CN112004511A - 用于预防肌肉骨骼损伤和增强性能的可穿戴设备 - Google Patents

用于预防肌肉骨骼损伤和增强性能的可穿戴设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可穿戴设备，所述可穿戴设备预防肌肉骨骼损伤并且增强性能。系统和方法提供了可穿戴设备，以在身体活动期间辅助人的动作，例如，执行运动(例如，抬举)和保持静态姿势(例如，下蹲，或在头顶上方工作时保持工具)。材料、构造和系统架构允许可穿戴设备长时间穿在衣服上面、穿在衣服下面或集成到衣服中，以改善性能或降低损伤风险。可以在可穿戴设备中包括传感器以检测穿戴者的各种活动、动作和姿势，并且各种主动和半主动控制方法可以利用传感器信息来向个人用户提供定制的辅助。各种控制优化技术确保可穿戴设备以最高效率来操作。

Description

用于预防肌肉骨骼损伤和增强性能的可穿戴设备
相关申请的交叉参考
本申请要求享有于2018年2月17日提交的美国临时专利申请No.62/631,666和于2018年11月7日提交的美国临时专利申请No.62/757,138的权益和优先权，所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
作为其日常活动的一部分，个人执行艰苦的体力劳动可以使人疲劳，并且增加肌肉骨骼损伤的风险。例如，在制造、建筑、仓储和物流行业中的工人例行地执行有要求的身体活动，例如，重复举重、抬举重物、远距离运输装备和物料以及长时间保持各种姿势。这些活动可以导致反复发作和致残发作，从而降低工作功能和生活质量。在美国，过度劳累占据了所有非致命性工伤的大部分，导致美国公司每年在直接成本上耗费的金额超过130亿美元。因此，迫切需要一种经济和公共健康解决方案，以便可以确保我们的员工安全和生产力。
作为另一个示例，老年人口的身体强度下降会限制和降低他们进行日常生活活动的能力。诸如从坐到站立(sit-to-stand)动作、购物、园艺等活动会具有挑战性，并且经常导致疲劳和肌肉骨骼损伤。
个人执行的任务的强度或精力会需要比他们使用或培训过的任务的强度或精力更高，对此可以导致损伤、疼痛或不适(例如，在家里安装家具或器具、搬到新地方、购物以及运输沉重装备)。
因此，减轻身体负担、降低损伤风险和/或改善穿戴者的性能的可穿戴机器人系统将具有广泛的影响，包括工业、消费者、老年人和医疗应用。柔软的可穿戴机器人可以用作个人防护装备的一部分，或被集成到日常服装中，以便不仅降低在有要求的身体活动中受伤的风险，而且在其它活动中也变得完全透明，从而不以其它方式约束或限制性能。
发明内容
公开了用于预防肌肉骨骼损伤和增强性能的可穿戴设备。系统和方法提供了可穿戴设备，以在身体活动期间辅助人的动作，例如，执行运动(例如，抬举)和保持静态姿势(例如，下蹲，或在头顶上方工作时保持工具)。
本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接(coupling)至第二锚定构件，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，并且所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身；并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。并且其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的至少一个肩部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的至少一条大腿，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。在各种实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节，并且所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
在各种实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，并且所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿，所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的一个或多个背关节；并且所述可穿戴设备还包括将所述致动器联接至所述第二锚定构件和所述第三锚定构件的载荷平衡连接器，所述载荷平衡连接器包括柔性细长构件以及一机构，所述柔性细长构件具有联接至所述第二锚定构件的第一端部和连接至所述第三锚定构件的第二端部，所述机构将所述致动器联接至所述柔性细长构件的在所述第一端部和所述第二端部之间的中间部分，并且所述机构被配置为允许所述柔性细长构件在所述机构内平移，并且由此使分配到所述穿戴者的第一条腿和第二条腿的所述张力平衡。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的一个或多个背关节；并且所述可穿戴设备还包括：集成到所述致动器中的分离(decoupling)机构，所述分离机构包括：齿轮，所述齿轮与所述致动器的马达的输出接合并且被配置为当所述马达被致动时旋转；第一旋转构件，所述第一旋转构件设置成与所述齿轮的第一侧共轴并且从所述齿轮的第一侧延伸；和第二旋转构件，所述第二旋转构件设置成与所述齿轮的第二侧共轴并且从所述齿轮的第二侧延伸，其中，所述第一旋转构件和所述第二旋转构件被配置为彼此独立地旋转，以在所述第二锚定构件和所述第三锚定构件之间均匀地分配由所述马达产生的转矩，并且由此使分配到所述穿戴者的第一条腿和第二条腿的所述张力平衡。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，并且其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；其中，所述至少一个致动器的致动直接地或间接地联接所述第一锚定构件和所述第二锚定构件以在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的背关节；并且所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第三锚定构件，其中，所述至少一个致动器的致动直接地或间接地将所述第一锚定构件和所述第三锚定构件联接以在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的背关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿，并且所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第三锚定构件，并且其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和围绕所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节的力矩。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿，并且所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第三锚定构件，并且其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和围绕所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节的力矩。
在各种实施例中，其中，所述致动器可释放地联接至所述第一锚定构件和所述第二锚定构件，使得所述致动器可以可选择性地附接至所述可穿戴设备和从所述可穿戴设备拆卸。在实施例中，所述可穿戴设备还包括安装板，所述安装板联接至与所述致动器可释放地联接的所述第一锚定构件和所述第二锚定构件中的至少一个。并且其中，所述安装板包括一个或多个电连接器，用于使所述致动器的一个或多个电气部件电连通与所述第一锚定部件和所述第二锚定部件中的至少一个相关联的一个或多个电气部件。
在实施例中，其中，所述至少一个致动器包括联接至所述第一锚定构件的第一平面构件、联接至所述第二锚定构件的第二平面构件、布置在所述第一平面构件和所述第二平面构件上的多个引导件以及柔性细长元件，所述柔性细长元件以交替的方式越过所述第一平面构件和所述第二平面构件上的相对的引导件以联接所述第一平面构件和所述第二平面构件，其中，所述柔性细长元件的第一端部被锚定到所述第一平面构件，并且所述柔性细长元件的第二端部联接至马达，并且其中，致动所述马达将拉动所述柔性细长元件的所述第二端部，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
在实施例中，其中，所述至少一个致动器包括布置在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件上的多个引导件以及柔性细长元件，所述柔性细长元件以交替的方式越过所述第一锚定构件和所述第二锚定构件上的相对的引导件以联接所述第一锚定构件和所述第二锚定构件，其中，所述柔性细长元件的第一端部锚定到所述第一锚定构件，并且所述柔性细长元件的第二端部联接至马达，并且其中，致动所述马达将拉动所述柔性细长元件的所述第二端部，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
在实施例中，其中，所述至少一个致动器包括马达、第一旋转滑轮元件、第二旋转滑轮元件、第三旋转滑轮元件以及柔性细长元件，所述第一旋转滑轮元件连接至所述马达的输出，所述第二旋转滑轮元件设置成与所述第一旋转滑轮元件共面并且与所述第一旋转滑轮元件径向地偏移，并且所述第二旋转滑轮元件经由正时带联接至所述第一旋转滑轮元件，所述第三旋转滑轮元件设置成与所述第一旋转滑轮共轴并且与所述第一旋转滑轮轴向地偏移，并且所述第三旋转滑轮元件固定地联接至所述第一旋转滑轮，所述柔性细长元件卷绕在所述第三旋转滑轮上，其中，所述柔性细长元件的中间部分或端部联接至所述第二锚定构件，其中，致动所述马达将促使所述柔性细长构件缩短，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
在另一方面中，本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件；以及至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件的长度、改变其长度或改变其阻抗，以控制在所述可穿戴设备中通过所述穿戴者的运动或姿势产生的张力的水平，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂，并且所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。在各种实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿，并且所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节，并且所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
在又一方面中，本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件，并且所述至少一个连接元件被配置为吸收通过所述穿戴者的运动或姿势产生的能量；以及至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件以储存所吸收的能量并且解锁所述至少一个连接元件以释放所吸收的能量，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节，并且所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
在又一方面中，本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；以及至少一个被动元件，所述至少一个被动元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件，使得所述穿戴者的运动或姿势在所述可穿戴设备中产生张力，并且所述可穿戴设备提供围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。在各种实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干，其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂，并且其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。在实施例中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿，并且所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。在实施例中，其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部，其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身，其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节，并且所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
在又一方面中，本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：至少一个致动器，所述至少一个致动器被配置为在所述可穿戴设备中产生力或者促使在所述可穿戴设备中产生力，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩以辅助所述穿戴者执行非周期性运动或保持姿势；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量用于评估与下列中的至少一者相关联的对象函数的信息：向所述穿戴者提供身体辅助，在所述穿戴者与所述可穿戴设备之间的相互作用，以及所述可穿戴设备的操作；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为根据至少一个致动曲线(actuation profile)来致动所述至少一个致动器，基于由所述至少一个传感器测得的所述信息评估所述对象函数以确定所述对象函数的所得变化，基于所述对象函数中的所得变化调节所述至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调节以优化所述至少一个致动参数来用于使所述对象函数最大化或最小化。在实施例中，其中，所述至少一个控制器被配置为识别出待被优化以用于使所述对象函数最大化或最小化的两个或更多个致动参数，根据两个或更多个致动曲线来致动所述至少一个致动器，所述两个或更多个致动曲线具有待被优化的所述两个或更多个致动参数的不同基线值组，基于由所述至少一个传感器测得的所述信息，针对所述两个或更多个致动曲线中的每个来评估所述对象函数，基于所述对象函数的相对应评估来定义在所述两个或更多个致动参数与所述对象函数的相对应评估之间的数学相关性，评估所述基线数学相关性以确定所述两个或更多个致动参数的候选值组来用于使所述对象函数最大化或最小化，基于所述对象函数的相对应评估来更新所述数学相关性以用于根据与所述两个或更多个致动参数的候选值组相关联的致动曲线来致动所述至少一个致动器，并且继续更新所述数学相关性，直到所述对象函数的评估达到全局最大值或全局最小值为止或者直到当满足终止标准时为止。
在又一方面中，本公开涉及一种可穿戴设备，其包括：第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量与由所述可穿戴设备跨越的所述穿戴者的一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为检测待由所述可穿戴设备辅助的所述穿戴者的运动或姿势的开始和/或类型；作为由所述可穿戴设备跨越的所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度的函数，确定待在所述可穿戴设备中产生的期望的张力，用于辅助所述穿戴者执行所述运动或保持所述姿势；并且调节所述可穿戴设备的阻抗或由所述可穿戴设备提供的力，使得在所述可穿戴设备中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。在各种实施例中，其中，所述可穿戴设备包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件的长度、改变其长度或改变其阻抗，并且其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括将所述至少一个连接元件的所述长度锁定在这样的长度处，即，所述长度被配置为促使通过所述穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在所述可穿戴设备中产生期望的张力。在实施例中，其中，所述可穿戴设备包括至少两个连接元件，其中，所述可穿戴设备包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地接合所述至少两个连接元件中的一个或多个；其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括接合所述至少两个连接元件中的一个或多个，所述至少两个连接元件单独地或组合地具有弹簧常数或阻尼常数，所述弹簧常数或阻尼常数被配置为促使通过所述穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在所述可穿戴设备中产生期望的张力。在实施例中，其中，所述可穿戴设备包括至少一个致动器，并且其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括主动地致动所述至少一个连接元件以在所述可穿戴设备中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。在实施例中，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势开始的阈值。在实施例中，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势结束的阈值。在实施例中，其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器确定所述穿戴者的躯干、大腿关节和髋关节中的一个或多个的相对角度，并且其中，所述控制器监测所述相对角度，以检测所述相对角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的阈值。在实施例中，其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的阈值。在实施例中，其中，所述控制器通过计算以下两者之间的相对角度来确定所述穿戴者的髋关节的所述平均角度：(i)所述穿戴者的躯干，以及(ii)所述穿戴者的大腿的平均角度。在实施例中，其中，所述控制器被配置为识别出所述穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动，并且如果是，则确定所述阈值的任何超出数都不指示所述待辅助的抬举动作或下蹲动作开始。在实施例中，其中，所述控制器通过以下操作来识别出所述穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动：确定所述髋关节之一的角度与所述另一髋关节的角度之间的差，将惩罚项(penalty term)应用到所述差，从所述髋关节的所述平均角度减去所惩罚的差(penalized difference)，并且评估所述髋关节的所述平均角度的所得确定是否超过所述阈值。在实施例中，其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势结束的阈值。在实施例中，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息以检测所述待辅助的动作的一个或多个状态。在实施例中，其中，所述待辅助的动作是抬举动作，其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述抬举动作的一阶段的开始或结束的阈值。在实施例中，其中，所述阈值指示所述抬举动作的初始向下运动状态，并且其中，所述阈值是从所述髋关节的中性角度增大的所述髋关节的平均角度。在实施例中，其中，所述阈值指示所述抬举动作的保持状态，并且其中，所述阈值是减小到约每秒零度的所述髋关节的平均角速度。在实施例中，其中，在所述保持状态期间，所述控制器监测所述髋关节的所述平均角度以检测向向上运动状态或向下运动状态的过渡，其中，所述髋关节的所述平均角度向较低角度的变化指示向向上运动状态的过渡，并且其中，所述髋关节的所述平均角度向较高角度的变化指示向向下运动状态的过渡。在实施例中，其中，所述待被辅助的动作是抬举动作，其中，所述控制器被配置为基于与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息将所述抬举动作分类为弯腰抬举动作、蹲下抬举动作或扭转抬举动作。在各种实施例中，其中，所述控制器被配置为作为所辅助的运动或姿势的状态或类型的函数来调节所述可穿戴设备的阻抗。并且其中，在保持状态期间，所述控制器被配置为将所述张力逐渐增大至目标值，以便在较长时间段保持所述姿势的同时辅助所述穿戴者。并且其中，所述控制器被配置为接收来自所述穿戴者的输入以用于选择峰值张力来辅助不同的运动，并且其中，所述控制器被配置为缩放所述可穿戴设备的阻抗或由所述可穿戴设备提供的力以使所述可穿戴设备具有与所选峰值张力值相对应的最大峰值张力。并且其中，所述控制器被配置为接收来自所述穿戴者的输入，用于禁止由所述可穿戴设备产生所述张力。
在又一方面中，本公开涉及一种用于监测人的身体活动的可穿戴系统，所述可穿戴系统包括：至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量与以下各项中的一项或多项有关的信息：由所述可穿戴系统跨越的所述穿戴者的一个或多个关节的角度、速度或加速度，由所述穿戴者承受的力或转矩，以及所述穿戴者的生物特征参数；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为分析由所述至少一个传感器测量的信息，以评估在所述穿戴者穿戴所述可穿戴系统时与所述穿戴者的身体活动相关联的损伤风险、任务执行、生物力学和人体工程学指标中的一项或多项。在实施例中，其中，所述至少一个传感器包括惯性测量单元(IMU)、关节角度传感器、力或压力传感器、转矩传感器、代谢能测量设备、肌肉活动测量设备(EMG)、地面反作用力传感器、心率传感器和鞋内底(insole)力或压力传感器中的一个或组合。在实施例中，其中，所述处理器还被配置为向所述穿戴者通知他或她正在执行会导致受伤的动作。在实施例中，其中，所述处理器还被配置为在所述穿戴者从事进一步的活动之前确定和向所述穿戴者通知合适的恢复期，以减轻受伤的可能性。
附图说明
图1示出不同的应用领域，其中用户可以受益于穿戴辅助设备以减轻肌肉骨骼损伤的风险并且提高生产率。
图2A、图2B和图2C示出对包括背关节和髋关节(图2B)在内的身体辅助的被动设备(图2A)、主动设备以及仅传感器的系统(图2C)的样本实施例。
图3示出机器人服装的代表性实施例的多个视图。
图4A和图4B示出可以如何通过定义连接元件的不同初始长度来修改输出张力。
图5A、图5B和图5C示出样本用户运动，其中关节遵循正弦模式从0°(站立)的初始位置运动到90°(将躯干弯曲到水平位置)。
图6示出根据所选的致动参数(在该情况下为致动定时(timing))两个不同的健康个体如何可以具有不同的结果，系统的最大性能是通过针对每个受试者非常不同的致动参数来实现的。
图7示出如何根据规定的致动的定时、速率、幅度(magnitude)和整体形状来分解致动曲线。
图8示出用于可穿戴设备的优化控制的代表性方法。
图9示出IMU用于检测运动何时开始(关节加速度或速度的变化)和检测运动方向，例如，躯干正在弯曲和/或扭转，以定义用户是在矢状面中执行动作(例如，在用户面前抬举对象)，还是躯干正在弯曲和扭转(例如，将对象抬举至侧面)，并且用此对动作分类。
图10示出机器人服装的实施例，其中锚定构件跨越多个关节。
图11和图12示出所提出的设备具有多个应用领域的几个行业。
图13是连接两个大腿锚定件以在后背点的一侧上产生锚定点的载荷平衡带的一个示例。
图14示出载荷平衡带的功能。
图15和图16示出可以如何通过定义连接元件的不同初始长度来修改输出张力，以及连接元件的不同刚度值将如何提供不同的输出。
图17示出在代表性示例#1B中描述的设备向背关节和髋关节提供由用户身体运动被动地产生的辅助张力，连接元件的尺寸或设计可以被设定为提供如在示例#1A中描述的不同类型的辅助。
图18示出包括致动器部件的设备，所述致动器部件可以用于控制附接在两个锚定构件之间的线缆。
图19示出如何通过刚度值来定义通过致动呈现的样本虚拟阻抗，其中F是合力，θ是大腿与躯干之间的相对角度，并且K是呈现的刚度。
图20A、20B和图20C示出样本用户运动，其中关节遵循正弦模式从0°(站立)的初始位置运动到90°(将躯干弯曲到水平位置)。
图21示出半刚性部件的示例，所述半刚性部件包括两个锚定构件，一个锚定构件在顶部上，另一个锚定构件在底部上。诸如致动线缆或弹性被动元件之类的连接元件可以连接以向用户背部提供辅助转矩。
图22示出通过将线缆驱动的致动器借助锚定构件放置在膝盖的两侧(大腿的前部和小腿的前部)上而实现的柔软的可穿戴设备实施例的示例。
图23示出一种构型，其中致动器可以具有在手臂下方附接至服装部件的锚件，所述服装部件卷绕在手臂周围和胸部的侧处，使得随着线缆运动，所述致动器产生张力，所述张力在肩关节上产生支撑转矩。
图24A、图24B和图24C示出在先前示例中描述的设备如何可以组合以辅助诸如膝盖、背部、肩部或它们的任何组合的多个关节。
图25A、图25B、图25C以及图26A和图26B示出可以如何将所提出的设备集成到日常使用的典型工作服中的一些样本实施例。
图27示出可穿戴辅助设备，所述可穿戴辅助设备穿戴在肩部周围，以便当用户将手臂伸过头顶以避免肩关节过度劳累时为肩关节给出支撑。
图28示出作为优化过程的示例的流程图，所述优化过程可以基于初始设置或探索点评估对象，然后使用收集的数据更新曲线，确定下一个候选探索点，使用这些设置评估对象，检查收敛标准，等等。
图29A示出将由设备优化和辅助的不同活动。
图29B示出分类算法，所述分类算法可以对由用户在运动初始化阶段期间正执行的不同类型的活动分类，从而能够为所述运动中的每个选择不同的辅助参数以能够独立地优化那些运动。
图30提供更多的示例，这些示例是低等水平到中等水平(在舒适步行期间典型的关节转矩的20％至30％)的辅助的组合，所提出的机器人服装平台的低惯性和非约束性性质为控制可穿戴机器人提供新的机遇，所述可穿戴机器人需要辅助以与穿戴者的基础肌肉功能同步。
图31示出通过改变参数k的代表性辅助曲线的示例。较高刚度值可以意味着用户在弯曲过程中在背部上获得作为他/她的躯干角度的函数的较高辅助。
图32是辅助设备的示例，所述辅助设备可以在每个手指的背部包括一个致动单元，所述致动单元在被加压时可以为每个手指提供辅助。
图33示出如何进行阻抗控制的机器人服装；市场上可买到的被动刚性外骨骼；以及我们开发出柔软被动设备以对背关节和髋关节卸载的初步结果已经表明，对于某些用户而言，被动阻抗对用于某些动作的目标背部肌肉卸载是有效的。
图34A、图34B和图34C示出传输系统和方法的示例。
图35示出机器人服装可以被设计成待穿戴在衣服下面，并且可以由以下各项组成：i)完全柔软的内衣，其包括柔软的感测部件和力路径以舒适地将辅助力传递到身体以及ii)线缆驱动的致动模块，其可以满足比力、功率和带宽要求，同时容易连接至内衣而为分布式传感器供以动力并且辅助用户。
图36示出可以穿戴上以在抬举和/或到达任务期间辅助用户的动作或姿势的设备的概念。
图37A示出图示张力可以如何产生横过背关节和髋关节的辅助转矩的视图。
图37B示出完全便携的设备的实施方式，所述完全便携的设备能够通过遵循图37A中所示的架构来辅助背关节和髋关节。
图38示出可以连接在两个锚定构件之间的线缆驱动的致动系统。
图39A、图39B、图40A、40B、图41A和图41B示出可替代的线缆驱动的致动系统设计。如图所示，该致动元件包括可穿戴设备快速附接特征部，以能够将纺织部件附接至该设计中的机加工特征部。
图42示出包括由用户正穿戴的线缆驱动的机电致动系统的设备。
图43A、图43B和图43C示出位于用户的上躯干上的致动器系统及其集成到服装中的额外细节。
图44和图45示出不同的用户将所提出的系统穿戴在衣服上以执行涉及达到或抬举载荷的不同任务。
图46A和图46B，在实施例中，可穿戴设备部件、架构和致动器系统可以被并入日常使用的典型服装中。
图47A、图47B、图47C和图47D示出将机器人部件集成到服装中的实施例的额外细节。
图48示出示例，其中致动器被卡(click)入布满到腰部上的纺织部件中的安装板中，该安装板可以具有卡入式机械和电气特征部。
图49示出被设计成与纺织品兼容的传感器，以测量人体动作、带张力、相互作用力/压力和肌肉努力。
图50示出示例控制框架。
图51A、图51B和图51C示出惯性测量单元可以如何用于测量关节角度、速度和加速度。
图52A和图52B示出在步行、爬楼梯和抬举任务期间的相对角度。
图53A示出用于确定动作状态的起始阈值。
图53B示出示例，其中可以使用在位移角中的初始阈值，使得该系统在初始阶段期间随着用户向前弯曲其躯干或腿而不提供辅助。
图54示出包括两个主要部分的控制方法：高级控制器和低级控制器，每个控制器都基于各种传感器输入和控制逻辑来产生输出信号。
图55示出用于控制该系统中的力或张力的低级控制方案由两个部分组成。描述了导纳控制器和前馈模型。马达控制器运行两个级联的PI回路以用于速度和电流控制。
图56示出，针对静态躯干弯曲的稳定性(η＝0)被发现主要取决于辅助水平Fd，如左图所示。左图示出所需的最小阻尼值，以确保在静态向前弯曲姿势中的稳定跟踪。右图示出通过定性地概述合理阻尼值的范围以基于动力学因子η控制机械护甲(exosuit)的阻尼调度方法。右图中的阴影区域表示为每个任务确定的理想阻尼值。
图57示出护甲的行为，其包括用于张紧(加载)和释放(卸载)线缆的迟滞现象。
图58示出在忽略掉护甲变形的情况下在躯干和大腿运动与相对应的线缆长度之间的理论关系。
图59示出前馈模型的性能，以描述人的动作对线缆速度的影响。
图60A、图60B和图60C示出辅助可以被定义为躯干与大腿的角度的函数。
图61A和图61B示出抬举的不同的状态以及可以如何定义不同的阻抗。
图62是示出来自设备的测量的图表，其中五个不同的用户执行一系列的五十个抬举周期，并且该系统呈现不同类型的阻抗曲线。
图63A和图63B示出遵循所提出的辅助策略来自设备的施加的力和位移角的测量，在所述辅助策略中用户从直立站立位置开始并且以不同的速度和范围执行一系列的四个抬举。
图64示出一种设备，所述设备通过在用户向下运动时使用感测数据来检测不同的运动，以检测用户的运动和使辅助力适应于更适合该具体运动的曲线。
图65示出诸如决策树(图65A)、隐马尔可夫网络(图65B)等之类的机器学习算法可以用于对用户动作分类。
图66A和图66B示出三维阻抗空间的概念。
图67A、图67B、图67C、图67D和图67E描绘了用于辅助静态保持的代表性方法，其中控制策略可以根据由穿戴者停留在“保持”位置中的时间来增加辅助量。
图68A示出实施例，其中载荷平衡组件还可以包括硬件部件，所述硬件部件可以沿躯干上下滑动以使载荷平衡带运动与连接元件(例如，线缆部件)分离。
图68B是另一个实施例，其中一个或多个分离部件可以被集成到致动系统本身中。
图68C示出内置到致动器中的代表性分离机构。
图69示出一种概念，在所述概念中载荷平衡带通过使用诸如低摩擦、辊、轴承、滑轮等的部件来与线缆部件分离。
图70描述实现载荷平衡机制的不同方式。在该情况下，两个独立的马达各自用于致动每个带/线缆。
图71示出其中有可穿戴设备的实施例。
图72示出控制策略可以利用以下事实：施加到双腿的力的总和(其将向腰带施加向下的力)高于在背部处的力(其向腰带施加向上的力)，这更容易将腰带保持在适当位置中，这是由于身体的形状帮助将腰带保持在适当位置中，以独立控制背部和髋部辅助，但是将背部辅助的力的量限制到接近于或低于施加到双腿的力的总和。
图73示出穿过腿部的条带(例如，束带)或半刚性部件(其在一侧上锚定到腰带，并且在另一侧上锚定到上躯干上的位置，该位置锚定到用户的肩部)可以如何向腰带提供额外的支撑以避免向上的动作。
具体实施方式
公开了用于预防肌肉骨骼损伤和增强性能的可穿戴设备100。系统和方法提供了可穿戴设备100，以在身体活动期间辅助人的动作，例如，执行运动(例如，抬举)和保持静态姿势(例如，下蹲，或在头顶上方工作时保持工具)。材料、构造和系统架构允许可穿戴设备100长时间穿在衣服上面、穿在衣服下面或集成到衣服中，以改善性能或降低损伤风险。可以在可穿戴设备100中包括传感器230以检测穿戴者的各种活动、动作和姿势，并且各种主动和半主动控制方法可以利用传感器信息来向个人用户提供定制的辅助。各种控制优化技术确保可穿戴设备100以最高效率来操作。
一种柔软的可穿戴设备100增强和保护不同行业的工人(例如，建筑工人，制造、物流、仓库人员，行李搬运员，安装工，护理者，医生等)或者作为日常生活活动的一部分(例如，老年人，健康人，医学患者)，该柔软的可穿戴设备100将对减少肌肉骨骼损伤、提高生产力和/或性能产生了广泛影响。作为示例，图1示出不同的应用领域，其中用户可以受益于穿戴辅助设备以减轻肌肉骨骼损伤的风险并且提高生产率。
公开了当执行可以潜在导致不适、疼痛、疲劳、损伤等的身体活动或动作时辅助用户的方法、系统和设备。更具体地，本公开涉及可以在较长时间段上穿戴的可穿戴设备100(例如，柔软的可穿戴机械护甲、外骨骼、可穿戴机器人设备或机器人服装)，并且可穿戴设备100包括以下元件或以下元件的组合：
i)可穿戴设备架构，其由锚定构件110和柔性连接元件150(服装，半刚性部件，织带，条带，线缆，它们的组合等)构成，所述锚定构件110被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的各个身体部位上，所述柔性连接元件150直接地或间接地联接锚定构件110。在各种实施例中，通过穿戴者的运动或姿势，连接元件150可以被主动地致动以在可穿戴设备100中主动地产生张力，半主动地致动以改变在可穿戴设备100中产生的张力水平，和/或当穿戴者基于穿戴者的运动或姿势时可以在可穿戴设备100中被动地产生张力。如所配置的，可穿戴设备100将力和/或力矩传递给身体，用于辅助穿戴者执行各种运动或保持各种姿势。
ii)可穿戴传感器230，其测量或估计人类生物力学、在系统与穿戴者之间的相互作用以及与环境或对象的相互作用。作为示例，这些传感器230可以被集成在服装部件中或与服装部件兼容。
iii)被动元件190，其可以被集成为使得在用户运动时以会对人体有益的方式产生张力或转矩。这样的示例包括弹性体、弹簧、阻尼器。
iv)致动：一个或多个致动器120可以被集成为主动系统的一部分，以辅助用户或控制系统部件的位置、力或预张力。另外，在半主动系统中，可以使用一个或多个致动器120来设定系统中的预张力水平或设定弹性元件的初始位置，以调谐该元件何时将开始相对于人的动作被动地提供辅助力。
通过在锚定构件110之间提供张力，可以穿戴所提出的系统以向穿戴者提供辅助。所述锚定构件110位于关节(例如，髋部，背部，膝盖，肩部，肘部)的两侧上或跨越多个关节，以同时地辅助多个关节、身体部位或将载荷转移到身体的不同区域。在那些锚定构件110之间的连接元件150可以以对用户辅助的方式提供张力。
连接元件150
在各种实施例中，一个或多个连接元件150可以由一个或多个致动器120控制，使得一个或多个致动器120可以控制该元件的位置或由连接元件150产生的张力以向穿戴者提供定制的或不同的辅助水平(主动系统)。在另一个实施例中，被动元件190可以用作连接元件150(例如，弹性元件，阻尼器等)，使得在用户运动时该元件190产生对穿戴者辅助的力(被动系统)。在又一个实施例中，致动器120可以用于设定被动连接元件190的预张力水平，该被动连接元件190设定相对于锚定构件110的初始位置或张力(半主动系统)。这对于允许定制关于人的动作的辅助(当辅助开始时，当辅助停止时，等等)是有用的，以补偿可穿戴设备100部件随时间的相对运动，或者能够设定初始预张力以适应不同的身体类型。或者，可以通过诸如
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条带、棘轮系统(例如，
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)或带扣之类的部件手动地完成这些调节中的一些。又一个实施例可以根本不包括连接元件150，使得系统不向用户提供任何辅助，但是系统仍然能够收集机载传感器信息。图2A、图2B和图2C示出对包括背关节和髋关节(图2B)在内的身体辅助的被动设备(图2A)、主动设备以及仅传感器的系统(图2C)的样本实施例。应当理解，在各种实施例中，半主动系统可以看起来类似于图2B的主动系统，除了可以控制致动器120或离合器160以设定预张力或与弹性元件150接合/脱离之外。
被致动的连接元件150：在锚定点之间的连接元件150可以被致动。作为示例，其中用户可以穿戴致动器120的线缆驱动的系统包括鲍登(Bowden)线缆和内部线缆150，所述鲍登线缆将致动器120单元连接至关节的一侧，所述内部线缆150可以在一个端部上连接至致动器120并且在另一端部上连接至关节的另一侧。这样，当内部线缆150被致动时，在两个锚定点之间产生张力。在另一个实施例中，致动器120可以被穿戴并且直接连接至关节的一侧，从而致动线缆150，所述线缆150在一个端部上连接至所述致动器120并且在另一端部上连接至关节的另一侧。在不同的实施例中，致动器120可以是流体的(例如，气动，液压等)，其中随着连接至两个附接点的致动器120被加压或随着真空施加时，连接元件150可以施加张力。连接元件150可以是不可扩展的，例如，由钢制成的线缆，其当具有较高致动器120带宽是关键时可以由致动器120控制，在另一个实施例中，连接元件150可以具有串联弹簧元件或连接元件150，其由可扩展材料制成，在这种情况下，带宽被交易为具有这样一种系统，即，所述系统会具有诸如能够测量弹性位移并且将弹性位移与力相关联之类的优点(如果已知该弹性元件的材料特性的话)，因此消除了需要包括其它传感器230以及其它会有益的特性，例如，通过使用弹性元件等来吸收和减少部件振动或环境振动。
马达齿轮传动及其集成到可穿戴设备100部件中的可替代方案：在不同的实施例中，致动器120会需要齿轮箱或变速器，使得一系列的齿轮级降低速度并且增大其输出的转矩以满足要求。标准齿轮箱具有一些缺点，其依据实施方式而包括以下各项中的一项或多项：添加的设计的尺寸和重量，成本，对冲击载荷的敏感性，引入齿隙，由于诸如齿啮合之类的因素而导致的低效率和噪声。
我们引入了另一种解决方案，以克服用于可穿戴系统的齿轮传动问题。我们提出使用一系列的旋转元件(例如，滑轮，低摩擦辊等)，所述一系列的旋转元件可以被集成在建筑软部件(例如，纺织带，纺织部件)中，以表现为齿轮箱的可替代物，所述齿轮箱可以捕获齿轮减速的好处而没有其某些缺点。图34A、图34B和图34C示出我们提出的传输方法的示例。图34A示出在两个锚定点之间附接致动元件150的我们的标准实施方式。在图34B或图34C中所示的示例示出，通过将致动元件150围绕引导件127(例如，旋转元件或低摩擦元件)布置(routing)，我们如何可以实现等效于具有(n+1)：1的比率的齿轮箱的减速，其中，n是引导件127的数量，或者通过去除或添加旋转元件(n)，该比率可以变化。假设在一个或多个引导件127中的摩擦可忽略不计，则整个线缆150在其整个长度上具有相同的张力T。变速器具有向上拉动条带的n+1个平行线缆分段，这意味着每个线缆分段都用力T向上拉动条带。结果，拉动条带的总力为F＝(n+1)T。由于功率守恒，如果线性力增大了n+1倍，这也意味着线性力的速度降低了4倍。这是其(n+1)：1减速的基础。在不同的实施方式中，马达121可以通过穿过提出的架构(如图34B所示)路由的线缆150附接至条带部件，或者马达121可以包括诸如鲍登线缆之类的其它变速器，所述鲍登线缆在一侧上附接至一个部件并且在另一侧上附接至穿过引导件127(图34C)路由的不同部件。出于多种原因，所提出的变速器对于我们的用例来说会是理想的。所提出的变速器的布局是薄型的，并且利用用户背部的较大表面积，与笨重的非薄型齿轮箱截然相反。变速器使用廉价的滑轮或低摩擦材料，而不是需要高公差的昂贵齿轮。同样由于齿轮的缺乏，所提出的变速器在处于张力下的同时可以具有减小的齿隙以及与齿轮齿啮合相关联的减少的效率损失或可听噪声。该概念可以应用于任何致动元件，所述致动元件通过将该元件通过遵循上述设计的线缆连接来遵循线性运动(机电的，流体的等)。该概念在具有单个滑轮、辊或低摩擦元件(n＝1)而导致2：1的齿轮减速的实施方案中也会是有用的，该概念对于将大大降低成本和复杂性的某些应用而言可以消除对添加齿轮级的需要。
被动连接元件190：在各种实施例中，连接元件150可以是被动的(例如，弹簧，阻尼器或柔性元件(可扩展的，半可扩展的或不可扩展的))，使得随着人运动或弯曲，在两个锚定点之间被动地产生张力。该被动元件190的设计方式为被动产生的张力可以辅助穿戴者的一个或多个关节或身体部位。该元件190的构型(例如，初始长度)可以通过使用条带(例如，
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)、带扣、棘轮系统(例如，
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)或其它事物手动地调节。另外地，在半主动系统中，致动器120可以用于修改这些参数，例如，以设定预张力水平。
仅传感器的系统：在各种实施例中，可以不存在连接元件150，使得系统可以利用机载传感器230来例如在工作日期间分析来自一个或多个工人的数据以评估损伤风险、任务执行、生物力学和人体工程学指标。该数据可以用于优化该行业内的不同流程，帮助向用户通知他/她正在执行会导致损伤的动作，或评估风险的区域。通知方法可以包括低功率反馈(例如，听觉，触觉，视觉)以通知用户。对于运动员、对于消费者应用或对于老年人来说，这些方法对于减轻损伤的风险也会是有用的。在示例中，运动员可以使用该信息来知道何时增大损伤的风险，并且使用该信息来建立恢复期或执行锻炼。在另一个示例中，运动员或消费者可以使用来自这些度量的信息来改善他/她的性能。示例性可穿戴传感器230包括惯性测量单元(IMU)、关节角度传感器230、力或压力传感器230、转矩传感器230、代谢能测量设备、肌肉活动测量设备(EMG)、地面反作用力传感器230、心率传感器230和鞋内底力或压力传感器230等中的一个或组合。这些传感器230可以被集成到服装部件中。
锚定构件110
可穿戴设备100架构可以被设计为包括服装部件，例如，条带，其卷绕在身体环节上，以将载荷传递至身体并且创建用于连接元件150的锚定点。在实施例中，系统可以被设计为致动不同的关节或它们的组合(例如，背部，肩部，膝盖，髋部，肘部)。以下描述的示例提供了辅助这些关节的系统的详细描述和设计。
符合身体以定义可穿戴设备100架构的可穿戴设备100部件可以包括：
a.一个或多个大腿锚定构件：该可穿戴设备100部件被配置为定位在穿戴者的大腿上，并且在大腿上提供锚定点，以在髋关节或膝关节的一侧上创建附接点。该部件包括防滑材料，并且是贴身的，使得该部件当被施加力时不相对于腿部移动，该部件是由坚硬的纺织品构成，以便当向该部件施加力时变形的量为最小化。大腿锚定元件的代表性实施例是大腿包裹物。
b.一个或多个腰部锚定构件：条带，其卷绕在腰部上以在身体上限定可以附接致动器120或被动元件190的锚定点。腰部锚定元件的代表性实施例是腰带。
c.一个或多个肩部锚定构件：该可穿戴设备100部件被配置为定位在穿戴者的肩部上，并且在肩部上提供锚定点，以在背部的上侧上创建锚定点。肩部锚定元件的代表性实施例是肩带。
d.大腿带112：细长元件(例如，条带，带状件(Ribbon)，线缆)，其连接至两个大腿锚定构件110以在背关节的下侧上创建附接点。以下图片示出条带112可以如何被集成到系统中，在所述条带112中每个端部113、114都附接至每个大腿锚定构件110的背面并且创建环状物，所述环状物在下背部处配置附接点。在一些实施例中，大腿带112可以用作载荷平衡组件210的载荷平衡元件212，如以后更详细地描述的。
图3示出机器人服装的代表性实施例的多个视图，所述机器人服装包括如上标记的上面提及的部件中的一些。
传感器230
各种传感器230可以用于测量身体的各种反应，与可穿戴系统100的相互作用或与环境的相互作用。在一些实施例中，被配置为测量人体生物力学的传感器230可以包括但不限于，惯性测量单元(IMU)，加速度计，陀螺仪，编码器，分解器和用于测量关节角度、速度和加速度的应变传感器230，用于测量心率的心率监视器，用于测量代谢努力的肺部气体交换系统，肌电图，用于测量地面反作用力的压力感测鞋内底以及用于测量地面反作用力的仪器跑步机。可以用于测量包括力和压力在内的穿戴者系统相互作用的传感器230包括但不限于测力计(load cell)、力传感器230和压力传感器230。运动传感器230可以用于通过将运动传感器放置在身体的每个分段上来估计关节角度和动力学(角速度，加速度)，例如，在背部上的IMU可以用于了解当进行诸如抬举、弯腰、保持静态姿势、从坐到站立等活动时的躯干角度，在躯干和大腿之间的相对角度可以用于定义一个人是步行(双腿的循环动作)还是蹲下以抬举对象(双腿弯曲)，在肩部上的IMU和前臂上的IMU之间的相对角度可以用于检测何时用户进行在头顶上方的任务，其会要求通过肩部辅助设备等进一步辅助，在膝关节两侧上的IMU可以用于估计膝盖角度、速度或加速以了解何时人处于下蹲姿势中，其会要求通过膝盖辅助设备辅助。作为示例，嵌入连接元件150中或嵌入连接元件150与锚定点之间的测力计或力传感器可以用于了解正由连接元件传给用户的力；作为另一个示例，位于用户和条带之间的压力传感器可以用于估计或测量力或压力，以达到舒适或压力分配的目的，在又一个示例中，嵌入机器人服装的传感器230和位于用户身上的传感器230可以用于了解机器人服装与用户之间的相对运动。可以用于测量设备度量的传感器230包括但不限于，电流传感器230，电压传感器230，热敏电阻以及用于测量马达位置、速度和加速度的编码器和分解器。作为示例，电压传感器230和电流传感器230可以用于估计由致动器120正在消耗的功率，在另一个示例中，电压可以用于估计电池状态；热敏电阻可以用于评估系统的热状态，其可以用作预兆或考虑到热因素以定义对任何类型的环境都保持在舒适阈值以下的辅助的幅度；诸如马达位置传感器、速度传感器和加速度传感器之类的传感器230被需要以控制设备，并且也可以是有效传感器230以评估预兆和状态监测。在实施例中，这些传感器230可以是基于纺织物的和/或是与纺织元件兼容的，作为例如，传感器230可以由织物构成，所述织物随着它们拉伸或者随着向它们施加压力而改变其电气性能(例如，电阻，电容)，该变化可以通过电路测量，并且与关节运动相关，与在系统与用户之间的相互作用力相关，或者与环境相关。
被动可穿戴设备
在各种实施例中，本公开的可穿戴设备100可以被配置为用于被动地产生围绕穿戴者的一个或多个关节的力矩，以辅助穿戴者执行运动或保持姿势。被动可穿戴设备100通常可以包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第一身体部位上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第二身体部位上的至少一个锚定构件110；至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个第一身体部位锚定构件110联接至至少一个第二身体部位锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕由可穿戴设备100跨越的一个或多个关节的力矩(例如，恢复性转矩)。
例如，图2A中所示的代表性被动可穿戴设备100包括：两个上半身锚定构件110(例如，肩带形式的肩部锚定构件110)，两个下半身锚定构件110(例如，大腿包裹物形式的大腿锚定构件110)以及被动连接元件190(例如，弹簧，阻尼器或柔性元件(可扩展的，半可扩展的或不可扩展的))，所述被动连接元件190将上半身锚定构件110连接至下半身锚定构件110。如所配置的，穿戴者的运动或姿势可以在可穿戴设备100中产生张力，所述张力促使可穿戴设备100提供围绕以下至少之一的力矩(例如，恢复性转矩)：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节，如贯穿本公开更详细描述的。
在本公开中，对背关节的引用旨在广义地包括可以相对于躯干的其它部分弯曲或运动的躯干的任何部分和所有部分，包括但不限于，如同腰椎关节、骶髂关节的关节和其它关节，以及在各个椎骨之间的接合处。
半主动可穿戴设备
在各种实施例中，本公开的可穿戴设备100可以被配置为用于半主动地产生围绕穿戴者的一个或多个关节的力矩，以辅助穿戴者执行运动或保持姿势。一般而言，半主动可穿戴设备100不主动地产生围绕穿戴者一个或多个关节的力矩，而是调节可穿戴设备100的阻抗(例如，刚度，阻尼)，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生期望的张力水平，以用于辅助穿戴者执行运动或保持姿势。半主动可穿戴设备100通常可以包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第一身体部位上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第二身体部位上的至少一个锚定构件110；至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个第一身体部位锚定构件110联接至至少一个第二身体部位锚定构件110；以及至少一个半主动致动器120，其被配置为控制可穿戴设备100的阻抗，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力。这种张力可以促使可穿戴设备100产生围绕由可穿戴设备100跨越的一个或多个关节的力矩，用于辅助穿戴者执行运动或保持姿势。
举例来说，图2A中所示的代表性被动可穿戴设备100可以通过包括半主动致动器120(例如，离合器系统，不可逆驱动的(non-backdrivable)致动器或其它合适的机构)而适于是半主动可穿戴设备100，所述半主动致动器120被配置为通过穿戴者的运动或姿势来控制在可穿戴设备100中产生多少张力。从肩部延伸到大腿的半主动可穿戴设备100可以被配置为控制可穿戴设备100的阻抗，使得穿戴者的运动或姿势产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节，如贯穿本公开更详细描述的。
在各种实施例中，半主动致动器120可以被配置为通过控制诸如以下的参数来控制可穿戴设备100的阻抗：
a)连接元件150的初始长度：连接元件150的初始长度(x01)定义了随着用户相对于站立位置弯曲而何时张力开始，当用户正站立时在两个锚定点之间的距离被定义为x0。例如，如果锚定元件的初始长度(x01)大于或等于x0(x01>＝x0)，则随着用户相对于站立位置弯曲躯干或腿部或进行活动，将产生张力。如果意图是在用户站立的同时提供张力，则该连接元件150可以被设计为短于x0(x01＜x0)。图4A和图4B示出可以如何通过定义连接元件150的不同初始长度来修改输出张力。用于调节的过程可以包括命令致动器120的目标位置，并且使用诸如编码器或电位计之类的传感器230来定义致动器120的当前位置并且关闭环路。一旦定义了初始长度，致动器120就可以在该位置处被离合，以便当辅助关节时致动器120不必支撑合力，或者致动器120是不可逆驱动的，所述不可逆驱动将意味着马达将不需要使用电流，从而将该位置保持在适当位置中，这与具有在正产生辅助力的同时保持该位置的可逆驱动系统相比将节约能源。
b)松弛对比预张紧模式：当设备意在为完全透明(不施加辅助力)时，致动器120系统或离合器160可以用于允许在系统中松弛。在这种情况下，致动器120将被命令释放线缆150，使得有足够的松弛(致动线缆150的长度大于锚定点之间的距离)，对连接元件150解耦(unclutch)，以便使致动器120不能产生力或不能打开气动系统，使得连接元件150不向身体施加力。在实施例中，系统可以使用诸如IMU之类的运动传感器230来检测用户的姿势和判定这是由设备100可以支撑的活动还是不是由设备100可以支撑的活动。例如，通过对在步行、站立、抬举、保持静态姿势、上楼梯/下楼梯等之间的活动分类，一种算法可以定义了，该算法将支持哪些活动，并且命令致动器120或离合器160以其它方式通过向锚定点之间的连接元件150添加松弛来是透明的(不产生力)。
c)连接元件的阻抗：离合器系统160或致动器120可以用于通过并行地离合不同的弹性元件、弹簧或其它被动连接元件190或者通过并行地控制不同的被动连接元件190的初始位置以添加或去除系统中的阻抗来在不同的阻抗之间进行选择。
d)可穿戴设备100部件的迁移的补偿：在实施例中，连接元件150上的测力计和运动传感器230(例如，IMU)可以用于监测相对于关节角度的合力。如果针对特定关节角度的合力小于期望值，则可能的是可穿戴设备100已经漂移，使得将锚定点连接的元件150不像当最初设置可穿戴设备100时那样被预张紧。然后，半主动系统将能够通过遵循上述方法从系统中消除松弛来校正该预张紧。在不同的实施例中，将使用位移传感器230(例如，电位计)来测量锚定点之间的距离，在这种情况下，如果对于给定的姿势(其通过例如当测力计测量到零力时定义或者通过诸如IMU的关节角度测量值定义为参考)而言在锚定点之间的距离已经减小，则可能的是可穿戴设备100已经随时间迁移并且致动器120可以被控制为从系统中消除松弛。
e)可选择性收获和传送由穿戴者产生的能量。在实施例中，连接元件150可以包括储能设备190(例如，弹簧)，其被配置为吸收由穿戴者的运动或姿势产生的能量，并且半主动致动器120(例如，离合器160)可以被配置为可选择性地锁定储能设备190以储存所吸收的能量。半主动致动器120可以被配置为随后解锁能量储存设备190以释放所储存的能量来辅助穿戴者执行运动或保持姿势。尽管释放的能量可以主动地产生围绕穿戴者关节中的一个或多个的力矩，但是这种实施例仍然可以被分类为半主动可穿戴设备100，这是因为用于辅助力和力矩的能量来源是穿戴者的运动或姿势，而不是诸如电池之类的电源。
主动可穿戴设备
在各种实施例中，本公开的可穿戴设备100可以被配置为用于主动地产生围绕穿戴者的一个或多个关节的力矩，以辅助穿戴者执行运动或保持姿势。主动可穿戴设备100通常可以包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第一身体部位上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第二身体部位上的至少一个锚定构件110；至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个第一身体部位锚定构件110联接至至少一个第二身体部位锚定构件110；以及至少一个致动器120，其被配置为在可穿戴设备100中产生张力，用于产生围绕由可穿戴设备100跨越的一个或多个关节的力矩。
例如，图2B中所示的代表性主动可穿戴设备100包括：两个上半身锚定构件110(例如，肩带形式的肩部锚定构件110)，两个下半身锚定构件110(例如，大腿包裹物形式的大腿锚定构件110)，以及连接元件150(例如，致动的线缆)，所述连接元件150将上半身锚定构件110连接至下半身锚定构件110。如所配置的，连接元件150可以由致动器120主动地致动，以产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节，如贯穿本公开更详细描述的。
如上所述，可穿戴设备100可以被配置为通过在关节的两侧上创建锚定点来辅助不同的关节。辅助曲线可以根据规定的致动的定时和致动的幅度来定义。在一些实施例中，致动曲线可以被进一步简化为有限维(finite-dimensional)数值变量组，其表示关键的致动参数，例如：(i)致动初始定时、致动峰值定时和致动终止定时，(ii)致动的幅度，(iii)致动的多项式插值的系数，(iv)若干点，其继而可以使用诸如样条或多项式之类的数学函数来被插值，和/或(v)致动器120的刚度。
所开发的辅助设备可以被配置为辅助不同的关节，例如，背部，髋部，膝盖，肩部，肘部或这些的组合。
返回参照图2B，其示出用于创建围绕髋关节和背关节的辅助转矩的代表性架构。在诸如抬举、保持静态姿势、运输沉重装备或拉动/推动之类的任务期间，该设备可以有助于辅助背关节和髋关节，这些任务是随着时间的推移会导致损伤的常见活动，但是对于其它动作而言，该设备是完全透明的(如同普通衣服那样)。代表性设备可以被阻抗控制，使得它可以遵循规定的轨迹或呈现虚拟阻抗(刚度，阻尼)，其是一个或多个关节角度的函数。在这种情况下，由于该设备横过髋关节和背关节两者，所以阻抗可以被定义为在躯干与大腿之间的相对角度。该角度可以通过使用诸如IMU或应变感测元件之类的机载传感器230来测量。通过致动呈现的样本虚拟阻抗可以由刚度值定义，如图4B所示，其中，F是合力，θ是在大腿与躯干之间的相对角度，并且K是所呈现的刚度。在这种情况下，辅助曲线将感觉像在锚定点之间具有刚度K的弹簧。像这样的致动曲线超越被动设备的优点在于，通过针对不同的动作或不同的用户选择优化的不同的阻抗，更灵活地自动地配置辅助曲线。此外，虚拟阻抗具有以下优点：对于运动的每个阶段，虚拟阻抗可以具有不同的属性(呈现的刚度，阻尼等)，例如，不同的阻抗取决于动作的方向。向下抓取对象的行动所需要的能量会少于与对象一起向上抵抗重力的行动所需要的能量，随着运动改变方向，所呈现的阻抗的变化当向上时对比当向下时将允许为人提供更多的能量，所述当向下时是被动弹簧无法做到的。此外，通过选择不同的“初始角度”，所得曲线将能够移动，使得直到用户已经到达该初始位置时才开始产生力。
图5A、图5B和图5C示出样本用户运动，其中关节遵循正弦模式从0°(站立)的初始位置运动到90°(将躯干弯曲到水平位置)。该运动可以是例如弯曲躯干以从地面抓取对象的代表。合力是将规定的刚度乘以由用户执行的关节角度的结果。力被表示为抬举周期的百分比，其中0％被定义为当用户初始化运动时，50％被定义为当用户改变方向时当关节的速度为零时，并且100％被定义为当用户通过回到直立位置而完成动作时。
对于阻抗控制的设备100而言，系统可以根据检测到的动作而具有不同的模式。因此，机载传感器230可以用于检测不同的活动并且为每个活动选择不同的预定阻抗曲线。例如，有多种方式来抬举载荷，例如，使用蹲下技术或弯腰技术(双腿伸直)，而且由于空间有限，可以在身体前面进行抬举对象(在矢状面上向后运动)，或者在侧面上进行抬举对象，使得在抬举过程中背部必须弯曲和扭转。可以通过使用机载运动传感器230(例如，IMU)来检测这些不同的动作，其中一种算法可以定义初始化阈值(例如，当通过时在躯干与大腿关节之间的相对角度和角速度的初始阈值被认为是弯曲动作的初始化)。还可以使用阈值来定义运动是否发生在矢状面内或者用户是否正在弯曲和扭转躯干以用于抬举。可以使用不同的阈值来定义用户在抬举过程中是否正弯曲双腿。在另一个示例中，机载传感器230可以用于分类算法(例如，神经网络，线性分类器，最近邻点插值法，决策树等)，以检测动作属于哪一种活动。可以为这些运动中的每个选择阻抗或辅助曲线。
可以为这些运动中的每个选择阻抗或辅助曲线。
在又一个示例中，设备可以是EMG控制的。在这种情况下，一个或多个EMG将位于旨在由设备辅助的代表性肌肉上。来自目标肌肉的滤波后的肌电信号可以用于估计由目标关节正在产生的关节转矩，并且用于命令由外骨骼产生的传递力。
可穿戴设备的优化控制
由于这些任务的特征在于具有多次重复或者持续较长的时间量，所以可以使用一种优化方法来分别测量和/或估计随多次重复或随时间的对象函数，并且更新参数化的辅助曲线以优化所期望的对象。
在包括非步行运动和上半身运动在内的各种类型的活动中，当穿戴可穿戴设备100(例如，外骨骼、机械护甲或机器人服装)时，可以使用优化方法来最大化或最小化收益。可穿戴设备100和优化方法可以辅助不同的关节，例如，在非步行运动期间的脚踝，膝盖或髋部，或者在上半身运动期间的肘部，颈部，肩部和背部，以增强健康个体的性能(例如，减轻疲劳)或者提高行动不便人士的运动的效率。
作为示例，图6示出根据所选的致动参数(在该情况下为致动定时)两个不同的健康个体如何可以具有不同的结果，系统的最大性能是通过针对每个受试者非常不同的致动参数来实现的。这突出了针对不同的个体而使可穿戴设备100(例如，机器人服装，机械护甲或外骨骼)控制器240个性化的需求。一种在线优化算法通过使用可穿戴传感器230来测量或估计对象函数，并且在给定用户执行任务的同时适应辅助曲线的不同参数以使所述对象函数最大化或最小化，所述在线优化算法将允许更高程度的个性化的辅助。
在用于包括机器人服装、机械护甲或外骨骼的可穿戴设备100的控制系统的背景下，优化方法通常会需要选择对象函数，选择用于评估对象函数的途径(例如，直接测量；基于相关信息的测量或通过代理(proxy)而进行的计算)，选择待被优化的一个或多个致动参数以用于使对象函数最大化或最小化，以及选择和应用优化方法。
本公开的系统和方法可以寻求优化与致动可穿戴设备100(例如，机器人服装、机械护甲或外骨骼)相关联的一个或多个参数，以使所选择的对象函数最大化或最小化。一般而言，根据限定在指定的时间段内的致动的定时、速率、幅度和整体形状的致动曲线来致动机器人服装、外骨骼或机械护甲。通常，在整个指定时间段内以被命令的致动器120位置(例如，当一个或多个鲍登线缆将一个或多个马达连接至机器人服装、机械护甲或外骨骼的一个或多个部分时的线缆位置)的形式呈现致动曲线。例如，关于上肢的运动或非步行运动，指定的时间段可以是穿戴者的重复动作。当然，可以根据穿戴者的生物力学和正由穿戴设备100(例如，机器人服装、机械护甲或外骨骼)辅助的穿戴者身体的一或多个部分来指定任何合适的时间段。
可以根据规定的致动的定时和致动的幅度来分解致动曲线。在一些实施例中，致动曲线可以被进一步简化为有限维数值变量组，其表示关键的致动参数，例如：(i)致动初始定时、致动峰值定时和致动终止定时，(ii)致动的幅度，(iii)致动的多项式插值的系数，(iv)若干点，其继而可以使用诸如样条或多项式之类的数学函数来被插值，和/或(v)致动器120的刚度。
各种类型的致动器120可以与可穿戴设备100一起使用，包括但不限于，气动、液压、机电、基于机电线缆的电活性材料以及可以产生力和/或改变刚度的致动器120。
穿戴者的生物力学的各个方面都可以使用与机械护甲或外骨骼结合的优化方法来被影响和优化。例如，本质上是周期性的、涉及多次重复的、或随时间推移而持续的任务可以利用优化算法来使在每次重复期间或随时间推移而被评估的对象函数分别最大化或最小化。示例性的周期性上半身运动可以包括重复的工作任务，康复中的锻炼，辅助运动(例如，从坐到站立，抬举包裹等)，这些全部是在日常活动中常见的。
可以通过穿戴辅助式可穿戴装置(例如，机器人服装、机械护甲或外骨骼)来增强涉及上半身(包括但不限于，手臂、颈部、手部、手腕、肩部和/或背部)的活动，从而可以减轻疲劳、拉伤和/或损伤。例如，当抬举对象或执行在头顶上方的工作时，可以向背部、肩部、肘部、手臂和/或手提供支撑，或者抓握辅助设备可以在手腕和/或手中提供额外的强度，以便抓住工具或按下工具的触发器，从而避免肌肉拉伤或腕管症状反复出现。在所有这些情况下，可穿戴设备100可以应用于穿戴者以减轻疲劳，改善人体工程学，防止损伤或在完成这些任务时提高舒适度。可穿戴设备100可以被优化并且被用于穿戴者的各种关节上或横过穿戴者的各种关节，所述各种关节包括但不限于，脚踝，膝盖，髋部，背部，颈部，肩部，肘部，手，或上述关节的组合。由于这些任务的特征在于具有多次重复或持续一段时间，所以可以使用各种优化方法以分别测量和/或估计随多次重复或随时间推移的对象函数，并且更新参数化的辅助曲线以优化所期望的对象。
在机械护甲或外骨骼控制系统的背景下，优化方法通常会需要：
1.选择对象函数；
2.选择用于评估对象函数的途径(例如，直接测量；基于相关信息的测量或通过代理而进行的计算)；
3.选择待被优化的一个或多个致动参数以用于使对象函数最大化或最小化；以及
4.选择和应用优化方法。
如以后更详细描述的，本公开在相关部分中涉及一种可穿戴设备100，其包括：
至少一个致动器120，其被配置为在可穿戴设备100中产生力或促使在可穿戴设备100中产生力，使得可穿戴设备100产生围绕穿戴者的一个或多个关节的力矩以辅助穿戴者执行运动或保持静态姿势；
至少一个传感器，其被配置为测量用于评估与下列中的至少一者相关联的对象函数的信息：向穿戴者提供身体辅助，在穿戴者与可穿戴设备100之间的相互作用，以及可穿戴设备100的操作；以及
至少一个控制器240，其被配置为根据至少一个致动曲线来致动至少一个致动器120，基于由至少一个传感器测得的信息评估对象函数以确定对象函数的所得变化，基于对象函数中的所得变化调节至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调节以优化所述至少一个致动参数来用于使对象函数最大化或最小化。
如以后更详细描述的，本公开在相关部分中涉及一种可穿戴设备100，其包括：
至少一个致动器120，其被配置为在可穿戴设备100中产生力或促使在可穿戴设备100中产生力，使得可穿戴设备100产生围绕穿戴者的一个或多个关节的力矩以辅助穿戴者执行运动或保持静态姿势；
至少一个传感器，其被配置为测量用于评估与下列中的至少一者相关联的对象函数的信息：向穿戴者提供身体辅助，在穿戴者与可穿戴设备100之间的相互作用，以及可穿戴设备100的操作；以及
至少一个控制器240，其被配置为根据至少一个致动曲线来致动至少一个致动器120，基于由至少一个传感器测得的信息评估对象函数以确定对象函数的所得变化，基于对象函数中的所得变化调节至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调节以优化所述至少一个致动参数来用于使对象函数最大化或最小化。
如进一步更详细描述的，在另一个实施例中，至少一个控制器240可以被配置为：
识别出待被优化以用于使对象函数最大化或最小化的两个或更多个致动参数，
根据两个或更多个致动曲线来致动至少一个致动器120，所述两个或更多个致动曲线具有待被优化的所述两个或更多个致动参数的不同基线值组，
基于由所述至少一个传感器测得的信息，针对两个或更多个致动曲线中的每个来评估对象函数，
基于对象函数的相对应评估来定义在两个或更多个致动参数与对象函数的相对应评估之间的数学相关性，
评估所述基线数学相关性以确定两个或更多个致动参数的候选值组来用于使对象函数最大化或最小化，
基于对象函数的相对应评估来更新所述数学相关性以用于根据与两个或更多个致动参数的候选值组相关联的致动曲线来致动至少一个致动器120，并且
继续更新所述数学相关性，直到对象函数的评估达到全局最大值或全局最小值为止或者直到当满足预定的终止标准时为止。
致动曲线和参数
本公开的系统和方法可以寻求优化与致动机械护甲或外骨骼相关联的一个或多个参数，以使所选择的对象函数最大化或最小化。一般而言，根据限定在指定的时间段内的致动的定时、速率、幅度、阻抗和整体形状的致动曲线来致动外骨骼或机械护甲。通常，以被命令的致动器120位置(例如，当一个或多个鲍登线缆将一个或多个马达连接至机械护甲或外骨骼的一个或多个部分时的线缆位置)的形式呈现致动曲线。
参照图7，致动曲线也可以基于如图7(右)中所示的力控制。在此，指定的时间段是穿戴者抬举的周期，这当在诸如抬举之类的活动期间对穿戴者辅助时可以是有用的时间表。当然，可以根据穿戴者的生物力学以及正在由机械护甲或外骨骼辅助的穿戴者身体的一个或多个部分来指定任何合适的时间段或功能。例如，在阻抗模式(例如，刚度，阻尼)(其中合力是穿戴者动作的函数)中控制的系统可以不需要时间段的定义，反而需要将期望的力与身体姿势或动作有关联的函数，如图7(左)所示。
在图7中，可以根据规定的致动的定时、速率、幅度和整体形状来分解致动曲线。更具体地，可以将致动曲线进一步简化为有限维数值变量组，其表示关键的致动参数，例如：(i)致动初始定时、致动峰值定时和致动终止定时(图7，右)，(ii)致动的速率，(iii)致动的幅度，以及(iv)用于定义致动形状的函数的系数，例如，多项式函数、线性函数、指数函数、正弦函数或其它用于限定诸如阻抗之类(例如，刚度，阻尼)的致动曲线形状的函数的系数，如图7(左)所示。
机械护甲或外骨骼的致动与穿戴者的自然动作相结合，促使机械护甲或外骨骼向穿戴者的身体传递力和力矩。像致动曲线一样，合力和力矩的定时和幅度可以通过位置辅助曲线来表征，如图7所示。在此，根据图7(右)的致动曲线的机械护甲或外骨骼的致动将力和力矩传递到穿戴者的背部，如在辅助曲线中所表示。在其它情况下，辅助曲线可以直接在阻抗空间中被参数化以由力控制器240控制，如图7(左)中所示。在该示例中，驱动被配置为在抬举对象时辅助穿戴者的背关节。
对象函数和代理的一般综述
本文公开的优化方法的共同目标是使由机器人服装、机械护甲或外骨骼赋予穿戴者的效益最大化。这些效益可以根据给定的应用而变化，但一般而言，所述应用涉及向穿戴者提供身体辅助。例如，这可以包括：辅助穿戴者的自然动作(例如，减少能量消耗，增大强度)、帮助穿戴者在静止或运动的同时处于稳定状态、或者促进穿戴者的周期性或重复性动作中的改善(例如，减少肌肉努力或改善针对抬举任务的姿势)、以及任何数量的其它合适的用途。取决于穿戴者和机械护甲或外骨骼的目的，人们可以识别出许多度量，如果这些度量被最大化或最小化，则所述度量可以使机械护甲或外骨骼对穿戴者更有益。本公开的优化方法旨在优化关于机械护甲或外骨骼如何致动以使这些度量最大化或最小化的一个或多个参数或对象函数。
在各种实施例中，本公开的系统和方法利用来自可穿戴系统的一个或多个传感器230的反馈来评估致动调节对给定对象函数的影响。该反馈有助于可穿戴系统确保这些致动调节以使对象函数最大化或最小化的方式收敛。这样，在各种实施例中，控制器240可以被配置为响应于机械护甲或外骨骼的给定致动来评估对象函数。如本文所用的，评估对象函数广泛地包括量化对象函数的任何合适方式。例如，在实施例中，评估对象函数可以是：从包括在可穿戴系统中的一个或多个传感器230获得对象函数的直接测量。在另一个实施例中，评估对象函数可以包括：使用由可穿戴系统的一个或多个传感器230提供的一个或多个测量结果来计算或估算对象函数。例如，如果对象函数是由机械护甲或外骨骼向穿戴者传递的功率，则控制器240可以被配置为通过把由测力计和IMU测得的力和旋转速度的测量结果相乘来计算功率，从而计算出该度量。在又一个实施例中，评估对象函数可以包括：使用由可穿戴系统的一个或多个传感器230测量的信息来测量、计算或估算与对象函数相关的代理，以经由该相关关系来估计对象函数。
在评估对象函数时使用代理会尤其适合于下列情况：其中，会不能或以其它方式难以直接测量对象函数，或者会不能或以其它方式难以经由使用来自可穿戴传感器230的相关测量结果进行计算来估计对象函数。例如，可以难以将代谢消耗直接测量为努力的度量，并且通常需要昂贵的装备或需要用户穿戴面罩来测量气体交换。然而，与基线相比更长时间来保持动作的能力、以正常频率保持周期性运动(例如，抬举对象)的能力或姿势中的变化的其它度量可以与疲劳相关，并且因此被用作对象度量。作为另一个示例，在动态运动期间向关节传递动力可以降低针对某些任务的努力水平，并且因此优化算法可以将传递到生物关节的正功率用作针对关节努力卸载的水平的代理。当然，应当注意到，平均正功率自身可以与本公开中认定的任何其它代理一起用作本框架范围内的对象函数。换言之，如本文中所使用的术语，对象函数不必总是描述最终期望的效果(例如，使机动(locomotive)效率最大化)，而是可以是旨在通过一个或多个致动参数的优化而得到最大化或最小化(包括于一组范围约束内)的任何度量。
作为另一个示例，在一些应用中，还已经发现，心率与穿戴者的努力水平相关，并且因此在实施例中，心率可以用作针对努力水平的代理。在又一个示例中，在目标关节中的关键肌肉的肌肉活动可以与努力水平相关，并且因此用作对象测量。
一般而言，如下面更详细地进一步描述的，与机器人服装、机械护甲或外骨骼有关的对象函数可以分为三类：(i)与向穿戴者提供身体辅助相关联的那些对象函数，(ii)与穿戴者与机械护甲或外骨骼之间的相互作用相关联的那些对象函数，以及(iii)与机械护甲或外骨骼的操作相关联的那些对象函数。当然，应当理解，这些类别是为了便于说明而呈现的，并且本文所述的优化方法还可以与优化致动结合使用，用于使任何其它合适的会超出这三个一般类别之一的范围之外的对象函数最大化或最小化。
与向穿戴者提供身体辅助相关联的对象函数和代理
如上所述，与机械护甲或外骨骼性能相关联的许多对象函数涉及可穿戴系统在向穿戴者提供身体辅助方面的有效性。下面，提供了若干这样的对象函数的代表性示例，以及各个对象函数如何被最大化或最小化以使穿戴者受益的生物力学背景。
关节运动学与规范数据的相似性：示例性的优化方法可以评估穿戴者的运动学是与一组规范的健康用户的年龄、性别、体重和/或速度匹配的数据或与人体工程学推荐的姿势有多相似，并且优化一个或多个致动参数，以驱动穿戴者的运动学来使其匹配期望的标准化曲线(即，使相似性最大化或使方差最小化)。可能的度量包括与用户数据的相关性或在关键点或度量中的百分比差异(例如，在抬举过程中的躯干角度，对象到COM的距离)。
关节运动学与基线数据的相似性：示例性的优化方法可以评估穿戴者的运动学是与当用户以透明模式穿戴系统(无需施加辅助)时或当用户根本不穿戴系统时记录的基线运动学有多相似，并且优化一个或多个致动参数，以驱动穿戴者的运动学来使其匹配基线运动学或姿势(即，使相似性最大化或使方差最小化)。可能的度量包括与用户数据的相关性或在关键点或度量中的百分比差异(例如，在抬举过程中的躯干角度，对象到COM的距离)。
关节动力学：示例性的优化方法可以寻求降低由一个或多个目标关节产生的生物学转矩或使其最小化。可以通过将运动学测量值与地面反作用力测量值或估计值结合来测量或估计生物关节。样本设备可以集成压力感测鞋内底以测量或估计关节转矩或功率。可能的动力学度量包括使峰值或RMS关节转矩最小化，从而使峰值或RMS关节功率最小化。
肌肉活动的时间积分：这是相对于肌肉活动的时间的积分。示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以在活动期间减少或最小化一个或多个肌肉的总体活动或使其最小化。例如，人们会期望当抬举对象时或当保持静止姿势时减少背部肌肉的总体努力或使背部肌肉的总体努力最小化，或者当进行在头顶上方的工作时使肩部肌肉的总体努力最小化。
峰值肌肉活动：类似于肌肉活动的时间积分，但以峰值肌肉活动为目标。在某些应用中，这可以随着肌肉活动的时间积分或与肌肉活动的时间积分结合来选择，例如，对于其中峰值肌肉活动会造成损伤风险的活动而言或者对于其中峰值肌肉活动高于人所能够长时间执行的活动而言(老年人应用，行业工人，消费者应用)。
肌肉活动曲线与基线或规范数据的相似性：示例性的优化方法可以评估穿戴者的肌肉活动是与当用户以透明模式穿戴系统(无需施加辅助)时或当用户根本不穿戴系统时记录的基线测量或者基于用于给定活动的规范数据有多相似，并且优化一个或多个致动参数，以驱动穿戴者的运动学来使其匹配基线或规范性肌肉活动(即，使相似性最大化或使方差最小化)。
不受设备辅助的肌肉的肌肉活动的相似性：示例性的优化方法可以评估穿戴者的肌肉活动是与当用户以透明模式穿戴系统(无需施加辅助)时或当用户根本不穿戴系统时记录的基线测量或者基于用于给定活动的规范数据有多相似(例如，RMS和/或峰值)，并且优化一个或多个致动参数，以驱动致动来使其匹配基线或规范性肌肉活动(即，使相似性最大化或使方差最小化)。例如，在用辅助背部肌肉的设备抬举期间，控制器240可以测量或估计腹部肌肉的肌肉活动，以避免对那些不受设备辅助的肌肉群的不期望的干扰。
人体工学度量和指标：行业中的人体工学领域已经定义了估计当执行任务时的损伤风险的多种途径。控制器240可以使用这些等式或指标来使损伤风险最小化，同时提供对机器人服装、机械护甲或外骨骼的辅助。作为示例，NIOSH定义了抬举以评估执行抬举的风险有多大。该等式是身体相对于对象的水平和垂直距离、当抬举对象时的不对称角度、以及每个活动的频率和持续时间以及其它因素的函数。所得指标将用作对象的一部分，以使损伤风险最小化，与基线相比，运动学/动力学方面的任何变化都将改变抬举指标。随着人正在执行任务，算法可以评估该指标，并且将其与基线或规范数据比较以最小化。
能量消耗：对当执行任务时的能量损耗或努力水平进行量化。测量该变量的系统可以将其用作算法的对象函数，以减少给定任务的代谢努力(例如，抬举对象，保持静态姿势，推动，抬举，抓住对象，等等)。该度量可以用于各种各样的应用，例如，执行艰苦任务的健康人、受损的个体、老年人等。该对象函数也可以在此称为代谢努力。
抬举期间的稳定性：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以在抬举或保持静态姿势期间使关节的稳定性或整体身体稳定性最大化。稳定性指标可以用作优化策略的一部分，以提高执行复杂或艰苦任务的健康个体在抬举或其它任务期间的稳定性。
关节动作范围：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使特定关节的动作范围最大化。通常将动作范围定义为在给定动作平面中的给定关节的最大角度和最小角度之差，但是最大角度和最小角度也可以对优化有意义。例如，在诸如抬举的活动期间，躯干或髋部动作范围是在矢状面中或在背平面中。
执行重复任务的时间：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使执行重复任务(例如，抬举载荷、在工厂环境中使包裹从一个地方运动到另一个地方，等等)所需的时间最小化。
脚的压力中心位置与规范数据的相似性：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以在抬举期间使穿戴者的压力中心轨迹与所期望的基线或规范轨迹之间的相似性最大化(或使方差最小化)。压力中心可以使用测力板来测量，或者通过可穿戴传感器230(例如，仪表式鞋内底)来估计。
肌肉中的血液氧合：与临床实践中常用的脉搏血氧仪有关，近红外光谱(NIRS)是一种估计肌肉中的血液有多少含氧量的方法。该测量值与该肌肉的代谢需求直接有关，因此该度量可以用作用于评估有关的对象函数(例如，能量消耗、机动效率)的代理。示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以便例如在期望使能量消耗最小化或使效率最大化的情况下使血氧浓度最大化。
肌肉收缩/应变和肌腱应变：可穿戴机械护甲和外骨骼可以如何影响肌肉收缩和肌肉/肌腱在载荷下的应变。示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使这些生理参数最大化或最小化，或将它们限制在某些值或范围内。另外，收缩/应变通常与相对应肌肉的能量代谢需求有关，因此该度量可以是用于评估有关对象函数(例如，能量消耗、机动效率)的合适代理。示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以便例如在期望使能量消耗最小化或使效率最大化的情况下使肌肉收缩/应变和肌腱应变最小化。在一些实施例中，超声或声学成像可以用作无创测量组织运动的方式。
示例性的优化方法可以利用与向穿戴者提供身体辅助相关联的信息来评估这些对象函数。例如，在一些实施例中，控制器240可以使用对象函数本身的直接测量结果来评估这些对象函数，而在其它实施例中控制器240可以通过使用一个或多个可穿戴传感器230或其它测量装备的相关度量的各种测量结果计算或估算对象函数来评估这些对象函数。在各种实施例中，与这些对象函数相关联的代表信息可以包括上述任何此类信息，以及下列中的一者或其组合：一个或多个关节的角度、速度或加速度；由机器人服装、机械护甲或外骨骼施加的力、转矩或功率；穿戴者参与的一种类型的身体活动；穿戴者的姿势；穿戴者的能量消耗；以及穿戴者的身体与周围物理环境的相互作用。
在各种实施例中，用于测量所述信息以用于评估对象函数的代表性传感器230可以包括：惯性测量单元(IMU)，加速计，陀螺仪，编码器，分解器，应变传感器230，心率监测器，肺部气体交换系统，肌电图，压力传感器230(例如，在用于测量GRF的鞋内底中)，以及其它合适的传感器230。
与在可穿戴设备和穿戴者之间的相互作用相关联的对象函数和代理
如上所述，与可穿戴设备100性能相关联的许多对象函数涉及在机械护甲、外骨骼或机器人服装与穿戴者之间的相互作用。如下面进一步描述的，这种相互作用会涉及诸如穿戴者舒适性和可穿戴系统将载荷传递给穿戴者的高效性以及其它等的问题。下面提供若干这样的对象函数的代表性示例，以及如何使每个对象函数最大化或最小化以使穿戴者受益的生物力学背景。
可穿戴设备100的位移：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使可穿戴设备100(包括其各个部件，诸如锚定构件110)在穿戴者身体上的位移最小化(或使对准最大化)。可以通过使用可穿戴传感器230(例如，IMU)来测量可穿戴设备100部件相对于身体的位移。例如，通过使用两个IMU，其中一个IMU被集成在可穿戴设备100部件中，并且另一个IMU被附接到身体上，并且对诸如相对速度或加速度之类的测量结果进行积分。对于其中线缆锚定在关节两侧上的线缆驱动的系统，可以通过将裸露的线缆(例如，通过编码器)和使用可穿戴传感器230(例如，IMU)测得的关节位置的测量结果组合来估计相对位移；裸露的线缆的量是在跟踪关节运动、可穿戴设备100的刚度以及界面的顺应性时所需的线缆的函数。如果在对人没有施加主动力(仅预张紧或跟踪而不施加力)的步态周期的点处测量位移，则可穿戴设备100的刚度将对线缆行程没有影响，并且因此可以通过将由于关节角度引起的线缆运动(通过乘以距关节旋转中心和线缆的距离(其可以是常数或对装置的输入)而被转换为位移)和总的裸露的线缆组合来计算位移。最后，对于其中线缆锚定在关节的两侧上的线缆驱动的系统，可以通过使用马达编码器并且将在多次重复(例如，直立)中的可重复点处的裸露的线缆比较来估计相对位移，给出了可穿戴设备100部件随着时间的推移已经相对于身体移位了多少的估计。
舒适度：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使穿戴者的舒适度最大化(或者将穿戴者所经历的特定不适最小化)。在各种实施例中，控制器240可以通过下列方法自动地检测潜在的不适：例如，监测可穿戴设备100中的力，或者监测可穿戴设备100与穿戴者之间的压力，并且将这些力和/或压力与已知给个体穿戴者造成不适的每个力和/或压力水平进行比较，或者横过代表性的穿戴者抽样来比较这些力和/或压力。在可穿戴设备100例如产生了超过舒适水平的力(或定时不当造成不适)的情况下，代表性的优化方法可以寻求优化致动参数，以将这些力降到可接受的范围内(同时，也许仍然使在可接受的范围内产生的力的水平最大化)。类似地，在机械护甲或外骨骼与穿戴者之间的相互作用产生过大水平的剪切力(这会导致皮肤摩擦和其它不适)的情况下，代表性的优化方法可以寻求优化致动参数，以将这些剪切力降到可接受的范围内(同时，也许仍然使在可接受的范围内产生的力的水平最大化)。在实践中，这会涉及降低由可穿戴设备100产生的力的水平，或者可能增大在可穿戴设备100内的压缩力以将麻烦的锚定构件110更好地锚定到下面的身体部位。可以采用类似的方法来优化致动参数，以减少由可穿戴设备100与穿戴者的相互作用产生的压力点，如下面进一步描述的。另外地或可替代地，可以通过GUI、手持设备、语音、压力测量或类似物自我报告舒适度。
在界面处的压力：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使施加到穿戴者身体的某些区域的压力最小化，所述压力会对由纺织品或与可穿戴设备100的刚性界面引起的不适敏感。这可以使舒适度最大化(或使不适最小化)，同时例如仍然在舒适水平内使辅助最大化。这种压力会受到致动参数(例如，定时、速率、曲线的急动(jerkiness)、或辅助的幅度)的影响。
沿着穿戴者的身体的载荷传递：在一些情况下，可以有利的是利用可穿戴设备100帮助将载荷从穿戴者身体的一个区域传递到另一个区域(例如，以帮助减轻损伤)。示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使从所讨论的身体的区域传递载荷最大化。这可以是尤其有用于其中穿戴者抬举重物并且因此易受背部损伤的情形。在这样的实施例中，控制器240可以寻求优化一个或多个致动参数，以使穿戴者的脊柱上的载荷最小化。在实施例中，这可以通过优化一个或多个致动参数来实现，以使传递到身体的其它区域(例如，髋部、躯干或腿部)的力最大化。
致动器120力：示例性的优化方法监测可穿戴设备100之间的相互作用，并且在检测到由该相互作用产生的较大的力时，优化一个或多个致动参数以将由致动器120产生的力最小化，以便不传递会引起不适或损伤的额外力。在实施例中，控制器240可以在优化一个或多个致动参数时还寻求保持其它生物力学约束恒定。
示例性的优化方法可以利用与在可穿戴设备100与穿戴者之间的相互作用相关联的信息来评估这些对象函数。例如，在一些实施例中，控制器240可以使用对象函数本身的直接测量来评估这些对象函数，而在其它实施例中，控制器240可以通过使用来自一个或多个可穿戴传感器230或其它测量装备的有关度量的各种测量结果来计算或估算对象函数，从而评估这些对象函数。在各种实施例中，与这些对象函数相关联的代表性信息可以包括上述的任何此类信息，以及在穿戴者与机械护甲或外骨骼之间产生的剪切力或压缩力中的一者或组合，以及机械护甲或外骨骼在穿戴者身上的位置。
在各种实施例中，用于测量所述信息以用于评估对象函数的代表性传感器230可以包括：测力计，力传感器，转矩传感器和压力传感器，以及其它合适的传感器。
与可穿戴设备的操作相关联的对象函数和代理
如上所述，与可穿戴设备100性能相关联的许多对象函数涉及可穿戴设备100本身的操作。如下面进一步描述的，这种相互作用可以涉及诸如电力消耗、过热和在致动器/致动系统功能中的一致性以及其它等事物。下面提供了若干这样的对象函数的代表性示例。
电力消耗：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以将电力消耗最小化。电力消耗可以通过将电流消耗测量(经由集成的电流传感器)和电压(经由集成的电压传感器)结合来测量，可以通过将这些测量结果相乘计算出电力，随时间的推移的平均功率消耗将给出对于给定活动所消耗的多少电力的估计。另一个实施例可以使用剩余的电池电压来估计系统中剩余多少电池或者到目前为止已经消耗了多少电池。
辅助力的一致性：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使在可穿戴设备100中产生的辅助力之间的一致性最大化(或将方差最小化)。如果可穿戴设备100旨在提供在多次重复的峰值力方面一致的力，则一致性的测量可以是在多次重复中必需保持一致的力分布中的峰值力或其它特征的变化。可以通过使用可穿戴传感器230(例如，力传感器或测力计)来测量力。另一个实施例可以将辅助力的一致性定义为所测量的力和所期望的力分布的均方根差，使在多次重复中的该差值的一致性最大化可以用作用于这些系统的目标。
最大和平均致动器位置、速度、加速度或冲击度(jerk)：受到如上所述测量的运动学或动力学约束，会令人感兴趣的是将这些与可穿戴设备100拉动的力的水平有关的度量最小化。例如，示例性的优化方法可以在不影响抬举指数的情况下找到使最大线缆加速度最小化的最佳参数或参数组。
温度：示例性的优化方法可以寻求优化一个或多个致动参数，以使可穿戴设备100的一个或多个部件的温度最小化。与在此描述的其它对象函数一样，在实施例中，使温度最小化会意味着确保温度不超过预定的范围的上阈值。
示例性的优化方法可以利用与可穿戴设备100的操作相关联的信息来评估这些对象函数。例如，在一些实施例中，控制器240可以使用对象函数本身的直接测量来评估这些对象函数，而在其它实施例中，控制器240可以通过使用来自一个或多个可穿戴传感器230或其它测量装备的有关度量的各种测量结果来计算或估算对象函数，从而评估这些对象函数。在各种实施例中，与这些对象函数相关联的代表性信息可以包括上述任何此类信息以及下列中的一者或组合：在机械护甲或外骨骼的致动期间使用的电流或电压；机械护甲或外骨骼的一个或多个部件的温度；由至少一个致动器120产生的力；传递到机械护甲或外骨骼的力；以及传递到穿戴机械护甲或外骨骼的穿戴者的力、转矩或功率。
在各种实施例中，用于测量所述信息以用于评估对象函数的代表性传感器230可以包括：电流传感器，电压传感器，热敏电阻，编码器和分解器(例如，用于测量致动器位置、速度和加速度)，以及其它合适的传感器。
加权的对象函数和代理
如在以上示例中的几个示例中所提到的，对象函数(或代理函数)并非需要表示与穿戴者的动作或生物力学相关联的单个变量，而是可以组合多个优化目标。可以通过不同的方法将多个单变量对象函数组合成单个对象函数，该方法例如是加权平均，其允许校准对象函数的每个分量的相对重要性。下面的方程式1示出多个对象函数的加权和的示例实施方式：
a.F＝α1x1+α2x2+…+αnxn其中，
Figure BDA0002725619330000471
可以遵循该方法以将与向穿戴者提供身体辅助相关联的变量(例如，在抬举期间的峰值肌肉活动)的优化和与系统的效率相关联的变量(例如，电池寿命)相结合。在一个对象函数中，两个或更多个对象的一些示例权重包括：
优化与动作有关的变量(抬举的运动学)和与设备性能有关的变量(例如，设备的电池寿命)。
通过求出加权总和来优化多个变量，例如，峰值肌肉活动、在活动期间的姿势、设备的电池寿命和舒适度。
优化与动作有关的多个变量(例如，与基线相比的差异运动学)以及与可穿戴设备100和穿戴者的相互作用有关的变量(例如，用户舒适度)。
优化目标肌肉的峰值肌肉活动，而不影响无法由设备辅助的关键肌肉的肌肉活动。
优化与动作有关的多个变量(例如，执行任务的稳定性和速度)。
优化当执行任务时评估损伤风险的指标(例如，抬举指标)和执行活动的时间。
优化时间以完成任务并且使目标肌肉的EMG活动达到峰值。
每个度量的重要性都可以依据应用而不同。在图8中示出使用针对受损个体的对象的加权总和的该概念的示例。对于健康人群而言，单个用户会能够手动地更改这些设置。
优化方法的一般综述
本公开的系统和方法为这些致动参数中的一者或组合提供优化，以使所选的对象函数最大化或最小化。寻求优化单个致动参数(例如，找到最佳致动起始定时)的方法在本文中可以被称为单参数优化，而寻求优化致动参数的组合(例如，找到致动起始定时和致动峰值定时的最佳组合)的方法在本文中可以被称为多参数优化。如下面将进一步描述的，许多因素会影响是否使用单参数优化方法或多参数优化方法，所述许多因素包括但不限于，穿戴者的生物力学、穿戴可穿戴设备100的人群、每个致动参数对对象函数的相对影响、所需的优化时间、测量噪声、穿戴者适应性和可用的计算能力，如下面进一步描述的那些。
在各种实施例中，可以使用或以其它方式修改用于优化变量的已知(或修改)方法(例如，梯度下降、贝叶斯、强力方法、和模拟退火)，以优化一个或多个目标致动参数，从而使所选的对象函数最大化或最小化。当然，用于优化一个或多个致动参数的最佳数学方法可以根据许多因素变化，所述许多因素包括但不限于：对象函数格局相对于待优化的一个或多个致动参数的性质、穿戴者的生物力学、穿戴可穿戴设备100的人群、每个致动参数对对象函数的相对影响、所需的优化时间、测量噪声、穿戴者适应性和可用的计算能力，如下面将进一步描述的那些。
在一个实施例中，可以采用简化的梯度下降方法来优化一个或多个致动参数，以使对象函数最大化或最小化。梯度下降方法典型地引起收敛，并且通常是简单的且计算负担低，因此非常适合于在廉价处理器250上运行或者当在共享硬件上运行其它计算繁重的处理时。在一个这样的实施例中，控制器240可以被配置为判定对象函数是否从对象函数的先前评估的一个值或平均值增大或减小，并且作为响应，依据寻求是使对象函数最大化还是最小化，在相同或不同的方向上调节致动参数。同样地，当在进行调节之前测试多个致动曲线时，控制器240可以被配置为比较针对每个致动曲线的对象函数的评估，来确定哪个致动曲线产生了对象函数的最高或最低评估，并且作为响应，产生另一组致动曲线，在所述另一组致动曲线中正被优化的致动参数的值已经根据与前一组致动曲线相关联的对象函数评估的导数进行了调节。梯度下降方法可以根据对象函数格局(即，对象函数与正被优化的一个或多个参数之间的关系)来将一个或多个致动参数优化为局部最大值/最小值或全局最大值/最小值。例如，在对象函数格局基本上是凸形的并且格局的差异是可微分和有界的情况下，可以实现对全局解的收敛。由于对象函数的格局是凸形的，所有局部最小值也是全局最小值，因此在这种情况下，梯度下降可以收敛到全局解。梯度下降方法可以将一个或多个致动参数优化为对象函数的全局最大值/最小值。在其它情况下，例如在对象函数格局包括多个峰值或谷值的情况下，梯度下降方法可以将一个或多个致动参数优化为局部最大值/最小值或优化为全局最大值/最小值，这取决于优化开始的位置、以及其它相关因素。在格局为非凸形的情况下，梯度下降更可能找到局部最佳值，这是由于梯度下降执行局部搜索，比较彼此相对接近的点，执行格局的全局搜索的其它方法(例如，下述的贝叶斯方法)在这些情况下更可能找到全局最佳值。然而，梯度下降和保证收敛的低计算要求会使该方法具有吸引力，即使该方法在某些情况下具有局限性。例如，在某些应用中，找到针对特定的人或活动的设备的初始设置而改进的局部最佳值会是有吸引力的。梯度下降方法尤其适用于其中信噪比非常低且以重复的方式测量对象的情况，如果测量的噪声较高，即使有凸形的格局，梯度下降也会收敛到在格局中的由于测量中的噪声或不可重复性而非最佳的点。
在其它实施例中，贝叶斯方法可以用于优化一个或多个致动参数以用于使所述对象函数最大化或最小化。贝叶斯方法典型地具有样本效率，从而允许其相对快速地探索对象函数格局。该特征可以使贝叶斯方法非常适合于在更复杂的对象函数格局中查找一个或多个致动参数并且将所述一个或多个致动参数优化为全局最大值/最小值，并且倾向于使贝叶斯方法在对象函数的评估中比一些其它方法相对更能容忍噪声。在一个这样的实施例中，一个或多个致动参数与对象函数之间的数学相关性可以通过根据若干致动曲线致动可穿戴设备100来定义，所述致动曲线具有待被优化的一个或多个致动参数的不同基线值，并且映射每个对象函数的相对应评估。由此，控制器240可以确定用于使对象函数最大化或最小化的一个或多个致动参数的一个或多个候选值。可以对一个或多个候选值进行测试和评估，并且更新数学相关性，直到控制器240收敛于一个或多个致动参数的优化值为止，或者直到满足一些其它合适的终止标准为止。在实施例中，定义数学相关性并且识别出致动参数的候选值的过程可以涉及生成后验分布(例如，在实施例中，经由高斯过程)和利用概率模型(例如，贝叶斯方法)以基于该后验分布来确定致动参数的一个或多个候选值。如同梯度下降方法一样，贝叶斯方法可以根据对象函数格局和优化开始的位置以及其它相关因素将一个或多个致动参数优化为局部最大值/最小值或全局最大值/最小值。然而，贝叶斯优化更可能找到全局最优值，这是由于它基于后验分布对格局执行全局搜索，而不是像梯度下降那样仅局部地寻找和比较彼此相对接近的点。因此，贝叶斯优化方法在下列情形下尤其有用：对象函数的格局复杂，当有多个参数待被优化并且因此搜索效率较为重要时或者当对象函数的测量有噪声时(例如，代谢测量)。
当然，应当认识到，这些仅仅是说明性的示例，并且可以使用任何合适的数学方法来优化任何数量的致动参数，用于使受一个或多个所选参数影响的对象函数最大化或最小化。
在一些实施例中，优化可以运行，直到对象函数被真正最大化或最小化为止；然而，在其它实施例中，优化过程可以进一步受制于额外的或可替代的终止标准。在各种实施例中，优化算法可以被配置为在下列预定义终止标准之一发生时终止：(i)用于对至少一个致动曲线的至少一个参数的依次调节的对象函数的评估之间的差低于预定阈值，(ii)对至少一个致动曲线的至少一个参数的依次调节之间的差低于预定阈值，(iii)已经超出了自优化开始以来的预定义时间量，(iv)穿戴者超过了自优化开始以来的预定义重复次数，以及(v)由穿戴者所发出的终止命令。
如以上所解释的，与穿戴者的生物力学有关的各种示例性参数包括目标肌肉的肌肉活动(例如，时间积分或峰值肌肉活动)。例如，参数可以涉及使用于给定任务的肌肉活动最小化，以便当执行任务时减少特定肌肉的疲劳。其它示例性参数包括但不限于，使时间最小化以完成重复性任务，关节运动学或动力学，关节动作范围，代谢努力以及使当执行任务时的稳定性最大化。与机器人服装、可穿戴设备100和穿戴者之间的相互作用有关的对象函数包括但不限于，载荷传递，在界面处的压力和舒适度。
如上所述，各种传感器230可以用于测量身体的各种反应以及与可穿戴系统的相互作用。在一些实施例中，被配置为测量人体生物力学的传感器230可以包括但不限于，惯性测量单元(IMU)，加速度计，陀螺仪，编码器，分解器和用于测量关节角度、速度和加速度的应变传感器230，用于测量心率的心率监视器，用于测量代谢努力的肺部气体交换系统，肌电图，用于测量地面反作用力的压力感测鞋内底以及用于测量地面反作用力的仪器跑步机。可以用于测量包括力和压力在内的穿戴者系统相互作用的传感器230包括但不限于，测力计，力传感器和压力传感器。可以用于测量设备度量的传感器230包括但不限于，电流传感器，电压传感器，热敏电阻以及用于测量马达位置、速度和加速度的编码器和分解器。
图8示出用于可穿戴设备100的优化控制的代表性方法。运动初始化的检测：对于一些应用，优化算法会需要检测何时活动开始以及何时活动结束，以便了解在该重复期间收集的数据可以用于评估对象函数。例如，对于在抬举过程中支撑背部的设备，优化算法会需要将该抬举划分成不同的阶段，例如：运动的初始化，运动以够到对象，抓住对象，并且运动到最终姿势，直到抬举完成为止。优化算法可以评估用于这些阶段中的每个阶段的对象函数。例如，优化算法可以使用诸如惯性测量单元之类的机载运动传感器230来检测例如关节角度、速度或加速度中的变化以划分动作并且评估对象函数。然后，该算法将检测关节角度、速度或加速度中的变化，以检测运动的初始化，从而开始评估对象函数并且测量或估计对象度量，直到该人已经敲定该运动例如通过查看何时关节加速度改变方向或等于或接近于(小于阈值)0为止。最终，当加速度或速度发生变化时，对象函数将随着用户即将到达最终姿势而进行评估，直到用户停止运动为止。优化算法将其记录为运动的一次重复，并且评估对象函数，确定下一组参数，所述下一组参数将被测试为用于运动的下一次重复的候选最佳辅助。
作为示例，控制算法可以考虑活动的不同子组，并且找到使针对那些活动中的每个的对象函数最大化或最小化的一组参数。
由设备支撑的不同关键动作可以被分类为子组：例如，对于辅助背关节的设备，这些不同的子组可以是：在保持膝盖笔直状态的同时抬举面前的对象(弯腰抬举)，在弯曲膝盖的同时抬举面前的对象(蹲下抬举)，借助弯腰或蹲下技术(在诸如建筑、运输、物流、军事后勤、制造等多种行业中的常见动作)遵循躯干的扭转动作在每个侧抬举对象，以不同的躯干角度保持静态姿势(对于外科医生、护理人员、制造工业等普通的姿势，这会导致背部劳损，并且最终会导致损伤)。
分类算法可以使用诸如动作、力、压力传感器230之类的机载传感器230以将该活动分类为子组。例如，参照图9，IMU可以用于检测何时运动开始(关节加速度或速度的变化)和运动的方向，例如，躯干正在弯曲和/或扭转，以定义用户是在矢状面中执行动作(例如，在用户面前抬举对象)，还是躯干正在弯曲和扭转(例如，将对象抬举至侧面)，并且用此对先前概述的运动分类。此外，不同的身体分段的同步运动可以用于检测用户是在进行弯腰抬举(腿直时弯腰)还是进行蹲下抬举(躯干和双腿弯曲)。
然后，优化算法将在用户执行该动作并且评估一组参数时评估对象。
随着用户重复在上述子组中包括动作的活动，设备的参数将被自动地修改以使对象函数最大化或最小化。据此，将找到针对子组中的每个的一组参数。
当用户执行一项活动时，控制算法可以检测用户正在执行什么类型的动作，并且基于该活动所属的子组来选择正确的参数组。
代表性示例
对于进一步的背景，下面呈现本公开的可穿戴设备100的各种非限制性示例。
代表性示例1A：用于背部和髋部支撑的被动设备
如前所述，过度用力通常可以导致疲劳和肌肉骨骼损伤。背部占据行业中的所有过度用力损伤的大部分。可以导致背部损伤的风险因素包括举重，重复举重，较长时间保持静止姿势，或者以非最佳的身体姿势举重。
在当执行一种任务时的某些环境中，在必需弯腰的同时进行工作，但是这种姿势在下背上产生应变，这随着时间的推移而可以导致慢性背痛或更严重的背部损伤。
可以从辅助背部的设备中受益的一些活动示例包括：
a.抬举对象，抬举重物或以不符合人体工程学的最佳姿势抬举对象是可以需要背部支撑的活动。
b.握住对象或运输对象(尤其是在对象较重的情况下或是在身体姿势不是最佳的情况下)会需要大量努力，并且潜在地当执行任务时导致损伤或不适，因此可以从背部支撑装置中受益。
c.抬举或更改患者的位置，在医院中，医务人员会需要操纵或移动需要辅助的患者。这些类型的活动很常见，可以从背部支撑中受益。
d.静态姿势，例如，在向前倾斜的同时站立、下蹲或保持姿势。如果该姿势较长时间维持下去的话。
机器人服装系统可以用于减少在诸如抬举或保持静态姿势之类的任务期间必须由背部肌肉进行的努力的量。图10示出机器人服装的实施例，其中锚定构件110跨越多个关节，该系统将在诸如抬举、保持重物或在延长的时间段上保持静态姿势之类的任务期间同时地辅助背关节和髋关节。在这些任务期间，髋关节和背关节两者都处于活动状态，因此辅助两个关节的设备将减少用户必须进行的努力量。
设备可以包括以下元件：
传感器230：系统可以包括能够测量或估计身体的不同部位的速度、加速度或位置的传感器230以及估计由设备向用户提供的张力的量的力传感器230。诸如惯性测量单元、陀螺仪、加速度计的运动传感器230可以用于该目的，传感器230的其它示例包括应变传感器230，所述应变传感器230可以随着用户运动而变形，并且该变形可以与身体部位的加速度、速度或位置相关。在该实施例中，系统包括四个惯性测量单元传感器230，其可以在每条大腿上设置一个惯性测量单元传感器230以测量大腿运动，在下背上设置一个惯性测量单元传感器230，并且在上背上设置一个惯性测量单元传感器230，如图9中所示。这些传感器230可以用于测量这些身体分段的运动，但是也可以用于通过减去位于关节两侧上的传感器230的值来计算关节角度。作为惯性测量单元的可替代方案，可以使用应变传感器来与关节运动相关。系统还可以包含力感测元件，例如，测力计、力传感器或应变仪，以测量或估计由系统提供给人体的张力。在实施例中，这些传感器230可以被集成在服装部件中。
可穿戴设备架构：可穿戴设备100架构在背关节的两侧上提供两个锚定点。设备的上部分通过诸如肩带的锚定构件110附接至身体，并且供两个肩带在用户背部处相遇的点产生位于背关节的一侧上的锚定点。可穿戴设备100还可以包括下半身锚定构件110，例如，大腿锚定构件110，其卷绕连接至大腿以在髋关节的一侧上产生锚定点。载荷平衡带112连接至两个大腿锚定构件110，从而在背关节的另一侧上产生锚定点。最终，被动元件190(在这种情况下为弹性纺织品)将两个锚定点连接以提供辅助用户的张力。由于这些力位于距关节旋转中心一定距离处，因此它们向用户提供了等于由张力乘以力矩臂的转矩。如前所述，张力跨过两个关节，即，髋关节和下背部，向用户提供辅助。如图10中的简化图中所示，张力产生围绕髋关节和下背关节的转矩。作为示例，当用户抬举载荷时，可穿戴设备100可以将由用户需要用他/她的髋部和背部所做的努力的量卸载。这意味着生物肌肉将需要付出较少的努力来减少疲劳和减轻穿戴者损伤的风险。
所提出的设备具有针对不同行业的多个应用领域。图11和图12示出若干代表性的应用。
对被动设备的一个关键要求在于，所述被动设备当执行诸如抬举、保持静态姿势等任务时应当施加对用户有益的力/转矩。然而，系统应当是完全透明的，并且不应当提供将阻碍诸如步行、上楼梯/下楼梯等的其它动作的力。载荷平衡元件212用于此目的。
载荷平衡带212：如上所述，载荷平衡带212连接两个大腿锚定构件110以在背部点的一侧上产生锚定点。载荷平衡元件212(例如，条带，带状件，线缆)可以可旋转地或可滑动地与载荷平衡机构215联接，所述载荷平衡机构215允许载荷平衡带212在穿戴者运动期间例如在步行或抬举期间相对于连接元件150旋转或滑动。载荷平衡机构215的代表性示例包括但不限于，低摩擦辊，轴承，滑轮，低摩擦带扣以及类似物，如图13所示。然后，载荷平衡元件212可以相对于载荷平衡机构215旋转或滑动，以便允许用户在诸如步行的任务期间使腿部自由地运动，并且在涉及弯曲躯干和/或双腿(抬举，够到等)的任务期间在可穿戴设备100中产生张力。此外，该载荷平衡元件212通过将载荷拆分给两个大腿锚定构件110来将张力分配给双腿。
图14总结了载荷平衡带112的功能。当用户站立时，两个锚定点之间的初始距离被定义为x0。弹性锚定元件可以将尺寸设定为或调节为具有等于x0的长度，使得其在站立期间不对用户施加任何张力，但是只要用户弯曲躯干、腿部或两者，就创建张紧，从而产生张力。
如图所示，如果用户正在步行，则自平衡带112可以相对于锚定点自由旋转，从而允许腿部自由地运动，但是没有改变两个锚定点之间的距离(并且因此不产生张力)。如果该元件112不被允许旋转，则腿部向前运动将对试图向前运动的腿部和对用户的后背都创建张力，这会是不期望的。如图13所示，在步行期间，当穿戴者的右腿向前迈一步时，条带112能够相对于锚定点旋转，因此朝向向前运动的腿部平移而不创建张力或减少在腿部上产生的张力的量，能够使腿部自由地向前摆动。在站立中间期间，当两条腿都笔直时，载荷平衡元件212到达中间位置，在所述中间位置中锚定点与大腿锚定构件110之间的长度接近等于或松弛(中间位置)。随着人在摆动期间向前摆动左腿，平衡带112将相对于附接点旋转，从而允许左腿自由地向前运动超过中性位置。
当用户弯曲他/她的躯干或腿部时，例如，当够到或抬举对象时，由于用户的运动学，两个锚定点之间的相对距离增大。如果该距离长于连接元件150的初始尺寸，则将导致弹性元件拉伸(x＝x0+Ax)，并且因此在用户的背部后面提供张力。这些力以弹性的弹性常数来与伸长率成比例(F＝k*Ax)。
基于期望的辅助确定被动连接元件150的尺寸和选择：不同的任务或个人会需要或喜欢不同类型和级别的辅助。辅助可以通过定义一个参数或参数的组合来定制，例如：
a)连接元件的初始长度：被动连接元件的初始长度(x01)定义了随着用户相对于站立位置弯曲何时张力开始，当用户站立时在两个锚定点之间的距离被定义为x0。例如，如果锚定元件的初始长度(x01)大于或等于x0(x01>＝x0)，则随着用户相对于站立位置弯曲躯干或腿部以执行活动，将产生张力。如果意图在用户站立的同时提供张力，则该连接元件150可以被设计为短于x0(x01＜x0)。图15和图16示出如何通过限定连接元件190的不同的初始长度来改变输出张力。用于调节或确定长度的处理可以包括：i)具有一套供用户可以选择的不同长度的连接元件190，ii)具有一个能够例如通过使用带扣、
Figure BDA0002725619330000571
Figure BDA0002725619330000572
或棘轮系统(例如
Figure BDA0002725619330000573
)调节长度的连接元件190，iii)在保持相同长度的连接元件将具有与改变连接元件的长度相同的效果的同时，相对于站立调节锚定点的初始位置。在下面的图中，具有在靠近胸部的位置处路由至肩带的BOA棘轮系统的设备当旋转时可以控制在可穿戴设备100的背面上的两个锚定点之间的距离。在该示例中，随着棘轮旋转，位于上背上的锚定点可以上下位移，以控制被动元件190的预张紧。棘轮也可以被离合以一旦被设置就保持恒定，或者被解耦，所以棘轮可以自由地位移，以便未对人产生任何力。
b)连接元件的阻抗：基于变形(例如，刚度，阻尼)，连接元件可以具有特定的阻抗。图15和图16示出连接元件的不同刚度值将如何提供不同的输出。调节连接元件的阻抗的过程可以包括一套具有供用户或设计者可以选择的不同阻抗值的连接元件，可以并联或串联连接以改变阻抗(例如，弹簧常数)的多个元件。
人类受试者测试：作为证明该架构功能的第一步骤，使用被动可穿戴设备100进行人类受试者测试，所述被动可穿戴设备100具有弹性连接元件，所述弹性连接元件充当在两个锚定构件110之间的弹簧。通过对3名健康参与者的初步人类受试者测试，我们已经显示出令人鼓舞的结果。如图33中所示，这些研究已经表明，当3名受试者以不同的角度保持静态姿势时，比较穿戴可穿戴设备100的情形与不穿戴任何设备的情形，所提出的架构可能将背部中的关键肌肉(在L4级和T9级处的直立脊柱)和髋关节(股二头肌，臀大肌)的肌肉活动在3名受试者身上平均降到45％。
代表性示例#1B：用于背部和髋部支撑的主动设备
在代表性示例#1A中描述的设备向背关节提供辅助张力，所述辅助张力是通过用户的身体运动被动地产生的，连接元件150的尺寸或设计可以被设定成提供如在示例1a中所述的不同类型的辅助。然而，为了向不同的用户和任务提供定制的辅助或与完全被动的设备相比更高级别的辅助，可以使用致动器120来控制连接元件150的位置或力。
现在参照图17，在代表性示例#1B中描述的设备向背关节和髋关节提供辅助张力，所述辅助张力是通过用户的身体运动被动地产生的，连接元件150的尺寸或设计可以被设定成提供如在示例#1A中所述的不同类型的辅助。然而，为了向不同的用户和任务提供定制的辅助或与完全被动的设备相比更高级别的辅助，可以使用致动器120来控制连接元件150的位置或力。图18示出包括致动器120部件的设备，所述致动器120部件可以用于控制附接在两个锚定构件110之间的线缆。致动器120可以用于控制线缆的位置以产生张力或者直接控制由线缆施加给用户的力。
在该示例中，系统与示例#1A中所述的系统相同，但是在这种情况下，代替具有连接两个锚定构件110的弹性元件，使用了线缆驱动的致动系统。对于此系统，用户在身体的任何部位(在这种情况下为腰部)上穿戴致动器120，鲍登线缆将该致动器120单元连接至关节的一侧，而内部线缆在一个端部上连接至致动器120并且在另一个端部上连接至关节的另一侧。这样，当内部线缆被致动时，将在两个锚定构件110之间产生张力。在另一个实施例中，致动器120可以直接地连接至关节的一侧(不需要护套)并且驱动线缆，所述线缆在一个端部上连接至致动器120并且在另一个端部上连接至关节的另一侧。
图18示出用于产生围绕髋关节和背关节的辅助转矩的代表性架构。在诸如抬举、保持静态姿势、运输沉重装备或拉动/推动之类的任务期间，该设备可以有助于辅助背关节和髋关节，这些任务是会随着时间的推移而导致损伤的常见活动，但是对于其它动作而言，它们是完全透明的(如同普通衣服)。代表性设备可以被阻抗控制，使得它可以遵循规定的轨迹或呈现虚拟阻抗(刚度，阻尼)，所述虚拟阻抗是一个或多个关节角度的函数。在这种情况下，由于设备横过髋关节和背关节两者，因此阻抗可以被定义为躯干和大腿之间的相对角度。该角度可以通过使用诸如IMU或应变感测元件的机载传感器230来测量。通过致动呈现的样本虚拟阻抗可以由刚度值定义，如图19所示，其中F是合力，θ是大腿和躯干之间的相对角度，并且K是呈现的刚度。在这种情况下，辅助曲线将感觉像在锚定构件110之间具有刚度为K的弹簧。与被动设备相比，像这样的致动曲线的优点在于，通过选择针对不同动作或不同用户优化的不同阻抗，自动地配置辅助曲线是更为灵活的。此外，虚拟阻抗具有以下优点：对于运动的每个阶段，虚拟阻抗可以具有不同的属性(呈现的刚度，阻尼等)，例如，不同的阻抗取决于动作的方向。向下抓取对象的行动所需要的能量会少于与对象一起向上抵抗重力的行动所需要的能量，随着运动改变方向，所呈现的阻抗的变化当向上时对比当向下时将允许向人提供更多的能量，所述当向下时是被动弹簧无法做到的。此外，通过选择不同的“初始角度”，所得曲线将能够移动，使得直到用户已经到达该初始角度时才开始产生力。
图20A、图20B和图20C示出样本用户运动，其中关节遵循正弦模式从0°(站立)的初始位置运动到90°(将躯干弯曲到水平位置)。具体地，图20A示出由设备将作为关节角度的函数所呈现的代表性刚度曲线。图20B示出由用户当弯曲躯干以将载荷从地面抬举时遵循正弦动作执行的样本关节角度，并且图20C示出由该运动产生的合力，所述合力是将刚度乘以被分为抬举周期的％的关节角度的结果。
样本运动可以代表例如弯曲躯干以从地面抓取对象。合力是将规定的刚度乘以由用户执行的关节角度的结果。力被表示为抬举周期的百分比，其中0％被定义为当用户初始化运动时，50％被定义为当用户改变方向时当关节的速度为零时，并且100％被定义为当用户通过回到直立位置而完成动作时。
对于阻抗控制的设备而言，系统可以根据检测到的动作而具有不同的模式。因此，机载传感器230可以用于检测不同的活动并且为每个活动选择不同的预定阻抗曲线。例如，有多种方式来抬举载荷，例如，使用蹲下技术或弯腰技术(双腿伸直)，而且由于空间有限，可以在身体前面进行抬举对象(在矢状面上向后运动)，或者在侧面上进行抬举对象，使得在抬举过程中背部必须弯曲和扭转。可以通过使用机载运动传感器230(例如，IMU)来检测这些不同的动作，其中一种算法可以定义初始化阈值(例如，当通过时在躯干与大腿关节之间的相对角度和角速度的初始阈值被认为是弯曲动作的初始化)。还可以使用阈值来定义运动是否发生在矢状面内或者用户是否正在弯曲和扭转躯干以用于抬举。可以使用不同的阈值来定义用户在抬举过程中是否正弯曲双腿。在另一个示例中，机载传感器230可以用于分类算法(例如，神经网络，线性分类器，最近邻点插值法，决策树等)，以检测动作属于哪一种活动。可以为这些运动中的每个选择阻抗或辅助曲线。
在又一个示例中，设备可以是EMG控制的。在这种情况下，一个或多个EMG将位于旨在由设备辅助的代表性肌肉上。来自目标肌肉的滤波后的肌电信号可以用于估计由目标关节正在产生的关节转矩，并且用于命令由外骨骼产生的传递力。
运动初始化的检测：对于一些应用，优化算法会需要检测何时活动开始以及何时活动结束，以便了解在该重复期间收集的数据可以用于评估对象函数。例如，对于在抬举过程中支撑背部的设备，优化算法会需要将该抬举划分成不同的阶段，例如：运动的初始化，运动以够到对象，抓住对象，并且运动到最终姿势，直到抬举完成为止。优化算法可以评估用于这些阶段中的每个阶段的对象函数。例如，优化算法可以使用诸如惯性测量单元之类的机载运动传感器230来检测例如关节角度、速度或加速度中的变化以划分动作并且评估对象函数。然后，该算法将检测关节角度、速度或加速度中的变化，以检测运动的初始化，从而开始评估对象函数并且测量或估计对象度量，直到该人已经敲定该运动例如通过查看何时关节加速度改变方向或等于或接近于(小于阈值)0为止。最终，当加速度或速度发生变化时，对象函数将随着用户即将到达最终姿势而进行评估，直到用户停止运动为止。优化算法将其记录为运动的一次重复，并且评估对象函数，确定下一组参数，所述下一组参数将被测试为用于运动的下一次重复的候选最佳辅助。
作为示例，控制算法可以考虑活动的不同子组，并且找到使针对那些活动中的每个的对象函数最大化或最小化的一组参数。
由设备支撑的不同关键动作可以被分类为子组：例如，对于辅助背关节的设备，这些不同的子组可以是：在保持膝盖笔直状态的同时抬举面前的对象(弯腰抬举)，在弯曲膝盖的同时抬举面前的对象(蹲下抬举)，借助弯腰或蹲下技术(在诸如建筑、运输、物流、军事后勤、制造等多种行业中的常见动作)遵循躯干的扭转动作在每个侧抬举对象，以不同的躯干角度保持静态姿势(对于外科医生、护理人员、制造工业等普通的姿势，这会导致背部劳损，并且最终会导致损伤)。
分类算法可以使用诸如动作、力、压力传感器230之类的机载传感器230以将该活动分类为子组。例如，IMU可以用于检测何时运动开始(关节加速度或速度的变化)和运动的方向，例如，躯干正在弯曲和/或扭转，以定义用户是在矢状面中执行动作(例如，在用户面前抬举对象)，还是躯干正在弯曲和扭转(例如，将对象抬举至侧面)，并且用此对先前概述的运动分类。此外，不同的身体分段的同步运动可以用于检测用户是在进行弯腰抬举(腿直时弯腰)还是进行蹲下抬举(躯干和双腿弯曲)。
然后，优化算法将在用户执行该动作并且评估一组参数时评估对象。
随着用户重复在上述子组中包括动作的活动，设备的参数将被固定或自动地修改以使对象函数最大化或最小化。
当用户执行一项活动时，控制算法可以检测用户正在执行什么类型的动作，并且基于该活动所属的子组来选择正确的参数组。
代表性示例#1C：待穿戴在衣服下面以辅助髋关节和背关节的机器人服装
如图35所示，机器人服装可以被设计成待穿戴在衣服下面，并且可以由以下各项组成：i)完全柔软的内衣，其包括柔软的感测部件和力路径以舒适地将辅助力传递到身体，以及ii)线缆驱动的致动模块，其可以满足比力、功率和带宽要求，同时容易连接至内衣而为分布式传感器230供以动力并且辅助用户。
可穿戴设备架构：为了使机器人服装为高效的，关键方面是设计适当的力路径，其将张力通过纺织元件(又称为可穿戴设备100架构)传递。横过多个关节的力路径可以产生张力，其通过使用单条致动线缆同时地辅助那些关节。该方法导致优化的系统具有减轻的重量，从而简化了需求。图35示出可以用于对背关节和髋关节两者卸载的可穿戴设备100架构。可穿戴设备100架构由纺织部件构成，所述纺织部件配置两个附接点：一个附接点位于经由肩部锚定构件110(例如，肩带)锚定到身体的背部的上侧上，并且另一个附接点位于经由条带连接至两条大腿的后部的下背部上。连接元件150(例如，致动线缆)直接地或间接地联接肩部和大腿锚定构件110。当被致动时，连接元件150主动地产生张力，所述张力同时地横过用户的背关节和髋关节。由于力路径与髋部和背部生物关节(力矩臂)偏移，因此这些张力将产生对那些关节卸载的辅助转矩。
线缆驱动的致动器120：开发出可穿戴设备100架构相对于关键解剖学界标的影响的初始简化准静态运动学模型，其包括机器人服装-人机界面的估计的顺应性以及致动和传输效率。这种模块之一可以位于靠近用户的质心(例如，下背部或腰部)的位置。
集成到服装中的传感器：传感器230可以被集成在机器人服装中，以直接到纺织品中测量人体动作、条带张力、相互作用力/压力和肌肉努力，从而避免需要在纺织部件中使用IMU、测力计和EMG传感器。可以测量上述参数的兼容纺织品的传感器230可以被集成到纺织品中，并且用于能够控制系统以向穿戴者传递最佳定时的辅助和评估在工业环境中使用机器人服装的生物力学效果。样本柔软传感器230包括：用于测量动作跟踪的拉伸传感器，张力测量柔软传感器，用于控制和评估机器人服装的鞋内底中的压力印刷传感器或集成有纺织品的EMG传感器。可替代地，注意到，系统也可以包括刚性传感器，例如，IMU、测力计或EMG。
将传感器和致动器集成到机器人服装中：为了机器人服装愿景(vision)的开发，我们的团队拥有用于柔软机器人的内部原型制作流程，这些流程结合了久经考验的且新兴的服装制造技术。这些过程将允许我们将前面提及的致动器120和传感器230无缝地结合到纺织品中，从而构建出轻便模块化的、柔软的和保形的成衣。如前所述，机器人服装可以被穿戴在衣服下面，并且由完全柔软的成衣构成，所述完全柔软的成衣由纺织品制成，所述纺织品具有集成的载荷传递力路径、感测和线缆驱动的致动模块，所述致动模块将仅刚性的部件封装在系统中，所述系统可以容易地附接到内衣。
柔软的内衣将被穿戴在衣服下面，并且可以包括先前概述的感测部件的一些或全部：1)用于测量关节动作的拉伸传感器230，2)用于测量人机交互力的张力传感器230；3)用于给由设备辅助的关键肌肉装仪器的EMG，4)可以用于估计GRF的脚上的压力鞋内底。这些传感器230可以与导电纺织品迹线一起嵌入纺织部件中，所述导电纺织品迹线可以将不同的信号无缝地路由到位于下背部上的中央连接地方(致动单元将附接在该处)。
线缆驱动的致动单元位于用户的质心附近，如这是设置重量的最有利位置。该模块可以集成线缆驱动的致动、PCB电子部件(高功率和低功率电子器件)和电池。用户能够通过将致动单元滑入位于腰部处的半刚性槽面板中来将致动单元连接至他/她的背部，随着致动器120放置，致动器120与中心面板连接，以便为机器人服装内衣供以动力并且接收传感器信息。致动线缆通过快速连接部附接至内衣的连接元件。致动模块还可以将两个IMU包括在刚性封壳中以用于额外的感测能力，一个IMU在致动箱内，并且另一个IMU在快速连接部处，其中致动线缆连接至上背。另外地，振动元件可以被集成在安装板220内，以便能够集成触觉反馈来警告用户，该元件可以用于让用户知道他/她在抬举期间或当保持静态姿势时正使用非人体工学的姿势。代表性示例#1D：用于主动背部和髋部支撑设备的优化控件
以下动作已经被识别为会需要优化的活动：在保持膝盖笔直状态的同时抬举面前的对象(弯腰抬举)，在弯曲膝盖的同时抬举面前的对象(蹲下抬举)，借助弯腰或蹲下技术(在诸如建筑、运输、物流、军事后勤、制造等多种行业中的常见动作)遵循躯干的弯曲和扭转动作在每个侧抬举对象和以不同的躯干角度保持静态姿势(对于外科医生、护理人员、制造工业等普通的姿势)。所提出的直观且自适应的控制器240可以优化针对不同的用户的辅助，其关注于已经被识别为是减轻损伤风险并且提高不同行业的生产率的关键(在面前和两侧弯腰和下蹲抬举对象并且以不同的躯干角度保持静态姿势)。图29A示出将由设备优化和辅助的不同的活动。优化控制器240可以使用人体生物力学度量并且优化辅助参数，以便尽可能使针对那些活动的关节和基础肌肉的努力量最小化，同时在目标活动期间不对穿戴者的自然姿势有负面影响。然后，所提出的控制器240将针对不同用户为每个所考虑的运动找到最佳辅助参数。对于不包括在上述类别中的活动(例如，步行、跑步、爬楼梯等)，控制器240可以命令系统变得完全透明(不向人施加力)，从而不限制运动。
控制器240包括以下之一或其组合：阻抗控制的机器人服装，使用机载运动传感器230区分目标动作的分类算法以及高效的优化算法，所述高效的优化算法对设备参数(例如，阻抗，起始)优化，以便使针对每个提及的任务定义的对象函数最大化或最小化。
阻抗控制的机器人服装：市场上可买到的被动刚性外骨骼，以及我们开发出柔软被动设备以对背关节和髋关节(参见图33)卸载的初步结果已经表明，对于某些用户而言，被动阻抗对用于某些动作的目标背部肌肉卸载是有效的。然而，被动系统的适应性的缺乏限制了这些设备对不同用户和不同活动的适用性，在某些情况下，施加非最佳的辅助来对关节卸载会对穿戴者的性能有负面影响并且甚至阻碍自然运动。因此，在该示例中，我们实施控制器240，所述控制器240能够针对不同的动作和不同的用户来优化设备的所得阻抗以及致动的起始。因此，设备将被编程为作为生物关节的运动的函数来呈现虚拟阻抗(例如，弹簧，阻尼器)。我们计划利用这种经验来开发阻抗控制器240，其中目标力是将用可穿戴传感器230测量的期望的虚拟阻抗(例如，起始，刚度，阻尼)和关节运动学的函数。
分类算法：使用可穿戴传感器信息对发起的动作分类以了解由受试者正在执行哪一种活动的算法包括抬举策略(弯腰，蹲下，前举，侧举)和静态姿势，如图29A所示。分类算法可以对在运动初始化阶段期间由用户正在执行的不同类型的活动分类，从而能够针对每个运动选择不同的辅助参数，以能够独立地优化那些辅助参数(图29B)。
优化控制：如上所述，优化算法可以使用来自各种穿戴在身体上的传感器230的测量值有效地在线连续优化控制策略，以改善关键的物理量，例如，借助和不借助设备，使目标肌肉的努力最小化和使非目标肌肉的运动学、动态和肌肉活动的偏差最小化。我们的特定方法改善了关键度量，例如，在人执行任务时的目标关节的肌肉活动或关节转矩/功率，而没有对穿戴者的自然生物力学造成负面影响，＝与当前的方法相比，当前的方法具有对参数手动调谐的规定的辅助曲线或对每个人和每项任务均具有恒定阻抗的被动系统，本发明的方法可以能够在使用设备较短时间之后自动为用户产生定制的辅助曲线。
为了使个性化的可穿戴设备100为实用性的，我们要求控制算法待高效地在线优化控制参数，同时让受试者在较短持续时间内执行监督任务。对于该示例，我们应用贝叶斯优化，一类全局随机优化算法。贝叶斯优化算法已知是采样高效的。它们也避免了许多与传统梯度下降和参数响应面方法(即，局部最小值，高偏差)相关联的陷阱。
使用来自可穿戴传感器230的实时数据，可以估计目标肌肉的肌肉活动、关节角位置、速度以及人与机器人服装之间的相互作用力以优化辅助(就阻抗和起始而言)。
在使用设备的监督时期期间，设备可以收集关于穿戴者的基线自然运动学和肌肉活动的感测信息(当不施加辅助时)。在该时期之后，可以使用初始控制参数，并且在用户执行目标任务的多次重复时，设备可以开始提供辅助力。然后，该算法将使用机载感测来连续地监测EMG活动和穿戴者的运动学，以优化基础肌肉的卸载程度，同时确保它不以不期望的方式影响用户的自然运动学和动力学以及肌肉活动。定义该虚拟阻抗的属性和致动起始的参数将针对每个考虑的活动被优化，并且为每个动作和每个用户生成独立的一组参数。
可以用于该工作的样本对象函数包括：
使背部的主要肌肉群的减少程度(RMS和/或峰值)最大化对腹部肌肉的肌肉活动的影响最小化。腹部肌肉和背部肌肉的共同收缩对于保证结构的刚度以稳定背部是至关重要的。我们假设，由于由所提出的设备产生的力模仿在背部处的肌肉的行为，所以与基线相比，在腹部区域中的肌肉将需要维持正常的肌肉活化，从而不以负面方式影响损伤的风险。
使背部的主要肌肉群的减少(RMS和/或峰值)最大化没有负面地影响姿势：使目标肌肉的卸载程度最大化可以通过本身用作对象或与定义姿势质量的度量结合使用。姿势质量可以用不同的方式来定义，例如，避免改变运动学，使得将意味着与不穿戴设备相比当抬举对象时对象离身体较远。对象与身体之间的距离被认为是当执行抬举技术时影响损伤风险的主要因素之一。作为可替代方案，量化活动的损伤的风险的指标(例如，抬举指标)可以用作度量。抬举指标是由NIOSH开发的方程式，其评估执行抬举[6]、[100]、[101]的风险有多严重。该方程式是身体相对于对象的水平和垂直距离、当抬举对象时的不对称角度、以及每个活动的频率和持续时间的函数。与基线相比，在运动学/动力学方面的任何变化都将改变抬举指数。机载感测可以用于评估对象到身体的距离以及背部肌肉的EMG活动。以增加损伤风险的方式改变姿势最终会导致肌肉更加努力地工作，并且因此使用目标肌肉的肌肉活动可以作为对象是足够的。
使生物关节转矩或功率最小化。在关节处的峰值载荷和累积载荷具有增加的损伤风险REF。通过使每次重复执行任务时生物关节必须产生的转矩或功率量(RMS和/或峰值)最小化，我们期待产生这些转矩的生物肌肉将下降。这呈现出使用EMG作为优化辅助的措施的可替代方案，其将是值得探索的。多参数优化将把尽可能多地卸载关节的对象与涉及姿势的度量(例如，抬举指数或从身体到对象的距离)结合起来。
另外，机器人服装将振动元件集成到纺织品中，所述纺织品可以用于在用户使用非人体工程学姿势时提醒他/她。这将在不同的条件下是有用的，例如，由于疲劳或分心而引起的运动学的变化。
所提出的方法优化了诸如辅助曲线的起始和阻抗之类的参数，其是用户针对每个定义的动作如何运动的函数。因此，即使抬举与用于优化的条件是不相同的，也将基于人体动作对合力有一定程度的适应性。与现有的方法相比，该现有的方法具有对参数手动调谐的规定的辅助曲线或对每个人和每项任务均具有恒定阻抗的被动系统，本发明的方法能够在使用设备较短时间之后自动为用户产生定制的辅助曲线。这表示向前迈出了重要的一步，它有潜力推进该领域的发展，并且理解，如何开发出当进行不同的工作场所活动时适应个体生理和神经差异的最佳控制器240。
代表性示例#1E：用于背部和髋部支撑的半主动设备
在另一个实施例中，辅助设备可以被配置为辅助如在示例1A和示例1B中概述的背关节和髋关节，但是包括离合器系统或不可逆驱动的致动器120以控制诸如以下的参数：
a)连接元件的初始长度：被动连接元件的初始长度(x01)定义了随着用户相对于站立位置弯曲而何时张力开始，当用户正站立时在两个锚定点110之间的距离被定义为x0。例如，如果锚定元件的初始长度(x01)大于或等于x0(x01>＝x0)，则随着用户相对于站立位置弯曲躯干或腿部或进行活动，将产生张力。如果意图是在用户站立的同时提供张力，则该连接元件可以被设计为短于x0(x01＜x0)。图16示出可以如何通过定义连接元件的不同初始长度来修改输出张力。用于调节的过程可以包括命令致动器120的目标位置，并且使用诸如编码器或电位计之类的传感器230来定义致动器120的当前位置。一旦定义了初始长度，致动器120就可以被控制以停留在该位置处，被离合，以便当辅助关节时致动器120不必支撑合力，或者致动器120是不可逆驱动的，这与具有在正产生辅助力的同时保持该位置的可逆驱动系统相比将节约能源。
b)松弛对比预张紧模式：当设备意在为完全透明(不施加辅助力)时，致动器120系统或离合器可以用于允许在系统中松弛。在这种情况下，致动器120将被命令释放线缆，使得有足够的松弛(致动线缆的长度大于锚定构件110之间的距离)，对连接元件解耦，以便使致动器不能产生力或不能打开气动系统，使得连接元件不向身体施加力。
b)连接元件的阻抗：离合器系统或致动器120可以用于通过并行地离合不同的弹性元件或者通过并行地控制不同的弹性体的初始位置以添加或去除系统中的阻抗来在不同的阻抗之间进行选择(例如，弹性元件，弹簧，阻尼器)。
代表性示例#1F：具有半刚性元件的背部支撑设备
在另一个实施例中，如与示例1A至示例1E中所示辅助髋部和背部相反，辅助设备可以被配置为仅辅助背关节。
在这种情况下，可穿戴设备100架构将由腰带、肩带构成，所述腰带直接在下背部上配置附接点，所述肩带在关节的另一侧上创建附接点。设备可以包括在第一锚定构件110和第二锚定构件110之间延伸的半刚性部件200，其中半刚性部件200对于弯曲是柔性的，但在压缩力下抵抗变形。在不同的实施例中，半刚性部件200可以与如在先前示例中所呈现的那些锚定构件110结合使用，所述锚定构件110可以通过连接带附接至腰带，例如以对髋关节提供额外的辅助或减少在致动期间腰带相对于人体的相对位移。
在各种实施例中，半刚性部件200可以包括多个铰接构件202，其通过多个铰接链节204连接。例如，半刚性部件200可以包括刚性链节(铰接构件202)，其通过铰接铰链或弹性体元件(铰接链节204)连接，所述铰接铰链或弹性体元件(铰接链节204)受到顺应生物学脊柱(脊椎间盘和椎骨)的方式启发。在另一个实施例中，半刚性部件200可以是半刚性结构206，例如，具有以上引用的弯曲和变形特征的泡沫。
连接结构可以通过具有连接至该结构的每个端部的弹性元件而是完全被动的。随着用户弯曲，该弹性元件将对该结构产生张力，因此半刚性结构206将相对于用户的背部以一定角度传递力，这与纯张力相反，所述纯张力的优点是需要较低的力大小来对用户产生相同的力。
连接元件150可以被致动成使得马达可以控制两个锚定构件110之间的相对位置或力。马达也可以用于设定连接元件150的预张紧水平(半主动系统)。
图21示出示出半刚性部件200的示例，所述半刚性部件200包括两个锚定构件110，一个锚定构件在顶部上，另一个锚定构件在底部部件上。诸如致动线缆或弹性被动元件190之类的连接元件150可以连接以向用户背部提供辅助转矩。
为了控制主动设备并且使可穿戴设备100的辅助适应于不同个体或不同任务，一种方法包括使用优化方法来优化控制参数以对象函数最大化或最小化。
代表性示例#2：膝盖支撑设备
某些活动会要求用户较长时间静止停留在下蹲位置中。作为示例，如果工人必须在狭小的空间中执行任务，则他/她会需要停留在下蹲位置中而在膝盖上工作。在延长的时间段上保持该非人体工程学的姿势而没有足够的恢复时间，会造成膝盖处的损伤。为了缓解该问题，辅助设备会向膝盖提供转矩，使得用户的膝盖在这段时间内需要进行更少的工作。这可以允许工人维持该姿势而不影响他/她的肌肉骨骼健康。
图22示出柔软的可穿戴设备100实施例的示例，所述柔软的可穿戴设备100通过将线缆驱动的致动器120使用与在先前示例中描述的那些技术类似的技术借助锚定构件110放置在膝盖的两侧(大腿的前部和小腿的前部)上来实现。该致动器120可以通过围绕小腿肚(shank)穿戴小腿锚定构件110(例如，小腿包裹设备)而附接至小腿肚或小腿，并且继而通过附接至大腿锚定构件110(例如，大腿包裹物)而附接至膝盖的上侧。当被致动时，线缆将提供力，所述力在下蹲位置期间将提供膝盖支撑。当较长时间保持下蹲位置时，该设备可以是有用的，以避免膝盖损伤。该活动涉及一种会需要随着时间的推移保持的姿势。
当然，另外地或可替代地，膝盖可穿戴设备100可以被配置为用于半主动或被动辅助。例如，半主动膝盖可穿戴设备100可以包括半主动致动器120(例如，离合器系统，不可逆驱动的致动器120或其它合适的机构)，其被配置为通过穿戴者的运动或姿势来控制在可穿戴设备100中产生了多少张力。为了控制张力的水平，半主动致动器120可以被配置为控制一个或多个连接元件150的长度和/或可选择性地接合具有适当刚度的一个或多个连接元件150，使得如上所述产生期望的张力。另外地或可替代地，连接元件150可以包括储能设备190(例如，弹簧)，并且半主动致动器120(例如，离合器)可以被配置为可选择性地锁定和解锁储能设备190以储存和释放由连接元件150从穿戴者的运动或姿势中吸收的能量来辅助穿戴者。用于辅助膝盖的被动可穿戴设备100可以包括被动连接元件，所述被动连接元件直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个大腿锚定构件110到至少一个小腿锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕至少穿戴者的膝关节的力矩(例如，恢复性转矩)。
代表性示例#3：用于头顶上方的工作的肩部支撑设备
在示例中，健康的受试者会需要执行在头顶上方的工作以将不同的部件组装在头顶上方的结构中。例如，这例如在汽车行业中是非常常见的任务，在汽车行业中工厂工人将在汽车下方工作以执行组装任务。作为示例，在这些情况下，工人可以执行多次重复的操作，所述操作为：从桌子上抓取不同的部件(例如，螺钉、螺母或其它零件)，将手臂伸过头顶以通过使用动力工具将这些部件附接至结构，并且/或者从桌子抓取新的部件。执行在头顶上方的工作使颈部和肩部的肌肉紧张。当执行在头顶上方的工作时，肩部的肌肉倾向于非常快速地疲劳，这是为何其被认为是由身体位置和反应导致损伤的最普遍原因之一。
可穿戴辅助设备可以被穿戴在肩部周围，如图23所示，以便当用户将手臂伸出头顶时，向肩关节给出支撑，来避免肩关节过度劳累。在各种实施例中，可穿戴设备100可以包括被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的躯干上的至少一个锚定构件110，被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上臂上的至少一个锚定构件110，以及直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110的至少一个连接元件150。在实施例中，用于辅助这些任务的主动可穿戴设备100可以包括线缆驱动的致动系统，其连接至肩部锚定构件110和手臂锚定构件110并且在肩部和手臂之间延伸。致动器120可以由机电马达、鲍登护套和内部线缆构成，所述鲍登护套将该马达连接至肩关节的一侧，所述内部线缆在一个端部上连接至马达并且在另一端部上连接至手臂。例如，随着马达运动，连接元件150(内部线缆)将运动，从而有助于使手臂向上运动。致动器120可以具有在手臂下方附接至服装部件的锚定件，所述服装部件卷绕在手臂周围和胸部的侧面处，使得随着线缆运动，致动器120产生张力，所述张力在肩关节上产生支撑转矩，如图23所示。
在一些实施例中，设备可以包括一个或多个集成传感器230，例如，在手臂上的IMU，在胸部上的IMU以测量关节角度/速度/加速度，一个或多个EMG以测量由该设备正辅助的肌肉的肌肉活动，在致动器120内的压力传感器，和/或用户与致动器120之间的接口中的压力传感器以测量对手臂的支撑力。这些传感器230可以被集成到可穿戴系统中。
代表性动作可以是从中性位置至头顶位置的肩部运动。一旦用户达到某个肩部角度，代表性致动曲线就可以示出起始，致动器120单元的规定的刚度基于手臂角度(使得致动器120提供与手臂角度成比例的辅助，即，手臂角度越高，则支撑力越高)，并且随着手臂开始下降在转速方向变化时辅助终止或截止。
当然，另外地或可替代地，肩部可穿戴设备100可以被配置为用于半主动或被动辅助。例如，用于辅助肩部的半主动可穿戴设备100可以包括半主动致动器120(例如，离合器系统，不可逆驱动的致动器120或其它合适的机构)，其被配置为通过穿戴者的运动或姿势来控制在可穿戴设备100中产生了多少张力。为了控制张力的水平，半主动致动器120可以被配置为控制一个或多个连接元件150的长度和/或可选择性地接合具有适当刚度的一个或多个连接元件150，使得如上所述产生期望的张力。另外地或可替代地，连接元件150可以包括储能设备190(例如，弹簧)，并且半主动致动器120(例如，离合器)可以被配置为可选择性地锁定和解锁储能设备190以储存和释放由储能设备190从穿戴者的运动或姿势中吸收的能量来辅助穿戴者。用于辅助肩部的被动可穿戴设备100可以包括被动连接元件，所述被动连接元件直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕至少穿戴者的肩关节的力矩(例如，恢复性转矩)。
代表性示例#4：模块化可穿戴设备
在先前示例中描述的设备可以被组合以辅助多个关节，例如，膝盖、背部、肩部或其任何组合。作为示例，如图24C所示，辅助膝盖的设备(图24A)可以与辅助背部的服装和/或辅助肩部的服装(图24B)组合，从而为给定的活动提供额外的支撑。例如，由于在工作空间中的约束，在某些环境中会必需下蹲的同时在头顶上方工作，因此可以将辅助膝盖的设备与辅助肩部的设备组合在一起。假设设备是纯粹柔软的并且彼此之间不相互作用，则可以无缝地组合这些模块。
代表性示例#5：在衣服中的集成
所提出的辅助设备可以被集成到典型的日常使用的工作服中。图25A、图25B、图25C、图26A和图26B示出可穿戴设备100部件集成的一些样本示例。这些插图演示了一种系统，该系统将由带有附接点的工作服以及可去除的、线缆驱动的传感器和致动器120设备构成(其可以在使用期间卡入工作服中)。
成衣集成是有益的，这是因为(i)所述成衣集成针对用户提供具有日常衣着的熟悉度的平台；(ii)由于难以把成衣穿得不对，所述成衣集成减少了用户对齐的错误，(iii)所述成衣集成简化了卫生考虑，这是由于因汗水和碎屑而必须机器洗涤的纺织件容易地与不可洗涤的传感器230、电子器件和致动器120分开，(iv)所述成衣集成有可能掩盖用户穿戴了辅助设备的事实，这是最初用户研究的痛点，并且(v)所述成衣集成通过较少数量的部件来减少系统的穿脱时间。
图25A示出如何使用可穿戴设备100部件可以将系统穿戴在普通衣服的顶面上。图25B和图26A示出典型的工作服，该工作服具有用作可穿戴设备100部件的稍微填充的缝制的嵌入物。小巧的带盖
Figure BDA0002725619330000731
系统拨盘或
Figure BDA0002725619330000732
凸片允许用户在想要激活系统时在这些稍微填充的嵌入物中添加压缩。当系统不处于使用中时，用户可以留下这些嵌入件松弛。图25C和图25B示出使用隐藏的叉架(yoke)的概念，当用户使用
Figure BDA0002725619330000733
系统拨盘或
Figure BDA0002725619330000734
凸片张紧时，织物件旨在提供支撑。这种设计是尤其有益的，这是因为可穿戴设备100部件在处于压缩中的同时可以隐藏在衣服的顶层下方，对于一些用户而言这是谦逊和感性的问题。
示例6：优化用于肩部辅助的控制以支持在头顶上方的工作
在示例中，健康的受试者会需要执行在头顶上方的工作以将不同的部件组装在头顶上方的结构中。例如，这例如在汽车行业中是非常常见的任务，在汽车行业中工厂工人将在汽车下方工作以执行组装任务。作为示例，在这些情况下，工人可以执行多次重复的操作，所述操作为：从桌子上抓取不同的部件(例如，螺钉、螺母或其它零件)，将手臂伸过头顶以通过使用动力工具将这些部件附接至结构，并且/或者从桌子抓取新的部件。
执行在头顶上方的工作使颈部和肩部的肌肉紧张。当执行在头顶上方的工作时，肩部的肌肉倾向于非常快速地疲劳，这是为何其被认为是由身体位置导致损伤的最普遍原因之一。
可穿戴辅助设备可以被穿戴在肩部周围，如图27所示，以便当用户将手臂伸出头顶时，向肩关节给出支撑，来避免肩关节过度劳累。在一些实施例中，设备可以包括一个或多个集成传感器230，例如，在手臂上的IMU，在胸部上的IMU以测量关节角度/速度/加速度，一个或多个EMG以测量由该设备正辅助的肌肉的肌肉活动，在致动器120内的压力传感器，和/或用户与致动器120之间的接口中的压力传感器以测量对手臂的支撑力。
代表性动作可以是从中性位置至头顶位置的肩部运动。一旦用户达到阈值肩部角度，代表性致动曲线就可以检测起始，并且基于手臂角度来传递致动器120单元的规定的刚度(使得致动器120提供与手臂相对于初始角度的相对角度成比例的辅助，所述初始角度被认为是在头顶上方的动作的开始，手臂角度越高，则支撑力越高)，并且随着手臂开始下降在转速方向变化时辅助终止或截止。
优化算法可以允许用于从可穿戴设备100选择适量的辅助，以避免将设备配置所瞄准的肌肉过度劳累。例如，对象函数可以是目标肌肉(例如，上斜方肌)的峰值，其中对象可以将使该峰值最小化以避免在执行任务的同时该特定肌肉过度劳累。
用于优化的合适参数包括但不限于，作为关节角度的函数的致动的偏移和致动曲线的刚度。致动器120的增大的刚度可以意味着可穿戴辅助设备感觉更有支撑性，但是同时太大的刚度会不产生最佳结果，这是由于太强的弹簧会意味着用户必须抵抗该刚硬元件提供抵抗力以免执行太快或不受控制的运动。作为手臂角度的函数的致动的偏移也是重要的参数，这是由于支撑手臂的致动器120可以需要变得透明或在用户将他/她的手臂放下时减少辅助。在图27中示出基于刚度的简化辅助曲线的示例。图27示出致动器120的力对比手臂角度的示例性曲线图。示出了简化的致动辅助，其中致动器120的力或对肩部的辅助是所呈现的与手臂角度成比例的刚度。
不同的个人会以不同的方式执行任务。此外，当穿戴主动设备时，穿戴者可以以不同的方式对由设备提供的辅助以及与设备有关的优化作出反应。具有一种基于对象(例如，肌肉活动)的优化自动地优化设备辅助参数(例如，刚度)的算法可以允许不同的个人从系统获得更好的收益，并且设备可以针对稍有不同的活动可自动地定制。因此，用于肩部(或用于上肢)的主动可穿戴设备100使用在线优化过程来优化参数化辅助曲线以使对象函数最大化，所述主动可穿戴设备100可以用于各种活动和各种用户。可穿戴主动设备可以通过遵循如本文所述的优化方法来自动地调节辅助参数。
然后优化过程可以基于初始设置或探索点来评估对象，然后使用收集的数据更新曲线，决定下一个候选探索点，借助这些设置评估对象，检查收敛标准，等等。在图28中示出用于该优化的流程的示例
如上所述，可以使用与使用具有两个参数的贝叶斯优化的示例相同的方法来找到针对不同受试者的最佳辅助参数。例如，在实施例中，当一个或多个致动参数与对象函数之间的关系未知或复杂时，贝叶斯方法可以用于优化一个或多个致动参数。
下面的伪代码示出了用于该使用贝叶斯优化的示例的过程。
Figure BDA0002725619330000751
Figure BDA0002725619330000761
示例7A：优化用于背部辅助的控制以支持抬举载荷
现在参照图29A、图29B和图30，低等水平到中等水平(在舒适步行期间典型的关节转矩的20％至30％)的辅助的组合，所提出的机器人服装平台的低惯性和非约束性性质为控制可穿戴机器人提供新的机遇，所述可穿戴机器人需要辅助以与穿戴者的基础肌肉功能同步。我们假设，通过在诸如抬举或保持静态姿势之类的任务期间向背关节和髋关节提供在20％至30％范围内的幅度的、适当定时的辅助，行业工人将能够改善表现和降低损伤的风险。
控制算法可以基于EMG测量和关节运动学/动力学来优化设备参数。使用来自传感器230的实时数据，我们可以估计在任务期间的目标肌肉的肌肉活动、关节角位置、速度以及人与机器人服装之间的相互作用力，并且使用该信息来优化辅助曲线(就致动的阻抗和起始而言)。在使用设备的监督时期期间，关于穿戴者的自然运动学和肌肉活动的感测信息(当不施加辅助时)将被收集为基线。在该初始时期之后，用户将基于躯干和大腿之间的相对角度以规定的初始阻抗穿戴设备。然后，该算法将连续地监测EMG活动和穿戴者的运动学，以优化基础肌肉的卸载程度，同时确保它不以不期望的方式影响用户的自然运动学和动力学以及肌肉活动。
以下动作已经被认为是优化的关键：在保持膝盖笔直状态的同时抬举面前的对象(弯腰抬举)，在弯曲膝盖的同时抬举面前的对象(蹲下抬举)，借助弯腰或蹲下技术(在诸如建筑、运输、物流、军事后勤、制造等多种行业中的常见动作)遵循躯干的扭转动作在每个侧抬举对象，以不同的躯干角度保持静态姿势(对于外科医生、护理人员、制造工业等普通的姿势，这会导致背部劳损，并且最终会导致损伤)。在这种情况下，该算法由以下组成：
用于区分上述动作的分类算法：机载传感器230(惯性测量单元)以将不同的动作分类为子组。通过使用检测在关节角度、速度或加速度中的变化来定义何时运动开始和检测运动的方向(在矢状面中的躯干弯曲(在面前抬举)对比躯干弯曲和扭转(在侧面抬举)以及是弯腰还是下蹲(腿部与躯干同步运动对比腿部静止)(分段速度低于阈值)，来开发分类。
一种优化算法，其优化设备参数以使定义的对象函数最大化或最小化。
当设备不被激活以收集基线运动学、动力学和肌肉活动时，受试者执行所述动作的多次重复。此后，受试者对每个动作执行多次重复，同时优化算法使用机载感测来优化设备参数，以使期望的对象函数最大化或最小化。对于某些用户而言，被动阻抗已经证明当在某些预先定义的动作下对背关节卸载时是有效的，然而，被动设备的适应性的缺乏限制了这些设备对不同用户和不同活动的适用性。在这种情况下，针对不同动作和不同用户优化设备阻抗(刚度，阻尼等)的属性以及致动的起始。该设备受到阻抗控制，以便能够在生物关节运动时表现为虚拟阻抗(例如，弹簧，阻尼器)。定义该虚拟阻抗的属性和致动起始的参数将针对每个考虑的活动被优化，并且为每个动作和每个用户生成独立的一组参数。
可以被优化的样本对象函数包括：
在不影响腹部区域中的肌肉的肌肉活动的情况下，使背部的主要肌肉群的减少程度(RMS和/或峰值)最大化。腹部肌肉和背部肌肉的共同收缩对于保证结构的刚度以稳定背部是至关重要的，这是由于由所提出的设备产生的力模仿在背部处的肌肉的行为，我们期待将腹部肌肉维持到其正常活动将对于不以负面方式影响损伤的风险是关键的。
在不影响运动学的情况下，使背部的主要肌肉群的减少(RMS和/或峰值)最大化，使得这意味着，与不穿戴设备相比，当抬举时对象离身体更远。机载感测将用于评估对象到身体的距离以及背部肌肉的EMG活动。在对象与身体之间的距离被认为是影响损伤风险的并且暗示增加保持或抬起载荷的努力的主要变量之一。
在不增大抬举指标的情况下，使背部中的肌肉的卸载程度(RMS和/或峰值)最大化，所述抬举指标是由NIOSH开发的方程式，其评估执行抬举的风险有多严重。该方程式是身体相对于对象的水平和垂直距离、当抬举对象时的不对称角度、以及每个活动的频率和持续时间的函数。所得指标可以用作对象的一部分，以使损伤的风险最小化，运动学中的任何变化都将导致该抬举指标变化。
我们的目的是使这些系统能够在使任务非结构化的真正工业环境中使用。鉴于所提出的方法优化了诸如力分布的起始和阻抗之类的参数，所述参数是用户针对意图由设备辅助的每个定义的运动如何运动的函数，我们期待在优化之后已经针对每个所提出的活动找到最佳的阻抗和起始，即使抬举与用于优化的条件不同，也会基于人体动作而对合力进行一定程度的适应。
示例7B：优化用于背部辅助的控制以支持抬举载荷
当执行任务时，在某些环境中在弯曲的同时工作是必要的。这在下背部上造成紧张，其随着时间的推移可以导致慢性背痛或更严重的背部损伤。与示例1中所述的设备类似的设备被附接至身体以提供下背部支撑。在这种情况下，辅助设备将包括致动器120，所述致动器120经由两个锚定件110附接至身体，一个锚定件110在腰部处，并且第二个锚定件110在胸部周围。样本系统可以包括在背部后面的可胀大设备，以便当用户抬举对象、向前弯曲或够到对象时，可以向背部施加支撑力。这种设备会具有减少腰椎肌肉活动的可能性。
在另一个实施例中，用于背部的基于线缆的致动方法可以用作图21中描述的方法。可以在上半身上和在腰部上使用一个或多个锚定构件110，并且线缆可以被附接至这些锚定构件中的每个。当致动器120施加力时，当执行本文所述的各种任务中的一些(例如，抬举和携带)时，致动器120可以产生转矩以减少由背部肌肉所需的工作。
作为示例，该应用关注于重复运动，其中用户会需要从地面抬起对象并且将它们放置在他/她面前的货架上。在该应用中，该环境使得操作员必须向前弯腰以抬举这些对象。
示例设备可以包括以下传感器230的组合，例如，在胸部上的IMU以测量躯干角度，一个或多个EMG以测量一个或多个目标肌肉的肌肉活动，压力传感器以测量背部支撑设备的辅助水平，以及压力传感器。
可以设置优化算法以优化对象函数。合适的示例对象可以包括腰椎或胸竖脊肌肉的峰值EMG，通过使用手柄或输入设备的用户自我评价的舒适度，执行每次抬举的时间以及姿势。例如，在下蹲位置期间辅助膝盖的设备，依据由该设备给出多少辅助，穿戴者可以具有改善的姿势。在实施例中，完美的姿势可以被定义为：在执行任务的同时用户具有尽可能笔直的背部；或者尽可能接近于当不穿戴设备时用户具有的姿势(针对背部的参考角度)。
在这种情况下，对象函数可以通过使用加权函数来包含这些参数中的一个或多个。例如，对象函数可以包括与用户自我评价有关的对象和用于执行以上工作的时间，其中针对这些参数中的每个的权重为0.5，使得该对象既包括主观测量(取决于用户)，又包括客观测量(估计任务性能)。对于该应用，用户的自选舒适度可以被评价从为0到1的值，并且执行每次抬举的时间将被标准化为某一数字，所述数字被认为是用于抬举的最大值，使得该值也介于0和1之间。由于两个目标均具有不同的单位，因此如上所述应用归一化，使得可以通过使用加权函数来添加两种测量。
对于该应用，用户可以被指示当执行任务时用手柄选择舒适的水平。执行任务的时间可以被定义为从当用户开始弯曲躯干以够到对象时开始直到用户返回初始位置为止之间经过的时间。在背部上的IMU可以用于通过检测后退速度或加速度中的变化来检测何时用户开始运动，然后在完成抬举之后，用户将向后退，并且在与用户开始运动的位置类似的更直的位置中使躯干减速。这可以使用在背部上的IMU并且寻找速度、加速度和角度的变化来估算。
致动器120可以被控制以在执行任务的同时提供不同量的辅助。由于对于该应用而言系统在涉及弯曲躯干的任务期间提供低背部支撑，所以辅助可以作为由诸如IMU的传感器测量的躯干角度的函数来提供。为了做到这一点，辅助曲线可以被参数化为二阶多项式f＝kθ2。图31示出通过改变参数k的代表性辅助曲线的示例。更高的刚度值会意味着，作为在弯曲期间的他/她的躯干角度的函数，用户在背部上获得更高的辅助。
在辅助该动作的优化算法的一些实施例中，该算法可以具有在调节辅助量的同时优化身体姿势的对象。根据人体工程学的指导原则，在抬举载荷期间使背部尽可能保持笔直是有益的，因此优化算法可以将背部角度用作优化的对象。对于该应用，一种算法可以在相对于笔直姿势优化背部角度的同时适应致动器120的刚度。对于该应用，待优化的变量是致动器120中的刚度，并且对象将是在执行任务时的最大躯干角度。这可以在工人首次执行任务以尽可能多地提供辅助但同时在执行任务时促进良好的身体姿势的情况下是尤其有用的。
示例8：优化用于背部辅助的控制以支持长时间站立
当长时间保持静止姿势时，身体的某些区域可以变得紧张。在没有足够的恢复时间的情况下在延长的时间段上从保持姿势可以发展在背部处的损伤或疲劳。为了缓解这个问题，辅助设备可以向背部提供转矩，使得用户背部在该时间期间必须做较少的工作。这可以允许工人维持这种姿势而不没有影响他/她的肌肉骨骼健康。
对于该应用，诸如在图21所示的设备可以如以上所解释是有帮助的。在致动器120将提供力的情况下，该力可以在站立位置期间提供背部支撑。当较长时间保持站立姿势时，该设备可以是有用的，以避免背部损伤。
适当的优化可以包括设备功耗、围绕背关节的肌肉上的EMG以及总体姿势。例如，当穿戴者处于站立位置中时可以辅助背部的设备依据设备给出了多少辅助而可以改善穿戴者的姿势。在这种情况下，完美的姿势可以被定义为：在执行任务的同时用户笔直站立(背部尽可能笔直)；或者尽可能接近于当不穿戴设备时用户具有的姿势(针对背部的参考角度)。
与穿戴者当执行相同的任务时通常具有的姿势相比，一种对象函数可以在不影响穿戴者的总体姿势的情况下提供尽可能多的辅助。设备可以在大腿、躯干上集成传感器230(例如，IMU)以测量背部角度。当设备被设定为完全透明的模式(即，不致动)但被开启时，系统可以允许用户以与当他不穿戴设备时的方式相同的方式执行任务，但是同时系统能够测量和记录传感器和设备信息。在这种完全透明的情况下，设备将记录背部角度，从而当辅助开始时将该背部角度用作参考。在接下来的步骤中，致动器120将施加初始张力(中等张力)的力，并且优化算法可以适应辅助水平，同时使关节角度相对于当设备转变到完全透明的模式时由用户所具有的角度的误差最小化。
鉴于当用户执行该活动时的用户的经验，该优化可以用于确保设备在不改变任务的总体人体工程学的情况下提供尽可能多的辅助。在人体工程学一开始会不理想的其它情况下，设备可以被设置为使当执行任务时的用户关节角度与当执行该任务时的参考角度(例如，OSHA推荐的身体姿势)之间的误差最小化。该相同的概念也可以被应用于抬举或运输载荷等。
示例9：优化用于背部辅助的控制以支持运输载荷
如以上在示例3中所述，该方法也可以被应用于运输载荷，在这种情况下，适当的优化还可以包括设备功耗、围绕背关节的肌肉上的EMG以及总体姿势。例如，当穿戴者运输载荷时可以辅助背部的设备依据设备给出了多少辅助而可以改善穿戴者的姿势。在这种情况下，完美的姿势可以被定义为：在执行任务的同时用户笔直站立(背部尽可能笔直)；或者尽可能接近于当不穿戴设备时用户具有的姿势(针对背部的参考角度)。
与穿戴者当执行相同的任务时通常具有的姿势相比，一种对象函数可以在不影响穿戴者的总体姿势的情况下提供尽可能多的辅助。设备可以在大腿、躯干上集成传感器230(例如，IMU)以测量背部角度。在这种情况下，该对象可以使背部角度与当执行该任务时的OSHA推荐的身体姿势之间的误差最小化。
通过提供最大的辅助以确保总体人体工程学，该优化可以用于确保设备提供尽可能多的辅助。
示例10：优化用于手部辅助的控制以支持抓握工具
每天抓紧部件数小时带来了一种危险，施加手部力增加了手和腕损伤的风险。较长时间手部抓紧是员工手腕损伤的常见原因。工具必须保持足够紧以维持控制，但是不能过紧。减少静态抓紧力的手套会有助于避免损伤和过度劳累。已经使用具有高摩擦材料的静态手套来改善动力工具的抓紧力，然而，一种主动装置根据需要为抓紧提供辅助以减少用户为保持动力工具的控制抓握而必须付出的努力的量，该主动装置可以增强任务的执行效率并且减轻损伤风险。
多个任务可以要求额外的手或腕支持，下面包括一些用于说明目的的示例：
1.例如，在较长的时间段上保持对象。
2.重复地按压按钮或按压触发器以激活工具。例如，当保持钻头时，用户不得不当激活触发器时按压触发器。尽管在用户不得不按压工具的触发器较多次数的情况下对工具的触发器的按压曾经不要求用户付出几乎任何努力，但是这会导致疲劳和其它并发症，例如，腕管综合症。
3.操纵对象，例如，手动地张紧固定装置。
如图32所示，示例辅助设备包括在每个手指的背部中的一个致动单元，其当被加压时可以为每个手指提供辅助。将受益于这种设备的制造部门中的典型活动将是在较长的时间量上保持动力工具。手部辅助设备可以包括：锚定构件110，其定位在手指的远侧部分(例如，如图所示的指尖)上；以及另一个锚定构件110，其定位在手腕(如图所示)或位于待辅助的一个或多个关节(例如，手指关节)的近侧上的其它合适的身体部位(例如，手指的近侧部分；手的基部或手掌)上。
当执行任务(例如，在较长的时间量上保持动力工具)或者当每天多次按压工具的触发器时，可以应用优化算法来辅助健康的用户。多次重复或持续的活动会导致过度劳累和其它影响。
典型地，食指将专用于按压工具中的触发器，而其余的手指将专用于抓握工具以保持工具。
对于该应用，我们将专注于保持较长时间持续抓紧工具。
针对该优化问题的示例对象可以是与穿戴者的努力相关联的那些对象，例如，肌肉活动，在这种情况下是在抓握期间手指屈肌肌肉的峰值肌肉活动。
辅助手套可以包括在每个手指上的一个致动器120，所述致动器120被集成在手套中，所述手套在一侧上锚定到每个手指的尖端，并且在另一侧上锚定到手腕。
控制该优化问题的合适参数将是致动的幅度。一种设备将提供增加的致动量以减少峰值EMG活动。
针对该问题的合适对象函数将是抓握稳定性或抓握的质量。多种函数可以是良好的代理以改善抓握质量，例如，与对象边界正交的施加的力的分量之和，所述对象边界是当施加外部干扰时由对象承受的内力的指示。因此，可以将质量测量定义为向对象施加的力的法向分量的模块之和。优化算法可以使用该度量作为变量来优化。然后，设备将具有集成的传感器230，以测量施加到集成在手指表面下方的设备的法向力。
然而，因为工人会长时间保持动力工具，所以次要对象可以是电池使用，所述电池使用被定义为如果可以由工人使用该工具的抓握持续了预设的时间量(即，2小时)，则估计将剩余的电池电量。为了对此测量，可以通过读取电池的电压来测量由设备当前正使用的功率量以及电池中剩余的电功率。电池对象可以是使在使用2小时后将剩余的电池电量最大化。
在使用2小时后，对象函数可以分别为抓握质量和预计的剩余电池电量提供0.7和0.3的相对权重。然而，如果在使用2小时后预计的剩余电池电量低于10％，则每个对象的权重将变为0.4和0.6。
可以将致动空间参数化，以便将改变施加到每个手指的压力幅度，以优化上述对象。
可以应用诸如贝叶斯优化或梯度下降之类的优化算法来解决该问题。
示例11：优化用于膝盖辅助的控制以支持下蹲姿势
某些活动可以要求用户较长时间静止停留在下蹲位置中。作为示例，如果工人必须在狭小的空间中执行任务，则他/她会需要在延长的时间段上停留在下蹲位置中而在膝盖上工作。在延长的时间段上保持该非人体工程学的姿势而没有足够的恢复时间，会造成膝盖处的损伤。为了缓解该问题，辅助设备会向膝盖提供转矩，使得用户的膝盖在这段时间内需要进行更少的工作。这可以允许工人维持该姿势而不影响他/她的肌肉骨骼健康。
返回参照图22，其示出柔软的可穿戴设备100实施例的示例，所述柔软的可穿戴设备100通过将线缆驱动的致动器120使用与在先前示例中描述的那些技术类似的技术借助锚定构件110放置在膝盖的两侧(大腿的前部和小腿的前部)上来实现。该致动器120可以通过围绕小腿肚穿戴小腿包裹设备而附接至小腿，并且继而通过附接至大腿包裹物而附接至膝盖的上侧。当被张紧时，致动器120将提供力，所述力在下蹲位置期间将提供膝盖支撑；当较长时间保持下蹲位置时，该设备可以是非常有用的，以避免膝盖损伤。该活动涉及一种会需要随着时间的推移保持的姿势，其中优化算法可以用于优化由该设备向膝盖提供的辅助的量。
适当的优化可以包括设备功耗、围绕膝关节的肌肉上的EMG以及总体姿势。例如，当穿戴者处于下蹲位置中时可以辅助膝盖的设备依据设备给出了多少辅助而可以改善穿戴者的姿势。在这种情况下，完美的姿势可以被定义为：在执行任务的同时用户笔直站立(背部尽可能笔直，膝盖尽可能伸直)；或者尽可能接近于当不穿戴设备时用户具有的姿势(针对背部和膝盖的参考角度)。
与穿戴者当执行相同的任务时通常具有的姿势相比，一种对象函数可以在不影响穿戴者的总体姿势的情况下提供尽可能多的辅助。设备可以在小腿、大腿和背部上集成传感器230(例如，IMU)以测量膝盖角度和背部角度。当设备被设定在完全透明的模式中(即，不致动)但被开启时，系统可以允许用户以与当他不穿戴设备时的方式相同的方式执行任务，但是同时系统可以能够测量和记录传感器和设备信息。在这种完全透明的情况下，设备将记录膝盖角度和背部角度，从而当辅助开始时将其用作参考。在接下来的步骤中，致动器120将以初始张力(中等张力)被张紧，并且优化算法可以适应辅助水平，同时使关节角度相对于当设备转变到完全透明的模式时由用户所具有的角度的误差最小化。
鉴于当用户执行该活动时的用户的经验，该优化可以用于确保设备在不改变任务的总体人体工程学的情况下提供尽可能多的辅助。在人体工程学一开始会不理想的其它情况下，设备可以被设置为使当执行任务时的用户关节角度与当执行该任务时的参考角度(例如，OSHA推荐的身体姿势)之间的误差最小化。该相同的概念也可以被应用于抬举或运输载荷等。
示例12：优化用于肘部辅助的控制以支持抬举载荷
当抬举对象时，用户可以需要肘部支撑来保持对象的重量。与图27中描述的设备相似的设备可以通过在一个端部上附接到前臂并且在另一个端部上附接至手臂而被穿戴在肘部上。当被张紧时，该设备可以为肘关节提供辅助，因此使由用户必须待做的努力水平最小化。
适当的优化可以包括设备功耗和围绕肘关节的肌肉上的EMG。例如，当穿戴者抬举载荷时可以辅助肘部的设备可以将围绕肘关节的肌肉的峰值EMG活动用作对象函数。
该设备可以集成传感器230(例如，在手臂和前臂上的IMU)以测量肘部角度，还可以包括EMG以测量肘部中的目标肌肉的肌肉活动。待优化的合适参数可以是是辅助水平。
样本参数化辅助可以被定义为基于肘部角度的阻抗函数(刚度)。阻抗系数可以通过算法优化，以便使对象函数最大化或最小化。
该优化可以用于确保设备在减少目标EMG肌肉的同时提供尽可能多的辅助。
辅助背关节和/或髋关节的可穿戴设备
通常，个人执行会导致疲劳、生产力损失和最终增加损伤的任务。过度劳累和疲劳导致针对诸如工业(仓库、物流、制造、护理人员等)、体育、消费者和老年人的应用出现巨大的经济和公共卫生问题。背痛、疲劳和损伤是最常见的残疾之一，其对我们的生活和我们的高效工作的能力产生重大影响。可穿戴设备100通过在诸如抬举、够到和保持静态姿势之类的任务期间向穿戴者的一个或多个关节提供辅助以辅助动作和/或姿势来减少疲劳、提高生产率和/或减轻伤害风险，所述可穿戴设备100可以极大地影响生产力、增强我们做得更多的能力、减少疲劳并且减轻损伤风险。
图36示出在抬举任务和/或够到任务期间可以被穿戴以辅助用户的动作或姿势的设备的概念。这些任务在工业环境(例如，仓库、物流、汽车、建筑、护理人员)、老年人、消费者、娱乐和运动中较常见。机器人服装能够当需要时提供辅助力(例如，在抬举任务和够到任务期间)，但是当期望时也变得完全透明，从而在不要求辅助的任务(例如，驾驶卡车，吃午餐，会间休息)期间不引人注意。这意味着，机器人服装可以潜在地在整天工作时穿戴以能够当需要时辅助，而在其它情况下是完全不引人注意。
机器人服装可以被配置为通过锚定在一个或多个目标关节的两侧上来辅助一个或多个关节，以向穿戴者提供辅助张力，从而在动作和/或姿势期间提供支撑。在实施例中，主动设备可以通过提供横过背关节和髋关节两者的张力来辅助背关节和髋关节，这是由肌肉和肌腱在诸如抬举之类的任务期间产生力的方式所启发的。
图37A示出图示张力可以如何产生横过背关节和髋关节的辅助转矩的视图。张力在距旋转中心一定距离(力矩臂)处横过关节，这产生围绕一个或多个关节的转矩，所述转矩辅助一个或多个关节运动和/或姿势，从而减轻疲劳和肌肉骨骼系统上的应力。对于示例实施例，张力可以横过髋关节和背关节传递，这将转化为转矩辅助，该转矩辅助可以辅助髋部和背部运动和/或姿势。该系统架构在例如抬举、保持静态姿势和/或够到任务期间的多个活动期间可以帮助对穿戴者辅助。
图37B示出完全便携的设备的实施方式，该完全便携的设备能够通过遵循图37A中所描绘的架构来辅助背关节和髋关节。该设备可以包括包裹在用户的大腿和肩部周围的纺织部件，另外地，纺织部件可以包裹在腰部周围，以便能够将系统部件锚定到身体。在其当前实施方式中，系统可以包括两个锚定构件110(每条腿一个锚定构件)，并且两个锚定构件110可以经由载荷平衡带112连接以在下背上创建锚定构件110(锚定件1)。载荷平衡带212可以经由诸如低摩擦辊、轴承、滑轮、低摩擦带扣等的元件相对于锚定构件110滑动，如其在图13中所呈现的。载荷平衡元件212允许用户在诸如步行的任务期间自由地移动腿，并且在涉及弯曲躯干和/或双腿(抬举，够到等)的任务期间在可穿戴设备100中产生张力。此外，该载荷平衡元件212通过将载荷拆分给两个锚定构件110来将张力分配给双腿。在躯干的上侧上，肩带卷绕在穿戴者的肩部周围，以在上背上创建锚定点(锚定件2)，如图37B中所示。另外地，为了使舒适度和力矩臂(关节的旋转中心与可穿戴设备100中的张力之间的相对距离)最大化，可以将保形的纺织元件(例如，填料、泡沫等)添加到背部上的系统。该元件可以包括用于集成系统部件(例如，电池或电子部件)的袋状物。
诸如线缆驱动的系统的致动器120部件可以连接在系统中的两个锚定构件110(锚定件1和锚定件2)之间。随着马达旋转，连接元件150卷绕在滑轮上，以便在这两个锚定构件110之间产生力，如图34A、图34B、图34C和图38中所示。应当注意到，可以考虑到可替代的方法和锚定构件110，其中例如可以使用两个马达以独立地向背关节和髋关节提供张力。鉴于在抬举和保持静态姿势期间在髋关节和背关节之间存在协同效应，这里我们专注于同时地辅助两个关节的实施例的描述。与其中将独立地为髋部和背部两者提供辅助或独立地为髋部或背部提供辅助的解决方案相比，这具有减少重量、复杂性和成本的优势。还应当注意到，可替代的致动方法，例如，流体(气动，液压)、电活性材料、机电致动系统、线缆驱动的致动系统、可替代的传输材料(例如，细绳、线缆、带状件、带材料等)、离合器等等，可以用于横过不同的锚定构件110产生张力。
图38示出机电致动器120系统的详细设计和实施方式，所述机电致动器120系统包括马达121和线缆传输系统(一系列引导件127)。作为示例，系统可以集成T-motor，所述T-motor是通常用于消费者应用(无人机行业等)的马达，并且因此所述T型马达与其它可用选项相比具有较高性能和更低成本。马达121的轴线122(未示出)连接至第一旋转滑轮元件123(“输入带轮”)，其通过使用正时带126连接至第二旋转滑轮元件124(“输出带轮”)，两个滑轮123、124的尺寸之比与系统中的初始齿轮减速相符(在该情况下为2：1)。随着马达121旋转，该运动经由正时带126传递到输出滑轮124。连接元件150卷绕在连接至输出带轮124的第三旋转滑轮元件125(例如，主轴)上。
经由如图38中所示分布的一系列引导件127(例如，滑轮或“线缆滑轮”)实现了额外的减速。如以上所解释的，该概念表现为变速箱的可替代物，所述变速箱可以获得齿轮减速的好处，而没有诸如摩擦、低效率和噪声之类的某些缺点。图38示出我们可以如何通过围绕旋转或低摩擦元件布置致动元件150来实现等效于具有(n+1)：1速比的齿轮箱的减速，其中n是旋转或低摩擦元件的数量。在这种情况下，我们使用5个滑轮，其实现了6：1的额外减速。以这种方式含有6：1的比率的优点在于，通过添加6：1的减速，可以将滑轮的尺寸保持较小，这对致动的包装和尺寸都有好处。
如图38所示，致动器120可以包括联接至第一锚定构件110的第一平面构件128和联接至第二锚定构件110的第二平面构件129。多个引导件127(例如，旋转滑轮元件；低摩擦索环或柱头，以及类似物)可以被布置在第一平面构件128和第二平面构件129上，并且连接元件150(例如，线缆、带状件和类似物)以交替的方式穿越第一平面构件128和第二平面构件129上的相对的引导件127以联接第一平面构件128和第二平面构件129。连接元件150的第一端部151可以被锚定到第一锚定构件110，并且柔性细长元件150的第二端部152可以联接至马达121。致动马达121可以拉动连接元件150的第二端部152，从而将第一锚定构件110和第二锚定构件110朝向彼此拉动。
在另一个实施例(未示出)中，另外地或可替代地，引导件127可以直接地联接至第一锚定构件110和第二锚定构件110，而不是联接至平面构件。本领域的普通技术人员将认识到，平面构件构造可以提供致动器120以使其可选择性地附接至可穿戴设备100和从可穿戴设备100拆卸。
向前参见图39A、图39B、图40A、图40B、图41A和图41B示出可替代的线缆驱动的致动系统设计。如图所示，该致动元件包括可穿戴设备100快速附接特征部，以能够将纺织部件附接至该设计中的机加工特征部。如图39A和图39B所示，该版本可以由封盖完全地封闭。图40A和图40B示出详细的机械设计和配置该系统的不同部件。机电致动器120系统可以包括无刷DC马达和基于线缆或基于带状件的传输系统。作为示例，一种系统可以集成一个外转式(outrunner)马达，例如，由T-motor制造的U7 280kv马达，其通常用于消费者应用(无人机行业等)，并且因此与其它可用选项相比具有较高性能和更低成本。马达的轴线连接至“输入带轮”，其通过正时带连接至“输出带轮”，两个滑轮的尺寸之比与系统中的初始齿轮减速相符(在该情况下为7.75：1)。致动线缆卷绕在连接至“输出带轮”的线缆主轴上。经由一个滑轮(“线缆滑轮”)实现了额外的减速。如以上所解释的，该概念表现为变速箱的可替代物，所述变速箱可以获得齿轮减速的好处，而没有诸如摩擦、低效率、重量、成本和噪声之类的某些缺点。图41A和图41B示出遵循图39A、图39B、图40A和图40B中所描述的设计的真实系统。返回参见图34B，通过将致动元件围绕旋转或低摩擦元件布置，我们可以实现等效于具有n:1的比率的齿轮箱的减速，其中，n是平行线缆分段的数量。在这种情况下，我们使用2条平行线缆，其实现了2：1的额外减速。以这种方式含有2：1的比率的优点在于，通过添加该减速，可以将诸如正时带传输的内部减速的尺寸保持较小，这对致动的包装、质量、成本和尺寸都有好处。
如图40B所示，致动器120可以联接至第一锚定构件110，可以包括马达121以及连接至马达121的输出122的第一旋转滑轮元件123。第二旋转滑轮元件124可以设置成与第一旋转滑轮元件123共面与第一旋转滑轮元件123径向地偏移，并且经由正时带126联接至第一旋转滑轮元件123。第三旋转滑轮元件125可以设置成与第一旋转滑轮元件123共轴并且与第一旋转滑轮元件123轴向地偏移，并且固定地联接至第一旋转滑轮元件123。连接元件150可以卷绕在第三旋转滑轮125上，并且连接元件150的第二端部152或中间部分153可以联接至第二锚定构件110。致动马达121可以促使连接元件150缩短，由此将第一锚定构件110和第二锚定构件110朝向彼此拉动。
图42示出包括由用户正穿戴的线缆驱动的机电致动系统的设备。该系统集成先前描述的并且在图38中示出的致动系统。在该实施例中，致动器120位于上躯干上，在供两个肩带连接的地方处锚定到上躯干，线缆150的端部连接至载荷平衡带112，以便随着马达旋转，可以在肩带和载荷平衡元件212之间产生张力，如先前所解释的(图37A)，根据需要横过髋关节和背关节产生转矩。该系统的另一个优点在于，如果线缆是“松弛的”，则将没有力传递给用户。如图42所示，用户可以在抬举和保持静态姿势期间将上述的系统穿戴在衣服上，以对背关节和髋关节提供辅助。图42示出其中将致动器120定位在用户的上躯干上的实施例的细节。可替代地，线缆驱动的致动器120可以被放置在身体的不同区域上，例如，下背部，腰部，腿部等，或者线缆驱动的致动器120依据应用而安装到背包或帆布背包。图43A、图43B和图43C示出位于用户的上躯干上的致动器120系统的额外细节，以及该致动器120系统集成到服装中的集成。致动器120可以由纺织部件(如图43C所示)、软材料或由刚性壳体覆盖。如果由纺织部件覆盖，则该纺织部件可以包括柔性无骨(boning)元件，从而能够在不与部件接触的情况下保持马达周围的形状。
穿在衣服上面或穿在衣服下面的机器人服装版本
机器人服装可以被设计为待穿戴在标准衣服或工作服上面。图43A、图43B和图43C示出可以穿戴在衣服上面的设备的实施例。对于该实施例，该系统有以下构成：
–大腿包裹物，每条腿一个大腿包裹物。这些部件卷绕在用户的大腿上，并且可以被穿在衣服上面或穿在衣服下面。
–载荷平衡元件212，连接至两个锚定构件110并且创建环状物，如以上所解释的，以在下背部上创建锚定点。
–肩带，这些部件卷绕在用户的肩部上，并且可以被穿在衣服上面或穿在衣服下面。
–致动系统：该部件被设计成集成到服装部件中。图43A、图43B和图43C示出致动器120如何可以定位在用户的上躯干上的示例。在这种情况下，线缆驱动的系统在一侧上接地到由肩带创建的锚定点，并且在另一侧上接地到由载荷平衡带112创建的锚定点。随着致动器120运动，线缆能够横过用户的关节产生力，从而为用户提供辅助。可以用于在锚定点之间产生力的额外致动概念或机制可以包括流体(气动，液压)，机电致动，静电，被动系统(弹簧，阻尼等)，半主动(离合器等)，等等。可替代地，致动器120可以被定位在身体的其它部位中，例如，腰部，大腿，背包/帆布背包，等等。
–感测元件：在提出的实施例中，系统可以集成运动传感器230，例如，在每条大腿上一个传感器以测量腿部运动，在下躯干上一个传感器和/或在上躯干上一个传感器。载荷感测元件230可以用于测量或估计由设备在人身上产生的力。这会包括(电流传感，转矩传感器，测力计，应变仪，在施加拉伸或载荷时改变电气特性的传感器，等等)。另外地，其它实施例可以包括：压力传感器以测量地面反作用力，在人体的不同部位上的力传感器以估计载荷或用户与环境的相互作用力，EMG传感器以估计肌肉活动，运动传感器，例如，IMU，陀螺仪，加速度计，编码器，分解器，电位计，感测单元，它们基于变形或施加到其的载荷而改变电气特性(电阻，电容等)。
–调节点：在图43A、图43B和图43C中所示的实施例具有调节点，以能够将条带长度或纺织部件的张力调节到不同的身体尺寸或用户的喜好。棘轮系统(例如，BOA)或Velcro可以用于调节在腿部中的锚定构件110的压力并且基于大腿尺寸和用户的喜好/舒适度来调节。与载荷平衡带112成一直线的棘轮系统或Velcro部件可以用于改变载荷平衡带112的长度。改变载荷平衡带112的初始长度是实用的，以调节设备的长度来适应不同的用户高度，以基于大腿/包裹部件的初始定位来调节线缆的长度。就被动系统而言，其中在锚定构件110之间的连接元件150是被动元件190，改变该条带的长度可以用于设定该部件的初始张力，其将定义参数，例如，随着用户运动由他/她将接收多少辅助，或在用户运动内将开始产生力的初始点。
–快速连接/断开特征部：设备可以包括快速连接/断开特征部，以便能够可选择性地将致动部、电池或感测元件附接纺织部件和将致动部、电池或感测元件与纺织部件拆卸/断开。这些快速连接/断开特征部可以包括卷绕在感测/致动器120特征部上以将它们接地到纺织部件的Velcro条带，卡入式机构，弹簧针(pogo pins)或电连接以能够将卡入式致动/动力/感测元件电连接来用于功率/数据传输，等等。致动、功率或感测部件的快速连接/断开可以是实用的，以允许清洗与用户接触的纺织元件，从而能够对于某些应用而言在不致动的情况下穿戴可穿戴设备100的纺织品和/或感测部分，等等。
图44和图45示出不同的用户将所提出的系统穿戴在衣服上面以执行涉及够到或抬举载荷的不同任务。
集成到服装中的锚定构件和连接元件
现在参照图46A和图46B，在实施例中，可穿戴设备100部件、架构和致动器120系统可以被并入日常使用的典型服装中。服装可以定义由用户为不同的应用所穿戴的标准服装(例如，工作服，员工制服，军服，运动装(例如，运动制服)和休闲服装(例如，牛仔裤，裤子，T恤或短衫)。图46A和图46B示出该设备的一种版本，其包括具有附接点的工作服以及可去除的、线缆驱动的传感器和致动器120系统，其可以卡入到工作服中以辅助穿戴者。通过使用诸如条带、Velcro条带、带扣、卡式机构等的部件，可以在短短几秒钟内容易地去除这些部件，这对于促进清洗纺织部件的过程是尤为重要的。然后，用户可以卡出致动和/或感测部件以清洗与用户接触的纺织部件，另外地，穿戴者可以定期地穿戴纺织部件，并且当需要时卡入致动和感测部件。该系统由相对不可扩展或低拉伸的织物(例如，编织物，织带)构成，所述织物直接地附接至常见的工作服(例如，缝制的，粘合的，顶部施加的)，以配置先前描述的可穿戴设备100架构(肩带，大腿包裹物，载荷平衡带112)。
另外地，如果裤子或衬衫由相对不可扩展或低拉伸的材料(例如，编织物)制成，则裤子/衬衫的结构可以是可穿戴设备100部件的一部分。例如，如果裤子是由编织材料制成，则可以用于保持裤子在一定区域中(例如，大腿)贴身的顶部施加的条带可以足以将力传递到该大腿，并且不会需要使用单独的大腿包裹物。
图47A、图47B、图47C和图47D示出将机器人部件集成到服装中的实施例的额外细节。对于该实施例，致动器120经由迅速条带附接件附接至纺织元件，如在图47A的左上方所示。作为示例，相对不可扩展的织物条带环绕在致动器120的机加工部件中的狭槽周围，并且用Velcro或带扣固定以将致动器120保持在适当位置中。在不同的实施例中，可以使用其它方法，例如：卡入方法，其中致动器120集成了卡入特征部，并且服装集成了安装板220，致动器120可以卡入所述安装板220中来确保与纺织部件的安全的机械和/或电连接。在这种情况下，可以通过使用电连接器222(例如，弹簧针)来进行电连接。图48示出了这样的示例，其中致动器120被卡入布满到腰部上的纺织部件中的安装板220中，安装板220可以具有卡入式机械和电气特征部。致动线缆可以在一个端部上经由机械连接器卡入载荷平衡带112，并且经由连接器或Velcro附接件连接至上背，一些实施例可以使用导电织物来为分布在纺织品中的传感器230(例如，IMU，应变仪，柔软传感器230)供电。图48示出这样的示例，其中通过使用导电纺织品和Velcro部件来为上背的IMU传感器230供电。具有迅速卡入特征部可以用于将机电部件与服装断开，例如，以便允许服装的可洗性。在另一种情况下，如果许多用户在一天中的某些时间仅穿戴集成有感测功能的纺织部件并且可以当需要时附接机电部件或在不同用户之间共享这些部件，则该方法可以是有帮助的。
图47A和图47B还示出不同的服装部件的额外细节，以允许用于可调节性和安全压缩。左下方的图片(图47A)示出这样的示例性实施例，其中不可扩展的纺织部件(织带，帆布，机织纺织品等)被直接缝制到标准马球衫的织物上以构造肩带。另外地，棘轮系统(例如，BOA)被集成到该条带中以调节该肩带的相对长度来配合不同的用户或用于定制的舒适性。
图47C和图47D示出将大腿锚定构件(例如，大腿包裹物)和载荷平衡带112直接集成到工作服中的两种实施方式。图47示出这样的示例，其中大腿锚定构件110被缝制到工作裤上，并且可以使用棘轮系统(例如，BOA)对集成的大腿锚定构件110施加压缩来确保棘轮系统可以将力传递到用户的大腿。图47D示出这样的示例，其中大腿锚定构件110被缝制在工作裤内，并且仍然可以使用棘轮系统(例如，BOA)来调节大腿锚定构件110的压缩。图47C和图47D还示出可以如何将载荷平衡带112附接至锚定构件110的顶部并且如何将载荷平衡带112在裤子上方或裤子下方布置或者穿过内置到裤子中的通道(例如，在后口袋上)以从在裤子下方布置到裤子上方。图47D还示出可以如何使用额外的棘轮系统(例如，BOA)来调节该载荷平衡带112的长度，从而配合不同的个人或用于定制的舒适功能。然后，可以将该载荷平衡元件212卡入致动线缆的底端部，从而提供分配给两个大腿锚定构件110的张力。
集成到服装中的传感器
现在参照图49，传感器230可以被设计成是兼容纺织品的，以测量人体动作、条带张力、相互作用力/压力和肌肉努力。我们提出的感测可穿戴设备100可以将诸如IMU、加速度计、陀螺仪等的运动传感器230与集成到该系统中的兼容纺织品的传感器230结合。
A)用于动作跟踪的高伸展传感器：在穿戴者执行活动时测量关节运动学和动力学可以用于诸如能够识别出不同动作和能够提供适当定时的辅助的任务。一种系统可以将可定制的、轻便的、可拉伸的电容传感器230与导电针织物集成在一起，作为来自硅酮弹性体的电极层和介电层，其可以被集成到我们建议的可穿戴系统的高拉伸区域中。如图49所示，一个实施例可以集成柔软传感器230以测量诸如身体部位运动的度量，例如，躯干弯曲(沿着背部的传感器)，躯干扭转(传感器附接到背部并且交叉到成衣的前部)，髋部角度(传感器附接到大腿)以测量用户的姿势和/或运动。
B)用于张力测量的低拉伸传感器：监测横过致动线缆的相互作用力可以用于监测用户相互作用。作为商用测力计的可替代方案，一种系统可以包括以足够的灵敏度满足要求的柔软张力传感器230。通过将激光切割的导电元件封装在弹性体材料中并且将其粘合到硬质纺织品上，可以使力/张力传感器230对弯曲不敏感。机器人服装可以沿着纺织品力路径集成张力测量感测(如图49所示)。
C)与纺织品集成的肌肉活动传感器：层压到服装上的纺织品电极可以用于监测EMG。这些电极可以为系统提供信息，以便在用户以不同的辅助模式执行多次重复的任务时比较峰值/RMS肌肉活动的相对变化。通过示出各个电极可以用于测量肌肉活动，我们已经证明了这种方法的可行性，如图49所示。传感器230可以连同封装的基于纺织品的信号迹线一起被集成为在可穿戴内衣的内表面上的电极阵列(适当地放置以测量关键肌肉)。电极可以通过材料开发(例如，用导电弹性体对纺织品电极进行表面改性)在其区域内牢固地锚定到穿戴者。
D)系统集成：为了集成致动和纺织部件，一种系统可以利用针织和编织材料的固有性能。例如，包括围绕身体的力路径的编织材料足够坚硬以支撑半刚性模块，例如，安装板220，用于线缆的坚固的附接点以及用于张力传感器230的牢固附接环状物。相反地，成衣中的针织材料可以提供用于压力传感器230的低调的、隐藏的口袋以及用于路由应变传感器230的低摩擦的、顶部施加的通道。
阻抗控制的可穿戴设备
在诸如抬举、保持静态姿势、下蹲位置或举起手臂来做头顶上方的工作之类的非周期性任务中，将辅助曲线定义为时间的或任务完成百分比的函数会并不理想。对于诸如前面提及的那些任务的非周期性任务，理解诸如个人多长时间才完成一次抬举或者某人保持其手臂向上多长时间才完成一项任务可以是有挑战性的。另外，穿戴者在他/她执行任务时会决定加速动作或改变动作方向，并且因此，提供作为时间的或任务完成百分比的函数的辅助的控制器240会不够迅速地适应，并且因此会感到破坏性。在这些情况下，将辅助定义为穿戴者的动作或姿势的函数带来多种优势。应当注意到，向用户提供基于阻抗的辅助对于在某些情况下为周期性的任务也会是有用的。
这里，我们提出了一个控制框架，其通过计算由系统作为一个或多个关节角度、速度、加速度或这些变量的估计值的函数所施加的张力来解决这些问题。一个或多个关节或一个或多个肢体的角度、速度和/或加速度可以通过使用感测元件来测量，所述感测元件例如为惯性测量单元，陀螺仪，加速度计，根据关节运动改变其电学特性的柔软传感器230，编码器，电位计等。由于期望的力是穿戴者的动作或姿势的函数，因此在本说明书中我们将这种方法称为阻抗控制。
如以后更详细地描述的，本公开的实施例涉及一种可穿戴设备100，其包括：
被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第一身体部位上的至少一个锚定构件110，被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第二身体部位上的至少一个锚定构件110，和至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个第一身体部位锚定构件110联接至至少一个第二身体部位锚定构件110，
至少一个传感器，其被配置为测量与由可穿戴设备100跨越的穿戴者的一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以及
至少一个控制器240，其被配置为检测待由可穿戴设备100辅助的穿戴者的运动或姿势的开始和/或类型，作为由可穿戴设备100跨越的一个或多个关节的给定角度、速度或加速度的函数，确定待在可穿戴设备100中产生的期望的张力，用于辅助穿戴者执行运动或保持静态姿势，并且调节可穿戴设备100的阻抗或由可穿戴设备100提供的力，使得在可穿戴设备100中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。
在一些实施例中，可穿戴设备100包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150的长度、改变其长度或改变其阻抗，并且调节可穿戴设备100的阻抗包括将至少一个连接元件150的所述长度锁定在这样的长度处，即，所述长度被配置为促使通过穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在可穿戴设备100中产生期望的张力。在一些实施例中，可穿戴设备100可以包括至少两个连接元件150和至少一个机构160，所述至少一个机构160被配置为可选择性地接合至少两个连接元件150中的一个或多个。调节可穿戴设备100的阻抗包括接合所述至少两个连接元件中的一个或多个，所述至少两个连接元件单独地或组合地具有弹簧常数或阻尼常数，所述弹簧常数或阻尼常数被配置为促使通过穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在可穿戴设备100中产生期望的张力。在一些实施例中，可穿戴设备100可以包括至少一个致动器120，并且调节可穿戴设备100的阻抗包括主动地致动至少一个连接元件150以在可穿戴设备100中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。
在各种实施例中，控制器240可以被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势开始的阈值。在各种实施例中，控制器240可以被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势结束的阈值。
这里，我们提出了新的控制框架来辅助基于阻抗的方法。应当注意到，即使在此描述了抬举和保持静态姿势，该方法也可以应用于其它活动，例如，跪下，步行，执行在头顶上方的工作，抓握等。图50示出包含以下部件的样本控制框架：
1.感测元件用于计算关节角度、动作或相对肢体动作，该信息被控制算法使用以估计应由设备提供给用户的期望的力(例如，起始，截止，辅助曲线等)以辅助针对该特定任务的动作或姿势，以下提供了样本实施例，该样本实施例是由可穿戴传感器230测量的动作和姿势信息可以如何用于估计期望的辅助。可以为不同的应用(例如，EMG、地面反作用力、关节角度、身体部位/关节运动和位置等)添加额外的传感部件。
2.辅助策略：辅助曲线可以被可编程为测得的身体运动、位置的函数和/或从可穿戴设备100中的感测部件计算或估计的函数(关节角度，身体部位运动和位置，关节运动的差异，关节运动或其它功能的总和，EMG，地面反作用力等)，此外，根据任务的不同状态，阻抗曲线可以是不同的。
3.使用透明度策略，以便当用户执行不打算由系统辅助的任务时或者当用户/操作员决定不需要辅助时，系统没有施加压力。照此，对于透明模式，控制算法可以自动地检测何时需要辅助，用户或操作员可以具有手动输入机制来打开/关闭辅助。
感测元件
现在参照图51A、图51B和图51C，在实施例中，惯性测量单元可以用于测量关节角度、速度和加速度。在这种情况下，我们使用三个IMU，在上背上一个IMU并且在每条大腿上一个IMU，如图51A所示。
在初始化期间，用户笔直站立，并且系统测量关节角度以计算在站立位置处的偏移(图51B)。在某些应用中会不需要该步骤，但是该步骤具有一些优点，例如，了解相对于站立笔直位置的相对肢体角度。在不同的应用中，随着用户执行动作以估计中性位置，系统可以使用传感器输入。例如，控制器240可以在用户执行运动(步行，跑步，抬举等)时监测IMU测量，并且基于例如以下各项使用该信息来定义中性角度，所述各项为：来自运动传感器230的平均信号以计算中性位置，用户在某个时间点处的任务和/或位置的知识，或用户按压按钮以初始化中性位置。控制器240可以通过在一天中的不同时间点处使用该相同的策略来随时间更新中性位置，以补偿随时间的较小传感器定位运动或相对于人体随时间的较小纺织部件运动。
系统从测得的角度减去站立偏移(图51C)，使得我们将针对每个IMU的笔直姿势定义为θ＝0，随着用户屈曲躯干或大腿，该角度增大。
对于该应用，我们使用在大腿和躯干之间的相对角度作为将用于计算辅助曲线的变量，在其它应用中可以使用其它相对角度以定义辅助曲线(例如，针对肩部辅助的在躯干与上臂之间的相对角度，针对膝盖辅助的在大腿与小腿肚之间的相对角度，针对踝部辅助的在大腿与脚之间的相对角度，等等)。
如图53A所示，躯干-大腿角度被定义为在躯干与两条大腿的平均角度之间的相对角度，如在以下方程式中所表示的。作为示例，如果相对于站立位置用户以相同的角度向前伸一条腿和向后伸一条腿，则总体大腿角度将为中性，如在以下方程式中所表示的，而如果用户的两条腿都为正角，则总体大腿角度将是正的。
θΔ＝θUB+0.5(θRT+θLT)，其中“Δ”表示相对躯干-大腿角度，“UB”表示“上背”，“RT”表示“右大腿”，并且“LT”表示“左大腿”。
图52A和图52B示出在步行、爬楼梯和抬举任务期间的该相对角度。
在本实施例中，系统可以被配置为在抬举任务期间提供辅助，但是在旨在由系统不辅助的其它任务(例如，步行，跑步，爬楼梯，驾驶卡车或汽车)期间是透明的。因此，对于系统必要的是能够在抬举或够到任务与步行、攀爬、跑步任务之间区分。在某些情况下，在整个非抬举动作中测得的相对躯干-大腿角度可以看起来类似于在抬举动作的初始阶段(即，当用户开始从直立位置向下弯曲或下蹲时)期间测得的相对角度。尤其，在步行和爬楼梯任务期间，腿部通常是异相的，其中一条腿为正角，并且另一条腿为负角。在以上方程式中，这些角度大部分相互抵消，从而在步行和爬楼梯期间引起较小的相对躯干-大腿角度。在抬举动作的初始阶段期间，相对躯干-大腿角度也较小，并且从而两者可以潜在地被混淆。在没有校正的情况下，系统可以在步行或爬楼梯动作期间潜在地产生辅助，当反而系统应当是透明时，或者为避免此类问题，系统可以以其它方式必须被配置为延迟辅助的起始，直到在抬举动作的初始阶段之后为止，如图53B所示。
系统可以被配置为克服此问题。在实施例中，可以将“惩罚项”添加到相对于躯干-大腿角度的方程式，如下所示，以更好地在抬举或够到与其它任务之间区分：
θΔ＝θUB+0.5(θRT+θLT)-λ||θRT-θLT||(λ>0)，其中“λ”表示在右大腿角度和左大腿角度之间的差的惩罚项。
尤其，惩罚项被配置为减小在步行和爬楼梯期间测量的较小相对躯干-角度，而同时对在抬举任务的初始阶段期间进行的较小相对躯干-角度测量没有影响。如图所示，该惩罚项的优点在于，躯干与大腿的相对角度在步行和爬楼梯期间更接近中性，并且在抬举任务期间仍测量到相同的角度，这意味着惩罚项不影响在抬举任务期间的相对角度测量，但是能够在诸如步行和爬楼梯之类的任务期间减小相对角度。当使用开始对穿戴者辅助的阈值时，有利的是使角度在非抬举任务期间更接近于中性，如果在非抬举任务期间该角度更接近于零，则较小的阈值会能够在非抬举任务和抬举任务之间区分。图53B示出这样的示例，其中可以使用位移角的初始阈值，使得系统在初始阶段期间不随着用户向前弯曲其躯干或腿部而提供帮助。如果惩罚项抵消了在步行/跑步/爬楼梯/等期间躯干与大腿的相对角度的偏差，则该阈值会较小。作为可替代的方法，一种算法可以在用户穿戴时使用运动传感器信息来自动地设定该初始偏移值。在另一个实施例中，用户会能够修改该初始偏移角度以配合他们的特定偏好或需求。
在各种实施例中，待辅助的动作或姿势可以是抬举动作或下蹲姿势。在实施例中，控制器240可以确定穿戴者的躯干、大腿关节和髋关节中的一个或多个的相对角度，并且可以监测相对角度以检测相对角度何时超过指示待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的预定阈值。在另一个实施例中，控制器240可以确定穿戴者的髋关节的平均角度，并且监测穿戴者的髋关节的平均角度以检测髋关节的平均角度何时超过指示待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的预定阈值。控制器240可以通过计算以下两者之间的相对角度来确定穿戴者的髋关节的平均角度：(i)穿戴者的躯干，以及(ii)穿戴者的大腿的平均角度。在实施例中，控制器240可以被配置为识别出穿戴者是否从事除待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动，并且如果是，则确定预定阈值的任何超出数都不指示待辅助的抬举动作或下蹲动作开始。控制器240可以通过以下操作来识别出穿戴者是否从事除待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动：确定髋关节之一的角度与另一髋关节的角度之间的差，将惩罚项应用到所述差，从髋关节的平均角度减去所惩罚的差，并且评估髋关节的平均角度的所得确定是否超过预定阈值。在实施例中，控制器240监测穿戴者的髋关节的平均角度以检测髋关节的平均角度何时超过指示待辅助的抬举动作或下蹲姿势结束的预定阈值。
辅助策略–可编程的阻抗辅助
控制结构
在该实施例中，可穿戴设备100会能够控制传递给穿戴者的力。如图54所示，控制器240包括两个主要部分：高级控制器和低级控制器240，每个控制器都基于各种传感器输入和控制逻辑来生成输出信号。高级并入了主动/透明和辅助策略。基于位于躯干和两条大腿上的IMU传感器230的信号，高级控制器240可以对穿戴者的当前运动/姿势分类，并且判定套装应当是辅助的还是透明的，或者用户会能够按压按钮或其它用户界面来打开/关闭辅助或将系统发送到透明模式。该高级控制块的输出信号是应当由机械护甲施加在人身上的期望的力命令Fd。
用传感器(马达电流、测力计、力传感器、转矩传感器等)测量或估计的实际施加力Fact与由高级控制器240产生的期望的力Fd之间的偏差FΔ用作低级控制器240的输入。该块的目的在于通过向致动器120发送控制信号来确保对期望的力的稳定和动态跟踪。这是通过使用从传感器230(例如，IMU和马达编码器)读取的进一步的输入信号来实现。
低级控制
在实施例中，用于控制系统中的力或张力的低级控制方案包括两个部分(图55)。描述了导纳控制器240和前馈模型。马达控制器240运行两个级联的PI环路，以用于速度和电流控制。
导纳控制：能够控制对穿戴者的期望的力的可能控制结构是导纳控制结构。导纳控制器240使用传感器230来测量或估计力并且根据相互作用力来修改机器人轨迹。对于该实施例，导纳控制器240用于控制穿戴者与可穿戴系统之间的相互作用力。阻抗的一般定义可以从阻尼简谐振荡器得出。描述该机械系统的动态特性的二阶微分方程为
Figure BDA0002725619330001031
其中，x表示质量为m的身体的位置，其与刚度为k的弹簧、阻尼器d和外力F(t)相互作用。在拉普拉斯域中，阻抗被定义为输出力和输入速度之间的关系。
Figure BDA0002725619330001032
其可以被写成
sZ(s)＝F(s)/X(s)
相反地，导纳定义了输出流量和输入努力之间的动态关系，并且从而被表示为阻抗的倒数。
Figure BDA0002725619330001033
因此，从阻尼简谐振荡器得出的二阶导纳具有以下形式：
Y(s)＝Z(s)-1＝(ms+d+k/S)-1
用于控制由提出的主动机械护甲施加在人体上的相互作用力的导纳控制定律可以通过类似的机械原理来说明，如图17的右侧所示。这里，弹簧由实际力Fact代替，其由人体和可穿戴系统部件施加在致动器120上，所述实际力Fact由测力计测量。
虚拟阻尼dv影响响应的稳态值，虚拟质量与阻尼器的比率改变系统的动态。因此，减小dv使控制器240对力误差更有响应性的，但是也会损害系统的稳定性。
解决此问题的一种方式是变量控制，其中可以根据人的意图或控制任务在线调节参数。在该工作中，利用在控制器240的高级部分中操作的状态机以根据不同的任务来改变虚拟阻尼dv。期望的虚拟阻尼取决于目标力的水平(Fd)和动力学(dFd/dt)以及穿戴者的相对躯干-大腿角度θ的动力学(dθ/dt)。因此，针对每个状态的适当的虚拟阻尼值可以被定义为函数。
dv＝f(η,Fd),
Figure BDA0002725619330001041
其在图18中示出。对于可变的阻抗控制，至关重要的是确保对于参数的全部可能变化的稳定性。参数的范围由许多因素决定。针对静态躯干弯曲的稳定性(η＝0)被发现主要取决于辅助Fd的水平，其在图56的左图中示出。图56示出确保在静态向前弯曲姿势中的稳定跟踪所需的最小阻尼值。例如，为了以150N的辅助力支持静态姿势，虚拟阻尼至少应当被设定为0.45*103kg/s。然而，对于某些应用，将虚拟阻尼恒定地保持在该水平处可以降低对力误差的快速反应的性能，这证明阻尼调度技术的使用是合理的。
图56的右图示出通过定性地概述合理阻尼值的范围以基于动态因子η来控制机械护甲的阻尼调度方法。其中η≈0的框涵盖了广泛范围的阻尼值，并且通过以下两个任务成形：在上端部上，该框受到针对静态姿势dv,max所需的最小阻尼所限制。对于步行而言需要下界dv,min，其中力命令也是恒定的
Figure BDA0002725619330001042
但是由于相对躯干角度的高动态性，控制器240需要是非常有响应性的。当用户抬举对象
Figure BDA0002725619330001043
时，可以增大期望的力以提供更多的辅助
Figure BDA0002725619330001044
在这种情况下，η为负，并且致动器120(和控制器240)必须是高度动态的，以便使线缆比用户更快地运动以增大力。这需要较低的虚拟阻尼dv,min。与之相反，如果力和相对躯干-大腿角度同时地增大/减小(η>0)并且指向同一方向，则较高的虚拟阻尼值是更有利的。如在图56的右图中由阴影区域所表示的，为每个任务确定了理想的阻尼值。
通过以前馈模型的形式并入关于套装、穿戴者的运动和致动系统的知识，可以改善用于柔软机械护甲的导纳控制器240的跟踪性能。与他们的方法类似，已经为机械护甲开发了动作和套装前馈模型，如下所述。
套装刚度前馈模型
如较早所指示的，当力施加到套装时，系统可以变形。为了对套装的变形建模，要求三名男性受试者以弯腰的姿势站立(在矢状面中躯干倾斜角度为～60°)。在试验期间，线缆以60mm/s的恒定速度被张紧，直到达到250N的最大力，并且然后以相同的速度释放。对于每个受试者而言，该周期将重复10次。
图57示出套装的表现，包括用于张紧(加载)和释放(卸载)线缆的迟滞。如图所示，与较高的力水平相比，将力从较低水平增大要求线缆具有更多的动态运动。该知识可以使用前馈模型并入控制器240中，从而改进跟踪性能。
套装的弹性可以通过以下方程式建模
Figure BDA0002725619330001051
在低级控制器240中，速度命令与前馈速度
Figure BDA0002725619330001052
叠加，该前馈速度是期望的力命令Fd的函数。该函数可以使用如下的反函数的时间导数获得。
Figure BDA0002725619330001053
从用于加载和卸载的回归曲线获得参数α和β(参见图57)。
Figure BDA0002725619330001054
的代数符号可以用于在控制器240中在加载
Figure BDA0002725619330001055
和卸载
Figure BDA0002725619330001056
前馈模型之间切换。根据方程式(3.10)，前馈项对于低力水平Fd和高导数
Figure BDA0002725619330001057
增大了线缆速度。
运动前馈模型
然而，对于低级控制器240而言，更具挑战性的任务是确保用于动态任务的良好的力跟踪性能。这些任务包括蹲下或步行之类的运动，并且这些任务的特征在于在大腿和躯干之间的独立的相对运动。为了测量这些运动，在该实施例中，惯性测量单元(IMU)被放置在大腿的上侧以及上背上。IMU可以包括加速度计、陀螺仪和磁力计，并且在IMU被适当地放置的情况下组合由这些传感器230产生的数据以测量IMU的全局坐标系与局部坐标系之间的变换的欧拉角。
大腿和躯干经由载荷平衡带112在上端部上连接至线缆150。相对无弹性的织带的长度是固定的，而线缆的长度可以通过致动系统120而改变。图58示出在忽略掉套装变形的情况下在躯干和大腿运动与相对应的线缆长度之间的理论关系。左图表示在线缆预张紧的情况下用户直立站立。在弯腰期间，大腿的位置，并且从而经由无弹性织带连接至大腿的连接点，保持不变。结果，躯干的屈曲和皮肤的相对应拉伸Δptrunk是与线缆的相同延伸相关联(增益：1)。然而，这对于大腿的运动是不成立的，如可以在图58的右图中所见。与在该侧上的织带的变化Δpthigh相对应的一条大腿的运动是仅与线缆长度的变化0.5Δpthigh有关(增益：0.5)。
假设，身体i的运动Δpi与由IMU测量的倾斜角
Figure BDA0002725619330001061
的变化成比例：
Figure BDA0002725619330001062
其中，Δ运算符表示在变量的当前值与其在竖直位置中的值之间的变化。对于相对应的身体的屈曲而言，倾斜角
Figure BDA0002725619330001063
被定义为正。
将该假设与图58的增益相结合以得出以下假说：
Figure BDA0002725619330001064
实施以下实验以验证所做出的假设和假说：要求三名男性受试者和一名女性受试者做全活动度(ROM)弯腰(1)，完全屈曲和伸展他们的分别右腿和左腿(2/3)，以及做全ROM下蹲(4)。所有四个任务均以20bpm的速度执行，并且每个任务重复10次。在试验期间，导纳控制器240将线缆保持在15N的预张紧水平处，并且记录线缆长度以及躯干和大腿倾斜角度。
用于前馈模型的方程式由方程式(3.12)的时间导数定义，得出以下方程式：
Figure BDA0002725619330001065
其中，ωi是在矢状面中的身体i的角速度。在图59中示出用于描述人的动作对线缆速度的影响的前馈模型的性能。
尽管该实施例描述了一种导纳控制方法来控制传递给用户的力，但是应当注意，可以使用其它方法。可能的方法包括直接力控制，其中将期望的力与经由传感器230(电流、力等)测量或估计的力比较，并且闭环方法将此误差最小化以保证高质量的跟踪。可替代地，可以使用直流控制，如果已知在所测得的电流与所传递的力之间的模型，则系统可以将期望的力转换为期望的电流，并且继而闭合电流回路以确保适当的跟踪。
高级控制
先前，我们定义了一种跟踪期望的力分布Fcmd的方法。力命令由高级控制器240生成，所述高级控制器240包括两个主要策略：主动/透明策略和辅助策略。前者区分穿戴者的运动和系统任务，在所述穿戴者的运动中系统必须是辅助性的(例如，举重)，在所述系统任务处系统仅应当跟踪穿戴者的运动而没有施加力(例如，步行)。如果主动/透明策略识别出由设备应辅助的“主动”任务，则辅助策略会生成辅助曲线Fcmd，该配置文件将发送到低级控制器240。
辅助策略
在时域中定义力命令具有多个挑战，首先，只要穿戴者分别开始运动或停止运动，就必须及时增加和减少力命令。其次，必须确保，期望的力水平可以考虑到用户的抬举动态而达到。由于多种原因，这两方面通过基于时间的方法Fcmd＝Fcmd(t)来实现是有挑战性的。如果我们假设用户以相对恒定的速度抬举对象，则该速度将必须在运动开始时估计，以确定分别用于力的增大和减小的合适时间窗。然而，已经发现，由躯干IMU测量的合适指标(例如，躯干速度和加速度)示出在运动的初始阶段
Figure BDA0002725619330001071
中的高方差，并且处于用于慢速(2.5s)抬举和快速(1s)抬举的类似范围内。此外，恒定的抬举速度的假设是无效的，这是因为用户可以在抬举期间加速或减速其运动，这将在力命令中带来急动。
由于这个原因，实施例可以集成基于阻抗的方法，所述基于阻抗的方法被定义为使得Fcmd＝Fcmd(θΔ)，其中力命令取决于位移角θΔ，该位移角θΔ是用于躯干角度和大腿角度从直立位置的偏差的测量值，从如图51C中所示。结果，零度的位移角与直立姿势相对应。现在参照图60A、图60B和图60C，在实施例中，可以将辅助定义为躯干-大腿角度的函数，如图60A所示并且以上定义。
图60B示出可以如何将阻抗编程为关节运动的函数的示例。在这种情况下，在用户向下运动(蓝线)时呈现的阻抗与当在抬举期间用户向上(黑线)时以及当用户向上但接近于站立位置(绿线)时呈现的阻抗不同。这些辅助曲线可以通过使用上述的优化策略、通过具有允许在用户穿戴系统时设定辅助曲线的参数的用户界面和/或通过使用生物力学实验的或在参考生物力学数据上的结果和评估(来自执行任务的多个用户的平均值等)而针对不同的个人和任务进行定制。辅助策略的基本原理是定义力分布，以便当穿戴者下降来抓握对象时，系统施加随着用户向下弯曲躯干而增大的力，以便随着躯干沿与重力相同的方向运动来帮助躯干运动。只要穿戴者开始向上抬举对象并行使其背部扩展，就可以将力增大到更高的水平，以帮助抬举额外的载荷，并且针对它必须克服重力运动的事实，最终当穿戴者逼近直立姿势时辅助可以减少。
在各种实施例中，控制器240可以被配置为监测与一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息以检测待辅助的动作的一个或多个状态。控制器240通过查看关节角度、速度和加速度的变化来检测在下降、上升和保持静态姿势之间转换的不同状态，如以后更详细地描述的。作为示例，图60C示出在用户抬举25lb的重量时作为躯干与大腿的相对角度的函数的样本生物腰椎力矩。在用户下降以抬举载荷时，腰椎力矩遵循一条较低阻抗线，随后是在用户从向下运动过渡到向上运动时过渡到高阻抗状态的过渡时期，并且最后是在用户在载荷下向上抵抗重力运动时的一条较高阻抗曲线。辅助方法可以使用躯干与大腿的相对角度测量值来向用户命令模拟生物学转矩的张力，或者使用生物学转矩的缩放版本(例如，用户通过输入控制器240选择最大的辅助，针对给定运动的基于优化的最大转矩，初始设置)。
图61A和图61B示出抬举的不同状态以及可以如何定义不同的阻抗。如在图61B的曲线图下方所描绘的并且在图61A中用圆圈所表示的，用户在站立位置中开始(θA＝0)，随着用户向下运动以抓取对象，用户弯曲躯干和/或大腿(θA>0)，在用户向下运动的同时，辅助力将由阻抗曲线确定(例如，图61B中的黄线)。随着用户从下降改变到上升，系统将记录供用户进行此过渡的角度(θA＝C)，并且从该点将阻抗曲线定义为用户的躯干与大腿的角度的函数(图61B中的绿线)。该绘图示出三种不同的情况，其中用户决定以三种不同的角度(
Figure BDA0002725619330001091
和
Figure BDA0002725619330001092
)向上运动。从这一点来说，高阻抗过渡被定义以当用户抵抗重力运动时提供额外的辅助，当过渡越过红线时，力将保持最大水平，直到用户逼近接近站直的位置为止，此时，在用户最终完成抬举时，力将逐渐减小到没有辅助。
作为该曲线的可替代方案，在用户向上运动时，一种方法可以定义辅助以当用户向上运动而不是保持力时遵循线性刚度(在图61B中的绿线)。将力保持在较高水平处可以具有以下优点：随着用户向上运动，更多的动力被传递给用户，并且遵循线性较高阻抗曲线具有更紧密地匹配生物腰椎力矩的形状的优点(图60C)。
在图60B中用红线示出线性被动系统的辅助。对于理想的被动设备，由外骨骼施加的力随着用户向下运动而增大，并且由外骨骼施加的力随着用户向上运动而减小，这意味着穿戴者将能量储存到被动弹簧中并且当抬举对象时重新获得相同的能量。如果弹簧的刚度增大，则套装更有辅助性，但可能约束穿戴者的运动，这是因为必须将较高的能量储存到弹簧中才能到达某个位置。另一方面，较低刚度实现了自由动作范围，但是由于力水平针对给定位置是较低的，所以套装可能是不够辅助的。可以借助如上所述的主动系统来解决辅助与约束之间的这种权衡。用户在躯干屈曲过程中的重力补偿可以通过以下方式被调谐设计：套装是辅助性的，而不是约束性的，并且允许用于整个动作范围，诸如在线优化或手动选择阻抗之类的方法可以用于适应不同的用户或运动。与被动设备相比，借助主动系统，在用户向上运动时可以实现明显更高的力水平。这样，系统在一个抬举周期向辅助的关节提供净能量。假定由套装提供了力的恒定力矩臂，则净能量与由滞后曲线所包围的面积成比例，如在图60B中由蓝色区域所示。
图60C示出阻抗控制方法的关键优点：使辅助适应于不同的生物学力矩和抬举速度。图60C示出在25磅的抬举期间腰骶力矩的平均和标准偏差，其使用骨盆角度在阻抗空间中绘制。使用动作捕获数据和测力板来计算针对5个抬举和一个具有逆动力学的受试者的力矩。这示出L5-S1的生物学力矩随躯干屈曲而线性地比例变化，如由线性回归线所指示。如先前用阻抗控制方法所解释的，套装的辅助自动地适应生物学转矩。在图60C中的绘图示出两条主动辅助曲线：一条主动辅助曲线是其中用户弯曲到大约50度的角度的曲线，并且另一条主动辅助曲线是其中用户弯曲到100度的角度的曲线。与生物学力矩类似，50度曲线的最大力水平相当于对于躯干屈曲100度的力水平的50％。基于用户的运动或姿势来增大和减小力的事实还使得辅助能够自动适应不同的抬举速度。如果力在某个角度窗口中在两个力水平之间改变并且穿戴者在该角度窗口内运动得更快，则该力也将更快地增大。这种方法针对每次抬举都确保平稳的力分布，而与用户的抬举速度无关。这两个优点可以通过在时域中绘制辅助曲线来说明。
检测在抬举期间的不同状态
如先前所讨论的，辅助曲线可以是由用户遵循的不同状态的函数。图61A示出状态机，其检测用户是直立、下降、保持姿势还是抵抗重力上升。这些过渡定义了可编程的不同阻抗曲线。这些过渡可以通过测量关节角度、速度和/或加速度以判定用户正在做什么来检测。
用户可以从直立转换成下降，并且这可以通过使用较小的阈值来检测，并且将其与躯干-大腿角度比较。作为示例，一种算法可以使用7度的阈值，该数字在实验上被发现为成功地区别抬举/到达姿势与诸如直立、步行等的其它动作。应当注意到，可以依据应用而自动地或手动地修改阈值。从这一点来说，随着用户向下运动，将通过遵循黄线来定义辅助。在某一时刻处，用户可以决定保持位置，比如说，在物流应用上对不同的对象分类，执行诸如检查表面、钻孔等的任务，诸如手术室中的外科医生那样俯身以执行手术。在那些情况下，将力维持在限定的水平处。可以通过使用在躯干与大腿的相对角度的动作上的较小阈值(例如，角速度)来检测保持状态。当用户从动作(例如，上升/下降)状态过渡为保持状态时，随着用户进入保持状态，大腿与躯干的相对角度被保存为保持角(θhold)，所述保持角将与在保持状态下测得的躯干与大腿的角度比较，以判定用户的意图是否开始向上运动/向下运动。此时，用户可以保持该位置，继续向下运动或上升。如果用户通过稍微向下运动而远离保持位置运动，则状态将变为“向下运动”，并且辅助将继续遵循黄色阻抗线。如果用户远离保持位置运动到更高的角度，则状态将变为“向上运动”，并且此时，辅助将遵循阻抗空间中的绿线。此时，用户可以决定再次保持位置(状态变为“保持”)或继续向上运动，直到角度接近直立位置为止，此时状态将变为“直立”。
参照图62，该绘图示出来自该设备的测量结果，其中五个不同的用户执行了一系列的五十个抬举周期并且系统呈现了不同类型的阻抗曲线。尤其，该绘图示出横过这些对象和抬举重复的辅助的平均和标准偏差。向用户提供了四种不同的辅助策略，以表明该设备可以提供如由阻抗空间限定的不同类型的力。这些测试表明，设备i)能够向用户呈现不同类型的阻抗曲线，ii)该设备实现了阻抗曲线的较高跟踪性能，并且iii)在没有显著延迟的情况下被成功检测到的抬举的状态和力准确地遵循阻抗曲线。
图63A和图63B示出遵循辅助策略的来自设备的施加的力和位移角测量结果，所述辅助策略表现为用户从笔直站立位置开始并且以不同的速度和范围执行一系列的四个抬举。设备能够成功地跟踪阻抗曲线以将力传递给用户，并且该方法表明将适应不同的速度和运动范围。
在各种实施例中，待辅助的运动可以是抬举动作。控制器240可以确定穿戴者的髋关节的平均角度，并且可以监测穿戴者的髋关节的平均角度以检测髋关节的平均角度何时超过指示抬举动作的阶段开始或结束的阈值。在实施例中，该阈值可以指示抬举动作的初始向下运动状态，并且可以是从髋关节的中性角度增大到约七度的髋关节的平均角度。在实施例中，该阈值可以指示抬举动作的保持状态，并且可以是减小到约每秒零度的髋关节的平均角速度。在保持状态期间，控制器240监测髋关节的平均角度以检测向向上运动状态或向下运动状态的过渡。髋关节的平均角度向较低角度的变化指示向向上运动状态的过渡，并且髋关节的平均角度向较高角度的变化指示向向下运动状态的过渡
控制器240可以被配置为作为所辅助的运动或姿势的状态的函数来调节可穿戴设备100的阻抗。
对用户运动检测和分类
在实施例中，控制器240可以使用集成到机器人服装设备中的传感器230来对用户运动分类。对用户运动分类会是对某些应用有用的。例如，在延长的长时间段上对同一运动的多次重复会增加损伤风险，并且因此如果系统检测到用户正在抬举或其它身体活动期间执行多次扭转动作，则可以使用该信息来向用户发出警报或将该数据与一组用户汇总，以告知最佳做法，来避免将来受到伤害。作为另一个示例，系统可以基于检测到的运动的类型来修改辅助曲线。例如，对于弯腰抬举会最佳的辅助曲线可以与对于下蹲抬举会最佳的辅助曲线不同。
诸如决策网络树、马尔可夫模型等的机器学习算法可以用于基于传感器数据对不同的运动分类。
一种算法可以使用数据的某些部分以对运动分类。例如，如以上所解释的，在抬举期间存在不同的阶段(下降，改变方向，上升以抬举对象)。如果用户通过遵循下蹲策略(屈膝)而下降，则当用户向上上升时，用户还将需要通过伸展膝盖来上升，如果用户通过侧面抬举而下降，则他/她也将通过遵循侧面抬举而可能上升。
在该步骤中，识别出可能包含关于活动的信息的数据流段。在不同的实施例中，可以应用开窗技术，例如，滑动窗口、事件定义的窗口和活动定义的窗口，以定义将用于定义活动的数据部分。一种流行的方法是滑动窗口方法，其中将固定的时间窗口在数据流上运动以对其进行分段。滑动窗口的尺寸在很大程度上取决于应用以及在活动的长度与传感器230的采样率之间的关系。在这项工作的背景下，固定尺寸的滑动窗口方法对于某些应用而言会是不理想的，这是因为活动的长度由于不同的抬举速度而显著地变化。选择较小的窗口尺寸可以引起对于一个运动有若干标签，而选择较大的窗口尺寸可以包括若干次抬举。为此，在这项工作中使用基于事件的方法，该方法利用先前描述的高级控制器240的状态机来分割数据流。状态机本身使用关于用户的动作或姿势的信息来识别出抬举周期的不同状态。对于该实施例，当用户下降以够到对象时，分析穿戴者的抬举风格。用于分类的数据段的开始通过从状态“直立”到“向下”(1-2)的状态转换来触发，并且当状态机切换到状态“保持”(3)或“向上”时数据采集停止。结果，数据段的尺寸针对不同的抬举速度而变化。与固定长度的滑动窗口相反，该方法确保每个运动仅用一个标签分类，并且数据段可以捕获整个运动。这种方法的另一个优点在于，数据段可以在训练期间通过使用状态机的状态标志来被自动地标记。控制器240可以使用一种策略，其中在用户下降时所收集的数据用于决定在用户上升时的辅助策略。图64示出一种设备，该设备通过在用户向下运动时使用感测数据来检测不同的运动，以检测用户运动并且使辅助力适应于更适合该特定运动的曲线。在实施例中，系统可以包括运动传感器230(例如，如先前所示的，位于躯干和两条大腿上的套装的IMU传感器230)以对穿戴者的运动或姿势分类。由加速度计测得的三轴加速度(accX，accY，accZ)和由陀螺仪测得的角速度(gyroX，gyroY，gyroZ)可以用于每个传感器，总共产生18个原始数据信号。
参照图65，在各种实施例中，诸如决策树(图65A)、隐马尔可夫网络(图65B)等的机器学习算法可以用于对用户动作分类。图65A和图65B还示出用于这两种算法的实现的实验数据混淆矩阵，该数据示出可以实现相对高的准确率，以正确地检测用户正在执行的抬举类型(弯腰，下蹲，侧举等)。
此外，这些算法还可以用于检测其它类型的动作，例如，步行，跑步，跳跃，下蹲，够到任务，等等。
在实施例中，待辅助的运动可以是抬举运动。控制器240可以被配置为基于与一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息将抬举动作分类为弯腰抬举动作、蹲下抬举动作或扭转抬举动作。控制器240被配置为作为所辅助的运动或姿势的类型的函数来调节可穿戴设备100的阻抗。
3-D阻抗曲线
在先前的实施方式中，我们已经描述了作为在矢状面中的躯干-大腿角度的函数的2-d阻抗空间。在某些情况下，会有用的是基于躯干-大腿角度限定作为该角度的三个坐标的函数的3-d阻抗。这种方法的优点在于，它提供了一种辅助策略，所述辅助策略将自动地适应用户的不同动作，并且编程辅助曲线以使其可以更适合于在不同平面中的抬举。该概念将允许辅助曲线根据用户运动适应不同类型的抬举。例如，用户可以在矢状面中执行抬举，或者执行横向抬举或由于环境中或对象中的约束而需要扭转动作的抬举。基于用户运动/位置在3d空间中定义的曲线将自动地且连续地适应这些动作。可以以不同的方式定义3d-阻抗曲线，一些示例包括使用所考虑的不同类型的抬举的生物力学特性的知识，其通过使用如上定义的优化方法来使用户性能最大化和/或通过具有用户界面，所述用户界面允许基于主观反馈来选择辅助曲线的不同参数。图66A和图66B示出3-d阻抗空间的概念。
用于保持静态姿势的策略
较长时间保持固定位置可以在身体上施加显著的应变。多个职业是人体工程学上的常见问题，例如，外科医生在手术过程期间必须在固定位置呆较长时间，另外地制造、维修行业中的工人当安装固定装置时或当在狭窄空间中执行任务时必须在延长的时间段上保持姿势。
返回参照任务的状态，控制策略可以依据由穿戴者停留在“保持”位置中的时间来增加辅助的量。在图67中示出该方法的样本实施例。
1)标准阻抗曲线：根据如上所述的阻抗曲线和用户状态(四个系统状态：直立，向下，保持，向上)产生辅助力。
2)在保持状态处，如果用户保持他/她的位置超过预定的设计时间，则辅助力随着时间的推移以一定速率增大。
3)设定用于保持的最大辅助力，从而辅助力不增大超过设定值。
4)如果用户从保持状态输入向上状态，则遵循标准向上状态阻抗曲线从静态保持力产生辅助力曲线。
5)如果用户从保持状态输入向下状态，则辅助力以一定速率减小到为向下状态指定的水平。
另外地，如先前所解释的，阈值可以用于检测用户是否停留在保持位置中或用户是否过渡到直立或向下状态。依据工业设置，可以修改这些阈值以有利于更加动态的行为而不是静态姿势。例如，外科医生在其工作期间很少会用他/她的躯干或腿部执行非常迅速的动态动作，例如，在重复抬举中发现的那些动作，而物流部门中的工人可以比保持静态姿势更频繁执行动态抬举。在第一种情况下，用于检测在保持状态与上升或下降状态之间过渡的阈值可以较大，而对于任务更加动态的用例而言可以将这些阈值设置得更低。这些灵敏度或阈值参数可以在一种算法的第一次设置期间手动地调谐，这可以检测那些情况中的哪种情况对于特定穿戴者来说更常见，并且自动地修改设备的灵敏度/阈值。
在人类受试者研究中评估了阻抗控制的可穿戴设备100以在抬举和保持静态姿势期间较长时间辅助髋关节和背关节两者，以显示功效。
在这项研究中，受试者执行两个系列的测试。第一系列的测试涉及执行15次重复来抬举其重量等于17％的体重的箱。第二系列的测试涉及将躯干保持在40度的静态姿势，并且维持该姿势45秒钟。受试者在有或没有设备的情况下执行两种活动。在这些试验期间，评估肌肉活动、关节转矩和动力，以比较当受试者穿戴设备时和当受试者不穿戴设备时的受试者的努力水平。
关于3名受试者的初步结果表明，所提出的设备和控制方法有效地减少在抬举(图67B)和保持静态姿势(图67C)期间所涉及的关键背部肌肉和髋部肌肉的肌肉活动。对于涉及静态姿势的任务，在两个不同级别(L1和L3)处的背阔肌、竖脊肌、臀大肌和股二头肌的综合肌肉活动减少了35％至60％。在抬举期间，相同的肌肉减少了10％至25％。肌肉的累积加载是增加损伤风险的关键变量，并且因此其中这些设备在目标活动期间减少了关键肌肉的综合肌肉活动这一事实表明，已开发的方法/系统可以高效地减轻损伤风险、降低疲劳和提高生产力。
此外，在抬举任务期间的动力学变化表明，将穿戴设备的情况和完全不穿戴设备的情况相比，集成的L5-S1关节力矩减少了～18％，由关节必须产生的集成的正功率减小了～28％(图67D)。在髋关节中也看到这种效果，其中集成的力矩减小了～8％，并且集成的正功率减小了～18％(图67E)。这些显著的减少表明，设备在抬举期间成功对髋关节和背关节卸载，并且从而这种设备可以高效地提高生产力，减轻损伤风险并且减少疲劳。
可穿戴设备架构的可替代实施例
使载荷均衡带分离
如先前所提及的，载荷平衡带112需要滑轮、滚动或低摩擦元件，作为示例，以便能够在两条腿之中均等地滑动和分配载荷。为了适应该功能性，载荷平衡组件120还可以包括硬件部件215，其可以在躯干上上下滑动以使载荷平衡带112运动与连接元件150(例如，线缆部件)分离，如图68A所示。如图所示，可穿戴设备100可以包括：第一锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的上半身上；第二锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第一条腿上；以及第三锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第二条腿上。至少一个致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的第一条腿的髋关节和穿戴者的第二条腿的髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节。可穿戴设备100还可以包括载荷平衡组件210，所述载荷平衡组件210将致动器120联接至第二锚定构件110和第三锚定构件110。载荷平衡组件210可以包括：柔性细长构件211(例如，条带)，其具有联接至第二锚定件110的第一端部212和连接至第三锚定件110的第二端部213；以及机构215，所述机构215将致动器120联接至在第一端部212和第二端部213之间的柔性细长件211的中间部分214，并且所述机构215被配置为允许柔性细长构件211在所述机构215内平移，并且由此使分配到穿戴者的第一条腿和第二条腿的张力平衡。
在另一个实施例中，一个或多个分离部件可以被集成到致动系统本身中。例如，图68B示出代表性的配置，其中可以在致动器模块中集成分离机构260(稍后在图68C中示出)以将力在两个载荷路径之间均等地分开，而同时允许每个载荷路径不同地相对定位。在本章节中，我们描述了这些选项中的每个选项的不同实施例。
图68C示出其中通过内置到致动器中的内部分离机构260来分离辅助的概念。如前所述，分离机构210、260的目的是仅使用一个马达就对两条大腿施加相等的力。由于穿戴者的腿部可以独立地运动，并且目的是仅使用一个马达，所以系统需要其它自由度，以允许用于使从致动器到每条腿的长度不同。分离机构210、260可以用于保证传递到每条腿的力是均匀的，但是允许它们的位置是独立的，使得两条腿可以独立地运动。差速器在汽车中实现了类似的任务，其中来自发动机的转矩均匀地分布在两个后轮之间，同时允许它们独立地旋转，使得汽车可以转弯。类似的概念可以被集成在致动系统120中。马达将使中间段262旋转以施加转矩T。旋转构件264(轴线A)和266(轴线B)能够彼此独立于中间段262和262来旋转，但是内部差动机构确保输入转矩被平均地分成输出TA和输出TB。旋转构件264、266将被连接至主轴，并且旋转构件的各自连接元件150被绕在每个主轴上。连接元件150的远侧端部可以连接至在穿戴者的左腿上的锚定构件110并且连接至在穿戴者的右腿上的锚定构件110。这是我们的第二自由度的来源并且允许人的双腿独立地运动。
图68D示出在样本差动系统中的不同部件。在该示例中，马达121驱动冠状齿轮262，所述冠状齿轮262随着旋转而围绕与旋转构件264相关联的齿轮265和与旋转构件266相关联的齿轮267驱动太阳齿轮263。在两条腿以相同的速度(w1＝w2)运动的情况下，齿轮265、齿轮267和太阳齿轮263的小齿轮不旋转，从而所有这些部件作为固体件运动，而没有围绕冠状齿轮262相对于彼此转动。注意到，冠状齿轮262不直接连接至旋转构件264，但是从旋转构件264和旋转构件266通过太阳齿轮263传递转矩。
如果左腿根本不动而右腿运动，则太阳齿轮263的小齿轮将在绕轴行进时旋转，使得齿轮265保持静态，并且齿轮267可以以一速度旋转(w1＝0；w2)。如果两条腿以不同的速度运动，则分离机构260的作用与太阳齿轮263绕轴行进时的作用相同，太阳齿轮263的小齿轮将以与旋转构件264和旋转构件266的角速度之差相等的速度旋转，使得齿轮265和齿轮267可以以不同的相对速度旋转。
图69示出一种概念，在所述概念中载荷平衡件211通过使用诸如低摩擦、辊、轴承、滑轮等的部件215来与线缆部件150分离，在这种情况下，可以考虑到两种实现方式：
1)基于线缆：产生力的线缆150附接至包括低摩擦元件、轴承或滑轮的部件215。载荷平衡细长元件211(例如，条带，带状件)通过低摩擦或滚动部件215路由以能够相对于产生力的线缆150滑动。
2)基于带状件或条带：产生力的元件150可以是附接至柔性细长元件211的带状件或条带，载荷平衡细长元件211能够相对于产生力的元件150滑动。
D)示例：图70描述了实现载荷平衡组件210的不同方式。在这种情况下，使用两个独立的马达来各个地致动每个载荷平衡细长元件211。该概念允许向每个条带施加独立的力，并且从而能够根据由用户执行的运动类型来控制每条腿上的力是不同的还是相同的，另外地，该概念允许能够不同地控制在背部的每一侧上的力，这允许控制离轴转矩，所述离轴转矩可以对辅助背部的扭转和弯曲动作是实用的。例如，当执行侧面抬举时，在每个条带/线缆中的张力会有所不同，以向背部和大腿提供额外的离轴支撑。另外地，这可以允许在诸如步行之类的任务期间通过独立地致动每个条带来对髋伸肌施加辅助。
如图所示，可穿戴设备100可以包括：第一锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的上半身上；第二锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第一条腿上；以及第三锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第二条腿上。第一致动器120可以直接地或间接地联接第一锚定构件110和第二锚定构件110，并且第一致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的第一条腿的髋关节，以及(ii)穿戴者的背关节。第二致动器120可以直接地或间接地将第一锚定构件110联接至第三锚定构件110，并且第二致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的第二条腿的髋关节，以及(ii)穿戴者的背关节。
用于联接的髋部辅助的可穿戴设备架构
目的为辅助用户的髋部的大多数外骨骼/机械护甲系统已经被设计为独立地辅助用户的每个髋部，并且因此典型地需要两个主动元件以能够独立地控制每个髋部。这部分地是由于以下事实：这些系统中的大多数被最初地设想为辅助有障碍的个人再次步行或者辅助健康的个人更高效地步行。然而，有多个任务需要同时辅助两条大腿，例如，抬举，从坐到站立，跳跃，跪下，蹲下等，这些任务对于老年人、消费者和工业应用是常见的。
因此，一种系统可以被设计为同时向双腿提供辅助，其优点在于，会能够设计外骨骼或机械护甲以仅使用1个自由度，这关于成本、简单性和重量具有重要意义。
图71示出其中可穿戴设备100由以下部件组成的实施例：
–载荷平衡元件212被连接至两条大腿(如前所述)，
–腰带：腰带卷绕在用户的腰部周围，并且引导载荷平衡元件212从大腿路由到腰带中的某个点并且再从该点路由到用户的锚定构件110。
–锚定构件110，其卷绕在用户的大腿周围并且为载荷平衡元件212提供锚定点。
–传感器230：诸如之前所述的那些的感测元件可以被集成在系统中，包括但不限于，传感器230，以感测用户的运动、位置和从可穿戴设备100传递到用户的力。
–致动或产生力的元件：线缆驱动的致动元件，以能够拉动载荷平衡元件212，以便在载荷平衡元件212上产生力，其将继而在用户的髋部上产生关节转矩。线缆驱动的致动可以位于连接至载荷平衡元件212的用户大腿之一上，位于用户的腰部上，使用鲍登线缆位于身体的不同部位上，以将力从致动器120路由到其中供致动线缆连接至载荷平衡带的点。另外地，诸如流体的、静电的或被动的部件(弹簧，阻尼器等)的其它类型的致动器120可以用于借助这种架构产生力。
如图所示，可穿戴设备100可以包括：第一锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的腰部上；第二锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第一条腿上；以及第三锚定构件110，其被配置为用于定位在穿戴者的第二条腿上。至少一个致动器120直接地或间接地联接第一锚定构件110、第二锚定构件110和第三锚定构件110，并且至少一个致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕穿戴者的第一条腿的髋关节和围绕穿戴者的第二条腿的髋关节的力矩。
独立地辅助背关节和髋关节的可穿戴设备架构
虽然同时辅助髋关节和背关节呈现多个优点，但是对于某些应用而言，独立辅助髋部和背部会具有额外的好处。可能的优点包括更高程度的辅助适应性由于在背部处的辅助而不需要联接对大腿的辅助。
样本示例可以包括：
–用于同时辅助两条大腿的单个DOF辅助，以及用于辅助背部的额外的DOF(图72)。
–对每个髋部的独立辅助以及对用户的背部的独立辅助。
–通过将辅助元件锚定在用户躯干或肩部的上侧上并且在另一侧上锚定到靠近用户腰部的位置，将实现背部辅助。
如果仅辅助背部，则不辅助大腿会是有挑战性的，这是由于身体被成形为使得如果腰带被上拉，则腰带倾向于相对于身体向上运动，并且会带来锚定挑战。然而，如果施加到双腿的力之和(其将向腰带施加向下的力)大于在背部处的力(其向腰带施加向上的力)，则将腰带保持在适当位置中由于身体的形状帮助将腰带保持在适当位置中而是较容易的。控制策略可以利用该事实来独立地控制背部和髋部辅助，但是将背部辅助的量限制在接近于或低于施加到双腿的力之和的力上(图72)。
当走在楼梯上、跑步、慢跑等时，像这样的系统将能够在步行期间通过向用户大腿施加力来辅助用户的腿部，并且可选地同时辅助背部以支持会正承载载荷的用户或需要背部辅助的用户。此外，当执行某些类型的抬举时(例如，在下蹲动作期间)，控制算法会向用户的腿部施加更大的力，用户弯曲双腿，并且会比在弯腰抬举(在腿部伸直的情况下抬举)期间需要对腿部有更高的辅助。
值得注意的是，实施例还可以独立于大腿来辅助背部，例如，如果施加的力较小，则舒适性和腰带锚定可以不是问题。此外，通过腿部(例如，安全带)或半刚性部件200(其在一侧上锚定到腰带，并且在另一侧上锚定到上躯干上的位置，所述位置被锚定到用户的肩部)路由的条带可以向腰带提供额外的支撑以避免向上的动作(图73)。
尽管已经参考本发明的某些实施例描述了目前公开的实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离目前公开的实施例的实质精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离目前公开的实施例的精神和范围的情况下，可以进行许多修改，以适应特定情况、指示、物质的材料和组成、工艺步骤或步骤。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上半身上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的下半身上的至少一个锚定构件110；以及至少一个致动器120，其直接地或间接地将至少一个上半身锚定构件110联接至至少一个下半身锚定构件110，其中至少一个致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上半身上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的下半身上的至少一个锚定构件110；至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个上半身锚定构件110联接至至少一个下半身锚定构件110；以及至少一个机构，其被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150的长度、改变其长度或改变其阻抗，以控制在可穿戴设备100中通过穿戴者的运动或姿势产生的张力的水平，使得可穿戴设备100产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上半身上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的下半身上的至少一个锚定构件110；以及至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个上半身锚定构件110联接至至少一个下半身锚定构件110；所述至少一个连接元件150被配置为吸收由穿戴者的运动或姿势产生的能量。另外，至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150以储存所吸收的能量，并且解锁至少一个连接元件150以释放所吸收的能量，使得可穿戴设备100产生围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上半身上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的下半身上的至少一个锚定构件110；以及至少一个被动元件190，其直接地或间接地将至少一个上半身锚定构件110联接至至少一个下半身锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕以下至少之一的力矩：(i)穿戴者的一个或多个髋关节，以及(ii)穿戴者的一个或多个背关节。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的躯干上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上臂上的至少一个锚定构件110；以及至少一个致动器120，其直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110，其中至少一个致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕至少穿戴者的肩关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的躯干上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上臂上的至少一个锚定构件110；以及至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110。此外，至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150的长度、改变其长度或改变其阻抗，以通过穿戴者的运动或姿势提高在可穿戴设备100中产生的张力的水平，使得可穿戴设备100产生围绕至少穿戴者的肩关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的躯干上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上臂上的至少一个锚定构件110；以及至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110并且被配置为吸收由穿戴者的运动或姿势产生的能量。另外，至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150以储存所吸收的能量，并且解锁至少一个连接元件150以释放所吸收的能量，使得可穿戴设备100产生围绕至少穿戴者的肩关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的躯干上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的上臂上的至少一个锚定构件110；以及至少一个被动元件190，其直接地或间接地将至少一个躯干锚定构件110联接至至少一个上臂锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕至少穿戴者的肩关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的大腿上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的小腿上的至少一个锚定构件110；以及至少一个致动器120，其直接地或间接地将至少一个大腿锚定构件110联接至至少一个小腿锚定构件110，其中至少一个致动器120的致动在可穿戴设备100中产生张力，以用于产生围绕至少穿戴者的膝关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的大腿上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的小腿上的至少一个锚定构件110；以及至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个大腿锚定构件110联接至至少一个小腿锚定构件110。此外，至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150的长度、改变其长度或改变其阻抗，以通过穿戴者的运动或姿势提高在可穿戴设备100中产生的张力的水平，使得可穿戴设备100产生围绕至少穿戴者的膝关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的大腿上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的小腿上的至少一个锚定构件110；以及至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个大腿锚定构件110联接至至少一个小腿锚定构件110并且被配置为吸收由穿戴者的运动或姿势产生的能量。另外，至少一个机构被配置为可选择性地锁定至少一个连接元件150以储存所吸收的能量，并且解锁至少一个连接元件150以释放所吸收的能量，使得可穿戴设备100产生围绕至少穿戴者的膝关节的力矩。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的大腿上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的小腿上的至少一个锚定构件110；以及至少一个被动元件190，其直接地或间接地将至少一个大腿锚定构件110联接至至少一个小腿锚定构件110，使得穿戴者的运动或姿势在可穿戴设备100中产生张力，并且可穿戴设备100提供围绕至少穿戴者的膝关节的力矩。
可穿戴设备100包括：至少一个致动器120，所述至少一个致动器120被配置为在所述可穿戴设备100中产生力或者促使在所述可穿戴设备100中产生力，使得所述可穿戴设备100产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩以辅助所述穿戴者执行非周期性运动或保持姿势；至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量用于评估与下列中的至少一者相关联的对象函数的信息：向所述穿戴者提供身体辅助，在所述穿戴者与所述可穿戴设备100之间的相互作用，以及所述可穿戴设备100的操作；以及至少一个控制器240，所述至少一个控制器240被配置为根据至少一个致动曲线来致动所述至少一个致动器120，基于由所述至少一个传感器测得的所述信息评估所述对象函数以确定所述对象函数的所得变化，基于所述对象函数中的所得变化调节所述至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调节以优化所述至少一个致动参数来用于使所述对象函数最大化或最小化。所述至少一个控制器240被配置为识别出待被优化以用于使所述对象函数最大化或最小化的两个或更多个致动参数；根据两个或更多个致动曲线来致动所述至少一个致动器120，所述两个或更多个致动曲线具有待被优化的所述两个或更多个致动参数的不同基线值组；基于由所述至少一个传感器测得的所述信息，针对所述两个或更多个致动曲线中的每个来评估所述对象函数；基于所述对象函数的相对应评估来定义在所述两个或更多个致动参数与所述对象函数的相对应评估之间的数学相关性；评估所述基线数学相关性以确定所述两个或更多个致动参数的候选值组来用于使所述对象函数最大化或最小化；基于所述对象函数的相对应评估来更新所述数学相关性以用于根据与所述两个或更多个致动参数的候选值组相关联的致动曲线来致动所述至少一个致动器120；并且继续更新所述数学相关性，直到所述对象函数的评估达到全局最大值或全局最小值为止或者直到当满足预定的终止标准时为止。
可穿戴设备100包括：被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第一身体部位上的至少一个锚定构件110；被配置为用于定位在穿戴可穿戴设备100的人的第二身体部位上的至少一个锚定构件110；和至少一个连接元件150，其直接地或间接地将至少一个第一身体部位锚定构件110联接至至少一个第二身体部位锚定构件110；至少一个传感器，其被配置为测量与由可穿戴设备100跨越的穿戴者的一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息；以及至少一个控制器240，其被配置为检测待由可穿戴设备100辅助的穿戴者的运动或姿势的开始和/或类型；作为由可穿戴设备100跨越的一个或多个关节的给定角度、速度或加速度的函数，确定待在可穿戴设备100中产生的期望的张力，用于辅助穿戴者执行所述运动或保持所述姿势；并且调节可穿戴设备100的阻抗或由可穿戴设备100提供的力，使得在可穿戴设备100中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。在实施例中，可穿戴设备100包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件150的长度、改变其长度或改变其阻抗，并且其中，调节可穿戴设备100的阻抗包括将所述至少一个连接元件150的长度锁定在这样的长度处，即，所述长度被配置为促使通过穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在可穿戴设备100中产生期望的张力。在实施例中，可穿戴设备100包括至少两个连接元件150，其中可穿戴设备100包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地接合所述至少两个连接元件150中的一个或多个；其中，调节可穿戴设备100的阻抗包括接合所述至少两个连接元件150中的一个或多个，所述至少两个连接元件150单独地或组合地具有弹簧常数或阻尼常数，所述弹簧常数或阻尼常数被配置为促使通过穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在可穿戴设备100中产生期望的张力。在实施例中，可穿戴设备100包括至少一个致动器120，并且其中，调节可穿戴设备100的阻抗包括主动地致动至少一个连接元件150以在可穿戴设备100中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。在实施例中，其中，所述控制器240被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势开始的阈值。在实施例中，其中，所述控制器240被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势结束的阈值。所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器240确定穿戴者的躯干、大腿关节和髋关节中的一个或多个的相对角度，并且其中，所述控制器240监测所述相对角度，以检测所述相对角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的预定阈值。所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器240确定穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器240监测穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的预定阈值。所述控制器240通过计算以下两者之间的相对角度来确定穿戴者的髋关节的所述平均角度：(i)穿戴者的躯干，以及(ii)穿戴者的大腿的平均角度。所述控制器240被配置为识别出穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动，并且如果是，则确定所述预定阈值的任何超出数都不指示所述待辅助的抬举动作或下蹲动作开始。所述控制器240通过以下操作来识别出穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动：确定所述髋关节之一的角度与所述另一髋关节的角度之间的差；将惩罚项应用到所述差；从所述髋关节的所述平均角度减去所惩罚的差；并且评估所述髋关节的所述平均角度的所得确定是否超过所述预定阈值。所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，其中，所述控制器240确定穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器240监测穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势结束的预定阈值。在实施例中，所述控制器240被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息以检测所述待辅助的动作的一个或多个状态。其中，所述待辅助的动作是抬举动作，其中，所述控制器240确定穿戴者的髋关节的平均角度，并且其中，所述控制器240监测穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测髋关节的所述平均角度何时超过指示所述抬举动作的阶段开始或结束的阈值。在实施例中，所述阈值指示所述抬举动作的初始向下运动状态，并且其中，所述阈值是从所述髋关节的中性角度增大到约七度的所述髋关节的平均角度。所述阈值指示所述抬举动作的保持状态，并且其中，所述阈值是减小到约每秒零度的所述髋部的平均角速度。在实施例中，在保持状态期间，所述控制器240监测所述髋关节的所述平均角度以检测向向上运动状态或向下运动状态的过渡，其中，所述髋关节的所述平均角度向较低角度的变化指示向向上运动状态的过渡，并且其中，所述髋关节的所述平均角度向较高角度的变化指示向向下运动状态的过渡。在实施例中，其中，所述待被辅助的动作是抬举动作，其中，所述控制器240被配置为基于与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息将所述抬举动作分类为弯腰抬举动作、蹲下抬举动作或扭转抬举动作。所述控制器240被配置为作为所辅助的运动或姿势的状态或类型的函数来调节所述可穿戴设备100的阻抗。

Claims (59)

1.一种可穿戴设备，其包括：
第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；
第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；以及
至少一个致动器，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至第二锚定构件，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。
2.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。
3.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的至少一个肩部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的至少一条大腿；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。
4.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。
5.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。
6.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
7.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；
所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括将所述致动器联接至所述第二锚定构件和所述第三锚定构件的载荷平衡连接器，所述载荷平衡连接器包括：
柔性细长构件，所述柔性细长构件具有联接至所述第二锚定构件的第一端部和连接至所述第三锚定构件的第二端部，和
机构，所述机构将所述致动器联接至所述柔性细长构件的在所述第一端部和所述第二端部之间的中间部分，并且所述机构被配置为允许所述柔性细长构件在所述机构内平移，并且由此使分配到所述穿戴者的第一条腿和第二条腿的张力平衡。
8.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；
所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括集成到所述致动器中的分离机构，所述分离机构包括：
齿轮，所述齿轮与所述致动器的马达的输出接合并且被配置为当所述马达被致动时旋转；
第一旋转构件，所述第一旋转构件设置成与所述齿轮的第一侧共轴并且从所述齿轮的第一侧延伸；和
第二旋转构件，所述第二旋转构件设置成与所述齿轮的第二侧共轴并且从所述齿轮的第二侧延伸，
其中，所述第一旋转构件和所述第二旋转构件被配置为彼此独立地旋转，以在所述第二锚定构件和所述第三锚定构件之间均匀地分配由所述马达产生的转矩，并且由此使分配到所述穿戴者的第一条腿和第二条腿的张力平衡。
9.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；
其中，所述至少一个致动器的致动直接地或间接地联接所述第一锚定构件和所述第二锚定构件以在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的背关节；并且
所述可穿戴设备还包括：
第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上；以及
至少一个致动器，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第三锚定构件，
其中，直接地或间接地将所述第一锚定构件和所述第三锚定构件联接的所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕以下至少之一的力矩：(i)所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节，以及(ii)所述穿戴者的背关节。
10.根据权利要求1所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的第一条腿；并且
所述可穿戴设备还包括第三锚定构件，所述第三锚定构件被配置为用于定位在所述穿戴者的第二条腿上，其中，所述至少一个致动器直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第三锚定构件，并且其中，所述至少一个致动器的致动在所述可穿戴设备中产生张力，以用于产生围绕所述穿戴者的所述第一条腿的髋关节和围绕所述穿戴者的所述第二条腿的髋关节的力矩。
11.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其中，所述致动器可释放地联接至所述第一锚定构件和所述第二锚定构件，使得所述致动器能够可选择性地附接至所述可穿戴设备和从所述可穿戴设备拆卸。
12.根据权利要求1所述的可穿戴设备，还包括安装板，所述安装板联接至与所述致动器可释放地联接的所述第一锚定构件和所述第二锚定构件中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的可穿戴设备，其中，所述安装板包括一个或多个电连接器，用于使所述致动器的一个或多个电气部件和与所述第一锚定部件和所述第二锚定部件中的至少一个相关联的一个或多个电气部件电连通。
14.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个致动器包括：
联接至所述第一锚定构件的第一平面构件；
联接至所述第二锚定构件的第二平面构件；
布置在所述第一平面构件和所述第二平面构件上的多个引导件；以及
柔性细长元件，所述柔性细长元件以交替的方式越过所述第一平面构件和所述第二平面构件上的相对的引导件以联接所述第一平面构件和所述第二平面构件，
其中，所述柔性细长元件的第一端部被锚定到所述第一平面构件，并且所述柔性细长元件的第二端部联接至马达，并且
其中，致动所述马达将拉动所述柔性细长元件的所述第二端部，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
15.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个致动器包括：
布置在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件上的多个引导件；以及
柔性细长元件，所述柔性细长元件以交替的方式越过所述第一锚定构件和所述第二锚定构件上的相对的引导件以联接所述第一锚定构件和所述第二锚定构件，
其中，所述柔性细长元件的第一端部锚定到所述第一锚定构件，并且所述柔性细长元件的第二端部联接至马达，并且
其中，致动所述马达将拉动所述柔性细长元件的所述第二端部，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
16.根据权利要求1所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个致动器包括：
马达；
第一旋转滑轮元件，所述第一旋转滑轮元件连接至所述马达的输出；
第二旋转滑轮元件，所述第二旋转滑轮元件设置成与所述第一旋转滑轮元件共面并且与所述第一旋转滑轮元件径向地偏移，并且所述第二旋转滑轮元件经由正时带联接至所述第一旋转滑轮元件；
第三旋转滑轮元件，所述第三旋转滑轮元件设置成与所述第一旋转滑轮共轴并且与所述第一旋转滑轮轴向地偏移，并且所述第三旋转滑轮元件固定地联接至所述第一旋转滑轮；以及
柔性细长元件，所述柔性细长元件卷绕在所述第三旋转滑轮上，
其中，所述柔性细长元件的中间部分或端部联接至所述第二锚定构件；
其中，致动所述马达将促使所述柔性细长构件缩短，由此将所述第一锚定构件和所述第二锚定构件朝向彼此拉动。
17.一种可穿戴设备，其包括：
第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；
第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和
至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件；以及
至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件的长度、改变其长度或改变其阻抗，以控制在所述可穿戴设备中通过所述穿戴者的运动或姿势产生的张力的水平，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。
18.根据权利要求17所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。
19.根据权利要求17所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。
20.根据权利要求17所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。
21.根据权利要求17所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
22.一种可穿戴设备，其包括：
第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；
第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和
至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件，并且所述至少一个连接元件被配置为吸收通过所述穿戴者的运动或姿势产生的能量；以及
至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地：
锁定所述至少一个连接元件以储存所吸收的能量，并且
解锁所述至少一个连接元件以释放所吸收的能量，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。
23.根据权利要求22所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。
24.根据权利要求22所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。
25.根据权利要求22所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。
26.根据权利要求22所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
27.一种可穿戴设备，其包括：
第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；
第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；以及
至少一个被动元件，所述至少一个被动元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件，使得所述穿戴者的运动或姿势在所述可穿戴设备中产生张力，并且所述可穿戴设备提供围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩。
28.根据权利要求27所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的下半身；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括以下至少之一：(i)一个或多个髋关节，以及(ii)一个或多个背关节。
29.根据权利要求27所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的躯干；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上臂；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少肩关节。
30.根据权利要求27所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的大腿；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的小腿；并且
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少膝关节。
31.根据权利要求27所述的可穿戴设备，
其中，所述第一身体部位包括所述穿戴者的腰部；
其中，所述第二身体部位包括所述穿戴者的上半身；
其中，所述穿戴者的所述一个或多个关节包括至少一个或多个背关节；并且
所述可穿戴设备还包括在所述第一锚定构件和所述第二锚定构件之间延伸的半刚性部件，其中，所述半刚性部件是柔性的以在压缩力下弯曲但抗变形。
32.一种可穿戴设备，其包括：
至少一个致动器，所述至少一个致动器被配置为在所述可穿戴设备中产生力或者促使在所述可穿戴设备中产生力，使得所述可穿戴设备产生围绕所述穿戴者的一个或多个关节的力矩以辅助所述穿戴者执行非周期性运动或保持姿势；
至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量用于评估与下列中的至少一者相关联的对象函数的信息：向所述穿戴者提供身体辅助，在所述穿戴者与所述可穿戴设备之间的相互作用，以及所述可穿戴设备的操作；以及
至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：
根据至少一个致动曲线来致动所述至少一个致动器，
基于由所述至少一个传感器测得的所述信息评估所述对象函数以确定所述对象函数的所得变化，
基于所述对象函数中的所得变化调节所述至少一个致动曲线的至少一个参数，并且
继续致动、评估和调节以优化所述至少一个致动参数来用于使所述对象函数最大化或最小化。
33.根据权利要求32所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个控制器被配置为：
识别出待被优化以用于使所述对象函数最大化或最小化的两个或更多个致动参数；
根据两个或更多个致动曲线来致动所述至少一个致动器，所述两个或更多个致动曲线具有待被优化的所述两个或更多个致动参数的不同基线值组；
基于由所述至少一个传感器测得的所述信息，针对所述两个或更多个致动曲线中的每个来评估所述对象函数；
基于所述对象函数的相对应评估来定义在所述两个或更多个致动参数与所述对象函数的相对应评估之间的数学相关性；
评估所述基线数学相关性以确定所述两个或更多个致动参数的候选值组来用于使所述对象函数最大化或最小化；
基于所述对象函数的相对应评估来更新所述数学相关性以用于根据与所述两个或更多个致动参数的候选值组相关联的致动曲线来致动所述至少一个致动器；并且
继续更新所述数学相关性，直到所述对象函数的评估达到全局最大值或全局最小值为止或者直到当满足终止标准时为止。
34.一种可穿戴设备，其包括：
第一锚定构件，所述第一锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第一身体部位上；第二锚定构件，所述第二锚定构件被配置为用于定位在穿戴所述可穿戴设备的人的第二身体部位上；和至少一个连接元件，所述至少一个连接元件直接地或间接地将所述第一锚定构件联接至所述第二锚定构件；
至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量与由所述可穿戴设备跨越的所述穿戴者的一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息；以及
至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：
检测待由所述可穿戴设备辅助的所述穿戴者的运动或姿势的开始和/或类型；
作为由所述可穿戴设备跨越的所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度的函数，确定待在所述可穿戴设备中产生的期望的张力，用于辅助所述穿戴者执行所述运动或保持所述姿势；并且
调节所述可穿戴设备的阻抗或由所述可穿戴设备提供的力，使得在所述可穿戴设备中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。
35.根据权利要求34所述的可穿戴设备，
其中，所述可穿戴设备包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地锁定所述至少一个连接元件的长度、改变其长度或改变其阻抗，并且
其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括将所述至少一个连接元件的所述长度锁定在这样的长度处，即，所述长度被配置为促使通过所述穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在所述可穿戴设备中产生期望的张力。
36.根据权利要求34所述的可穿戴设备，
其中，所述可穿戴设备包括至少两个连接元件，
其中，所述可穿戴设备包括至少一个机构，所述至少一个机构被配置为可选择性地接合所述至少两个连接元件中的一个或多个；并且
其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括接合所述至少两个连接元件中的一个或多个，所述至少两个连接元件单独地或组合地具有弹簧常数或阻尼常数，所述弹簧常数或阻尼常数被配置为促使通过所述穿戴者的运动或姿势以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度在所述可穿戴设备中产生期望的张力。
37.根据权利要求34所述的可穿戴设备，
其中，所述可穿戴设备包括至少一个致动器，并且
其中，调节所述可穿戴设备的阻抗包括主动地致动所述至少一个连接元件以在所述可穿戴设备中以所述一个或多个关节的给定角度、速度或加速度产生期望的张力。
38.根据权利要求34所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势开始的阈值。
39.根据权利要求34所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息，以检测所述角度、速度或加速度中的一个或组合何时超过指示待辅助的动作或姿势结束的阈值。
40.根据权利要求38所述的可穿戴设备，
其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，
其中，所述控制器确定所述穿戴者的躯干、大腿关节和髋关节中的一个或多个的相对角度，并且
其中，所述控制器监测所述相对角度，以检测所述相对角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的阈值。
41.根据权利要求38所述的可穿戴设备，
其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，
其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且
其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势开始的阈值。
42.根据权利要求41所述的可穿戴设备，其中，所述控制器通过计算(i)所述穿戴者的躯干与(ii)所述穿戴者的大腿的平均角度之间的相对角度来确定所述穿戴者的髋关节的所述平均角度。
43.根据权利要求41所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为识别出所述穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动，并且如果是，则确定所述阈值的任何超出数都不指示所述待辅助的抬举动作或下蹲动作开始。
44.根据权利要求43所述的可穿戴设备，其中，所述控制器通过以下操作来识别出所述穿戴者是否从事除所述待辅助的抬举动作或下蹲动作以外的活动：
确定所述髋关节之一的角度与所述另一髋关节的角度之间的差，
将惩罚项应用到所述差，
从所述髋关节的所述平均角度减去所惩罚的差，并且
评估所述髋关节的所述平均角度的所得确定是否超过所述阈值。
45.根据权利要求39所述的可穿戴设备，
其中，所述待辅助的动作或姿势是抬举动作或下蹲姿势，
其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且
其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述待辅助的抬举动作或下蹲姿势结束的阈值。
46.根据权利要求34所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为监测与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息以检测所述待辅助的动作的一个或多个状态。
47.根据权利要求38所述的可穿戴设备，
其中，所述待辅助的动作是抬举动作，
其中，所述控制器确定所述穿戴者的髋关节的平均角度，并且
其中，所述控制器监测所述穿戴者的髋关节的所述平均角度以检测所述髋关节的所述平均角度何时超过指示所述抬举动作的阶段开始或结束的阈值。
48.根据权利要求47所述的可穿戴设备，
其中，所述阈值指示所述抬举动作的初始向下运动状态，并且
其中，所述阈值是从所述髋关节的中性角度增大的所述髋关节的平均角度。
49.根据权利要求47所述的可穿戴设备，
其中，所述阈值指示所述抬举动作的保持状态，并且
其中，所述阈值是减小到约每秒零度的所述髋关节的平均角速度。
50.根据权利要求49所述的可穿戴设备，
其中，在所述保持状态期间，所述控制器监测所述髋关节的所述平均角度以检测向向上运动状态或向下运动状态的过渡，
其中，所述髋关节的所述平均角度向较低角度的变化指示向向上运动状态的过渡，并且
其中，所述髋关节的所述平均角度向较高角度的变化指示向向下运动状态的过渡。
51.根据权利要求34所述的可穿戴设备，
其中，所述待被辅助的动作是抬举动作，
其中，所述控制器被配置为基于与所述一个或多个关节的角度、速度和加速度中的一个或多个有关的信息将所述抬举动作分类为弯腰抬举动作、蹲下抬举动作或扭转抬举动作。
52.根据权利要求46至51中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为作为所辅助的运动或姿势的状态或类型的函数来调节所述可穿戴设备的阻抗。
53.根据权利要求46至51中任一项所述的可穿戴设备，其中，在保持状态期间，所述控制器被配置为将所述张力逐渐增大至目标值，以便在较长时间段保持所述姿势的同时辅助所述穿戴者。
54.根据权利要求46至51中任一项所述的可穿戴设备，
其中，所述控制器被配置为接收来自所述穿戴者的输入以用于选择峰值张力来辅助不同的运动，并且
其中，所述控制器被配置为缩放所述可穿戴设备的阻抗或由所述可穿戴设备提供的力以使所述可穿戴设备具有与所选峰值张力值相对应的最大峰值张力。
55.根据权利要求46至51中任一项所述的可穿戴设备，其中，所述控制器被配置为接收来自所述穿戴者的输入，用于禁止由所述可穿戴设备产生所述张力。
56.一种用于监测人的身体活动的可穿戴系统，所述可穿戴系统包括：
至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为测量与以下各项中的一项或多项有关的信息：由所述可穿戴系统跨越的所述穿戴者的一个或多个关节的角度、速度或加速度，由所述穿戴者承受的力或转矩，以及所述穿戴者的生物特征参数；以及
至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置为分析由所述至少一个传感器测量的信息，以评估在所述穿戴者穿戴所述可穿戴系统时与所述穿戴者的身体活动相关联的损伤风险、任务执行、生物力学和人体工程学指标中的一项或多项。
57.根据权利要求56所述的可穿戴设备，其中，所述至少一个传感器包括惯性测量单元(IMU)、关节角度传感器、力或压力传感器、转矩传感器、代谢能测量设备、肌肉活动测量设备(EMG)、地面反作用力传感器、心率传感器和鞋内底力或压力传感器中的一个或组合。
58.根据权利要求56所述的可穿戴设备，其中，所述处理器还被配置为向所述穿戴者通知他或她正在执行会导致受伤的动作。
59.根据权利要求56所述的可穿戴设备，其中，所述处理器还被配置为在所述穿戴者从事进一步的活动之前确定和向所述穿戴者通知合适的恢复期，以减轻受伤的可能性。
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