CN114376865B

CN114376865B - 带有延时调整模块的运动辅助装置及其延时控制方法

Info

Publication number: CN114376865B
Application number: CN202011110311.5A
Authority: CN
Inventors: 请求不公布姓名
Original assignee: Shenzhen Conchin Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Conchin Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2040-10-16
Also published as: CN114376865A

Abstract

本发明公开了带有延时调整模块的运动辅助装置及其延时控制方法，其中，方法包括：中央处理模块实时采集当前运动参数，并按控制周期循环执行特征值提取步骤S1、助力计算步骤S2，在当前控制周期中，所述特征值提取步骤S1计算后输出助力特征值Pt0，所述助力计算步骤S2计算助力值Torq并输出，在每个控制周期均执行预先设置和/或延时计算从而得到延时调整值Td；所述助力计算步骤S2计算助力值Torq采用的助力特征值PtN为当前控制周期之前N个控制周期计算产生的，所述N为延时拍数。该装置及方法解决了当前技术在非匀速直线运动、不同步幅及不同地形环境情况下助力延迟或超前、反复切换甚至振荡的问题，通过简单可靠的助力逻辑，自适应不同行走情况。

Description

带有延时调整模块的运动辅助装置及其延时控制方法

技术领域

本发明涉及人体外骨骼动力装置领域，尤其涉及带有延时调整模块的运动辅助装置及其延时控制方法。

背景技术

人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量和耐力的情况，可穿戴的步行辅助装置是满足这一类应用的装置，尤其是带有髋关节动力的步行辅助装置。

步行辅助装置主要用于日常生活，目前现有的髋关节助力的步行辅助装置在使用时需要准确检测使用者运动意图，并适时提供适度助力才能很好地发挥外骨骼设备的助力效果。专利CN201610216760.5披露了一种基于逻辑状态的控制方法，该方法简单有效但很难适应于匀速直线行走以外的其他动作，而且不同人群的适应性较差。

在现有步行辅助装置技术中，许多都采用了惯性传感器、关节角度传感器来感测人体运动，然后利用振子模型实现助力，该方法对阈值设定不敏感，对不同的人群适应性较好。但振子模型是假设人体运动是一个周期的弹簧振子，不会发生大的变速，适用于匀速行走，当出现突然加速或者减速转弯、上下楼爬坡等非匀速直线运动情况时，容易造成助力延迟、反复切换甚至振荡，设备稳定性不好。专利CN201610331318.7披露了利用惯性传感器或关节角度传感器组合来感测人体运动情况，专利CN201880071610则披露了利用背部惯性传感器感测人体运动情况，然后利用振子模型进行助力计算。但这些方法都没有很好的解决振子模型在非匀速直线运动情况下的不稳定问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供带有延时调整模块的运动辅助装置及其延时控制方法，旨在解决现有步行辅助装置在非匀速直线运动情况下无法提供稳定助力的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提出带有延时调整模块的运动辅助装置。所述运动辅助装置包括腰背框架、髋关节部件、大腿框架和传感系统，所述髋关节部件配置于所述腰背框架侧边并带有动力，所述大腿框架设置于使用者大腿侧边，所述腰背框架与所述髋关节部件传动联接，所述髋关节部件与所述大腿框架传动联接，所述髋关节部件驱动所述大腿框架向所述腰背框架输出力矩或者产生相对旋转运动；所述传感系统包括布置于所述腰背框架、髋关节部件和大腿框架中至少一个部件上的传感器，用于检测使用者的运动参数；

所述运动辅助装置还包括中央处理模块和延时调整模块，所述中央处理模块实时采集当前运动参数，并按控制周期循环执行特征值提取步骤S1和助力计算步骤S2，在当前控制周期中，所述特征值提取步骤S1计算后输出助力特征值Pt0，所述助力计算步骤S2计算助力值Torq并输出至所述髋关节部件，所述延时调整模块在每个控制周期均执行预先设置和/或延时计算从而得到延时调整值Td；所述助力计算步骤S2计算助力值Torq采用的助力特征值PtN为当前控制周期之前N个控制周期计算产生的，所述N为延时拍数。

本发明实施例第二方面提出了一种延时控制方法，应用于如第一方面所述的运动辅助装置，所述延时控制方法包括：中央处理模块实时采集当前运动参数，并按控制周期循环执行特征值提取步骤S1和助力计算步骤S2，在当前控制周期中，所述特征值提取步骤S1计算后输出助力特征值Pt0，所述助力计算步骤S2计算助力值Torq并输出至所述髋关节部件，延时调整模块在每个控制周期均执行预先设置和/或延时计算从而得到延时调整值Td；所述助力计算步骤S2计算助力值Torq采用的助力特征值PtN为当前控制周期之前N个控制周期计算产生的，所述N为延时拍数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：该装置及方法能够克服当前技术在非匀速直线运动、不同步幅及不同地形环境情况下助力延迟或超前、反复切换甚至振荡的问题，该方法通过简单可靠的助力逻辑，能够自适应使用者的不同行走情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种延时控制方法工作原理实施例示意图；

图2a为本发明一种运动辅助装置实施例正视示意图；

图2b为本发明一种运动辅助装置实施例正视示意图；

图3a为本发明一种特征值提取模块实施例示意图；

图3b为本发明一种特征值提取模块实施例示意图；

图4为本发明一种地形坡度计算方法实施例示意图；

图5a为本发明一种步相百分比计算方法实施例示意图；

图5b为本发明一种步相百分比计算方法实施例示意图；

图6a为本发明一种延时调整模块实施例示意图；

图6b为本发明一种延时实施逻辑实施例示意图；

图6c为本发明一种延时调整值随步相百分比变化实施例示意图；

图7a为本发明一种助力计算模块实施例示意图；

图7b为本发明一种助力计算模块实施例得到的助力曲线示意图；

图7c为本发明一种助力值随步相百分比变化实施例示意图；

图8a为本发明一种手动调节界面实施例示意图；

图8b为本发明一种手动调节界面调节行走助力计算方式实施例示意图；

图8c为本发明一种运动辅助装置人体穿戴搬运重物实施例侧视示意图；

图8d为本发明一种手动调节界面调节助力组合方式实施例示意图；

图8e为本发明一种助力组合方式实施例示意图；

图9a为本发明一种手动调节界面实施例示意图；

图9b为本发明一种手动调节界面实施例示意图；

图9c为本发明一种手动调节界面实施例示意图；

图10a为本发明一种简易版本手动调节界面实施例示意图；

图10b为本发明一种双腿助力使用完整版本手动调节界面实施例示意图；

图10c为本发明一种单腿助力使用完整版本手动调节界面实施例示意图。

附图标记如下：

1—腰背框架；11—背部支撑结构；12—腰部连接杆；13—腰部绑带；

2—髋关节部件；

3—大腿框架；31—大腿绑带；

4—传感系统；41—姿态传感器；42—角度传感器；42L—左髋角度传感器；42R—右髋角度传感器；43—加速度传感器；43L—左腿加速度传感器；43R—右腿加速度传感器；44—角速度传感器；44L—左腿角速度传感器；44R—右腿角速度传感器；

5—特征值提取模块；51—倾角计算模块；51L—左腿倾角计算模块；51R—右腿倾角计算模块；52—角速度计算模块；52L—左髋角速度计算模块；52R—右髋角速度计算模块；53—角速度差计算模块；54—步幅计算模块；55—步相百分比计算模块；

6—延时调整模块；61—延时处理；62—地形坡度调整模块；63—步频调整模块；64—步相百分比调整模块；

7—助力计算模块；71—地形坡度修正；72—步幅修正；73—步相百分比修正；74—行走助力计算；75—弯腰助力计算；76—助力组合。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

图1为一种本发明助力控制方法工作原理实施例的示意图。如图，一种可穿戴的运动辅助装置，由使用者穿戴在腰部，包括腰背框架1、髋关节部件2、大腿框架3、传感系统4。所述腰背框架1呈C字形结构，分为背部支撑结构11和与所述背部支撑结构11连接的腰部连接杆12，所述腰背框架1从使用者后腰延伸至两侧髋部，并与所述髋关节部件2传动联接(本文中的联接也指连接)。所述腰部连接杆12上固联腰部绑带13，所述腰部绑带13的末端有锁紧机构，左右所述腰部绑带13上的锁紧机构连接后，所述腰背框架1通过所述腰部绑带13实现在使用者腰部位置闭合。所述大腿框架3设置于使用者大腿两侧，通过所述大腿绑带31实现与使用者大腿的固定，所述髋关节部件2与所述大腿框架3传动连接。所述髋关节部件2可以驱动所述大腿框架3向所述腰背框架1输出力矩或者产生相对旋转运动。在图1所示的实施例中，所述大腿框架3从侧面弧线转到大腿正面，然后通过所述大腿绑带31与使用者大腿固定，这样可以将所述髋关节部件2输出的力矩作用在使用者的大腿上，实现辅助行走的效果。在另一实施例中，所述大腿框架3从侧面弧线转到大腿后面，然后通过所述大腿绑带31与使用者大腿固定，同样可以实现将所述髋关节部件2输出的力矩作用在使用者的大腿上。

所述传感系统4的传感器包括但不限于加速度计、陀螺仪、角度传感器中的一种或多种，检测到的运动参数包括但不限于加速度、角速度、角度信息中的一种或多种。本发明通过遍布整个运动辅助装置的传感系统4来获取使用者的运动数据(即运动参数)，首先将使用者的运动数据通过特征值提取模块5(实现特征值提取步骤S1的模块)提取出助力特征值，然后将助力特征值通过延时调整模块6进行延时处理，最后通过助力计算模块7(实现助力计算步骤S2的模块)，将延时后的助力特征值经过一定的数学计算后得到助力目标，输出至所述髋关节部件2，在使用者身上产生助力作用，达到辅助运动的目的。即中央处理模块包括特征值提取模块5和助力计算模块7，本发明实施例中的特征提取模块5、延时调整模块6和助力计算模块7可以一体设置，也可以独立设置，可以设置于所述腰背框架1上，也可以设置于其他部件上，所述延时调整模块6也可以设置于中央处理模块中。

如图2a所述，一种所述运动辅助装置实施例正视示意图。在图中标注了传感系统4在所述运动辅助装置的布置形式：布置于所述腰背框架1的姿态传感器41，布置于所述髋关节部件2的角度传感器42(此处角度传感器42也可称为髋角度传感器42)，布置于所述大腿框架3的加速度传感器43与角速度传感器44(此处角速度传感器44也可称为大腿角速度传感器44)。其中，布置于所述大腿框架3的所述加速度传感器43与所述角速度传感器44可以合并为一个与布置于所述腰背框架1的姿态传感器41相同的姿态传感器，这样可以简化系统设计。

所述角度传感器42可以直接感测使用者的髋关节角度：所述腰背框架1与使用者腰部固连，所述大腿框架3与使用者大腿固连，使用者髋关节运动时会带动所述髋关节部件2发生转动，被所述角度传感器42感测到，得到使用者的髋关节角度。所述的角度传感器42可分为左髋角度传感器42L和右髋角度传感器42R，分别用来感测使用者左侧髋关节角度和使用者右侧髋关节角度。

所述加速度传感器43可以直接感测使用者腿部的运动加速度(即重力加速度)，在本实施例中，使用的加速度传感器43是三轴加速度传感器，可以感测使用者腿部在空间中三个方向的运动加速度。所述的加速度传感器43可以分为左腿加速度传感器43L和右腿加速度传感器43R，分别用来感测使用者左腿加速度和右腿加速度。

所述角速度传感器44可以直接感测使用者腿部的运动角速度，在本实施例中，使用的角速度传感器44是三轴角速度传感器，可以感测使用者腿部在空间中三个方向的运动角速度(即大腿运动角速度)。所述角速度传感器44可分为左腿角速度传感器44L和右腿角速度传感器44R，分别用来感测使用者左腿角速度和右腿角速度。

所述姿态传感器41是由加速度传感器和角速度传感器组合得到的，可以直接感测使用者背部在空间中三个方向的运动加速度与运动角速度。

图2b展示了另外一种所述运动辅助装置实施例正视示意图。如图2a所展示的实施例应用于双腿均需要助力的使用者，但考虑到实际情况，有些使用者会需要单腿助力的辅助装置，图2b则展示了这种实施例。如该实施例左侧所示，配置有所述髋关节部件2，如该实施例右侧所示，没有配置所述髋关节部件2。只有配置所述髋关节部件2时，所述髋关节部件2才能够输出动力，此时所述髋关节部件2需要与所述大腿框架3传动连接，这样才能保证所述髋关节部件2输出的动力能够正确的施加到人体上。但当某一侧没有配置所述髋关节部件2，可以依旧与所述大腿框架3传动连接，也可以不配置大腿框架3，但因无所述髋关节部件2，因此不能输出动力。在某些实施例中，为了简化所述运动辅助装置，可以缩小所述大腿框架3。同样的，所述角度传感器42为了测量髋关节角度，需要布置在所述腰部框架1与所述大腿框架3连接处。

在某些实施例中，为了简化系统复杂度，可以去除未配置所述髋关节部件2侧的角度传感器42。

通过遍布所述运动辅助装置的所述传感系统4，可以获得使用者的运动数据，在如图3a所示的实施例中，展示了所述特征值提取模块5根据所述传感系统4的传感器数据(即运动参数)来提取所述助力特征值的过程。所述特征值提取模块5包括倾角计算模块51、角速度计算模块52、角速度差计算模块53、步幅计算模块54和步相百分比计算模块55。

通过所述倾角计算模块51计算得到腿部倾角(即大腿姿态倾角)。一般的倾角计算方法使用加速度传感器43测量的重力加速度在空间分布的三轴加速度数据即可，但这样的计算容易受到运动干扰：使用者在运动过程中不可避免的会产生各个方向的运动加速度，这些运动加速度混入重力加速度，使得重力加速度的测量值被引入了系统偏差，导致最终的计算结果偏差较大。因此引入所述角速度传感器44测量的运动角速度数据作为修正量，辅助对所述加速度传感器43的测量数据进行修正，最终得到准确的腿部倾角。本实施例中即采用此方法。具体地，所述倾角计算模块51可分为左腿倾角计算模块51L和右腿倾角计算模块51R。利用所述左腿倾角计算模块51L对所述左腿角速度传感器44L和所述左腿加速度传感器43L的测量数据进行计算得到左腿倾角。利用所述右腿倾角计算模块51R对所述右腿角速度传感器44R和所述右腿加速度传感器43R的测量数据进行计算得到右腿倾角。

通过所述角速度计算模块52计算得到髋关节角速度。本实施例中采用差分的方法对所述角度传感器42的测量值——髋关节角度进行处理，差分后的数据(即髋关节角度差)即为髋关节角速度。在某些实施例中，为了降低传感器测量偏差，在进行差分前会对髋关节角度数据进行滤波处理。具体地，所述的角速度计算模块52可分为左髋角速度计算模块52L和右髋角速度计算模块52R。利用所述左髋角速度计算模块52L对所述左髋角度传感器42L的测量数据进行计算得到左髋角度(即左髋关节角度)和左髋角速度(即左髋关节角速度)。利用所述右髋角速度计算模块52R对所述右髋角度传感器42R的测量数据进行计算得到右髋角度(即右髋关节角度)和右髋角速度(即右髋关节角速度)。需说明的是，上述差分是指对单独某侧的髋关节角度进行做差得到该侧的髋关节角速度，例如对于左髋角速度可以通过对左髋角度做差得到，对于右髋角速度可以通过对右髋角度做差得到。

在某些实施例中，会通过布置于背部的所述姿态传感器41的测量数据，得到背部运动角速度以及背板运动加速度，经过倾角计算得到背部姿态倾角。

上述描述的助力特征值提取方法，都是直接对所述传感系统4所测量的数据进行直接处理获得助力特征值，在某些实施例中，为了获得更精准的助力特征值，会对所得到的多个助力特征值进行进一步的数学处理获得新的助力特征值。如图3b所示的实施例，通过所述角速度差计算模块53将左右两侧的髋关节角速度进行做差(此处的做差是指对左侧的髋关节角度与右侧的髋关节角度进行做差)计算得到髋关节角速度差。髋关节角速度差这个助力特征值相对单侧髋关节角速度更加能反应人体行走运动情况。

同样如图3b所示的实施例中，通过所述步幅计算模块54与所述步相百分比计算模块55分别将左右两侧髋关节角度(即左髋角度和右髋角度)进行进一步处理获得行走步幅与步相百分比。

在某些实施例中，需要提取助力特征值：行走步幅，其计算方法为迈步周期中左右两侧最大髋关节角度差的绝对值。在某些实施例中，以左腿摆动至最前侧作为起点，那么经历左右两腿交错、右腿摆动至最前侧、左右两腿再次交错到左腿再次摆动至最前侧这样一个运动过程为一个完整的迈步周期。那么在这个迈步周期内，使用左右两侧的髋关节角度做差后取绝对值，统计所有的角度差的绝对值然后取其最大值作为行走步幅。

在某些实施例中，需要提取助力特征值：行走步频，其计算方法为统计一个迈步周期的时长，然后对其求倒数。计算公式如下：

在某些实施例中，迈步周期的时长的统计方法为：在迈步周期的起点开始计时，在迈步周期的终点结束结束计时。此段时间的长短为迈步周期的时长T_c。

在某些实施例中，需要提取助力特征值：地形坡度。地形坡度用来区别使用者是进行上坡度行走还是水平行走还是下坡度行走，因此将其定义为使用者运动方向与水平面的夹角。地形坡度的计算方法有很多，如图4的实施例所示，利用布置于所述腰背框架1的三轴加速度传感器，通过对加速度值进行积分分别可以获得水平方向的运动速度V_x与竖直方向的运动速度V_y，然后可以计算得到水平夹角slope，计算公式如下：

考虑到V_x有可能为0，因此可以先计算得到运动速度V，然后再计算得到水平夹角slope，计算公式如下：

在某些实施例中，需要提取助力特征值：步相百分比。步相百分比是用来衡量使用者行走过程的一个标量，因此其有多种计算方法。如图5a所示的实施例展示的基于时间的步相百分比计算方法，每一个迈步周期(运动周期)划分为若干步相片段，将步相百分比定义为一个迈步周期内每一步相片段当前时刻在一个迈步周期起点时刻与终点时刻之间的比例(时间占比)。将使用者左腿摆动至最前侧时刻设定为起点时刻，步相百分比为0％，那么经历左右两腿交错、右腿摆动至最前侧、左右两腿再次交错到左腿再次摆动至最前侧过程中，步相百分比Percent随着时间匀速增大至100％。具体计算方法为，记录左腿摆动至最前侧时刻为T_L1，当前时刻为T_c，左腿再次摆动至最前侧时刻为T_L2，计算公式如下：

这里需要考虑到，左腿再次摆动至最前侧是未发生的事情，因此需要根据过去行走的数据预测左腿再次摆动至最前侧的时刻点。在某些实施例中，考虑到使用者是变速行走的，根据使用者的动作修正左腿再次摆动至最前侧的预测时刻点。

在行走过程中，基于时间的步相百分比随着时间而增加，单向连续的从0％增大至100％然后再跳至0％，但因为左腿再次摆动至最前侧的时刻点是预测得到的，可能会不准确，因此需要进行一定的滤波处理保证步相百分比会单向从0％增大至100％然后再跳至0％。

如图5b所示的实施例展示的基于位置的步相百分比计算方法，将步相百分比定义为每一步相片段当前位置在一个迈步周期起点位置与终点位置之间的比例(位置占比)。将使用者左腿摆动至最前侧位置设定为起点位置，步相百分比为0％，那么经历左右两腿交错、右腿摆动至最前侧、左右两腿再次交错到左腿再次摆动至最前侧过程中，步相百分比随着运动位置匀速增大至100％。考虑到位置计算时会出现往复，因此定位右腿摆动至最前侧位置时，步相百分比为50％，具体计算方法为，记录左腿摆动至最前侧髋关节角度为A_L1，当前髋关节角度为A_c，右腿摆动至最前侧髋关节角度为A_R，左腿再次摆动至最前侧髋关节角度为A_L2，计算分两部分，当左腿向后摆动，右腿向前摆动时位于第一部分(0～50％)，公式如下：

当右腿向后摆动，左腿向前摆动时位于第二部分(50％～100％)，公式如下：

这里需要考虑到，在两部分的计算过程中，右腿摆动至最前侧与左腿再次摆动至最前侧均是未发生的事情，因此需要根据过去行走的数据预测右腿摆动至最前侧的位置与左腿再次摆动至最前侧的位置。

在行走过程中，基于位置的步相百分比随着使用者的运动而增加，单向连续的从0％增大至100％然后再跳至0％，但因为右腿摆动至最前侧的位置、左腿再次摆动至最前侧的位置是预测得到的，可能会不准确，因此需要进行一定的滤波处理保证步相百分比会单向从0％增大至100％然后再跳至0％。

其中，行走步频、行走步幅、地形坡度、步相百分比等助力特征值也可区分出来作为助力调整值。

在获取得到使用者的助力特征值后，可通过所述的延时调整模块6对助力特征值进行延时处理。这里需要着重说明延时的作用：使用者在穿戴所述运动辅助装置进行运动时，能够提取出对应的助力特征值，根据这些助力特征值即可控制所述髋关节部件2输出运动助力来辅助使用者运动；但因所述传感系统4的测量与所述特征值提取模块5的计算均在时间上会滞后，使得得到的助力特征值相对使用者运动具有一定程度的滞后，据此控制髋关节部件输出运动助力会与使用者不协调；可以假设使用者的运动情况不会发生突变(即使运动快慢切换也不会是突变)，因此使用者的运动是具有一定周期性的；将上一个周期提取到的助力特征值经过适当的延时，使之在下一个运动周期与使用者的运动匹配，再据此输出运动助力则会与使用者协调。

实际使用情况下，使用者的运动情况会不断发生改变，例如地形、运动速度等发生改变的情况下，使用者运动的周期性也会相应的发生改变，不同的情况下，所述延时调整模块6的延时时间需要相应的进行调整才能实现不同地形情况下非匀速运动的良好助力感。

如图6a所示，为所述延时调整模块6一种实施例示意图。将使用者的手动设定的延时调整值称之为延时基准值，延时基准值根据地形坡度、行走步频以及步相百分比等进行调整得到最终的延时调整值Td。确定延时调整值Td对应的延时时间后，通过延时处理61进行助力特征值延时。实现延时的方法有很多，最终只要保证助力特征值延时时间为延时调整值Td，具体实现的方法可以任意选择。如图6b所示的实施例，采用存储记录一定时间延时+助力特征滤波计算处理延时两种方法组合达到效果。单个控制周期时长为T，助力特征值存储记录N个控制周期，助力特征滤波计算处理时长Tc，则他们满足以下公式：

Td＝Tc+T*N

即所述延时调整值Td对应延时时间等于延时拍数N*控制周期加上助力特征滤波计算处理时间，这里的助力特征滤波计算处理时长Tc包含对所述助力特征值进行滤波计算及其他数学计算所消耗的总时间。

当然，所述延时调整值Td对应延时时间也可以设置为等于延时拍数N*控制周期，即不考虑滤波计算及其他数学计算所消耗的时间。

所述延时拍数N的大小根据所述延时调整值Td来确定，所述延时调整值Td与延时拍数N可以为0即不延时；通过改变所述延时调整值Td的大小，可以改变所述行走助力(矩)相对于所述运动参数的响应速度，达到加快助力或延迟助力的作用，从而使得本发明所述运动辅助装置能达到很好地适应人体运动中步频不断变化的目的。

如图6a所示的地形坡度调整模块62，在某些实施例中，延时时间会根据地形坡度进行自动调整。地形坡度较大，说明使用者正在上楼或者上坡，为了获得较好的体验，需要适当增大延时时间。因此在延时基准值的基础上，根据使用者运动的地形坡度进行延时时间的自动调整：地形坡度变大，延时时间增加(即延时调整值Td增大)，反之地形坡度变小，延时时间减短(即延时调整值Td减小)。

如图6a所示的步频调整模块63，在某些实施例中，延时时间会根据行走步频进行自动调整。行走步频越高，说明使用者的运动周期较短，为了获得较好的体验，需要适当减小延时时间。因此在延时基准值的基础上，根据使用者的行走步频进行延时时间的自动调整：行走步频变高，延时时间减短(即延时调整值Td减小)，反之行走步频变低，延时时间增长(即延时调整值Td增大)。

如图6a所示的步相百分比调整模块64(即行走相位百分比调整模块)，在某些实施例中，延时时间会根据步相百分比进行自动调整。因为不同使用者的行走习惯不一致，用步相百分比作为横坐标时发现，随着步相百分比从0％到100％，使用者喜好的延时时间并不是恒定不变的，且不同使用者对延时时间的变化要求也是不一样的。一个迈步周期可以划分为若干步相片段，每一步相片段对应其延时调整值Td，所述步相片段与其延时调整值Td对应关系由使用者设置或者数学函数来确定。图6c所示，展示了某个实施例中某个使用者喜好的延时时间随步相百分比的变化曲线。

经过延时调整模块6处理的助力特征值以及助力调整值将通过助力计算模块7，经过一定的数学计算后得到助力值Torq。如图7a所示的实施例，将使用者手动设定的行走助力值称之为行走助力基准值，根据地形坡度、行走步幅以及步相百分比等助力调整值进行计算后获得行走助力修正系数，根据髋关节角度、髋关节角速度、髋关节角速度差、大腿姿态倾角、大腿运动角速度中的一种或多种或其运算组合进行行走助力计算74(如根据髋关节角度差与髋关节角速度差进行行走助力计算74)，进行行走助力计算时乘上行走助力修正系数以及行走助力基准值，完成计算后获得行走助力TorqW。将使用者手动设定的弯腰助力值称之为弯腰助力基准值，所述助力计算模块7根据所述背部姿态倾角、背部运动角速度中的一种或多种或其运算组合进行弯腰助力计算75(如根据背部姿态倾角进行弯腰助力计算75)，进行弯腰助力计算时乘上弯腰助力基准值，完成计算后获得弯腰助力TorqB。完成行走助力计算与弯腰助力计算后，对行走助力TorqW与弯腰助力TorqB进行助力组合76得到助力值Torq。髋关节部件2再根据助力值Torq输出助力。助力组合76的方式有很多，如逻辑组合、简单叠加或加权叠加，如图7a所示的实施例采用了简单叠加的方式。

将所得到的左侧与右侧助力值Torq以时间为横坐标绘制成曲线，其中一个实施例绘制的曲线图如图7b所示。

如图7a所示的地形坡度修正71，在某些实施例中，行走助力修正系数会根据地形坡度进行自动调整。地形坡度越大，说明使用者正在上楼或者上坡，为了获得较好的体验，需要适当加大助力。因此在行走助力基准值上乘上根据使用者的地形坡度进行自动调整的行走助力修正系数，使得行走助力TorqW变化：地形坡度变大，行走助力修正系数增加，行走助力TorqW增大，反之地形坡度变小，行走助力修正系数减小，行走助力TorqW减小。

如图7a所示的步幅修正72，在某些实施例中，行走助力修正系数会根据行走步幅进行自动调整。行走步幅越大，说明使用者的运动步子大，为了获得较好的体验，需要适当加大助力。因此在行走助力基准值上乘上根据使用者的行走步幅进行自动调整的行走助力修正系数，使得行走助力TorqW变化：行走步幅变大，行走助力修正系数增加，行走助力TorqW增大，反之行走步幅变小，行走助力修正系数减小，行走助力TorqW减小。

进一步的，为了优化使用者的体验，所述行走助力TorqW根据其助力效果可以分为帮助使用者抬起大腿的屈曲行走助力TorqWB以及帮助使用者伸直大腿的伸展行走助力TorqWS。在某些实施例中，根据行走步幅自动修正的行走助力修正系数也会根据所述行走助力TorqW的助力效果不同而变化，所述伸展行走助力TorqWS随所述行走步幅变化幅度与所述屈曲行走助力TorqWB随所述行走步幅变化幅度不相同。具体逻辑是，将行走助力修正系数分为伸展行走助力修正系数StepKS和屈曲行走助力修正系数StepKB，行走步幅变大，行走助力修正系数增加，对应伸展行走助力TorqWS的伸展行走助力修正系数StepKS增加量大于对应屈曲行走助力TorqWB的屈曲行走助力修正系数StepKB增加量。这样，行走步幅扩大后，使用者获得的抬起大腿助力效果与伸直大腿助力效果变化情况不一致，更加符合使用者的运动习惯。

如图7a所示的步相百分比修正73，在某些实施例中，行走助力修正系数会根据步相百分比进行自动调整。因为不同使用者的行走习惯不一致，用步相百分比作为横坐标时发现，随着步相百分比从0％到100％，使用者喜好的助力大小并不是恒定不变的，且不同使用者对助力大小的变化要求也是不一样的。一个步相周期划分为若干步相片段，每一步相片段对应其行走助力TorqW，所述步相片段与其行走助力TorqW对应关系由使用者设置或者数学函数来确定。将行走助力基准值乘上根据使用者步相百分比变化的助力修正系数，绘制成图，图7c所示，展示了某个实施例中某个使用者喜好的行走助力大小随步相百分比的变化曲线。

在上述的实施例中，介绍了同时计算左侧与右侧髋关节助力值Torq的计算方式，但在某些实施例中，助力值Torq的计算方法会发生改变，原因在于所述运动辅助装置的配置不同或者使用者的需求不同。如图2b展示的实施例所示，因其只有一侧配置了髋关节部件2，因此行走助力TorqW的计算只需要计算单侧即可，为了简化系统复杂度，行走助力TorqW的计算方式更改为：

根据大腿姿态倾角进行行走助力计算74，进行行走助力计算时乘上行走助力基准值，完成计算后获得行走助力TorqW。

在某些实施例中，即使所述运动辅助装置左右两侧均布置了髋关节部件，但因为不同使用者需求不同，所述行走助力TorqW的计算方式也需要发生改变。某些使用者需要双腿助力，因此选择根据髋关节角度差与髋关节角速度差进行行走助力计算的方式；但某些使用者需要单侧助力，因此选择根据大腿姿态倾角进行行走助力计算的方式。为了方便运动辅助装置使用，为所述运动辅助装置配备有按键，和/或与所述运动辅助装置连接的控制装置(如遥控器)，在遥控器上进行行走助力计算方式的手动选择。如图8a所示，展示了行走助力计算方式的手动调节界面示意图，通过下拉复选框选择不同的行走助力计算方式。图8b则展示了在某些实施例中，行走助力计算方式切换前后，左右两侧助力值Torq绘制成曲线的对比图。

在某些实施例中，所述行走助力TorqW与所述弯腰助力TorqB的组合方式因为所述运动辅助装置的配置不同或用户的需求不同也会发生改变。如图8c所示的实施例所展示的，所述腰背框架1还配置有背杆与肩带，使用者穿戴所述运动辅助装置进行搬运行走工作。为了达到同时获得搬运助力与行走助力的效果，需要选择双腿助力模式时，在此工作模式下行走助力TorqW与弯腰助力TorqB的组合方式采用简单叠加的组合方式；但如果某些用户只需要单侧助力，选择单腿助力模式时，在此工作模式下行走助力TorqW与弯腰助力TorqB采用逻辑选择的组合方式：只使用行走助力值。图8d展示了这些实施例中，使用者在调节界面上进行切换前后，组合方式的变化示意图。

在某些实施例中，组合方式采用逻辑+权重分配(即加权叠加)计算的方式进行，如图8e则展示了这种实施例。当背部姿态角度大于一定角度时，说明使用者背部弯曲程度较大，选用较大的弯腰助力权重；当背部姿态角度小于一定角度时，说明使用者背部弯曲程度较小，选用较小的弯腰助力权重。

在某些实施例中，为了安全起见，所述助力值Torq会设置有最大值与最小值，其最大值对应最大的屈髋力矩值，其最小值对应最小的伸髋力矩值。所述最大值与最小值均可以通过所述遥控器进行手动实时设置。

在某些实施例中，所述弯腰助力TorqB中：左右两侧动力输出方向相同，且均为伸髋力矩。所述行走助力TorqW中：左右两侧动力输出相反，即一侧输出屈髋力矩的同时另一侧输出伸髋力矩或者左右两侧一侧输出动力，另一侧不输出动力。

如图6a与图7a所示的延时基准值与行走助力基准值和弯腰助力基准值，是使用者根据自己的行走喜好手动设定的。一般来说，运动速度较快的人群会倾向于设置较小的延时基准值，反之亦然；体重较大的人群会倾向于设置较大的行走助力基准值，反之亦然；需要搬运重物质量较大的人群会倾向于设置较大的弯腰助力基准值，反之亦然。在某些实施例中，使用者通过与运动辅助装置连接的遥控器进行手动设定，一种手动调节界面如图9a所示。左侧是行走助力基准值设定条，中间是弯腰助力基准值设定条，右侧是延时基准值设定条，通过设定条上端的+键可以增大设定值，通过设定条下端的-键可以减小设定值，也可以通过拖动设定条上的滑块快速设置助力基准值与延时基准值。

如图9b展示了另一种手动调节界面的实施例。该实施例中，根据步相百分比修正延时时长设定了两个不同的修正点与修正方向，在第一个修正点，即步相百分比25％处，设定延时时长增大3，在第二个修正点，即步相百分比75％处，设定延时时长减小6。相同的，在该实施例中根据步相百分比修正助力大小设定了两个不同的修正点与修正方向，在第一个修正点，即步相百分比25％处，设定助力大小增加5，在第二个修正点，即步相百分比75％处，设定助力大小减小3。

如图9c展示了另一种手动调节界面的实施例。在该实施例中，使用者可以手动设定延时调整值Td随行走步频、地形坡度自动调整的幅度，同时，使用者也可以手动设定行走助力TorqW随行走步幅、地形坡度自动调整的幅度。加大速度步频修正，增大延时调整值Td随行走步频自动调整的幅度，设定为0时，延时调整值不随行走步频自动调整。加大速度地形修正，增大延时调整值Td随地形坡度自动调整的幅度，设定为0时，延时调整值不随地形坡度自动调整。加大助力地形修正，增大行走助力TorqW随地形坡度自动调整的幅度，设定为0时，行走助力值不随地形坡度自动调整。加大助力步幅修正，增大行走助力TorqW随行走步幅自动调整的幅度，设定为0时，行走助力值不随行走步幅自动调整。

在某些实施例中，因为只有一侧配置有动力组件，手动调节界面的参数会根据此进行增减配置。

在某些实施例中，两侧均配置有动力，但因使用者对左右两侧的需求不同，因此手动调节界面参数会根据左右两侧不同的需求进行增减配置。

某些实施例中，为了更加便于理解与使用，手动调节界面会更改参数名字与增减参数数目。

如图10a所示的实施例，展示了一种简易且方便用户使用的手动调节界面，该界面上，通过顶部的下拉复选框选择助力模式来设置行走助力计算方式、弯腰助力计算方式以及行走助力与弯腰助力组合方式；

通过左侧助力大小进度条，同时调整左右两侧行走助力值预设值(即行走助力基准值)，助力大小越大行走助力值越大；

通过右侧助力速度进度条，同时调整左右两侧延时调整值预设值(即延时基准值)，助力速度越大延时调整值越小。

如图10b所示的实施例，展示了一种用户使用的手动调节界面，该界面上，通过顶部的下拉复选框选择助力模式来设置行走助力计算方式、弯腰助力计算方式以及行走助力与弯腰助力组合方式；

通过助力大小进度条，同时调整左右两侧行走助力值预设值，助力大小越大行走助力值越大；

通过助力速度进度条，同时调整左右两侧延时调整值预设值，助力速度越大延时调整值越小；

通过弯腰助力增益进度条，同时调整左右两侧弯腰助力值预设值(即弯腰助力基准值)，弯腰助力增益越大弯腰助力值越大；

通过左右独立调节选择框，设定其下侧参数是左右侧同时调节或者左右侧独立调节，当左右独立调节选择框勾选时，其下侧参数左右独立调节，当左右独立调节选择框取消勾选时，其下侧参数左右同时调节。

通过左右腿选择框，当其下侧参数左右独立调节时，设定其下侧参数是左腿参数还是右腿参数，当其下侧参数左右同时调节时，所述左右腿选择框消失。

通过抬腿力增益，设定步相百分比对应抬腿运动时段内某一固定助力修正点位置，行走助力随着步相百分比的行走助力修正系数，抬腿力增益越大，在该助力修正点位置，行走助力修正系数越大。

通过伸腿力增益，设定步相百分比对应伸腿运动时段内某一固定助力修正点位置，行走助力随着步相百分比的行走助力修正系数，伸腿力增益越大，在该助力修正点位置，行走助力修正系数越大。

通过抬腿力上限，设定所述助力值的最大值。

通过伸腿力上限，设定所述助力值的最小值。

通过抬腿加力速度，设定步相百分比对应抬腿运动时段内某一固定延时修正点位置，延时调整值Td随着步相百分比的延时修正系数，抬腿加力速度越大，在该延时修正点位置，延时修正系数越小。

通过伸腿加力速度，设定步相百分比对应伸腿运动时段内某一固定延时修正点位置，延时调整值Td随着步相百分比的延时修正系数，伸腿加力速度越大，在该延时修正点位置，延时修正系数越小。

如图10c所示的实施例，展示了另一种用户使用的手动调节界面，该界面上，通过顶部的下拉复选框选择助力模式来设置行走助力计算方式、弯腰助力计算方式以及行走助力与弯腰助力组合方式。当前实施例设置了左腿助力模式，在左腿助力模式内，为了防止所述运动辅助装置右腿阻碍使用者行动，右腿也会设置较小的助力值帮助所述运动辅助装置右腿运动。

通过左腿抬腿力增益，设定步相百分比对应抬腿运动时段内某一固定左腿助力修正点位置，左腿行走助力随着步相百分比的行走助力修正系数，左腿抬腿力增益越大，在该助力修正点位置，左腿行走助力修正系数越大。

通过右腿抬腿力增益，设定步相百分比对应抬腿运动时段内某一固定右腿助力修正点位置，右腿行走助力随着步相百分比的行走助力修正系数，右腿抬腿力增益越大，在该助力修正点位置，右腿行走助力修正系数越大。

通过右腿伸腿力增益，设定步相百分比对应伸腿运动时段内某一固定右腿助力修正点位置，右腿行走助力随着步相百分比的行走助力修正系数，右腿伸腿力增益越大，在该助力修正点位置，右腿行走助力修正系数越大。

通过助力上限，设定所述左腿助力值的最大值，因右腿助力值较小，无需设定助力上限。

在本发明实施例中，所述行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB的计算方式预先设置有一种或多种。所述行走助力TorqW与弯腰助力TorqB的组合也预先设置有一种或多种。可以通过预先设置行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB实现预先设置助力值Torq。

本发明实施例可以根据所述运动辅助装置的配置不同与使用者的不同需求进行手动实时选择所述行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB的计算方式。也可以根据所述运动辅助装置的配置不同与使用者的不同需求进行手动实时选择所述行走助力TorqW与弯腰助力TorqB的组合方式。也可以根据所述运动辅助装置的配置不同与使用者的不同需求进行手动实时调整所述行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB。

总之，本发明实施例可以按照下述方式中的一种或几种设置所述延时调整值Td：通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td随所述行走步频自动调整的幅度；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td随所述地形坡度自动调整的幅度；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td根据所述步相百分比自动调整的对应关系。

本发明实施例也可以通过所述按键和/或所述控制装置(如遥控器)切换或选择预先设置的行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB的计算方式。也可以通过所述按键和/或所述控制装置切换或选择预先设置的组合方式。也可以通过所述按键和/或所述控制装置设置行走助力TorqW和/或弯腰助力TorqB。也可以通过所述按键和/或所述控制装置设置行走助力TorqW根据行走步幅自动调整的幅度。也可以通过所述按键和/或所述控制装置设置行走助力TorqW根据地形坡度自动调整的幅度。也可以通过所述按键和/或所述控制装置设置行走助力TorqW根据步相百分比自动调整的对应关系。

以上实施例介绍的手动调节界面只是一种实施示范，在某些实施例中，为了界面美观及方便使用，手动调节界面会更改参数调节进度条以及图案。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.带有延时调整模块的运动辅助装置，其特征在于，所述运动辅助装置包括腰背框架、髋关节部件、大腿框架和传感系统，所述髋关节部件配置于所述腰背框架侧边并带有动力，所述大腿框架设置于使用者大腿侧边，所述腰背框架与所述髋关节部件传动联接，所述髋关节部件与所述大腿框架传动联接，所述髋关节部件驱动所述大腿框架向所述腰背框架输出力矩或者产生相对旋转运动；所述传感系统包括布置于所述腰背框架、髋关节部件和大腿框架中至少一个部件上的传感器，用于检测使用者的运动参数；

所述运动辅助装置还包括中央处理模块和延时调整模块，所述中央处理模块实时采集当前运动参数，并按控制周期循环执行特征值提取步骤S1和助力计算步骤S2，在当前控制周期中，所述特征值提取步骤S1计算后输出助力特征值Pt0，所述助力计算步骤S2计算助力值Torq并输出至所述髋关节部件，所述延时调整模块在每个控制周期均执行预先设置和/或延时计算从而得到延时调整值Td；所述助力计算步骤S2计算助力值Torq采用的助力特征值PtN为当前控制周期之前N个控制周期计算产生的，所述N为延时拍数；

所述特征值提取步骤S1根据所述运动参数进行组合运算处理以得到助力特征值及助力调整值，所述助力特征值包括髋关节角度、髋关节角速度、髋关节角速度差、背部姿态倾角、背部运动角速度、大腿姿态倾角、大腿运动角速度中的一个或多个或其运算组合；所述助力调整值包括行走步频、行走步幅、地形坡度、步相百分比中的一个或多个；

所述延时调整值Td对应延时时间等于延时拍数N*控制周期，或者所述延时调整值Td对应延时时间等于延时拍数N*控制周期加上助力特征滤波计算处理时间，所述助力特征滤波计算处理时间为所述延时调整模块对助力特征值进行滤波、数学运算所消耗的总时间。

2.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述髋关节部件左右两侧各配置一个，或者单独在左侧或右侧配置；所述大腿框架左右两侧各配置一个，或者单独在左侧或右侧配置；

当在一侧配置髋关节部件时，该侧配置大腿框架，当在一侧不配置髋关节部件时，该侧配置或不配置大腿框架。

3.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述行走步频越高，所述延时调整值Td越小。

4.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述地形坡度越大，所述延时调整值Td越大。

5.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，每一个迈步周期划分为若干步相片段，所述步相百分比为每一步相片段当前时刻在一个迈步周期起点时刻与终点时刻之间的时间占比，或者所述步相百分比为每一步相片段当前位置在一个迈步周期起点位置与终点位置之间的位置占比，所述延时调整值Td按照步相百分比对应设置调整，所述步相百分比与其延时调整值Td对应关系由使用者设置或者数学函数来确定。

6.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述运动辅助装置还包含有按键和/或与所述运动辅助装置连接的控制装置，按照下述方式中的一种或几种设置所述延时调整值Td：通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td随所述行走步频自动调整的幅度；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td随所述地形坡度自动调整的幅度；通过所述按键和/或所述控制装置设置所述延时调整值Td根据所述步相百分比自动调整的对应关系。

7.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述地形坡度定义为使用者运动方向与水平面的夹角，所述地形坡度计算方法为：对使用者的加速度运动参数进行积分得到使用者的运动速度矢量，然后计算出运动速度矢量与水平面的夹角并作为地形坡度。

8.根据权利要求1所述的运动辅助装置，其特征在于，所述助力计算步骤S2包括：

基于所述髋关节角度、髋关节角速度、髋关节角速度差、大腿姿态倾角、大腿运动角速度中的一种或多种或其运算组合，计算行走助力TorqW，基于所述背部姿态倾角、背部运动角速度中的一种或多种或其运算组合，计算弯腰助力TorqB；

将行走助力TorqW与弯腰助力TorqB进行组合后输出助力值Torq，组合方式包括加权叠加。

9.根据权利要求8所述的运动辅助装置，其特征在于，所述弯腰助力TorqB中：左右两侧动力输出方向相同，且均为伸髋力矩；所述行走助力TorqW中：左右两侧动力输出相反。

10.一种延时控制方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的运动辅助装置，其特征在于，所述延时控制方法包括：

中央处理模块实时采集当前运动参数，并按控制周期循环执行特征值提取步骤S1和助力计算步骤S2，在当前控制周期中，所述特征值提取步骤S1计算后输出助力特征值Pt0，所述助力计算步骤S2计算助力值Torq并输出至所述髋关节部件，延时调整模块在每个控制周期均执行预先设置和/或延时计算从而得到延时调整值Td；所述助力计算步骤S2计算助力值Torq采用的助力特征值PtN为当前控制周期之前N个控制周期计算产生的，所述N为延时拍数。