CN112603775B - 步行辅助方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种步行辅助方法和电子设备。所述步行辅助方法包括如下步骤：接收从用户可选择的多个异常步态类型中选择至少一个异常步态类型的信息；从存储有与所述多个异常步态类型中的各个异常步态类型相关联的转矩参数的存储器，获取转矩参数中的与选择的所述至少一个异常步态类型的信息相关联的至少一个转矩参数，以及基于所述至少一个转矩参数控制步行辅助设备的驱动器，使得所述步行辅助设备补偿功能性障碍。

Description

步行辅助方法和电子设备
本申请是申请日为2016年02月18日、申请号为201610091841.7、发明名称为“步行辅助方法和执行步行辅助方法的设备”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
至少一个示例实施例涉及一种步行辅助方法和/或一种执行步行辅助方法的设备。
背景技术
随着老龄化社会的迅速发展，许多人可能经受关节问题引起的不便和痛苦，对于能使拥有关节问题的老人或病人步行省力的步行辅助设备的兴趣可能增加。此外，用于加强人体的肌肉力量的步行辅助设备可有助于军事目的。
通常，步行辅助设备可包括布置在用户躯干上的躯干支架、连接到躯干支架的下侧以覆盖用户的骨盆的骨盆支架、布置在用户的大腿上的大腿支架、布置在用户的小腿上的小腿支架和/或布置在用户的脚上的脚支架。骨盆支架和大腿支架可由髋关节部分旋转地连接，大腿支架和小腿支架可由膝关节部分旋转地连接，并且/或者小腿支架和脚支架可由踝关节部分旋转地连接。
发明内容
一些示例实施例涉及一种步行辅助方法。
在一些示例实施例中，所述步行辅助方法可包括：接收从多个异常步态类型中选择的至少一个异常步态类型；响应于接收，基于所述至少一个异常步态类型而不同地控制步行辅助设备。
所述控制的步骤可包括：基于所述至少一个异常步态类型产生辅助转矩配置；基于辅助转矩配置控制步行辅助设备，其中，辅助转矩配置可包括用于控制步行辅助设备的至少一个转矩参数。
当所述至少一个异常步态类型包括第一异常步态类型和第二异常步态类型时，所述产生的步骤可包括：基于与第一异常步态类型的第一辅助转矩配置相应的第一转矩参数和与第二异常步态类型的第二辅助转矩配置相应的第二转矩参数产生辅助转矩配置。
所述基于第一转矩参数和第二转矩参数产生辅助转矩配置的步骤可包括：通过组合第一转矩参数和第二转矩参数产生辅助转矩配置。
所述基于第一转矩参数和第二转矩参数产生辅助转矩配置的步骤可包括：通过基于权重将第一转矩参数和第二转矩参数相加来产生辅助转矩配置。
所述至少一个异常步态类型可包括以下各种步态中的至少一种步态：蹲伏步态、跨阈步态、防痛步态、共济失调步态类型、慌张步态、跳跃步态、蹒跚步态、马蹄足步态、短腿步态、偏瘫步态、环形步态、脊髓痨步态、神经性步态、剪刀步态和帕金森症步态。
所述步行辅助方法还可包括显示所述多个异常步态类型。
所述多个异常步态类型可被显示在步行辅助设备和步行辅助设备的外部设备中的至少一个上。
所述外部设备可以是电子设备和被配置为控制步行辅助设备的远程控制器中的至少一个，电子设备可被配置为与步行辅助设备和远程控制器进行通信。
所述步行辅助方法还可包括：存储与所述多个异常步态类型的每个辅助转矩配置相应的转矩参数。
所述存储的步骤可包括：针对所述多个异常步态类型中的每个异常步态类型而计算映射到用户的每个关节的第一转矩和将由步行辅助设备产生的用于辅助用户的步态的第二转矩；基于第一转矩和第二转矩产生步态运动；基于步态运动计算目标函数；基于所述计算的结果产生转矩参数。
所述产生步态运动的步骤可包括：对第一转矩和第二转矩执行正向动力学计算；基于正向动力学计算的结果产生步态运动。
其它的示例实施例涉及一种步行辅助设备。
在一些示例实施例中，所述步行辅助设备可包括：驱动器，被配置为辅助用户的步态；控制器，被配置为接收从多个异常步态类型中选择的至少一个异常步态类型并基于所述至少一个异常步态类型不同地控制驱动器。
控制器可被配置为基于所述至少一个异常步态类型产生辅助转矩配置，驱动器可被配置为基于辅助转矩配置控制步行辅助设备，并且辅助转矩配置可包括用于控制步行辅助设备的至少一个转矩参数。
当所述至少一个异常步态类型包括第一异常步态类型和第二异常步态类型时，控制器可被配置为基于与第一异常步态类型的第一辅助转矩配置相应的第一转矩参数和与第二异常步态类型的第二辅助转矩配置相应的第二转矩参数产生辅助转矩配置。
控制器可被配置为通过组合第一转矩参数和第二转矩参数来产生辅助转矩配置。
控制器可被配置为通过基于权重将第一转矩参数和第二转矩参数相加来产生辅助转矩配置。
所述至少一个异常步态类型可包括以下各项中的至少一项：蹲伏步态、跨阈步态、防痛步态、共济失调步态、慌张步态、跳跃步态、蹒跚步态、马蹄足步态、短腿步态、偏瘫步态、环形步态、脊髓痨步态、神经性步态、剪刀步态和帕金森症步态。
所述至少一个异常步态类型可被显示在显示器上。
所述显示器可被包括在步行辅助设备和步行辅助设备的外部设备中的至少一个中。
所述外部设备可以是电子设备和被配置为控制步行辅助设备的远程控制器中的至少一个，所述电子设备可被配置为与步行辅助设备和远程控制器中的至少一个进行通信。
步行辅助设备还可包括：存储器，被配置为存储与所述多个异常步态类型的每个辅助转矩配置相应的转矩参数。
转矩参数可通过基于使用第一转矩和第二转矩而产生的步态运动计算目标函数来产生，其中，第一转矩针对所述多个异常步态类型中的每个而映射到用户的每个关节，第二转矩将由步行辅助设备产生。
其它的示例实施例涉及一种步行辅助系统。
在一些示例实施例中，所述步行辅助系统可包括：步行辅助设备；远程控制器，被配置为控制步行辅助设备。
其它的示例实施例涉及一种步行辅助系统。
在一些示例实施例中，所述步行辅助系统可包括：步行辅助设备；参数产生设备，被配置为基于针对所述多个异常步态类型中的每个异常不同类型而映射到用户的每个关节的第一转矩和将由步行辅助设备产生的第二转矩产生步态运动；基于步态运动计算目标函数；基于所述计算的结果产生与所述异常步态类型的每个辅助转矩配置相应的转矩参数。
一些示例实施例涉及一种步行辅助设备。
在一些示例实施例中，所述步行辅助设备包括：支撑体，被配置为支撑用户的身体的至少一部分；驱动器，被配置为产生用于移动支撑体的力以辅助用户的运动；控制器，包括处理器，被配置为基于与用户的步态相关联的异常来控制驱动器。
在一些示例实施例中，所述异常是多个异常中的一个异常，并且控制器被配置为控制驱动器以使驱动器基于辅助转矩配置被驱动，所述辅助转矩配置取决于所述多个异常中的哪个与用户相关联。
在一些示例实施例中，控制器被配置为通过接收来自于用户指示其的输入来确定所述多个异常中的哪个与同一用户相关联。
在一些示例实施例中，控制器被配置为基于接收到的与用户的步态相关联的异常相应的转矩参数来产生辅助转矩配置。
在一些示例实施例中，转矩参数至少包括施加到用户身体的最大转矩和与所述最大转矩的开始相关联的时间。
示例实施例的其它的方面将部分地在以下描述中被阐述，部分将通过所述描述变得清楚，或者可通过本公开的实践而被获知。
附图说明
从以下结合附图对示例性实施例进行的描述，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，在附图中：
图1是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助系统的示例的框图；
图2是示出图1的步行辅助设备的框图；
图3是穿戴图1的步行辅助设备的目标身体的前视图；
图4是穿戴图1的步行辅助设备的目标身体的侧视图；
图5示出根据至少一个示例实施例的在显示器上显示异常步态类型的示例；
图6是示出根据至少一个示例实施例的包括在辅助转矩配置(profile)中的转矩参数的曲线图；
图7示出根据至少一个示例实施例的应用于腿部的与用户的步子相应的辅助转矩配置的示例；
图8是示出图1的参数产生设备的框图；
图9示出在根据至少一个示例实施例的仿真中使用的仿真模型的示例；
图10是示出根据至少一个示例实施例的参数产生设备的操作方法的示图；
图11是示出根据至少一个示例实施例的参数产生设备的动态优化处理的流程图；
图12A和图12B示出根据至少一个示例实施例的通过优化处理的与异常步态类型相应的目标函数值的示例；
图13A和图13B示出根据至少一个示例实施例的通过优化过程产生的与异常步态类型相应的辅助转矩配置和优化控制参数的示例；
图14是示出操作图1的步行辅助设备的操作方法的流程图；
图15是示出根据至少一个示例实施例的产生辅助转矩配置的方法的流程图；
图16是示出根据至少一个示例实施例的另一步行辅助系统的框图；
图17是示出根据至少一个示例实施例的另一步行辅助系统的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述一些示例实施例。关于被分配给附图中的元件的参考标号，应该注意的是，无论何时，相同的参考标号将指代相同的元件(即使这些元件在不同的附图中被示出)。此外，在实施例的描述中，当公知的相关结构或功能的具体描述被视为将导致本公开的模糊解释时，这些描述将被省略。
然而，应该理解，不意图将本公开限制于所公开的特定示例实施例。与此相反，示例实施例将覆盖落入这些示例实施例范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同的标号指示相同的元件。
此外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语可在这里使用以描述组件。这些术语中的每个不用于限定相应组件的本质、次序或顺序，而仅用于将这些相应组件与其它组件区分。应该注意，如果在说明书中描述一个组件被“连接”、“耦合”或“结合”到另一组件，则虽然第一组件可能被直接连接、耦合或结合到第二组件，但是第三组件可被“连接”、“结合”和“链接”在第一组件和和二组件之间。
空间相关的术语(诸如“在…之下”、“在…下面”、“下面的”、“在……下”、“在…上面”、“上面的”等)可在这里被使用，以便于说明书描述在附图中示出的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。将理解，空间相关的术语意图包含除了在附图中描述的方向之外的装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果在附图中的装置被翻转，则描述为在其它元件或特征下面或之下的元件可被朝向其它元件或特征的上面。因此，示例术语“在…下面”和“在……下”可包含上面和下面的两个方向。装置可被另外朝向(旋转90度或朝向其它方向)并因此解释了这里使用的空间相关的描述符。此外，当元件被称为在两个元件“之间”时，该元件可以是这两个元件之间的仅有元件，或者可存在一个或多个其它中间元件。
在这里使用的术语仅为了描述具体实施例的目的而并非意图限制。如在这里使用的，除非上下文明确地另有指示，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解，当在这里使用术语“包括”和/或“包含”时，说明存在阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。当诸如“……中的至少一个”的表述在一列元素之后时，所述表述修饰整列元素，而不是修饰该列的单个元素。此外，术语“示例性”意图表示示例或说明。
除非另有定义，否则这里使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)具有如示例实施例所属的领域的普通技术人员的通常理解的含义相同的含义。除非在这里明确地定义，否则术语(诸如在通用字典中定义的术语)应该被解释为具有与它们在相关领域和/或本公开的上下文中的含义一致的含义，而不应被解释为理想化或过于正式的意义。
还应注意，在一些可选实施中，提及的功能/动作可不按图中提到的顺序发生。例如，根据涉及的功能/作用，相继示出的两幅图实际可以实质上同时被执行或有时可以以相反的顺序被执行。
可参考可结合以下更详细地讨论的单元和/或装置被实施的操作的动作和符号表示(例如，以流程表、流程图、数据流图、结构图、框图等的形式)来描述示例实施例。虽然以特定方式讨论，但是在具体框中指定的功能或操作可以以与在流程表、流程图等中指定的流程不同的方式被执行。例如，被示出为在两个连续框中依次执行的功能或操作可实际上同时被执行，或者在一些情况下以相反的顺序被执行。
根据一个或多个示例实施例的单元和/或装置可使用硬件、软件和/或它们的组合来实施。例如，硬件装置可通过使用处理电路(诸如，处理器，中央处理单元(CPU)、控制器、运算逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、可编程逻辑单元、微处理器或能够以限定的方式响应并执行指令的其它装置)来实施，但不限于此。
软件可包括用于独立地或共同地指示和/或配置硬件装置以如所期望的进行操作的计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合。计算机程序和/或程序代码可包括能够通过一个或多个硬件装置(诸如以上提到的一个或多个硬件装置)实施的程序或计算机可读指令、软件组件、软件模块、数据文件、数据结构等。程序代码的示例包括由编译器产生的机器码和使用解释器执行的更高级程序代码两者。
例如，当硬件装置是计算机处理装置(例如，处理器、中央处理单元(CPU)、控制器、运算逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、微处理器等)时，计算机处理装置可被配置为根据程序代码通过执行算术、逻辑和输入/输出操作来执行程序代码。一旦程序代码被装载到计算机处理装置中，则计算机处理装置可被编程以执行程序代码，从而使计算机处理装置转变为专用计算机处理装置。在更具体的示例中，当程序代码被装载到处理器中时，该处理器变成编程的以执行程序代码和与程序代码相应的操作，从而该处理器转变为专用处理器。
软件和/或数据可在能够将指令或数据提供给硬件装置或由硬件装置解释的任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备、计算机存储介质或装置中被永久地或临时地实现。软件也可被分布在联网的计算机系统上，使得软件按照分布式方式被存储并被执行。例如，特别地，软件和数据可由包括这里讨论的有形的或非暂时性的计算机可读存储介质的一个或多个计算机可读记录介质进行存储。
根据一个或多个示例实施例，计算机处理装置可被描述为包括执行各种操作和/或功能的各种功能单元，以增加描述的清晰度。然而，计算机处理装置不意在限制于这些功能单元。例如，在一个或多个示例实施例中，功能单元的各种操作和/或功能可被其它功能单元执行。此外，计算机处理装置可不将计算机处理单元的操作和/或功能细分为所述各种功能单元来执行所述各种功能单元的操作和/或功能。
根据一个或多个示例实施例的单元和/或装置还可包括一个或多个存储装置。一个或多个存储装置可以是有形的或非暂时性的计算机可读存储介质(诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、永久大容量存储装置(诸如磁盘驱动器)、固态(例如，NAND闪存)装置和/或能够存储和记录数据的任何其它类似的数据存储机件。一个或多个存储装置可被配置为存储用于一个或多个操作系统和/或用于实施这里描述的示例实施例的计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合。计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合还可使用驱动机件从独立的计算机可读存储介质被加载到一个或多个存储装置中和/或一个或多个计算机处理装置中。这种独立的计算机可读存储介质可包括通用串行总线(USB)闪存驱动器、存储棒、蓝光/DVD/CD-ROM驱动器、存储卡和/或其它类似的计算机可读存储介质。计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合可通过网络接口从远程数据存储装置被加载到一个或多个存储装置中和/或一个或多个计算机处理装置中，而不是通过本地计算机可读存储介质。此外，计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合可通过网络从被配置为传输和/或分布这些计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合的远程计算系统被加载到一个或多个存储装置中和/或一个或多个处理器中。远程计算系统可通过有线接口、空中接口和/或任何其它类似介质传输和/或分布这些计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合。
所述一个或多个硬件装置、所述一个或多个存储装置和/或所述计算机程序、程序代码、指令或它们的一些组合可针对示例实施例的目的被专门设计和构造，或者它们可以是针对示例实施例的目的而改变和/或修改的已知的装置。
诸如计算机处理装置的硬件装置可运行操作系统(OS)和运行在OS上的一个或多个软件应用。计算机处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操控、处理和创建数据。为了简单起见，一个或多个示例实施例可被举例为一个计算机处理装置；然而，本领域技术人员将理解，硬件装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，硬件装置可包括多个处理器或包括处理器和控制器。此外，其它的处理配置是可行的(诸如，并行处理器)。
现在将参照附图更充分地描述各种示例实施例，其中，一些示例实施例在附图中示出。在附图中，为了简明起见，夸大了层和区域的厚度。
图1是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助系统10的框图。
参照图1，步行辅助系统10可包括步行辅助设备100和参数产生设备200。在本公开中，术语“步行(walking)”可与术语“步态(gait)”互换地使用。
步行辅助设备100可被目标身体(例如，用户)穿戴以在锻炼和/或步行期间辅助用户。例如，目标身体可以是人、动物和机器人，然而，目标身体的示例不限于此。
步行辅助设备100可辅助例如手、上臂、下臂和用户的上半身的其它部分的步态和/或运动。可选地，步行辅助设备100可辅助例如脚、小腿、大腿和用户的下半身的其它部分的步态和/或运动。因此，步行辅助设备100可辅助用户的部分的步态和/或运动。
步行辅助设备100可接收从多个异常步态类型中选择的至少一个异常步态类型(例如，病态步态类型)。响应于所述接收，步行辅助设备100可基于所述至少一个异常步态被不同地控制。作为示例，步行辅助设备100可选择与用户的输入相应的至少一个异常步态类型并基于与所述至少一个异常步态类型相应的辅助转矩配置来辅助用户的步态。因此，步行辅助设备100可在不使用用于感测关节运动的传感器的情况下有效地辅助各种类型的异常步态。
异常步态可表示当正常步态方式因例如局部损伤、虚弱、灵活性损失、病痛、不良习惯和神经或肌肉损伤引起的功能性障碍而受损时步态发展到持续异常或病态的步态模式的步态。例如，异常步态可表示病态的步态模式。在本公开中，术语“异常”可与术语“病态”互换地使用。
在示例中，所述至少一个异常步态类型可包括蹲伏步态(crouch gait)或膝反屈步态(genu recurvatum gait)、跨阈步态(steppage gait)或垂足步态(footdrop gait)、防痛步态(antalgic gait)、共济失调步态(ataxic gait)、慌张步态(festinating gait)、跳跃步态(vaulting gait)、蹒跚步态(lurching gait)、马蹄足步态(equines gait)、短腿步态(short leg gait)、偏瘫步态(hemiplegic gait)、环形步态(circumduction gait)、脊髓痨步态(tabetic gait)、神经性步态(neurogenic gait)、剪刀步态(scissoringgait)和帕金森症步态(Parkinsonian gait)中的至少一个。蹒跚步态可表示任何形式的摇晃步态(staggering gait)并包括例如鸭步态(waddling gait)、臀大肌步态(gluteusmaximus gait)和特伦德伦堡步态(trendelenburg gait)。鸭步态可表示特征在于从一边向另一边摇摆的步态。臀大肌步态可表示胸向后弯以保持髋部伸展以及步行时躯干运动经常被突然夸大的步态。特伦德伦堡步态可表示当使用虚弱的下肢站在地面上时通过将胸部向虚弱的腿倾斜来保持重心并防止虚弱一侧的骨盆下垂而执行的步态。
蹲伏步态可表示以弓起髋部、膝盖和脚踝的所有关节以克服步态不稳的姿势来执行的步态。跨阈步态可表示脚趾弯向地面而脚面落在地面上的步态。防痛步态可表示用于避免对于疼痛部分的痛感的步态。共济失调步态可表示以不均匀的步伐、双脚之间空间宽阔、抖动的身体和呈现醉态的不稳定步子为特征的步态。慌张步态可表示以僵硬的手臂、躯干向前弯曲、短站姿和好像不会停止的加速的步子执行的步态。跳跃步态可表示当膝关节不能伸展时使用未受影响的一侧(例如，未麻痹的一侧)的腿代替受影响的一侧(例如，麻痹的一侧)的腿。马蹄足步态可表示当脚跟未接触地面时使用脚尖执行的步态。偏瘫步态可表示由于僵硬而整个身体轻微向受影响的一侧倾斜、受影响一侧的上臂的摆动没有知觉、受影响一侧的肩膀下沉以及下肢出现原始弯曲的形式的步态。环形步态可表示由于弯曲膝盖困难而导致的整条腿摆动的步态。剪刀步态可表示以蹲姿在双腿轻微向内弯的状态下通过双腿或两个膝盖相互交叉或擦蹭执行的步态。帕金森症步态可表示好像以前屈姿势在地面上拖动脚掌来执行的步态。
参数产生设备200可产生与多个异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。参数产生设备200可产生应用异常步态的独有的特点的转矩参数。还将参考图8至图13来提供关于参数产生设备200的描述。
步行辅助设备100可存储在参数产生设备200中产生的与多个异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。
虽然图1将参数产生设备200布置在步行辅助设备100的外部示出为示例，但是本公开不限于此。例如，根据示例，参数产生设备200还可被包括在步行辅助设备100中。
图2是示出图1的步行辅助设备100的框图。图3是穿戴图1的步行辅助设备100的目标身体的前视图。图4是穿戴图1的步行辅助设备100的目标身体的侧视图。
参照图1至图4，步行辅助设备100可包括显示器110、控制器120和驱动器130。步行辅助设备100还可包括固定构件140、力传递构件150和支撑构件160。
虽然图3和图4示出步行辅助设备100(例如，在用户300的大腿上操作的髋部类型的步行辅助设备)，但是步行辅助设备100的类型不限于此。例如，在一些示例实施例中，步行辅助设备100可被应用于例如支撑整个下肢的步行辅助设备、支撑部分下肢的步行辅助设备等。支撑部分下肢的步行辅助设备可被应用于例如支撑到膝盖上的步行辅助设备和支撑到脚踝上的步行辅助设备。
显示器110可显示将被用户300查看的多个异常步态类型。例如，用户300可从显示的异常步态类型中选择用户300的步态类型。
作为示例，异常步态类型可如图5所示被显示在显示器110上。在这个示例中，在显示器110上显示的步态类型可包括正常步态类型。
显示器110可被实施为例如触摸屏幕、液晶显示器(LCD)、薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器、有源矩阵OLED(AMOLED)显示器和柔性显示器。
控制器120可包括存储器125和处理器(未示出)。
存储器可以是被配置为存储程序代码的非暂时性计算机可读存储介质，所述程序代码当被处理器执行时，将处理器配置为专用目的的计算机，以响应于用户300的输入而确定多个异常步态类型中的至少一个异常步态类型、基于与确定的异常步态类型相应的转矩参数来产生辅助转矩配置并且基于辅助转矩配置来控制驱动器130输出辅助转矩。因此，控制器120可在不使用用于感测关节运动的传感器的情况下通过有效地辅助各种类型的异常步态来改善步行辅助设备100自身的功能。
虽然图2将存储器125被包括在控制器120中示出为示例，但是存储器125还可被布置在控制器120的外部。
存储器125可存储与多个异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。转矩参数可对应于异常步态类型的每个异常步态类型的转矩配置。在一些示例实施例中，存储在存储器125中的转矩参数可以是例如在参数产生设备200中产生的转矩参数。
控制器120可控制步行辅助设备100的总体操作。例如，控制器120可控制驱动器130输出驱动力以辅助用户300的步态。例如，驱动力可以是辅助转矩。
控制器120可响应于用户300的输入而从多个异常步态类型中选择至少一个异常步态类型，并产生辅助转矩配置，从而使辅助转矩配置对应于多个异常步态类型中的选择的异常步态类型。例如，控制器120可基于与在存储器125中存储的所述至少一个类型相应的转矩参数来产生所述至少一个类型的辅助转矩配置。辅助转矩配置可包括用于控制步行辅助设备100的至少一个转矩参数。
当所述至少一个异常步态类型包括第一异常步态类型和第二异常步态类型时，控制器120可基于所述至少一个异常步态类型而使用与第一异常步态类型的第一辅助转矩配置相应的第一转矩参数和与第二异常步态类型的第二辅助转矩配置相应的第二转矩参数，来产生辅助转矩配置。
作为示例，控制器120可通过组合第一转矩参数和第二转矩参数来产生辅助转矩配置。
作为另一示例，控制器120可通过基于权重将第一转矩参数和第二转矩参数相加，来产生辅助转矩配置。例如，第一异常步态类型和第二异常步态类型的权重可基于在用户300的步态类型中表示的第一异常步态类型和第二异常步态类型之间的比率而被确定。
驱动器130可被布置在用户300的左髋部部分和右髋部部分中的每个部分上，以驱动用户300的两侧髋关节。
驱动器130可基于在控制器120中产生的辅助转矩配置而产生力来辅助用户300的步态。
固定构件140可附着于部分(例如，用户300的腰)上。固定构件140可与用户300的外表面的至少一部分接触。固定构件140可沿着用户300的外表面进行覆盖。
力传递构件150可被布置在驱动器130和支撑构件160之间以连接驱动器130和支撑构件160。力传递构件150可将从驱动器130接收的驱动力传输至支撑构件160。作为示例，力传递构件150可以是诸如以下的纵向构件：例如，金属线、线缆、细绳、橡皮筋、弹簧、带子和链。
支撑构件160可支撑目标部分(例如，用户300的大腿)。支撑构件160可被布置为覆盖用户300的至少一部分。支撑构件160可使用从力传递构件150接收的驱动力向用户300的目标部分施加力。在一些示例实施例中，支撑构件160可包括被配置为附着于部分(例如，用户300的大腿)上的带子。
图6是示出根据至少一个示例实施例的包括在辅助转矩配置中的转矩参数的曲线图。图7示出根据至少一个示例实施例的应用于腿部的与用户的步子相应的辅助转矩配置的示例。
参照图6和图7，转矩参数1start、dascd、lpeak、τpeak、dpeak和ddsed可被包括在与异常步态类型相应的辅助转矩配置τassist中。
1start表示应用辅助转矩配置的时间点。dascd表示辅助转矩配置达到峰值所占用的时间段。lpeak表示辅助转矩配置达到峰值的时间点。τpeak表示与辅助转矩配置达到峰值的时间点相应的转矩量。dpeak表示辅助转矩配置在达到峰值之后保持的持续时间。ddsed表示辅助转矩配置在达到峰值之后减小的持续时间。
因此，控制器120可基于转矩参数1start、dascd、lpeak、τpeak、dpeak和ddsed产生与异常步态类型相应的辅助转矩配置τassist。
在图7中，将基于通过用户300的腿部的步子而应用于腿部的辅助转矩配置的示例来提供描述。
状态S1可表示左腿踩在地面上的同时右腿在摆动后快要落地的状态。当在状态S1中左腿和右腿相互交叉时，状态可从状态S1变换到状态S2。
状态S2可表示右腿踩在地面上的同时左腿摆动的状态。当在状态S2中左腿的摆动结束时，状态可从状态S2变换到状态S3。
状态S3可表示右腿踩在地面上的同时左腿在摆动后快要落地的状态。当在状态S3中左腿和右腿相互交叉时，状态可从状态S3变换到状态S4。
状态S4可表示左腿踩在地面上的同时右腿摆动的状态。
左步ST2可响应于从状态S2到状态S3的变换而发生。右步ST1或ST3可响应于从状态S4到状态S1的变换而发生。
如图7所示，控制器120可基于每次右步ST1、左步ST2和右步ST3中的每个开始时的步循环而产生辅助转矩配置τassist以辅助摆动的腿和支撑的腿。此外，控制器120可将辅助转矩配置τassist输出至驱动器130以辅助用户300的步态。
在下文中，将参考以下描述解释用于产生与多个异常步态类型的辅助转矩参数相应的转矩参数的方法和/或设备。
图8是示出根据至少一个示例实施例的图1的参数产生设备的框图。图9示出在根据至少一个示例实施例的仿真中使用的仿真模型的示例。图10是示出根据至少一个示例实施例的参数产生设备的操作方法的示图。
参照图8至图10，参数产生设备200可使用仿真模型来产生与多个异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。例如，仿真模型可如图9所示被提供。与用户300相应的仿真人体模型910可包括主下肢肌肉模型，仿真设备模型930可对应于步行辅助设备100。
参数产生设备200可包括步态控制器210、步态辅助控制器230和仿真器250。
步态控制器210可基于第一控制参数Shuman计算针对每个异常步态类型的映射到用户的每个关节的第一转矩τ。第一转矩τ可被映射到用户模型910的每个关节。
第一控制参数Shuman可包括关于肌肉力控制和步态姿态控制的步态控制变量。第一控制参数Shuman可以是被优化以计算针对每个异常步态类型的适合于用户的每个关节的第一转矩τ的控制参数。
在这个示例中，第一转矩τ可包括由肌腱单元(MTU)驱动的转矩τm和由非MTU驱动的转矩τn。
步态控制器210可产生应用与每个异常步态类型相应的肌肉特征的转矩τm。
作为示例，在操作1010，步态控制器210可激活肌肉(例如，仿真人体模型910的主下肢肌肉)。在操作1020，步态控制器210可计算当激活的主下肢肌肉收缩时将由MTU产生的力Fm。例如，力Fm可以是MTU力。在操作1030，步态控制器210可基于考虑与多个异常步态类型相应的肌肉特征的比率α而减小力Fm。比率α可以是针对每个异常步态类型的步态条件(例如，肌肉特征)的比率。步态控制器210可基于减小的力αFm而产生映射到例如臀部、膝盖和脚踝的每个关节的转矩τm。
步态辅助控制器230可基于第二控制参数Swad而计算针对每个异常步态类型的将由步行辅助设备100产生的第二转矩τassist。第二转矩τassist可映射到由仿真设备模型930产生的每个转矩。
第二控制参数Swad可以是被优化以计算针对每个异常步态类型的将由步行辅助设备100产生的第二转矩τassist的控制参数。
仿真器250可基于第一转矩τ和第二转矩τassist产生与每个异常步态类型相应的步态运动。例如，仿真器250可如等式1所示对第一转矩τ和第二转矩τassist执行正向动力学计算(forward dynamics computation)。
[等式1]
Figure BDA0002833719230000151
M(q)：质量矩阵
Figure BDA0002833719230000152
科里奥利离心和重力项
Jc T,Fc：Jacobian接触，针对脚-地相互作用的力
Ja T,Fa：Jacobian接触，针对填充-人相互作用的力
仿真器250可基于正向动力学计算结果而产生步态运动。正向动力学计算结果可包括穿戴仿真设备模型930的仿真人体模型910的每个关节的关节角度、速度和加速度值。作为示例，仿真器250可基于每个关节的关节角度、速度和加速度值产生从仿真开始时间(例如，步态运动的开始时间)到仿真终止时间(例如，步态运动的终止时间)的步态运动。简要地说，当执行仿真时，仿真器250可基于每个关节的轨迹产生步态运动。通过这样，仿真器250可产生与每个异常步态类型相应的步态运动。
仿真器250可基于步态运动计算目标函数。目标函数可基于等式2计算。在等式2中，目标函数可以是优化的目标函数。
[等式2]
Figure BDA0002833719230000153
Jenergy＝wmJm+wtJt
Jstyle＝wsJs+woJo
Jstyle＝wfJf+wrJr+wpJp
目标函数可包括步态能量损耗Jenergy、步态类别误差Jstyle和步态平衡Jbalance。
Jm表示MTU的代谢能量消耗(metabolic energy expenditure)。Jt表示非MTU的转矩损耗。Js表示参考步行速度。Jo表示参考步行方向。
Jf表示跌倒补偿(fall over penalty)，Jr表示指示步态规律性的步行规律指数，Jp表示躯干姿态角(torso pose angle)，w表示权重因数。例如，步态平衡可包括指示步态对称性和步态规律性的步幅时间变化系数变量(CV)指数和上身弯曲的姿态程度。此外，当仿真人体模型910倒下时，仿真器250可应用补偿率(例如，跌倒补偿)。通过这样，仿真器250可产生步态姿态(例如，用于防止仿真人体模型910跌倒的步态运动)。
仿真器250可基于目标函数计算结果来确定与异常步态类型的每个辅助转矩配置相应的转矩参数。在这个示例中，仿真器250可执行动态优化处理以增加穿戴仿真设备模型930的仿真人体模型910的步态性能指数。仿真器250可通过贯穿动态优化处理来调整控制参数(例如，第一控制参数Shuman和第二控制参数Swad)来重复执行仿真。
仿真器250可将在目标函数计算结果满足收敛条件的仿真中使用的控制参数(例如，第一控制参数Shuman和第二控制参数Swad)确定为优化控制参数。在示例中，仿真器250可确定优化控制参数(例如，包括在由步行辅助设备100产生的第二转矩τassist中的第二控制参数Swad)。
当前一仿真和当前仿真之间的目标函数值的差异小于或等于期望(或者，可选地，预定)值时，可满足收敛条件。期望(或者，可选地，预定)值可实验性地设置。
仿真器250可通过动态优化处理产生针对每个异常步态类型而确定的优化控制参数，作为与异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。
优化控制参数可如表1所表示的被提供。此外，优化控制参数可被存储在步行辅助设备100的存储器125中，作为与异常步态类型中的每个异常步态类型的辅助转矩配置相应的转矩参数。
[表1]
Figure BDA0002833719230000161
Figure BDA0002833719230000171
因此，参数产生设备200可通过使用基于考虑用户和步行辅助设备100之间的相互作用的动态仿真的虚拟步态训练模型，来建立将被用作用于各种类型的异常步态的指导的转矩参数数据集。基于转矩参数数据集，步行辅助设备100可执行步态辅助以防止由于用户300的异常步态导致的安全事故。
图11是示出根据至少一个示例实施例的参数产生设备的动态优化处理的流程图。图12A和图12B示出根据至少一个示例实施例的通过优化处理的与异常步态类型相应的目标函数值的示例。图13A和图13B示出根据至少一个示例实施例的通过优化处理产生的与异常步态类型相应的辅助转矩配置和优化控制参数的示例。
参照图11至图13B，在操作1110，第一控制参数Shuman可被输入到步态控制器210并且第二控制参数Swad可被输入到步态辅助控制器230。当仿真开始时，仿真器250可任意地确定控制参数(例如，第一控制参数Shuman和第二控制参数Swad)。
在操作1120，步态控制器210可基于第一控制参数Shuman计算针对多个异常步态类型中的每个异常步态类型的映射到用户的每个关节的第一转矩τ，步态辅助控制器230可基于第二控制参数Swad计算针对每个异常步态类型的将由步行辅助设备100产生的第二转矩τassist。
在操作1130，仿真器250可基于等式1对第一转矩τ和第二转矩τassist执行正向动力学计算。
在操作1140，基于正向动力学计算的结果，仿真器250可产生用于从仿真开始时间(例如，步态运动的开始时间)到仿真终止时间(例如，步态运动的终止时间)的时间段的步态运动。
在操作1150，基于步态运动，仿真器250可使用等式2计算目标函数。在操作1160，仿真器250可验证目标函数的结果是否满足收敛条件。
当不满足收敛条件时，在操作1170，仿真器250可校正控制参数。随后，参数产生设备200可基于校正后的控制参数执行操作1110至操作1160。简要地说，参数产生设备200可重复地执行操作1110至操作1170，直至满足收敛条件。
当满足收敛条件时，仿真器250可终止仿真。仿真器250可将在目标函数的计算结果满足收敛条件的仿真中使用的控制参数(例如，第二控制参数Swad)确定为包括在将由步行辅助设备100产生的第二转矩τassist中的优化控制参数。
参照图12A和图12B，当与正常步态比较时，异常步态可被以不稳定的姿态执行并且在能量损耗方面是效率低下的。作为仿真的结果，在蹲伏步态的情况下，通过姿态校正可显著提高稳定性，且在垂足步态的情况下，可显著减小能量损耗。
参照图13A和图13B，异常步态(例如，垂足步态和蹲伏步态)可能需要使用与正常步态不同的辅助转矩配置的指导。
图14是示出图1的步行辅助设备100的操作方法的流程图。图15是示出根据至少一个示例实施例的产生辅助转矩配置的方法的流程图。
参照图14和图15，在操作1410，控制器120可从多个异常步态类型(例如，病态类型)中选择与用户输入相应的至少一个异常步态类型。
在操作1430，控制器120可产生与所述至少一个异常步态类型相应的辅助转矩配置。在这个示例中，所述至少一个类型可包括第一异常步态类型和第二异常步态类型。在操作1510，控制器120可在存储器125搜寻与第一异常步态类型的第一辅助转矩配置相应的第一转矩参数。在操作1530，控制器120可在存储器125搜寻与第二异常步态类型的第二辅助转矩配置相应的第二转矩参数。在操作1550，控制器120可基于第一转矩参数和第二转矩参数产生辅助转矩配置。
在操作1450，驱动器130可基于辅助转矩配置辅助用户300的步态。
图16是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助系统1600的框图。
参照图16，步行辅助系统1600可包括步行辅助设备100和远程控制器1610。
远程控制器1610可响应于用户输入而控制步行辅助设备100的整体操作。例如，远程控制器1610可初始化和挂起步行辅助设备100的操作。此外，远程控制器1610可控制辅助转矩配置的输出以控制步行辅助设备100对用户300执行的步态辅助。
远程控制器1610可包括显示器1630。例如，显示器1630可被实施为触摸屏、LCD、TFT-LCD、LED显示器、OLED显示器、AMOLED显示器和柔性显示器。
显示器1630可显示将由用户300查看的异常步态类型。例如，用户300可从显示在显示器1630上的异常步态类型中选择用户300的步态类型。
此外，远程控制器1610可通过显示器1630向用户300提供与操控步行辅助设备100的功能相应的用户界面(UI)和/或菜单。
显示器1630可在远程控制器1610的控制下显示将由用户300查看的步行辅助设备100的操作状态。
图17是示出根据至少一个示例实施例的步行辅助系统1700的框图。
参照图17，步行辅助系统1700可包括步行辅助设备100和远程控制器1710以及电子设备1730。
远程控制器1710的配置和操作可实质上与图16中的远程控制器1610的配置和操作相同。
电子设备1730可与步行辅助设备100和/或远程控制器1710相互通信。电子设备1730可包括显示器1750。例如，显示器1750可被实施为触摸屏、LCD、TFT-LCD、LED显示器、OLED显示器、AMOLED显示器和柔性显示器。
显示器1750可显示将由用户300查看的异常步态类型。例如，用户300可从显示在显示器1750上的异常步态类型中选择用户300的步态类型。
此外，电子设备1730可通过显示器1750向用户300提供与操控步行辅助设备100的功能相应的UI和/或菜单。
显示器1750可显示将由用户300查看的步行辅助设备100的操作状态。
可使用硬件组件和软件组件来实现这里所描述的单元和/或模块。例如，硬件组件可包括麦克风、放大器、带通滤波器、模数转换器和处理装置。可使用一个或多个被配置为通过执行算术、逻辑和输入/输出操作来执行和/或运行程序代码的硬件装置来实现处理装置。处理装置可包括处理器、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微型处理器或能够以限定的方式响应并执行指令的任何其它装置。处理装置可运行操作系统(OS)以及运行在OS上的一个或多个软件应用。处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操控、处理和创建数据。为了简单起见，使用单数来描述处理装置。然而，本领域技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或包括处理器和控制器。此外，不同的处理配置是可行的(诸如，并行处理器)。
软件可包括用于独立地或共同地指示和/或配置处理装置以如所期望的进行操作的计算机程序、代码段、指令或它们的一些组合，从而使处理装置转变为专用处理器。软件和数据可在任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备、计算机存储介质或装置中、或在能够将指令或数据提供给处理装置或由处理装置解释的传播信号波中被永久地或临时地实现。软件也可被分布在联网的计算机系统上，使得软件按照分布式方式被存储并被执行。软件和数据可由一个或多个非暂时性计算机可读记录介质进行存储。
根据上述示例实施例的方法可被记录在包括程序指令以实施上述示例实施例的各种操作的非暂时性计算机可读介质中。所述介质还可包括单独的或与所述程序指令组合的数据文件、数据结构等。记录在介质上的程序指令可以是针对示例实施例的目的专门设计并构建的，或者它们可以是对在计算机软件领域的技术人员是已知并可用的类型。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁介质(诸如硬盘、软盘和磁带)、光学介质(诸如CD-ROM盘、DVD和/或蓝光盘)、磁光介质(诸如光盘)和专门被配置用于存储并执行程序指令的硬件装置(诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存(例如，USB闪存驱动器、存储卡、存储棒等)等。程序指令的示例包括机器代码(诸如由编译器产生的机器代码)和包含可由计算机使用解释器来执行的更高级代码的文件。上述装置可被配置为充当一个或多个软件模块，以便执行上述示例实施例的操作，或者反之亦然。
以上已经描述了多个示例实施例。然而，应该理解，可以对这些示例实施例做出各种改变。例如，如果以不同的顺序执行所描述的技术和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式组合和/或被其他组件或其等同物替换或补充，则可得到合适的结果。因此，其它实现在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种步行辅助方法，包括如下步骤：
接收从用户可选择的多个异常步态类型中选择至少一个异常步态类型的信息；
从存储有与所述多个异常步态类型中的各个异常步态类型相关联的转矩参数的存储器，获取转矩参数中的与选择的所述至少一个异常步态类型的信息相关联的至少一个转矩参数，以及
基于所述至少一个转矩参数控制步行辅助设备的驱动器，使得所述步行辅助设备补偿功能性障碍，
其中，存储在存储器中的转矩参数基于第一转矩和第二转矩而产生，第一转矩是对于所述多个异常步态类型中的每一个的映射到人的每个关节的转矩，第二转矩是由所述步行辅助设备产生的转矩。
2.根据权利要求1所述的步行辅助方法，其中，控制的步骤包括：
基于所述至少一个异常步态类型生成辅助转矩配置，所述辅助转矩配置包括至少一个转矩参数。
3.根据权利要求2所述的步行辅助方法，生成的步骤包括：
基于第一转矩参数和第二转矩参数生成辅助转矩配置，所述第一转矩参数对应于所述至少一种异常步态类型中的第一异常步态类型，并且所述第二转矩参数对应于所述至少一种异常步态类型中的第二异常步态类型。
4.根据权利要求3所述的步行辅助方法，其中，基于第一转矩参数和第二转矩参数生成辅助转矩配置的步骤包括：
组合第一转矩参数和第二转矩参数来生成辅助转矩配置。
5.根据权利要求3所述的步行辅助方法，其中，基于第一转矩参数和第二转矩参数生成辅助转矩配置的步骤包括：
基于权重将第一转矩参数和第二转矩参数相加，来生成辅助转矩配置。
6.根据权利要求1所述的步行辅助方法，其中，所述至少一种异常步态类型包括以下各种步态中的至少一种步态：
蹲伏步态、跨阈步态、防痛步态、共济失调步态类型、慌张步态、跳跃步态、蹒跚步态、马蹄足步态、短腿步态、偏瘫步态、环形步态、脊髓痨步态、神经性步态、剪刀步态和帕金森症步态。
7.根据权利要求1所述的步行辅助方法，还包括如下步骤：
显示所述多个异常步态类型。
8.根据权利要求1所述的步行辅助方法，还包括如下步骤：
存储与所述多个异常步态类型的辅助转矩配置中的每一个对应的转矩参数。
9.根据权利要求8所述的步行辅助方法，其中，存储的步骤包括：
计算第一转矩；
计算第二转矩；
基于第一转矩和第二转矩生成步态运动；
基于步态运动来计算目标函数；以及
基于计算的结果生成转矩参数。
10.根据权利要求9所述的步行辅助方法，其中，生成步态运动的步骤包括：
对第一转矩和第二转矩执行正向动力学计算；以及
基于正向动力学计算的结果来生成步态运动。
11.根据权利要求2所述的步行辅助方法，生成辅助转矩配置的步骤包括：
基于第一转矩参数和第二转矩参数生成辅助转矩配置，第一转矩参数对应于异常步态类型，并且第二转矩参数对应于步态类型。
12.一种电子设备，包括：
存储器，被配置为存储与多个异常步态类型中的各个异常步态类型相关联的转矩参数；以及
控制器，被配置为，
接收从用户可选择的所述多个异常步态类型中选择至少一个异常步态类型的信息；
从存储器，获取转矩参数中的与选择的所述至少一个异常步态类型的信息相关联的至少一个转矩参数，以及
基于所述至少一个转矩参数控制步行辅助设备的驱动器，使得所述步行辅助设备补偿功能性障碍，
其中，存储在存储器中的转矩参数基于第一转矩和第二转矩而产生，第一转矩是对于所述多个异常步态类型中的每一个的映射到人的每个关节的转矩，第二转矩是由所述步行辅助设备产生的转矩。
13.如权利要求12所述的电子设备，其中，
控制器被配置为基于与所述至少一个异常步态类型相关联的至少一个转矩参数生成辅助转矩配置。
14.如权利要求13所述的电子设备，其中，所述控制器被配置为基于与所述至少一种异常步态类型中的第一异常步态类型对应的第一转矩参数和与所述至少一种异常步态类型中的第二异常步态类型对应的第二转矩参数生成辅助转矩配置。
15.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述控制器被配置为组合第一转矩参数和第二转矩参数来生成辅助转矩配置。
16.如权利要求14所述的电子设备，其中，所述控制器被配置为基于权重将第一转矩参数和第二转矩参数相加，来生成辅助转矩配置。
17.如权利要求12所述的电子设备，其中，所述至少一种异常步态类型包括以下各种步态中的至少一种步态：
蹲伏步态、跨阈步态、防痛步态、共济失调步态类型、慌张步态、跳跃步态、蹒跚步态、马蹄足步态、短腿步态、偏瘫步态、环形步态、脊髓痨步态、神经性步态、剪刀步态和帕金森症步态。
18.如权利要求12所述的电子设备，其中，控制器被配置为在显示器上显示所述至少一个异常步态类型。
19.如权利要求12所述的电子设备，其中，转矩参数通过基于使用第一转矩和第二转矩生成步态运动计算目标函数而被生成，第一转矩是对于所述多个异常步态类型中的每一个而映射至用户的至少一个关节的转矩，第二转矩是由步行辅助设备生成的转矩。
20.如权利要求13所述的电子设备，其中，控制器被配置为基于与异常步态类型对应的第一转矩参数和对应于步态类型的第二转矩参数生成辅助转矩配置。
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