CN107837173B - 步行辅助设备和控制步行辅助设备的方法 - Google Patents

Abstract

公开一种步行辅助设备和控制步行辅助设备的方法。所述方法可包括：测量穿戴所述步行辅助设备的用户的髋关节的运动和用户的身体的另一部分的运动，基于身体的另一部分的运动信息来校正髋关节的运动信息，基于髋关节的校正的运动信息来控制将被施加到所述步行辅助设备的力矩。

Description

步行辅助设备和控制步行辅助设备的方法

本申请要求于2016年9月20日提交到韩国知识产权局的第10-2016-0119984号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的全部内容通过整体引用包含于此。

技术领域

至少一个示例实施例涉及步行辅助设备和/或控制步行辅助设备的方法。

背景技术

步行辅助设备可用于辅助步行不便的用户更容易地步行。用户可由于诸如腿部力量弱和关节功能异常的各种原因而经受这样的不便。在步行中的这样的不便可被归因于诸如遗传缺陷的先天因素或疾病，和/或诸如事故和身体机能老化的后天因素或疾病。最近的老龄化社会问题已经促成步行辅助设备的多样化使用，例如，用于辅助肌肉力量减弱的老年用户步行、用于增加肌肉力量，此外还用于物理治疗和康复的目的。

发明内容

至少一个示例实施例涉及一种控制步行辅助设备的方法。

在一些示例实施例中，所述方法包括：测量与所述步行辅助设备相关联的用户的髋关节的运动和与用户的身体的另一部分相关联的运动；基于身体的所述另一部分的运动信息来校正髋关节的运动信息，以产生校正的运动信息；基于髋关节的校正的运动信息来控制用于施加到所述步行辅助设备的力矩。

在一些示例实施例中，测量的步骤包括：测量用户的髋关节的关节角和用户的骨盆的运动，校正的步骤包括：基于骨盆的运动来校正髋关节的测量的关节角。

在一些示例实施例中，校正的步骤包括：如果髋关节的运动的范围小于阈值范围，则确定用于校正髋关节的测量的关节角的量。

在一些示例实施例中，校正的步骤包括：基于通过将带通滤波器应用于骨盆的旋转角速度而获得的值，来校正髋关节的关节角。

在一些示例实施例中，测量的步骤包括：测量用户的髋关节的关节角和用户的躯干的倾斜，校正的步骤包括：基于躯干的倾斜校正髋关节的关节角。

在一些示例实施例中，校正的步骤包括：如果躯干的倾斜大于阈值，则确定用于校正髋关节的关节角的量。

在一些示例实施例中，校正的步骤包括：从髋关节的关节角减去躯干的向前倾斜的角。

在一些示例实施例中，测量的步骤包括：测量用户的髋关节的关节角、用户的骨盆的运动和用户的躯干的倾斜，校正的步骤包括：基于躯干的倾斜和骨盆的运动中的至少一个来校正髋关节的关节角。

在一些示例实施例中，校正的步骤包括：如果躯干的倾斜大于阈值，则基于躯干的倾斜来校正髋关节的关节角，以产生髋关节的部分校正的关节角；如果髋关节的运动的范围小于阈值范围，则基于骨盆的运动来校正髋关节的所述部分校正的关节角。

在一些示例实施例中，控制的步骤包括：基于髋关节的校正的运动信息检测用户的步态周期；基于步态周期确定用于施加到所述步行辅助设备的力矩。

在一些示例实施例中，检测的步骤包括：基于髋关节的校正的运动信息来检测用户的第一腿的步态周期的相位，确定的步骤包括：确定与步态周期的相位对应的力矩。

在一些示例实施例中，测量的步骤包括：测量用户的双腿的第一腿的髋关节的运动，第一腿为无法正常活动的腿。

一些示例实施例涉及一种步行辅助设备。

在一些示例实施例中，所述步行辅助设备包括：传感器，被配置为测量与所述步行辅助设备相关联的用户的髋关节的运动和用户的身体的另一部分的运动；驱动器，被配置为辅助用户步行；处理器，被配置为，基于身体的所述另一部分的运动信息来校正髋关节的运动信息，以产生校正的运动信息，基于髋关节的校正的运动信息来控制用于施加到驱动器的力矩。

在一些示例实施例中，传感器包括：第一传感器，被配置为测量髋关节的运动，第二传感器，被配置为测量用户的骨盆的运动，处理器被配置为基于骨盆的运动校正与髋关节的运动相关联的关节角。

在一些示例实施例中，传感器包括：第一传感器，被配置为测量髋关节的运动；第二传感器，被配置为测量用户的躯干的倾斜，其中，处理器被配置为基于躯干的倾斜校正与髋关节的运动相关联的关节角。

在一些示例实施例中，传感器包括：第一传感器，被配置为测量髋关节的运动；第二传感器，被配置为测量用户的骨盆的运动；第三传感器，被配置为测量用户的躯干的倾斜，其中，处理器被配置为基于骨盆的运动和躯干的倾斜来校正与髋关节的运动相关联的关节角。

在一些示例实施例中，第一传感器包括电位计、绝对编码器和增量编码器中的至少一个，第二传感器和第三传感器均包括加速度传感器、倾斜传感器、惯性传感器和陀螺传感器中的至少一个。

一些其他示例实施例涉及一种控制步行辅助设备的方法。

在一些示例实施例中，所述方法包括：经由处理器，基于用户的髋关节的校正的关节角，来确定用户的步态周期，用户的步态周期为异常的；经由处理器，以基于步态周期确定的力矩水平，来指示驱动器驱动所述步行辅助设备。

在一些示例实施例中，所述方法还包括：通过处理器，基于特定形状自适应振荡器(PSAO)、自适应频率振荡器(AFO)和有限状态机(FSM)中的至少一个，来确定步态周期的相位；通过处理器，基于步态周期，从力矩数据确定力矩水平，力矩数据定义步态周期的相位与力矩水平之间的对应关系。

在一些示例实施例中，所述方法还包括：经由一个或多个传感器来测量测量的用户的髋关节的关节角；经由一个或多个传感器来测量用户的躯干的倾斜和用户的骨盆的旋转角速度中的一个或多个；基于躯干的倾斜和骨盆的旋转角速度中的所述一个或多个是否在阈值范围之外，选择性地校正测量的关节角。

在一些示例实施例中，选择性地校正的步骤包括：经由处理器，基于躯干的倾斜和骨盆的旋转角速度中的所述一个或多个以及髋关节的测量的关节角，来确定校正的关节角。

在一些示例实施例中，确定校正的关节角的步骤包括：经由处理器从测量的关节角去除用户的躯干的向前倾斜的角。

示例实施例的额外方面将在下面的描述中部分阐述，并且部分从该描述将是清楚的，或者可通过本公开的实践而获知。

附图说明

从下面结合附图对示例实施例的描述，这些和/或其他方面将变得清楚并且更加容易理解：

图1是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备的主视图；

图2是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备的侧视图；

图3是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备的后视图；

图4和图5是示出根据至少一个示例实施例的髋关节的从偏瘫患者的步态测量的角度的示例的示图；

图6是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备的配置的示图；

图7是示出根据至少一个示例实施例的控制步行辅助设备的方法的流程图；

图8至图10是示出根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的示例的流程图；

图11是示出根据至少一个示例实施例的控制将被施加到步行辅助设备的力矩的方法的流程图；

图12是示出根据至少一个示例实施例的基于特定形状自适应振荡器(PSAO)检测步态周期的相位的方法的示图；

图13是示出根据至少一个示例实施例的基于有限状态机(FSM)和自适应频率振荡器(AFO)检测步态周期的相位的方法的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述一些示例实施例。关于分配给附图中的元件的参考标号，应注意，在任何可能的情况下，即使相同的元件在不同的附图中被示出，相同元件也将由相同的参考标号来指定。此外，在示例实施例的描述中，当认为与公知相关的结构或功能的详细描述将导致本公开的解释模糊时，将省略与公知相关的结构或功能的详细描述。

然而，应理解，不意在将本公开限制为所公开的具体示例实施例。相反，示例实施例将涵盖落入示例实施例的范围内的所有修改、等同物和替换物。贯穿附图的描述，相同的标号表示相同的元件。

此外，这里可使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等术语来描述组件。这些术语中的每个术语不用于限定相应组件的本质、顺序或次序，而仅用于将相应组件与其它组件进行区分。应注意，如果在说明书描述了一个组件“连接”、“结合”或“接合”至另一组件，则尽管第一组件可直接地连接、结合或接合到第二组件，但第三组件可“连接”、“结合”或“接合”在第一组件与第二组件之间。

在此使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，不意在限制。除非上下文另外明确地指示，否则如在此使用的单数形式也意在包括复数形式。还将理解，当在此使用术语“包括”和/或“包含”时，表明存在所叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应注意，在一些可选择的实施方式中，示出的功能/动作可不按附图中示出的顺序发生。例如，连续示出的两个附图实际上可基本同时地执行，或有时可以以相反的顺序执行，这取决于所包含的功能/动作。

除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地定义，否则诸如在通用字典中定义的术语应被解释为具有与在相关领域和/或本公开的上下文中的含义一致的含义，不应被解释为理想化或过于形式化的含义。

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，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。

图1、图2和图3分别是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备1的主视图、侧视图和后视图。

步行辅助设备1可辅助穿戴步行辅助设备1的用户步行。如在图1至图3中所示，步行辅助设备1可辅助用户的双腿或双腿中的一部分的运动。图1至图3中所示的步行辅助设备1的类型仅作为示例性示例被提供，因此在此提供的技术性描述可适用于任何类型的步行辅助设备1。

参照图1至图3，步行辅助设备1可包括主体10和步行助理(例如，髋关节步行助理20、30和40)。

主体10包括嵌入各种组件的壳体10a。壳体10a可稳定地将组件固定到步行辅助设备1，同时在壳体10a中安全地保护组件。

壳体10a中包括被配置为处理通过传感器感测的信号并执行各种计算或运算的处理器(未示出)，或者包括各种类型的存储装置(未示出)。

处理器可基于特定形状自适应振荡器(PSAO)、自适应频率振荡器(AFO)或有限状态机(FSM)来计算步态周期，并确定与计算的步态周期对应的辅助力矩或辅助力。辅助力矩可表示将由步行辅助设备1施加到穿戴步行辅助设备1的用户的身体以辅助用户步行的旋转力。处理器可基于确定的辅助力矩产生用于控制步行助理20、30和40的操作的控制信号，并将产生的控制信号传递到步行助理20、30和40。

例如，存储装置可为磁盘存储装置或半导体存储器装置，并且可存储通过传感器获得的感测数据和通过处理器获得的结果数据。

主体10还包括：被配置为支撑用户的腰部的腰部支撑件11、被配置为将腰部支撑件11紧固到用户的身体的紧固件12a和/或被配置为将壳体10a紧固到用户的身体的紧固件12b。例如，紧固件12a和12b可为弹性带或各种类型的带。

参照图1至图3，步行辅助设备1可包括关节运动检测器(例如，髋关节运动检测器29、膝关节运动检测器39和踝关节运动检测器49)，并且可测量关节的运动(例如，关节角的改变)。关节的运动可被表示为设置在不同支撑架之间的铰链(hinge)的运动。关节运动检测器29、39和49可被设置在支撑架被铰链机构连接的铰链区域，或者分别被设置在驱动器(例如，被配置为提供辅助力矩的髋关节驱动器21、膝关节驱动器31和踝关节驱动器41)中。

关节运动检测器29、39和49可使用角度传感器(例如，电位计、绝对编码器和增量编码器)来测量关节的角度。此外，关节运动检测器29、39和49可包括惯性测量单元IMU，例如，三轴惯性传感器和陀螺传感器。IMU可用于测量用户的身体的倾斜或步行加速度和/或速度。

如上所述，步行助理20、30和40包括：髋关节步行助理20、膝关节步行助理30和踝关节步行助理40。当用户步行时，髋关节步行助理20可辅助用户的股骨区域和髋关节的运动，膝关节步行助理30可辅助用户的小腿区域和膝关节的运动，踝关节步行助理40可辅助用户的踝关节的运动。

步行辅助设备1可包括髋关节步行助理20、膝关节步行助理30和踝关节步行助理40中的一个或两个，并且由步行助理20、30和40中的任何一个步行助理计算的步态周期可用于确定将从另一步行助理输出的辅助力矩。髋关节步行助理20、膝关节步行助理30和踝关节步行助理40可被穿戴在用户的左腿和右腿之一或用户的双腿上。

在步行辅助设备1辅助用户的左腿和右腿二者的情况下，如在图1和图3中所示，步行辅助设备1的髋关节步行助理20、膝关节步行助理30和踝关节步行助理40可分别包括：髋关节步行助理20R和20L、膝关节步行助理30R和30L以及踝关节步行助理40R和40L。

髋关节步行助理20R和20L可将辅助力矩提供到用户的股骨区域或髋关节，以辅助用户抬起或放下股骨区域。髋关节步行助理20R和髋关节步行助理20L可分别包括：腰部紧固件12a和12b、大腿紧固件23R和23L、髋关节驱动器21R和21L、第一支撑架14R和14L、第二支撑架22R和22L以及髋关节运动检测器29R和29L。

腰部紧固件12a和12b可分别将第一支撑架14R和14L紧固到用户的腰部，并且大腿紧固件23R和23L可分别将第二支撑架22R和22L紧固到用户的大腿。髋关节驱动器21R和21L可沿至少一个方向产生不同大小的辅助力矩，并将产生的辅助力矩提供到第一支撑架14R和14L以及第二支撑架22R和22L。例如，髋关节驱动器21R和21L中的每一髋关节驱动器可包括被配置为基于由主体10供应的电能产生辅助力矩的电机。第一支撑架14R和14L以及第二支撑架22R和22L可被物理地连接到髋关节驱动器21R和21L，并可基于由髋关节驱动器21R和21L产生的辅助力矩沿至少一个方向旋转。髋关节运动检测器29R和29L可检测髋关节的运动，例如，关节角。

膝关节步行助理30R和30L可将辅助力矩提供到用户的小腿区域或膝关节，以辅助用户抬起或放下小腿区域。膝关节步行助理30R和30L可包括：膝紧固件33R和33L、皮肤紧固件34R和34L、膝关节驱动器31R和31L、第三支撑架32R和32L以及膝关节运动检测器39R和39L。

膝紧固件33R和33L以及皮肤紧固件34R和34L可将第三支撑架32R和32L紧固到用户的小腿。膝关节驱动器31R和31L可将不同大小的辅助力矩提供到第三支撑架32R和32L，并且第三支撑架32R和32L可基于由膝关节驱动器31R和31L提供的辅助力矩沿至少一个方向旋转。膝关节运动检测器39R和39L可检测用户的膝关节的运动。

当步行辅助设备1辅助用户步行时，踝关节步行助理40R和40L可辅助用户的踝的运动。踝关节步行助理40R和40L可包括：皮肤紧固件34R和34L、脚紧固件43R和43L、第四支撑架42R和42L、踝关节驱动器41R和41L以及踝关节运动检测器49R和49L。

皮肤紧固件34R和34L以及脚紧固件43R和43L可将第四支撑架42R和42L紧固到用户的踝。因此，用户的脚的脚底可被固定在第四支撑架42R和42L上。踝关节驱动器41R和41L可将不同大小的辅助力矩提供到第四支撑架42R和42L，并且第四支撑架42R和42L可基于由踝关节驱动器41R和41L提供的辅助力矩沿至少一个方向旋转。踝关节运动检测器49R和49L可检测用户的踝关节的运动。

步行辅助设备1可通过前面描述的组件以及组件的操作来辅助用户步行。步行辅助设备1可使用关节运动检测器29、39和49来测量关节角的改变，基于测量的关节角的改变来估计指示步行前进的步态周期或步态周期的相位，并且基于估计的步态周期来计算将被施加到步行助理20、30和40的力矩。

具有瘫痪或僵硬的腿的偏瘫患者可意图通过旋转患者的骨盆以向前移动瘫痪的腿来步行。当以这样的方式步行的患者使用步行辅助设备时，将被测量的关节角可能不存在改变，或者关节角仅存在微小的改变。

图4是示出根据至少一个示例实施例的髋关节的从这样的偏瘫患者的步态测量的角度的示例的示图。

参照图4，波形410指示从正常步态测量的髋关节角的改变，波形420指示从偏瘫患者的瘫痪的腿的步态测量的髋关节角的改变。在偏瘫患者的情况下，使用从瘫痪的腿测量的髋关节角的改变来估计步态周期或步态周期的相位可导致步态周期的错误识别和步行辅助设备的故障。

此外，偏瘫患者可意在通过弯曲和伸展患者的躯干获得用于移动患者的瘫痪的腿所需的推进力。

图5是示出根据至少一个示例实施例的髋关节的从这样的偏瘫患者的步态测量的角度的示例的示图。

参照图5，波形510指示从正常步态测量的髋关节角的改变，波形520指示从偏瘫患者的瘫痪的腿的步态测量的髋关节角的改变。当偏瘫患者弯曲上肢或躯干以移动瘫痪的腿时，测量患者的髋关节的角度(或髋关节角)的结果可被表示为异常图案，并且使用通过该测量获得的这样的结果数据可导致步态周期的错误识别和步行辅助设备的故障。

根据在此描述的至少一个示例实施例，步行辅助设备和控制步行辅助设备的方法可更准确地识别与异常步态图案(诸如，在偏瘫患者的步态中所示的图案)相关联的步态周期。在下文中，将参照图6至图13更详细地描述步行辅助设备的操作。

图6是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助设备600的配置的示图。

步行辅助设备600可额外使用用户的身体的另一部分的运动信息以更准确地估计步态周期。步行辅助设备600可使用身体的该另一部分的运动信息来校正用户的髋关节的运动信息，并基于髋关节的校正的运动信息来估计步态周期，以更准确地识别异常步态图案(例如，在前面描述的偏瘫患者的步态图案)的步态周期。

参照图6，步行辅助设备600包括：传感器610、处理器620、存储器630和驱动器640。

传感器610可包括被配置为测量穿戴步行辅助设备600的用户的运动的传感器。例如，传感器610可包括：被配置为测量用户的髋关节的运动的传感器和被配置为测量用户的身体的除了髋关节之外的另一部分的运动的传感器。

驱动器640可通过将辅助力矩提供到用户的身体的一部分来辅助用户步行。例如，驱动器640可包括被配置为将旋转动力提供到用户的关节的电机。

处理器620可包括能够处理数据的任何装置，例如，包括：被配置为基于输入数据执行特定操作的专用集成电路(ASIC)，或者被配置为执行包括在计算机可读代码中的指令的专用处理器的微处理器。例如，计算机可读代码可被存储在存储器(未示出)上。如下面参照图7更详细地讨论的，计算机可读代码可将处理器620配置为专用计算机，以经由一个或多个传感器610测量用户的髋关节的关节角，经由一个或多个传感器610测量用户的躯干的倾斜和用户的骨盆的旋转角速度中的一个或多个；基于躯干的倾斜和骨盆的旋转角速度中的一个或多个是否在阈值范围之外选择性地校正测量的关节角，基于用户的髋关节的校正的关节角确定用户的步态周期，其中，用户的步态周期为异常的；指示驱动器640以基于步态周期确定的力矩水平驱动步行辅助设备1和步行辅助设备600。

处理器620可基于从传感器610获得的感测数据产生用于控制驱动器640的操作的控制信号。处理器620可基于用户的身体的另一部分的运动信息来校正髋关节的运动信息，并基于髋关节的校正的运动信息来控制将被施加到驱动器640的力矩。

存储器630可为非易失性存储器装置、易失性存储器装置、存储介质或上述装置中的两个或更多个的组合。例如，存储器630可包括：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、高密度磁盘-只读存储器(CD-ROM)、磁带、软盘和光记录介质。

存储器630可存储从传感器610获得的感测数据和从由处理器620执行的计算或运算获得的处理结果。

处理器620和驱动器640可分别与参照图1至图3描述的处理器以及驱动器21、31和41对应。此外，传感器610可至少对应于关节运动检测器29。将参照图7至图13详细描述控制步行辅助设备600的方法。

图7是示出控制图6中所示的步行辅助设备600的方法的流程图。

参照图7，在操作710中，步行辅助设备600的传感器610测量穿戴步行辅助设备600的用户的髋关节的运动。髋关节的将被测量的运动可为用户的两条腿之中的无法正常活动的一条腿(例如，偏瘫患者的瘫痪的腿)的髋关节的运动。

在操作720中，传感器610测量用户的身体的除了髋关节之外的另一部分(例如，用户的骨盆和躯干)的运动。在一些示例实施例中，处理器620可指示传感器610同时执行操作710和720。在其他示例实施例中，可以以不同的顺序顺序地执行操作710和720。

在操作730中，步行辅助设备600的处理器620基于用户的身体的另一部分的运动信息校正髋关节的运动信息。将参照图8至图10更详细地描述由处理器620基于用户的身体的另一部分的运动信息校正髋关节的运动信息的方法的示例。

在操作740中，处理器620基于髋关节的校正的运动信息来控制施加到步行辅助设备600的力矩。将参照图11更详细地描述通过处理器620控制将被施加到步行辅助设备600的力矩的方法。

根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的示例

图8是示出根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的示例的流程图。当穿戴步行辅助设备的用户转动用户的骨盆以向前移动一条腿时(例如，当偏瘫患者转动患者的骨盆以向前移动患者的瘫痪的腿时)，步行辅助设备可基于骨盆的运动校正髋关节的运动信息，并因此基于髋关节的校正的运动信息来更准确地识别步态周期。

参照图8，在操作810中，在图6中所示的步行辅助设备600的传感器610中包括的第一传感器测量穿戴步行辅助设备600的用户的髋关节的关节角。例如，第一传感器可包括用于感测关节角的电位计、绝对编码器和增量编码器。

在操作820中，在传感器610中包括的第二传感器测量用户的骨盆的运动作为用户的躯干的运动。例如，第二传感器可包括加速度传感器、惯性传感器和陀螺传感器中的至少一个传感器，并被设置在用户的骨盆的附近。在一些示例实施例中，处理器620可指示传感器610同时执行操作810和820。在其他示例实施例中，可以以不同的顺序顺序地执行操作810和820。

步行辅助设备600的处理器620可通过将带通滤波器应用于从第二传感器获得的感测信息，来获得与骨盆的旋转角相关联的信息。

在操作830中，处理器620确定与髋关节的测量的关节角相关联的髋关节的运动的范围(例如，运动范围(ROM))是否小于阈值范围。

在操作840中，当髋关节的运动的范围小于阈值范围时，处理器620基于骨盆的测量的运动来校正在操作810中髋关节的测量的关节角。例如，处理器620可如下面的等式1所示基于骨盆的运动来校正髋关节的关节角。

[等式1]

θ₂＝srω+θ₁

在等式1中，θ₁和θ₂分别表示髋关节的测量的关节角和髋关节的校正的关节角。关于θ₁的符号，当腿从躯干向前移动时θ₁具有正值，并且当腿从躯干向后移动时θ₁具有负值。ω表示通过将带通滤波器应用于骨盆的旋转角速度获得的值。骨盆的旋转角速度可反映骨盆相对于在垂直方向的轴的旋转速度，并可基于通过第二传感器获得的感测数据来获得。r表示可调常量。s表示常量，该常量在左腿的髋关节的情况下为-1，在右腿的髋关节的情况下为+1。

当用户转动用户的骨盆来步行时，基于等式1校正的关节角θ₂的改变与测量的关节角θ₁的改变相比可更显著，因此可更准确地识别用户的步态周期。例如，通过校正，如图4中示出的波形420所示的测量数据可改变为与图4中所示的波形410相似。

当髋关节的运动的范围不小于阈值范围时，处理器620可不校正髋关节的关节角，而是可如图7的操作740所述，基于在操作810中髋关节的测量的关节角来控制将被施加到步行辅助设备600的力矩。

根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的另一示例

图9是示出根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的另一示例的流程图。

当穿戴步行辅助设备的用户弯曲并伸展用户上肢或躯干以向前移动一条腿时(例如，当偏瘫患者弯曲并伸展患者的上肢以获得用于移动患者的瘫痪的腿的推进力时)，步行辅助设备可基于用户的躯干的倾斜来校正用户的髋关节的运动信息，并因此基于髋关节的校正的运动信息更准确地识别步态周期。

参照图9，在操作910中，如图8的操作810中所述，在图6中所示的步行辅助设备600的传感器610中包括的第一传感器测量穿戴步行辅助设备600的用户的髋关节的关节角。

在操作920中，在传感器610中包括的第三传感器测量用户的躯干的沿重力方向的倾斜。例如，第三传感器可包括加速度传感器、倾斜传感器、惯性传感器和陀螺传感器中的至少一个传感器，并被设置在用户的腰部或背部。在一些示例实施例中，处理器620可指示传感器610同时执行操作910和920。在其他示例实施例中，可以以不同的顺序顺序地执行操作910和920。

在操作930中，步行辅助设备600的处理器620确定躯干的测量的倾斜是否大于阈值。

在操作940中，当躯干的测量的倾斜大于阈值时，处理器620基于躯干的测量的倾斜来校正在操作910中髋关节的测量的关节角。例如，处理器620可如下面的等式2所述基于躯干的倾斜来校正髋关节的关节角。

[等式2]

θ₂＝θ₁–ψ

在等式2中，θ₁和θ₂分别表示用户的髋关节的测量的关节角和髋关节的校正的关节角。关于θ₁的符号，当腿从躯干向前移动时θ₁具有正值，当腿从躯干向后移动时θ₁具有负值。ψ表示用户的躯干或上肢的向前倾斜的角，并且当躯干从用户站立时的垂直方向向前倾斜时ψ具有正值，当躯干向后倾斜时ψ具有负值。基于等式2，可通过从髋关节的测量的关节角θ₁减去躯干的向前倾斜的角ψ来估计与躯干的倾斜相关联的元素。

尽管当用户弯曲并伸展躯干以步行时，测量的关节角θ₁可由异常改变图案表示，但是髋关节的关节角的异常改变图案可通过基于等式2校正关节角θ₁被改善为正常图案。例如，通过校正，诸如图5中示出的波形520所示的异常改变图案可被改变为与图5中所示的波形510相似。

当躯干的测量的倾斜不大于阈值时，处理器620可不校正髋关节的关节角，而是可如图7的操作740中所述，基于在操作910中髋关节的测量的关节角来控制将被施加到步行辅助设备600的力矩。

根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的另一示例

图10是示出根据至少一个示例实施例的校正髋关节的运动信息的方法的另一示例的流程图。步行辅助设备可基于如参照图8和图9描述的骨盆的运动和躯干的倾斜之一来校正髋关节的运动信息，并还可基于下文中参照图10描述的骨盆的运动和躯干的倾斜二者来确定是否校正髋关节的关节角。

参照图10，在操作1010中，在图6中所示的步行辅助设备600的传感器610中包括的第一传感器可测量用户的髋关节的关节角。

在操作1020中，在传感器610中包括的第二传感器测量用户的骨盆的运动。

在操作1030中，在传感器610中包括的第三传感器测量用户的躯干的倾斜。

为了描述操作1010至1030，可参考图8的操作810和820的描述以及图9的操作910和920的描述。在一些示例实施例中，处理器620可指示传感器610同时执行操作1010、操作1020和操作1030。在其他示例实施例中，可以以不同的顺序顺序地执行操作1010、操作1020和操作1030。

在操作1040中，步行辅助设备600的处理器620可确定躯干的测量的倾斜是否大于阈值。

在操作1050中，当躯干的测量的倾斜大于阈值时，处理器620校正在操作1010中髋关节的测量的关节角。例如，处理器620可基于等式2在操作1050中执行校正。

在操作1060中，处理器620可确定与在操作1050中髋关节的校正的关节角相关联的运动的范围是否小于阈值范围。

在操作1070中，当与校正的关节角相关联的运动范围的范围小于阈值范围时，处理器620可基于骨盆的测量的运动来附加校正髋关节的校正的关节角。如上所述，处理器620可使用下面的等式3基于躯干的倾斜和骨盆的运动二者来校正髋关节的关节角。

[等式3]

θ₂＝θ₁–ψ+srω

在等式3中，θ₁和θ₂分别表示用户的髋关节的测量的关节角和髋关节的校正的关节角。ω表示通过将带通滤波器应用于用户的骨盆的旋转角速度而获得的值，并与等式1中的ω对应。ψ表示用户的躯干或上肢的向前倾斜的角，并与等式2中的ψ对应。

返回参照操作1040，当躯干的测量的倾斜不大于阈值时，处理器620可不基于躯干的倾斜校正髋关节的关节角，并跳转到操作1060。

在操作1060中，处理器620可确定与在操作1010中髋关节的测量的关节角相关联的髋关节的运动的范围是否小于阈值范围。在操作1070中，当与髋关节的测量的关节角相关联的运动的范围小于阈值范围时，处理器620基于骨盆的运动来校正髋关节的关节角。如在此描述的，处理器620可基于等式1校正髋关节的关节角。

虽然图10示出在分析操作1060和1070中的运动信息之前首先分析操作1040和1050中的躯干信息的示例实施例，但是示例实施例不限于此。例如，在其他示例实施例中，处理器620可在执行操作1040和1050之前执行操作1060和1070。

尽管未示出，但是在其他示例实施例中，处理器620可用作安全机构，并基于倾斜的量和髋关节的运动的范围来禁止将辅助力矩提供给用户。

例如，如果处理器620在操作830或1060中确定用户的髋关节的运动的范围小于最小的运动的范围，和/或在操作930或在操作1040中确定躯干的倾斜大于最大倾斜，则处理器620可指示驱动器21、驱动器31和驱动器41关闭，而不是校正髋关节的关节角并使用校正的关节角确定由驱动器21、驱动器31和驱动器41中的一个或多个驱动器提供的辅助力矩。因此，处理器620可作为用于防止具有其身体的一侧完全瘫痪的用户遭受进一步伤害的安全机构。

图11是示出根据至少一个示例实施例的控制将被施加到步行辅助设备的力矩的方法的流程图。

参照图11，在操作1110中，在图11中所示的步行辅助设备600的处理器620基于用户的髋关节的校正的运动信息来检测用户的步态周期。

处理器620可使用PSAO、AFP或FSM中的至少一个检测步态周期的相位。

下面参照图12更详细地讨论处理器620使用PSAO检测步态周期的相位的示例。此外，下面参照图13更详细地讨论处理器620基于FSM和AFO检测步态周期的相位的示例。

例如，处理器620可通过FSM确定步态状态，并基于确定的步态状态确定步态周期的相位。可使用在右髋关节和左髋关节的各个角度和各个角速度交叉的点的右髋关节和左髋关节中的每一髋关节的角度和角速度，来设置包括在FSM中的步态状态之间的转换的要求。例如，包括在FSM中的步态状态可包括：在右腿支撑的同时左腿摆动的状态、在右腿支撑的同时摆动的左腿落地的状态、在左腿支撑的同时右腿摆动的状态和在左腿支撑的同时摆动的右腿落地的状态。

步态周期表示从一只脚触地的时间点开始并持续到该只脚再次触地为止的一个周期或时间段，并且步态周期可被定义为在一个周期期间线性增加的变量。例如，在步态周期中，一只脚触地的时间点可被定义为0％(该值在一个步态周期期间线性增加)，随后在该只脚刚好再次触地之前的时间点被定义为100％。

在操作1120中，处理器620基于检测的步态周期确定将被施加到步行辅助设备600的力矩。处理器620可确定将被施加到步行辅助设备600的驱动器640的与操作1110中确定的步态周期的相位对应的力矩。在一些示例实施例中，处理器620可使用查找表来确定与步态周期的相位对应的力矩。在一些示例实施例中，查找表可被预先定义，然而，示例实施例不限于此。查找表可包括定义步态周期的相位与力矩之间的对应关系的数据集。此外，查找表可包括基于地面的斜率、用户的步行速度、用户的年龄、用户的性别或用户的体重分类的多个数据集。可辅助用户步行的辅助力矩可基于施加到驱动器640的力矩被获得。

图12是示出根据至少一个示例实施例的基于PSAO检测步态周期的相位的方法的示图。

参照图12，在操作1210中，图6中所示的步行辅助设备600的处理器620可检测第一腿的关节角，例如，与第一腿相关联的第一髋关节的关节角。

在操作1215中，处理器620检测第二腿的关节角，例如，与第二腿相关联的第二髋关节的关节角。

在操作1220中，处理器620使用PSAO计算第一腿的步态频率。PSAO可包括具有偏移、基本频率或通过调制基本频率获得的频率的多个振荡器。通过调制基本频率获得的频率可为基本频率的整数倍频率。每个振荡器可具有相位和幅度。

PSAO可通过将参考轨迹、相位和幅度应用于每个振荡器来获得每个振荡器的角度，其中，每个振荡器具有基本频率和与基本频率的整数倍对应的频率。PSAO可通过将从振荡器获得的各个角度进行重叠来产生重叠角。PSAO可通过按步态周期的顺序组合产生的重叠角来产生重叠角轨迹。然后，PSAO可重复地校正振荡器的基本频率、偏差、相位和幅度，以最小化重叠角与测量的关节角之间的误差。

通过这样的校正，重叠角轨迹可近似于测量的关节角的轨迹。振荡器的基本频率、偏移和幅度可收敛于与测量的关节角的轨迹对应的值。当产生的重叠角轨迹与测量的关节角的轨迹对应时，PSAO的基本频率可对应于步态频率。具有基本频率的振荡器的相位可对应于当前步态相位，并且步态周期可基于步态相位被检测。

在操作1230中，处理器620使用步态频率检测第一腿的步态周期的相位。例如，处理器620可使用相位补偿自适应振荡器(PCAO)检测步态周期的相位。例如，PCAO可为将髋关节的测量的关节角用作输入并输出步态周期的当前相位的信号处理模块。检测的第一腿的步态周期的相位被称为第一相位。

在操作1225中，与操作1220相似，处理器620使用第二腿的PSAO计算第二腿的步态频率。在操作1235中，与操作1230相似，处理器620使用步态频率检测另一条腿的步态周期的相位。检测的第二腿的步态周期的相位被称为第二相位。

在操作1240中，处理器620计算第一相位与第二相位之差。例如，第一相位与第二相位之差在正常步态的情况下可为50％。针对另一示例，第一相位与第二相位之差在异常步态的情况下可不为50％。

在操作1245中，处理器620在第一腿的PSAO中和第二腿的PSAO中设置相位偏移。对于正常步态(例如，步态周期为50％)，相位偏移可被设置为180度(°)。对于异常步态，非对称步态周期被识别的相位偏移可被设置。

图13是示出根据至少一个示例实施例的基于FSM和AFO检测步态周期的相位的方法的流程图。

参照图13，在操作1310中，图6中所示的步行辅助设备600的处理器620测量第一腿的关节角，例如，与第一腿相关联的第一髋关节的关节角。

在操作1320中，处理器620检测第一腿的关节角速度。

在操作1330中，处理器620测量第二腿的关节角，例如，与第二腿相关联的第二髋关节的关节角。

在操作1340中，处理器620检测第二腿的关节角速度。

在操作1350中，处理器620基于AFO计算当前步态频率。例如，处理器620可基于第一腿的关节角计算当前步态频率。

在操作1360中，处理器620使用FSM确定预设的步态状态中的当前步态状态。例如，处理器620可基于第一腿的关节角和关节角速度以及第二腿的关节角和关节角速度来确定当前步态状态。

在操作1370中，处理器620基于计算的当前步态频率和确定的当前步态状态中的至少一个，来检测第一腿的步态周期的相位。

可使用硬件组件和软件组件来实现在此描述的单元和/或模块。例如，硬件组件可包括：麦克风、放大器、带通滤波器、音频数字转换器和处理装置。可使用被配置为通过执行算术操作、逻辑和输入/输出操作执行程序代码的一个或多个硬件装置来实现处理装置。处理装置可包括：处理器、控制器和算术逻辑单元、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、微处理器或能够以限定的方式响应和执行指令的任何其他装置。处理装置可运行操作系统(OS)和运行在OS上运行的一个或多个软件应用。处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操纵、处理和创建数据。为了简单的目的，处理装置的描述用作单数；然而，本领域的技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或者一个处理器和一个控制器。此外，不同的处理配置是可行的，诸如，并行处理器。

软件可包括计算机程序、一段代码、指令或它们的一些组合，以独立地或共同地指示和/或配置处理装置按照期望进行操作，从而将处理装置转换为专用处理器。可以以任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备、计算机存储介质或装置，或者以能够将指令或数据提供给处理装置或者提供由处理装置解释的指令或数据的传播信号波，来永久地或暂时地实现软件和数据。软件还可被分布在联网的计算机系统上，使得软件以分布式方式被存储和执行。可通过一个或多个非暂时性计算机可读记录介质来存储软件和数据。

根据上述示例实施例的方法可被记录在包括程序指令的非暂时性计算机可读介质中，以实现上述示例实施例的各种操作。介质还可单独包括数据文件、数据结构等，或与程序指令结合地包括数据文件、数据结构等。记录在介质上的程序指令可以是为了示例实施例的目的而专门设计和构造的程序指令，或者它们对于计算机软件领域的技术人员是公知和可用的。非暂时性计算机可读介质的示例包括：磁介质(例如，硬盘、软盘和磁带)；光介质(例如，CD-ROM盘、DVD和/或蓝光盘)；磁光介质(例如，光盘)；和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(例如，USB闪存驱动器、存储卡、记忆棒等)等)。程序指令的示例包括机器代码(例如，由编译器产生的)和包括可通过计算机使用解释器执行的更高级代码的文件二者。为了执行上述示例实施例的操作，上述装置可被配置为用作一个或多个软件模块，反之亦然。

上面已经描述了多个示例实施例。然而，应理解，可对这些示例实施例做出各种修改。例如，如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合和/或被其他组件或它们的等同物代替或补充，则可实现合适的结果。因此，其他实施方式落入权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种步行辅助设备，包括：

第一传感器，被配置为：测量与所述步行辅助设备相关联的用户的髋关节的运动；

第二传感器，被配置为：测量用户的除了髋关节之外的另一身体部分的运动，其中，所述另一身体部分的运动包括用户的躯干的倾斜；

驱动器，被配置为：辅助用户步行；

处理器，被配置为：

基于所述另一身体部分的运动信息来校正髋关节的运动信息，以产生髋关节的校正的运动信息，

基于髋关节的校正的运动信息来控制将被施加到驱动器的力矩，

其中，处理器还被配置为：响应于用户的躯干的倾斜大于阈值，基于躯干的倾斜校正髋关节的关节角。

2.如权利要求1所述的步行辅助设备，还包括：

第三传感器，被配置为测量用户的骨盆的运动，并且

处理器被配置为：基于骨盆的运动校正与髋关节的运动相关联的关节角。

3.如权利要求2所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

响应于髋关节的运动的范围小于阈值范围，确定用于校正髋关节的测量的关节角的量。

4.如权利要求2所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：基于通过将带通滤波器应用于骨盆的旋转角速度获得的值来校正髋关节的关节角。

5.如权利要求1所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

响应于躯干的倾斜大于阈值，确定用于校正髋关节的关节角的量。

6.如权利要求1所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

从髋关节的关节角减去躯干的向前倾斜的角。

7.如权利要求1所述的步行辅助设备，还包括：

第三传感器，被配置为测量用户的骨盆的运动，

其中，第一传感器被配置为测量用户的髋关节的关节角，并且

其中，处理器被配置为：基于躯干的倾斜和骨盆的运动中的至少一个来校正髋关节的关节角。

8.如权利要求7所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

响应于躯干的倾斜大于阈值，基于躯干的倾斜来校正髋关节的关节角，以产生髋关节的部分校正的关节角；

响应于髋关节的运动的范围小于阈值范围，基于骨盆的运动来校正髋关节的所述部分校正的关节角。

9.如权利要求1所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

基于髋关节的校正的运动信息检测用户的步态周期；

基于步态周期确定将被施加到所述步行辅助设备的力矩。

10.如权利要求9所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

基于髋关节的校正的运动信息来检测用户的第一腿的步态周期的相位，并且

确定与步态周期的相位对应的力矩。

11.如权利要求1所述的步行辅助设备，其中，第一传感器被配置为：

测量用户的双腿的第一腿的髋关节的运动，其中，第一腿为无法正常活动的腿。

12.如权利要求2所述的步行辅助设备，其中，

第一传感器包括电位计、绝对编码器和增量编码器中的至少一个，

第二传感器和第三传感器均包括加速度传感器、倾斜传感器、惯性传感器和陀螺传感器中的至少一个。

13.如权利要求9所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

基于特定形状自适应振荡器、自适应频率振荡器和有限状态机中的至少一个，来确定步态周期的相位；

基于步态周期，从力矩数据确定力矩水平。

14.如权利要求13所述的步行辅助设备，其中，力矩数据定义步态周期的相位与力矩水平之间的对应关系。

15.如权利要求2所述的步行辅助设备，其中，第三传感器被配置为测量用户的骨盆的旋转角速度，

其中，处理器被配置为：基于躯干的倾斜和骨盆的旋转角速度中的一个或多个是否在阈值范围之外，校正与髋关节的运动相关联的关节角。

16.如权利要求15所述的步行辅助设备，其中，处理器被配置为：

基于躯干的倾斜和骨盆的旋转角速度中的所述一个或多个以及与髋关节的运动相关联的关节角，来确定校正的关节角。

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