运动辅助设备及控制运动辅助设备的方法与流程

技术领域

示例实施例涉及一种运动辅助设备及控制所述运动辅助设备的方法。

背景技术：

随着社会迅速老龄化的来临，许多人可能承受着关节问题带来的不便和/或痛苦，因此，对能够使有关节问题的老人或病人较不费力地行走的运动辅助设备的兴趣可能正在增长。此外，为了军事目的，可期望增强人体肌肉力量的运动辅助设备。

技术实现要素：

一些示例实施例涉及一种运动辅助设备。

在一些示例实施例中，所述运动辅助设备可包括:固定模块，附着到用户的腰部；设置在固定模块中的驱动模块，提供用于辅助用户的运动的转矩；连接到驱动模块的支撑模块，支撑用户的腿部的周边的部分；控制器，被配置为控制驱动模块提供用于在用户没有行走时维持支撑模块与用户的腿部之间的紧密接触的转矩。

支撑模块可包括：一个端部连接到驱动模块且另一端部沿用户的腿部延伸的力传递架；连接到力传递架的板体，支撑用户的腿部的周边的后侧。

支撑模块还可包括：翼，被置于用户的腿部的一侧以从板体朝向一侧或两侧延伸，翼的一个端部可被布置为不与用户的腿部的基于力传递架转动的方向的前表面重叠。

运动辅助设备还可包括：弹性体，被配置为沿在用户直立的状态下用户行进的方向将弹力提供给支撑模块。

弹性体可包括：第一连接体，连接到固定模块；第二连接体，连接到支撑模块。

弹性体还可包括：悬挂部，被置于第一连接器与第二连接器之间并被悬挂在固定模块或支撑模块的一侧上。

弹性体可以是还包括缠绕在驱动模块上的缠绕部的扭力弹簧。

弹性体可包括：静负荷弹簧，被配置为不管用户的腿部的转动角度如何而提供预定弹性转矩。

支撑模块的端部可被置于用户的髋关节与膝盖之间以支撑用户的大腿，被配置为辅助用户的另一部分的运动的附加驱动模块和附加支撑模块可不连接到支撑模块的端部。

控制器可被配置为基于从以下项中的至少一个接收的信息控制驱动模块：惯性传感器，被配置为测量用户的上身的角度信息，编码器，被配置为测量用户的上身与下身之间的角度，压力传感器，被配置为测量由用户的腿部施加到支撑模块的压强，应变计，被配置为测量支撑模块的变形。

其他示例实施例涉及一种控制运动辅助设备的方法，所述运动辅助设备包括:固定模块，附着到用户的腰部；支撑模块，被配置为支撑用户的腿部。

在一些示例实施例中，所述方法可包括：感测用户的腿部转动信息；基于感测的腿部转动信息确定用户的运动；基于确定的运动确定将被提供给用户的必需的转矩；基于必需的转矩确定被配置为产生运动辅助力的驱动模块的驱动转矩，通过利用确定的驱动转矩驱动驱动模块来转动支撑模块。支撑模块可连接到驱动模块以支撑用户的腿部的后表面。

确定必需的转矩的步骤可包括：当用户的运动是前屈运动时，将必需的转矩确定为预定运动辅助转矩；当用户的运动是停止运动时，将必需的转矩确定为小于运动辅助转矩的接触维持转矩；当用户的运动是伸展运动时，将必需的转矩确定为“0”。

用户的腿部转动信息包括以下项中的至少一个：用户的腿部的角速度、用户的步态周期、施加到支撑模块的压强和支撑模块的变形程度。

感测的步骤可包括：测量用户的上身的角度；测量用户的上身与腿部之间的相对角度；基于上身的角度和相对角度确定用户的腿部的角度；确定用户的腿部的角速度。

确定运动的步骤可包括：当角速度小于第一设置值，将用户的运动确定为前屈运动；当角速度大于或等于第一设置值且小于第二设置值时，将用户的运动确定为停止运动，第二设置值大于第一设置值；当角速度大于或等于第二设置值时，将用户的运动确定为伸展运动。

运动辅助设备还可包括：弹性体，被配置为沿支持模块向前行进的方向将弹力提供给支撑模块，确定驱动转矩的步骤可包括：将驱动转矩确定为将必需的转矩减去弹性体的弹性转矩所获得的值。

其他示例实施例涉及一种控制运动辅助设备的方法，所述运动辅助设备包括:固定模块，附着到用户的腰部；支撑模块，被配置为支撑用户的腿部的后表面。

在一些示例实施例中，所述方法可包括：感测用户的腿部转动信息；基于感测的腿部转动信息确定用户的运动；基于确定的运动确定被配置为产生运动辅助力的驱动模块的驱动转矩；通过利用确定的驱动转矩驱动驱动模块来沿一个方向转动支撑模块。支撑模块可连接到驱动模块以支撑用户的腿部的后表面。

运动辅助设备还可包括：弹性体，被配置为沿支撑模块向前行进的方向将弹力提供给支撑模块。

确定运动的步骤可包括：当用户的腿部的角速度小于设置值时，将用户的运动确定为前屈运动；当用户的腿部的角速度超过设置值时，将用户的运动确定为不是前屈运动。

确定驱动转矩的步骤可包括：当用户的运动是前屈运动时，将驱动转矩确定为预定运动辅助转矩；当用户的运动不是前屈运动时，将驱动转矩确定为“0”。

一些示例实施例涉及一种运动辅助设备。

在一些示例实施例中，所述运动辅助设备包括：驱动器，被配置为产生用于辅助用户的腿部的运动的驱动转矩；控制器，被配置为指示驱动器产生驱动转矩；支撑体，被配置为支撑用户的大腿的后半部，使得支撑体被配置为当用户处于空闲状态时维持支撑体与用户的大腿的后半部之间的距离。

在一些示例实施例中，控制器被配置为基于以下项中的至少一个确定哪个步态状态与用户相关：用户的腿部的角速度、在步态周期内用户的当前步态状态、施加到支撑体的压强的量和支撑体变形的程度。

在一些示例实施例中，支撑模块被配置为：相比于当用户的步态状态是用户的腿部从后向前摆动的前屈状态时，如果用户的步态状态是用户的腿部从前向后摆动的伸展状态，则将更少的力提供给用户的大腿。

在一些示例实施例中，控制器被配置为：通过基于用户的腿部的角速度、与空闲状态相关联的下阈值角速度和与空闲状态相关联的上阈值角速度将用户的步态状态设置为前屈状态、空闲状态和伸展状态中的一个来确定步态状态。

在一些示例实施例中，控制器被配置为：如果用户的步态状态是前屈状态，则指示驱动器产生运动辅助转矩作为驱动转矩，运动辅助转矩是足以抬起用户的腿部的转矩的水平。

在一些示例实施例中，控制器被配置为：如果用户的步态状态是(i)伸展状态和(ii)空闲状态之一并且施加到支撑体的弹力等于或大于接触维持转矩，则指示驱动器将驱动转矩设置为零，接触维持转矩是小于运动辅助转矩的水平并足以维持支撑体与用户的大腿的后半部之间的距离的转矩的水平，如果用户的步态状态是空闲状态并且施加到支撑体的弹力小于接触维持转矩，则指示驱动器产生接触维持转矩作为驱动转矩。

示例实施例的其他方面将部分地在下面的描述中阐明，部分地将通过描述而明显，或者可通过本公开的实施而得知。

附图说明

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

图1是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的侧视图；

图2是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的主视图；

图3是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的框图；

图4是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图；

图5是示出根据至少一个示例实施例的感测腿部转动信息的操作的流程图；

图6示出根据至少一个示例实施例的用户直立的状态以描述感测腿部转动信息的操作；

图7示出根据至少一个示例实施例的用户行走的状态以描述感测腿部转动信息的操作；

图8是示出根据至少一个示例实施例的确定运动的操作的流程图；

图9A是示出用户的一条腿的转动速度的曲线图；

图9B是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的必需转矩的曲线图；

图10和图11是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的示图；

图12和图13是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的示图；

图14和图15是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的示图；

图16是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图；

图17A是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的必需转矩的曲线图；

图17B是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的弹性转矩的曲线图；

图17C是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的驱动转矩的曲线图；

图18是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图；

图19是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的示图；

图20是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图；

图21是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的示图。

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他组件区分。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。

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他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的群组。

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，则描述为在其他元件或特征下面或之下的元件可被朝向其他元件或特征的上面。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(转动90度或朝向其他方向)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他中间元件。

当元件被描述为在另一元件“上”，或者被描述为“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件上或直接连接或结合到另一元件或层，或者也可以存在一个或多个中间元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”或“直接连接到”、“直接结合到”或“紧邻”另一元件时，不存在中间元件。

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他装置)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/或功能可被其他功能单元执行。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他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/或其他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/或任何其他类似介质传输和/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，其他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运动辅助设备1的侧视图，图2是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备1的主视图，图3是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备1的框图。

参照图1至图3，运动辅助设备1可被用户穿戴以辅助用户的运动。

在一些示例实施例中，用户可对应于人、动物或机器人。然而，用户不限于此。此外，虽然图1示出运动辅助设备1辅助用户的大腿的运动的情况，但是运动辅助设备1可辅助用户的任何身体部位的运动。例如，运动辅助设备1还可辅助用户的上身(例如，手、上臂和下臂)的运动。此外，运动辅助设备1可辅助用户的另一下身部位(例如，脚和小腿)的运动。

在下文中，将描述运动辅助设备1辅助人的大腿的运动的情况。然而，示例实施例不限于此。

运动辅助设备1可包括固定模块20、驱动模块30、支撑模块40、惯性传感器50和控制器90。

固定模块20可被固定到用户。固定模块20可覆盖用户的外表面。例如，固定模块20可被固定到用户的腰部的侧面，并包括与用户的接触部分对应的弯曲表面。固定模块20可包括被配置为包围用户的至少一部分的固定框架22和连接到固定框架22并与用户紧密接触的固定带24。

例如，可使用刚性材料来形成固定框架22，而可使用柔性材料来形成固定带24。然而，至少一个示例实施例不限于此。固定模块20可包括单个框架。

固定带24可包括为了便于穿戴而可拆卸的紧固部24a。例如，可以以钩环紧固件、按扣紧固件或带扣紧固件(buckle fastener)的结构设置紧固部24a。然而，示例实施例不限于此。

驱动模块30可被设置在固定模块20的一侧上以提供将被传递到支撑模块40的力或扭矩。驱动模块30可包括被配置为从电源接收电压或电流并产生转动动力的致动器32和被配置为测量用户的上身与下身之间的角度的编码器34。例如，编码器34可通过测量致动器32相对于固定模块20转动的角度来测量用户的上身与下身之间的角度。

与附图不同，驱动模块30还可通过单独的关节连接件的媒介连接到支撑模块40。在该示例中，可另外设置被配置为将动力从驱动模块30传递到关节组件的动力传递模块。动力传递模块可以是旋转体(诸如，齿轮)，或纵向构件(诸如，线、缆、绳、橡皮筋、弹簧、带和链)。

驱动模块30可被设置于固定模块20的一侧或更多侧上。例如，驱动模块30可被置于与用户的一个或更多个关节部分(例如，用户的一个或更多个髋关节部分)对应的位置。如上所述，驱动模块30可通过单独的关节组件的媒介连接到支撑模块40。在该示例中，关节组件可被设置于用户的关节部分(例如，用户的髋关节部分)。

支撑模块40可使用从驱动模块30提供的力或扭矩转动。支撑模块40可支撑用户的下肢(例如，用户的大腿)并辅助下肢的运动。支撑模块40可支撑用户的大腿的后部，并传递力或扭矩以使用户的腿部向前移动。例如，支撑模块40可支撑大腿的后部，而可不支撑大腿的前部。

例如，如图2的放大的部分所示，支撑模块40可不包括被配置为紧固大腿的紧固部。而是，支撑模块40可包括被配置为包围用户的腿部的前部的带。带可包括柔性材料，诸如，织物、硅和/或橡胶。带可防止在驱动模块30不工作(或可选择地，空闲)时用户的腿部与支撑模块40分离。虽然设置了支撑带，但是根据以下将描述的控制方法，支撑带可实质上不传递使用户的腿部向后移动的力或扭矩。除非另外公开，否则不应被解释为支撑模块40不应包括被配置为包围大腿的任何组件。支撑模块40可包括力传递框架42和支撑板44。

力传递框架42可将力传递到用户的一部分。力传递框架42的一个端部可转动地连接到驱动模块30，力传递框架42的另一端部可连接到支撑板44以将力传递到支撑板44。

支撑板44可连接到力传递框架42的另一端部以将力施加到用户的一部分。支撑板44可被置于用户的大腿的后侧以推动用户的大腿。在前述结构中，支撑板44可沿在力传递架42向前转动时用户的大腿被推动的方向将力传递到用户的大腿，然而，当力传递框架42向后转动时，支撑板44可不将力传递到用户的大腿。例如，在一些示例实施例中，支撑板44可仅沿一个方向将力传递到用户。因此，由于支撑板44可不收紧/绷紧用户的大腿，因此用户可能承受的压力可减轻，并且耐磨损性可增加。此外，支撑板44可仅支撑大腿的后侧。因此，当与大腿被收紧的情况进行比较时，支撑板44可减小力的作用点，从而可减小整个支撑模块40的变形。此外，可简单地构造支撑板44，从而可减小运动辅助设备1的重量。支撑板44可包括连接到力传递框架42的另一端部的板体44a和被配置为从板体44a的一侧或更多侧延伸的一个或更多个翼(wing)44b。

板体44a可基于用户行进的方向被置于用户的后侧。例如，板体44a可被置于用户的大腿的后表面上。

翼44b可被置于用户的侧部上。例如，翼44b可被置于用户的大腿的侧面上。翼44b可防止用户的大腿的侧面分离。翼44b可不被设置为包围大腿的前表面。详细地，翼44b的位于距板体44a最远距离处的端部可被布置为基于力传递框架42转动的方向而不与大腿的前表面重叠。在前述结构中，可在用户的大腿没有被紧固时防止用户的大腿的横向的分离。

惯性传感器50(例如，惯性测量单元(IMU))可测量用户正在行走时上身的角度信息。由惯性传感器50测量的上身的角度信息可被传递到控制器90，并被用于确认腿部的转动信息。

控制器90可包括存储器和处理器。

存储器可以是非易失性存储器、易失性存储器、硬盘、光盘和上述装置中的两个或更多个的组合。存储器可以是非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质还可以是分布网络，使得程序指令以分布方式被存储和执行。非易失性存储器可以是只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或闪速存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM)。

处理器可由被置于印刷电路板上的至少一个半导体芯片来实现。处理器可以是算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够以限定方式响应指令并执行指令的其他任何装置。

处理器可被编程有这样的指令：所述指令将处理器配置为专用计算机以执行图4、图5、图8、图16、图18和图20中的一个或更多个中示出的用于确定用户的运动并基于确定的运动控制驱动模块30的操作。例如，处理器可基于用户是否处于空闲状态以及静弹力是否被提供给支撑模块40而不管驱动扭矩如何，来调整经由支撑模块40提供给用户的驱动扭矩的量以保持支撑模块40与用户的大腿的后半部分之间的距离。因此，控制器90可通过减小在用户从空闲状态开始向前行走时产生的支撑模块40抵住用户的大腿的力，来提高运动辅助设备1自身的功能。

在一些示例实施例中，控制器90可基于由惯性传感器50感测的用户的上身的角度和由编码器34感测的用户的上身与下身之间的相对角度，来确定用户的下身的角度。此外，控制器90可基于确定的用户的下身的角度的变化，来确定用户是否正在执行腿部向前转动的前屈运动、用户是否正在执行腿部向后转动的伸展运动，或者用户是否正在执行腿部正停止在期望(或可选择地，预定)角度的停止运动。

在另一示例中，控制器90可通过将用户的当前步态模式与用户的输入(或可选择地，预输入)步态模式(例如，用户的步态周期)进行比较，来确定用户正在执行前屈运动、伸展运动还是停止运动。

然而，示例实施例不限于此。例如，控制器90可采用其他方法来确定用户的运动。

在一些示例实施例中，运动辅助设备1可包括一个或更多个附加驱动模块和/或支撑模块。例如，支撑模块40可延伸到膝盖，可在支撑模块40中与膝关节相应的位置处设置附加的驱动模块。此外，附加的支撑模块可连接到附加驱动模块。附加支撑模块可通过支撑用户的小腿来辅助用户的小腿的运动。

然而，与前述不同，如图1所示，支撑模块40的端部可被置于用户的髋关节与膝盖之间，被配置为辅助用户的另一部分的运动的附加驱动模块和附加支撑模块可不连接到支撑模块40的端部。通过前述简单结构，可减小运动辅助设备1的总体重量。

图4是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图。

参照图4，控制器90可执行控制运动辅助设备的方法。例如，控制器可执行感测用户的腿部转动信息的操作1100、基于感测的腿部转动信息来确定用户的运动的操作1200、基于确定的运动来确定将被施加到用户的必需(或可选择地，期望)的转矩T_N的操作1300、基于确定的必需的转矩T_N来确定驱动转矩T_D的操作1400和使用确定的驱动转矩T_D来驱动致动器的操作1500。

在至少一些示例实施例中，必需的转矩T_N可以是将从外部施加到用户的下身的转矩之和。驱动转矩T_D可以是由驱动模块30产生的并被施加到用户的转矩。如图4所示，在一些示例实施例中，控制器90可将驱动转矩T_D设置为与必需的转矩T_N相同。然而，示例实施例不限于此。例如，与图4不同，控制器90可除了考虑必需的转矩T_N之外还考虑外力的效果来设置驱动转矩T_D。现在将在下面描述操作1100至1500的细节。

在操作1100，控制器90可直接或间接地使用腿部转动信息传感器来感测用户的腿部转动信息。例如，直接地感测用户的腿部转动信息的腿部转动信息传感器可包括直接附着到用户的腿部的惯性传感器。间接地感测用户的腿部转动信息的腿部转动信息传感器可包括惯性传感器、编码器、压力传感器和/或应变计，其中，惯性传感器被配置为在用户正在行走时测量上身的角度信息，编码器被配置为测量用户的上身与下身之间的角度，压力传感器被配置为测量由用户的腿部施加到支撑模块的压强，应变计被配置为测量支撑模块的变形。下面将针对图5至图7更详细地讨论操作1100。

在操作1200，控制器90可基于感测的腿部转动信息来确定用户的运动是对应于前屈运动、停止运动还是伸展运动。下面将针对图8至图9B更详细地讨论操作1200。

在操作1300，控制器90可基于用户的运动是对应于前屈运动(例如，用户的腿部正在向前转动的状态)、停止运动(例如，用户的腿部没有转动的状态)还是伸展运动(例如，用户的腿部正在向后转动的状态)来确定必需转矩T_N。

例如，响应于控制器90在操作1200确定用户的运动对应于前屈运动，在操作1310，控制器90可将必需的转矩T_N设置为运动辅助转矩。运动辅助转矩可指这样的转矩：所述转矩被预先设置为高得足够支撑板抬起用户的腿部的值并沿用户的腿部被推动的方向被施加。用户可接收运动辅助转矩并使用更少的力向前转动腿部。当运动辅助转矩被施加时，用户可减少用户的肌肉的使用。这种减少可减少施加到用户的关节的负荷，这对患病(例如，关节炎)的患者是有帮助的，从而可减轻和阻止疾病。

响应于控制器90在操作1200确定用户的运动对应于停止运动，在操作1320，控制器90可将必需的转矩T_N设置为接触维持转矩。接触维持转矩可指这样的转矩：所述转矩沿用户的腿部被推动的方向被施加以维持支撑板与用户的腿部的后表面之间的接触，并可被预先设置。详细地，接触维持转矩不是直接转动用户的腿部的转矩。接触维持转矩的大小可被设置为小于运动辅助转矩的大小。接触维持转矩可被设置为足够小的值以使用户维持停止状态时用户可不承受来自接触维持转矩的过多负荷。接触维持转矩可保持用户的大腿与不总是包括大腿束紧部的运动辅助设备的支撑模块之间的紧密接触。因此，当用户的腿部转换运动(从停止运动转换为前屈运动)时，可防止用户的大腿上的支撑模块的突然拍击。此外，在不使用大腿束紧部的情况下，可确认与用户的运动状态相关的信息，例如，关于在大腿与支撑模块之间施加的压强的信息。

响应于控制器90在操作1200确定用户的运动对应于伸展运动，在操作1330，控制器90可将必需的转矩T_N设置为0。支撑模块支撑用户的大腿的后表面。因此，当用户的腿向后转动时，虽然没有提供单独的转矩，但是可通过支撑模块的自负荷来维持支撑模块与大腿之间的紧密接触。因此，通过将拟被施加到用户的转矩设置为“0”，可使阻碍用户的腿部的向后转动的力最小化。

在操作1400，控制器90可基于在操作1300确定的必需的转矩T_N来确定驱动转矩T_D。

例如，在一些示例实施例中，例如，当除了驱动模块之外没有提供被配置为将转矩传递给用户的另一组件时，转矩将完全通过驱动模块被传递给用户。因此，控制器90可将驱动转矩T_D设置为与必需的转矩T_N相同的值。

在其他示例实施例中，当除了驱动模块之外还提供了被配置为将转矩传递给用户的另一组件时，控制器90可基于必需的转矩T_N和另一组件的转矩设置驱动转矩T_D。

图5是示出根据至少一个示例实施例的感测腿部转动信息的操作1100的流程图，图6示出用户直立的状态以描述根据至少一个示例实施例的感测腿部转动信息的操作1100，图7示出用户行走的状态以描述根据至少一个示例实施例的感测腿部转动信息的操作1100。

参照图5至图7，在执行感测腿部转动信息的操作1100中，控制器90可执行测量用户的上身的角度θ1的操作1110、测量用户的上身与下身之间的相对角度θ2的操作1120、确定用户的下身的角度θ3的操作1130和确定用户的下身的角速度的操作1140。

在操作1110，控制器90可例如基于与地面垂直的方向测量用户的上身U的角度θ1。控制器90可基于由固定到固定模块20的一侧的惯性传感器50感测的信息来测量用户的上身U的角度θ1。例如，惯性传感器50可包括三个被配置为测量直线运动的加速度计和三个被配置为测量转动运动的陀螺仪。

在操作1120，控制器90可不管用户的运动状态如何而测量上身U与下身L之间的角度θ2。例如，控制器90可基于由用于测量支撑模块40相对于固定模块20的转动角度的固定到固定模块20的一侧的编码器34感测的信息来测量用户的上身U与下身L之间的角度θ2。例如，编码器34可连接到驱动模块30的致动器的转动轴。

在操作1130，控制器90可不管用户的运动状态如何，基于与地面垂直的方向来确定用户的下身L的角度θ3。例如，控制器90可基于分别在操作1110和1120测量的两个角度θ1和θ2来确定角度θ3。

在操作1140，控制器90可基于在操作1130确定的角度θ3相对于时间的微分值来确定用户的下身的角速度。

示例实施例不限于上述控制方法。例如，可使用其他方法来执行操作1100。例如，在其他示例实施例中，惯性传感器可直接附着到用户的腿部，并且可基于由附着的惯性传感器感测的信息来感测用户的腿部转动信息，例如，腿部的角速度。

图8是示出根据至少一个示例实施例的确定运动的操作1200的流程图，图9A是示出用户的一条腿的转动速度的曲线图，图9B是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的必需的转矩。

参照图8至图9B，在执行确定运动的操作1200中，控制器90可执行将用户的下身的角速度与至少一个设置值进行比较的操作1210、基于操作1210的比较的结果确定运动的操作1220、1230和1240。

如图8所示，运动可被分类为三个运动。运动可包括与用户向后转动腿部相关联的伸展运动、与用户向前转动腿部相关联的前屈运动和与用户停止转动腿部而不是在期望(或可选择地，预定)范围内转动腿部相关联的停止运动。

这里，停止运动可被设置为包括用户的下身的角速度恰好为“0”的时间段的期望(或可选择地预定)的时间段。在该示例中，可防止响应于驱动模块的控制信号的过多改变而施加到控制器和驱动模块的过多负荷。在下文中，将基于以下条件提供描述，所述条件为：在用户的腿部向前转动的状态下(例如，当用户的腿部沿前屈方向运动时)的角速度被设置为负值，在用户的腿部向后转动的状态下(例如，当用户的腿部沿伸展方向运动时)的角速度被设置为正值。同时，角速度的符号可被相反地设置。

在操作1210，控制器90可将用户的下身的角速度与第一设置值(“min”)和大于第一设置值的第二设置值(“max”)进行比较。详细地，图9A示出第一设置值为“-1”而第二设置值为“1”的情况。

在操作1220，如果控制器90确定用户的下身的角速度小于第一设置值，则控制器90可将用户的运动设置为前屈运动，并且控制器90可通过例如执行操作1310确定必需的转矩T_N。详细地，在图9A中，在t2与t3之间的时间段以及t8与t9之间的时间段(其中，在所述时间段中，用户的下身的角速度V小于“-1”)中，用户的运动可被确定为前屈运动。在该示例中，如图9B所示，在t2与t3之间的时间段和在t8与t9之间的时间段中将被施加到用户的下身的必需的转矩T_N可被设置为期望(或可选择地，预定)的运动辅助转矩。

在操作1230，当控制器90确定用户的下身的角速度大于或等于第一设置值并且小于第二设置值时，用户的运动可被确定为停止运动，控制器90可通过例如执行操作1320来确定必需的转矩T_N。详细地，在图9A中，在t1与t2之间的时间段、t3与t4之间的时间段、t5与t6之间的时间段、t7与t8之间的时间段、t9与t10之间的时间段(在这些时间段中，用户的下身的角速度V大于或等于“-1”并且小于“1”)中，控制器90可将用户的运动确定为停止运动。在该示例中，如图9B所示，在相应时间段中，控制器90可将作为期望(或可选择地，预定)的接触维持转矩的必需的转矩施加到用户的下身。

在操作1240，当用户的下身的角速度大于或等于第二设置值时，控制器90可将用户的运动确定为伸展运动，控制器90可通过例如执行操作1330来确定必需的转矩T_N。详细地，在图9A中，在0与t1之间的时间段、t4与t5之间的时间段、t6与t7之间的时间段、t10之后的时间段(在这些时间段中，用户的下身的角速度V大于或等于“1”)中，用户的运动可被确定为伸展运动。在该示例中，如图9B所示，控制器90可将在相应时间段中施加到用户的下身的必需的转矩T_N设置为“0”。

与前述示例不同，确定运动的操作1200可包括基于输入(或可选择地，预输入)的步态周期或实时确认的最近的平均步态周期而不是基于下身的角速度来确定随着时间的运动的操作。

图10和图11是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备2的示图。详细地，图10示出在用户直立的状态下的运动辅助设备2，图11示出在用户的腿部向前转动的状态下的运动辅助设备2。

参照图10和图11，运动辅助设备2还可包括被配置为将弹力提供给支撑模块40的弹性体200。弹性体200可以是例如橡皮筋或弹簧。弹性体200可包括连接到固定模块20的第一连接体210、连接到支撑模块40的第二连接体220和被置于第一连接体210与第二连接体220之间并被悬挂在固定模块20或支撑模块40的一侧上的悬挂部(hanging portion)230。

第一连接体210可连接到例如固定模块20的固定架22。第二连接体220可连接到例如支撑模块40的力传递架42。弹性体200可被悬挂在例如驱动模块30上。详细地，弹性体200可沿固定架22和力传递架42连接到运动辅助设备2。在前述结构中，弹性体200可被置于固定模块20和力传递架42延伸的路径上。因此，可使为弹性体200的变形和运动而另外确保的空间最小化。

例如，弹性体200可被置于固定架22、驱动模块30和力传递架42的内部。通过前述形状，可防止由外部冲击或污染导致的弹性体200的损坏或腐蚀，从而可增加弹性体200的使用寿命。此外，可防止在弹性体200的变形期间用户的身体或衣服被塞住。

当用户直立时，弹性体200可沿支撑模块40相对于固定模块20向前转动的方向(详细地，沿前屈方向)向支撑模块40提供弹力。当用户直立时，在不驱动驱动模块30的情况下，弹性体200可使支撑模块40与用户能够紧密接触。详细地，可节省将被用于驱动驱动模块30以产生接触维持转矩的能量。

弹性体200可包括例如静负荷弹簧。在该示例中，不管支撑模块40的角度如何，可由弹性体200产生恒定弹性转矩，从而可简单且精确地控制驱动模块30。

图12和图13是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备3的示图。详细地，图12示出在用户直立的状态下的运动辅助设备3，图13示出在用户的腿部向前转动的状态下的运动辅助设备3。

参照图12和图13，运动辅助设备3还可包括被配置为将弹力提供给支撑模块40的弹性体300。弹性体300可包括连接到固定模块20的第一连接体310和连接到支撑模块40的第二连接体320。如图12和图13所示，弹性体可不悬挂在驱动模块30上。

图14和图15是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备4的示图。详细地，图14示出在用户直立的状态下的运动辅助设备4，图15示出在用户的腿部向前转动的状态下的运动辅助设备4。

参照图14和图15，运动辅助设备4还可包括被配置为将弹力提供给支撑模块40的弹性体400。弹性体400可包括连接到固定模块20的第一连接体410、连接到支撑模块40的第二连接体420和缠绕在驱动模块30上的缠绕部430。例如，弹性体400可以是被配置为包围驱动模块30的扭力弹簧。运动辅助设备4可向用户提供由驱动模块30产生的转矩和由弹性体400产生的转矩。由驱动模块30产生的转矩可以是基于控制器90的控制信号改变的主动转矩。由弹性体400产生的转矩可以是被动转矩，具体地说，是基于弹性体400的规格和用户的步态状态确定(或可选择地，预先确定)的转矩。当驱动模块30和弹性体400被使用时，可如下所述产生针对用户的步态状态适当改变的转矩。

图16是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图。图17A是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的必需的转矩的曲线图，图17B是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的弹性转矩的曲线图，图17C是示出根据至少一个示例实施例的通过控制运动辅助设备的方法确定的驱动转矩的曲线图。在图17A至图17C中，轴Y指示转矩的大小，轴Y的正方向指示伸展方向，轴Y的负方向指示前屈方向。

参照图16至图17C，控制运动辅助设备的方法(在下文中，被称为控制方法)可包括确定驱动转矩T_D的操作2400。例如，不执行操作1400，控制器90可在确定必需的转矩T_N的操作1300被执行后执行操作2400。在操作2400，控制器90可基于在操作1300确定的必需的转矩T_N和由运动辅助设备的弹性体施加到用户的下身的弹性转矩来确定驱动转矩T_D。

图17B示出不管时间流逝或用户的下身的角度如何弹性转矩T_E具有恒定值的情况。例如，当静负荷弹簧被用作弹性体时，弹性体可向用户提供恒定弹性转矩T_E。在该示例中，弹性转矩T_E可以是基于弹性体的规格确定(或可选择地，预定确定)的值。在操作2400，控制器90可将通过将必需的转矩T_N减去弹性转矩T_E获得的值确定为驱动转矩T_D。在操作1500，控制器可使用在操作2400确定的驱动转矩T_D来驱动致动器32，使得精确的必需的转矩T_N可被提供给用户。

当考虑普通用户的步态模式时，与停止运动相应的时间段可长于与前屈运动或伸展运动相应的其余时间段。当使用提供与接触维持转矩相同的弹性转矩T_E的弹性体时，驱动转矩T_D可被确定为如图17C所示。在该示例中，在与停止运动相应的时间段期间，驱动模块可不需要被驱动。因此，可节省用于驱动模块的操作的能量。

沿图17C的轴Y的正方向施加的转矩可以是沿用户的伸展方向施加的转矩。根据前述控制方法，阻碍用户的伸展运动的弹性转矩可被去除。为了如图17C所示驱动驱动模块，驱动模块可沿两个方向转动。

弹性转矩T_E可基于用户的腿部的角度改变。在该示例中，控制器90可基于用户的腿部转动信息感测弹性转矩T_E，并将必需的转矩T_N减去感测的弹性转矩T_E获得的值确定为驱动转矩T_D。根据前述控制方法，可通过弹性体和驱动模块将精确的必需的转矩T_N提供给用户。

图18是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备的方法的流程图。

参照图18，在操作1200的运动的确定之后不执行操作1300(见图4)，控制器90可基于确定的运动执行用于确定驱动转矩T_D的操作3300。如以下将更详细地讨论的那样，操作3300可包括操作3310和3320。

例如，响应于控制器90在操作1200确定用户的运动对应于前屈运动(例如，用户的腿部向前转动的状态)，在操作3310，控制器90可将驱动转矩T_D确定为运动辅助转矩。在操作3310的确定可与在操作1310的确定(见图4)类似。

响应于控制器90在操作1200确定用户的运动不对应于前屈运动，在操作3320，控制器90可将驱动转矩T_D确定为“0”。例如，当控制器90确定运动对应于停止运动或伸展运动时，控制器90可确定驱动转矩T_D为“0”。在停止运动或伸展运动的情况下，可通过弹性体或支撑模块的自负荷来保持支撑模块与大腿之间的紧密接触。在该示例中，在与停止运动或伸展运动相应的时间段期间，驱动模块可不需要被驱动，因此，可节省用于驱动模块的操作的能量。

根据前述控制方法，可通过仅沿一个方向转动驱动模块来辅助运动。详细地，可使用被配置为产生单向转矩的驱动模块来辅助运动。此外，可更简单地控制运动辅助设备，从而运动辅助设备的响应可增加，由控制方法的复杂性导致的误差可减小。

图19是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备5的示图，图20是示出根据至少一个示例实施例的控制运动辅助设备5的方法的流程图。

参照图19和图20，运动辅助设备5还可包括被配置为测量由用户的腿部施加到支撑模块40的压强的压力传感器500。压力传感器500可被布置于支撑模块40中。例如，压力传感器500可被布置于力传递架42与支撑板44之间。

参照图4和图20，在控制运动辅助设备5的方法中，不执行操作1100、1200和1300，控制器90可执行用于感测用户的腿部转动信息的操作4100和用于基于感测的腿部转动信息来确定用户的运动的操作4200。

在操作4100，控制器90可基于由压力传感器500感测的压强获得用户的腿部转动信息。

在操作4200，控制器90可基于由压力传感器500感测的压强确定运动。操作4200可包括操作4210、4220、4230和4240。

例如，在操作4210，控制器90可将由压力传感器50感测的压强与至少一个设置值进行比较，并基于操作4210的比较的结果执行用于确定运动的操作4220、4230和4240。

更具体地，在操作4210，控制器90可将感测的压强与第一设置值min和大于第一设置值的第二设置值max进行比较。在一些示例实施例中，第一设置值和第二设置值可以是具有压强的单位(例如，帕斯卡(Pa))的值。然而，示例实施例不限于此。

当控制器90在操作4210确定由压力传感器500感测的压强小于第一设置值min时，在操作4220，控制器90可确定用户的腿部正在执行用户的腿部沿远离支撑模块40的方向运动的前屈运动，因此，控制器90可例如通过执行操作1310来确定必需的转矩T_N。

当控制器90在操作4210确定由压力传感器500感测的压强大于或等于第一设置值min且小于第二设置值max时，在操作4230，控制器90可确定用户的腿部正在执行用户的腿部在期望(或可选择地，预定)范围内向支撑模块40提供压强的停止运动，因此，控制器90可例如通过执行操作1320来确定必需的转矩T_N。

当控制器90在操作4210确定由压力传感器500感测的压强大于或等于第二设置值max时，在操作4240，控制器90可确定用户的腿部朝向支撑模块40运动的伸展运动，因此，控制器90可例如通过执行操作1330来确定必需转矩T_N。

总而言之，控制器90可间接使用前述方法感测用户的腿部转动信息和/或确定用户的运动，而不直接测量用户的腿部的角度或角速度。

图21是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备6的示图。

参照图21，运动辅助设备6还可包括被配置为测量支撑模块40的变形的应变计600。应变计600可被置于支撑模块40中。例如，应变计600可被置于设置在支撑板44中的弹性构件中以测量弹性构件的变形率。应变计600可被置于力传递架42中以测量力传递架42的变形率。

支撑模块40可与在用户的下身与支撑模块40之间施加的力或压强成比例地变形。因此，如上所述，控制器90可使用应变计600感测腿部转动信息，并基于感测的腿部转动信息确定用户的运动。为了简明，将省略对其的详细描述。

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他装置。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，其他实现在权利要求的范围内。