从而根据用户语音命令调节可变特性。另外，用户界面可采用运动识别装置以通过识别用户的运动来调节可变特性。
输入单元50可通过以上给出的用户界面的示例的各种组合来实现，用户可选择与期望的命令输入类型相应的用户界面并输入命令。
输入单元50可安装在辅助行走设备的任何部分。例如，为了确保方便操纵，如图2中所示，输入单元50可安装在可被用户够到的体单元上。
当用户通过输入单元50输入用于调节可变特性中的期望的可变特性的命令时，处理器17调节与期望的可变特性相应的参数以调节可变特性。
可按照等式1对辅助行走设备建模。
等式1
(1)V＝Li+Ri+K(dq/dt)
(2)τm＝J(d2q/dt2)+B(dq/dt)+τl
(3)τl＝M(d2q/dt2)+C(dq/dt)+Gq
(4)τl＝f(L,R,K,J,B,M,C,G)l
等式1是当电压V被施加到辅助行走设备的致动器(例如，电机)时使负载(即，关节)旋转的转矩τl的产生的模型。
在等式1(1)中，V表示施加到电机的输入电压，L表示电机的电感，R表示电阻，K表示反电动势。另外，i表示电流，q表示关节的旋转角度。在等式1(2)中，τm表示电机的输出转矩，J表示电机的惯性力矩，B表示粘滞摩擦系数，τl表示施加到负载的转矩。另外，dq/dt表示关节的角速度，d2q/dt2表示关节的角加速度。
在等式1(3)中，τl表示关节的转矩。M是反映质量根据用户姿势的变化的第一参数，C是反映科里奥利力根据腿部的旋转的参数，G是反映地球的重力的参数。与其他系统参数不同，参数M、C和G不是恒定的而是可调节的。
如等式1(4)所示，由致动器产生并施加到关节的负载转矩τl是参数L、R、K、J、B、M、C和G的函数。参数L、R、K、J和B是诸如致动器的电机、减速器和连接件的组件的唯一变量。这些参数是在辅助行走设备1的制造期间通过校准设置的固定参数。为了通过调节这些固定参数将辅助行走设备的性能调节到适合于用户的体型或行走习惯的等级，每当辅助行走设备被穿戴或者平均值可能需要被设置时，可能需要进行校准。这些操作会造成使用辅助行走设备的不便并降低辅助行走设备的可用性。
通过响应于通过输入单元50输入的用于调节可变特性的命令而调节诸如M、C和G的可变参数，根据示出的实施例的辅助行走设备允许用户直观地将辅助行走设备的性能调节到适合于用户的体型或行走习惯的等级，而不用单独执行校准操作。
一旦通过输入单元50输入了用于调节可变特性的命令，处理器17确定前述可变参数之中与可变特性的调节相关的可变参数，并响应于通过输入单元50输入的调节命令而调节确定的可变参数以改变可变特性。
在响应于可变特性的调节而调节负载转矩的时间响应特性中，处理器17调节构成时间响应特性的可变参数。
图8是示出根据一实施例的对辅助行走设备的负载转矩的阶跃输入的时间响应的示图，图9是示出随着阻尼比的超调量(overshoot)的变化的示图，图10是示出随着固有频率的上升时间和调整时间的变化的示图。
如图8中所示，对负载转矩的阶跃输入的时间响应特性包括超调量、上升时间和调整时间。这些时间响应特性与可变特性相关联，因此，处理器17调节时间响应特性以调节可变特性。
例如，作为可变特性之一的辅助力的大小与时间响应特性的超调量相关联，辅助行走设备的响应速度与上升时间相关联。另外，辅助行走设备的运动平稳性与调整时间相关联。
将基于下面给出的等式2更具体地描述可变特性和时间响应特性之间的相关性。
等式2
超调量:
上升时间:1.8/ωn
调整时间:4×(2π/ωn)
当时间响应特性之一的超调量增大时，辅助力的大小也增大。如等式2所示，超调量取决于阻尼比(即，ξ)。参照图9，当ξ增大时，超调量可减小。另外，参照等式2，可通过调节可变参数C直接调节ξ。因此，当通过输入单元50输入了用于增大辅助力的大小的调节命令时，处理器17减小可变参数C以增大超调量。还可通过减小C并增大诸如M和G的其他可变参数来减小ξ。
当时间响应特性之一的上升时间减小时，辅助行走设备的响应速度增大。如等式2所示，上升时间取决于固有频率(即，ω)。参照图10，当固有频率增大时，上升时间减小。另外，参照等式2，可通过调节可变参数G和M直接调节固有频率。因此，当通过输入单元50输入了用于增大响应速度的调节命令时，处理器17减小可变参数M并增大G以增大固有频率，从而增大上升时间。
当时间响应特性之一的调整时间增大时，辅助行走设备的运动变得更加平稳。如等式2所示，调整时间取决于固有频率(即，ω)。参照图10，当固有频率减小时，调整时间增大。另外，参照等式2，可通过调节可变参数G和M直接调节固有频率。因此，当通过输入单元50输入了用于增强辅助行走设备的运动的平稳性的调节命令时，处理器17增大可变参数M并减小G以减小固有频率，从而增大调整时间。
当通过输入单元50的自动按钮53输入了用于根据预定设置调节可变特性的命令时，处理器17调节可变参数以调节辅助行走设备的性能，以便根据预定设置调节时间响应特性。
一旦通过输入单元50输入了用于可变特性的调节命令，处理器17就响应于调节命令而调节可变参数，并将控制信号输出到致动器，以根据调节的可变参数操作致动器。致动器根据从处理器17输出的控制信号产生转矩，从而利用用户期望的性能辅助用户行走。
响应于通过输入单元50的调节命令的改变，实时执行通过处理器17对可变参数的调节以及致动器的相应驱动。
图11是示出根据一实施例的控制辅助行走设备的方法的流程图。
参照图11，用于可变特性的调节命令通过输入单元50被接收(500)，并且处理器17响应于调节命令而调节可变参数(510)。
输入单元50设置有允许直观调节与辅助行走设备的性能相关的可变特性的用户界面。首先，指示将被调节的可变特性的代表性属性的名称51可显示在用户界面上。可针对每个可变特性设置用于增大或减小每个可变特性的等级的至少一个调节按钮52，或者可针对每个可变特性设置用于增大或减小每个可变特性的等级的一个调节拨盘54。另外，用户界面可采用触摸屏以通过触摸调节可变特性。可选地，用户界面可采用语音识别装置以根据用户的语音命令调节可变特性，或者可采用运动识别装置以通过识别用户的运动调节可变特性。用户可选择与期望的命令输入类型相应的用户界面并输入命令，从而将可变特性的当前等级调节到更高等级或更低等级。
当用户通过输入单元50输入用于调节可变特性中的期望的可变特性的命令时，处理器17调节与期望的可变特性相应的参数以调节可变特性。
处理器17响应于通过输入单元50输入的用于可变特性的调节命令而调节诸如M、C和G的可变参数。处理器17确定前述可变参数之中的与可变特性的调节相关的可变参数，并响应于通过输入单元50输入的调节命令而调节确定的可变参数以改变可变特性。
更具体地，在响应于可变特性的调节而调节负载转矩的时间响应特性中，处理器17调节构成时间响应特性的可变参数。
对负载转矩的阶跃输入的时间响应特性包括超调量、上升时间和调整时间。这些时间响应特性与可变特性相关联，因此，处理器17调节时间响应特性以调节可变特性。
例如，当时间响应特性之一的超调量增大时，辅助力的大小也增大。超调量取决于阻尼比(即，ξ)。当ξ增大时，超调量减小。当可变参数C减小时，ξ减小。因此，当通过输入单元50输入了用于增大辅助力的大小的调节命令时，处理器17减小可变参数C以减小ξ。还可通过减小C并增大诸如M和G的其他可变参数来减小ξ。此外，当时间响应特性之一的上升时间减小时，辅助行走设备的响应速度增大。上升时间取决于固有频率(即，ω)。当固有频率增大时，上升时间减小。可通过调节可变参数G和M直接调节固有频率。当通过输入单元50输入了用于增大响应速度的调节命令时，处理器17减小可变参数M并增大G以增大固有频率，从而增大上升时间。当时间响应特性之一的调整时间增大时，辅助行走设备的运动变得更加平稳。调整时间取决于固有频率(即，ω)。当固有频率减小时，调整时间增大。可通过调节可变参数G和M直接调节固有频率。当通过输入单元50输入了用于增强辅助行走设备的运动的平稳性的调节命令时，处理器17增大可变参数M并减小G以减小固有频率，从而增大调整时间。
处理器17产生反映可变参数的调节的控制信号，并将控制信号输出到致动器(520)，致动器产生与控制信号相应的转矩以辅助用户行走(530)。一旦通过输入单元50输入了用于可变特性的调节命令，处理器17就可响应于调节命令而调节可变参数，并将控制信号输出到致动器，以根据调节的可变参数操作致动器。致动器根据从处理器17输出的控制信号产生转矩，从而利用用户期望的性能辅助用户行走。响应于通过输入单元50的调节命令的改变，实时执行通过处理器17对可变参数的调节以及致动器的相应驱动。
从以上描述显而易见的是，根据示出的实施例，辅助行走设备允许用户直观地调节辅助行走设备的性能。
虽然已经示出和描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对实施例进行改变，本发明的范围在权利要求及其等同物中限定。

Claims (15)

1.一种辅助行走设备，包括：
致动器；
输入单元，被设置为接收调节命令，该调节命令请求调节与施加到所述辅助行走设备的一个或多个关节的负载转矩相关联的可变特性；
处理器，基于负载转矩的一个或多个时间响应特性与一个或多个可变特性之间的第一相关性而确定与调节命令的所请求的可变特性相关联的时间响应特性，并基于所述一个或多个时间响应特性与一个或多个可变参数之间的第二相关性而调节与确定的时间响应特性相关联的一个或多个可变参数；
其中，致动器基于调节的一个或多个可变参数而输出辅助力，
其中，可变特性包括以下项中的至少一项：辅助力的大小、辅助行走设备的响应速度和辅助行走设备的运动平稳性，
其中，一个或多个可变参数包括以下参数中的至少一个参数：反映质量根据关节的旋转变化的参数、反映科里奥利力根据关节的旋转变化的参数和反映重力根据关节的旋转变化的参数，
其中，时间响应特性包括以下项中的至少一项：超调量、上升时间和调整时间。
2.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节辅助力的大小的调节命令，处理器确定时间响应特性的超调量。
3.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节所述辅助行走设备的响应速度的调节命令，处理器确定时间响应特性的上升时间。
4.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节所述辅助行走设备的运动平稳性的调节命令，处理器确定时间响应特性的调整时间。
5.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节辅助力的大小的调节命令，处理器调节反映科里奥利力根据关节的旋转变化的可变参数。
6.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节所述辅助行走设备的响应速度的调节命令，处理器调节反映质量根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数或/或反映重力根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数。
7.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，响应于请求调节所述辅助行走设备的运动平稳性的调节命令，处理器调节反映质量根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数或反映重力根据一个或多个关节的旋转而变化的可变参数。
8.根据权利要求1所述的辅助行走设备，其中，输入单元包括：自动按钮，根据预定设置自动地调节可变特性，
其中，当命令通过自动按钮被输入时，处理器基于该命令而调节与可变特性之中的辅助力的大小、所述辅助行走设备的响应速度和所述辅助行走设备的运动平稳性中的至少一个相关的一个或多个可变参数。
9.一种控制辅助行走设备的方法，包括：
通过输入单元接收用于调节与施加到所述辅助行走设备的一个或多个关节的负载转矩相关联的可变特性的调节命令；
基于负载转矩的一个或多个时间响应特性与一个或多个可变特性之间的第一相关性而确定与调节命令的所请求的可变特性相关联的时间响应特性；
基于一个或多个时间响应特性与一个或多个可变参数之间的第二相关性而调节与确定的时间响应特性相关联的一个或多个可变参数；
通过致动器，基于调节的可变参数，输出辅助力，
其中，可变特性包括以下项中的至少一项：辅助力的大小、辅助行走设备的响应速度和辅助行走设备的运动平稳性，
其中，一个或多个可变参数包括以下参数中的至少一个参数：反映质量根据关节的旋转变化的参数、反映科里奥利力根据关节的旋转变化的参数和反映重力根据关节的旋转变化的参数，
其中，时间响应特性包括以下项中的至少一项：超调量、上升时间和调整时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，调节一个或多个可变参数的步骤包括：响应于请求调节辅助力的大小的调节命令，调节反映科里奥利力根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，调节一个或多个可变参数的步骤包括：响应于请求调节所述辅助行走设备的响应速度的调节命令，调节反映质量根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数或/或反映重力根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，调节一个或多个可变参数的步骤包括：响应于请求调节所述辅助行走设备的运动平稳性的调节命令，调节反映质量根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数或反映重力根据所述一个或多个关节的旋转而变化的可变参数。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，确定时间响应特性的步骤包括：响应于请求调节辅助力的大小的调节命令，确定时间响应特性的超调量。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，确定时间响应特性的步骤包括：响应于请求调节所述辅助行走设备的响应速度的调节命令，确定时间响应特性的上升时间。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，确定时间响应特性的步骤包括：响应于请求调节所述辅助行走设备的运动平稳性的调节命令，确定时间响应特性的调整时间。
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