至少一个示例实施例涉及一种锁定装置和/或包括该锁定装置的运动辅助设备。
背景技术：
使具有关节问题的老年人和/或病人能够花费更少的力气行走的运动辅助设备和用于军事目的增加用户的肌肉力量的运动辅助设备正被开发。
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，所述运动辅助设备包括：近端支撑件，被配置为支撑用户的近端部分；远端支撑件，被配置为支撑用户的远端部分，远端支撑件包括第一部分和第二部分；支撑组件，被配置为连接近端支撑件和远端支撑件，；控制器，被配置为基于使用近端支撑件作为质量体设计的虚拟双弹簧-质量模型，控制支撑组件调节近端支撑件与远端支撑件之间的分开距离并调节远端支撑件的旋转角度，其中，虚拟双弹簧-质量模型包括虚拟连接近端支撑件和远端支撑件的第一部分的第一虚拟弹簧以及虚拟连接近端支撑件和远端支撑件的第二部分的第二虚拟弹簧。
在一些示例实施例中，远端支撑件的第一部分和第二部分位于相对于远端支撑件的旋转中心的远端支撑件的相对侧上。
在一些示例实施例中，至少两个运动副位于用户的近端部分与用户的远端部分之间。
在一些示例实施例中，控制器被配置为基于第一虚拟弹簧的弹性模量、第一虚拟弹簧的长度的改变、第二虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的长度的改变，驱动支撑组件。
在一些示例实施例中，控制器被配置为确定从第一虚拟弹簧施加到远端支撑件的第一部分的第一虚拟力，确定从第二虚拟弹簧施加到远端支撑件的第二部分的第二虚拟力，并基于第一虚拟力和第二虚拟力，驱动支撑组件。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：调节第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：当远端支撑件的第一部分接触地面时，增加第一虚拟弹簧的弹性模量。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：当远端支撑件的第一部分与地面分开时，减小第一虚拟弹簧的弹性模量。
在一些示例实施例中，所述运动辅助设备还包括：支撑件传感器，被配置为感测远端支撑件的第一部分和第二部分中的一个或两个是否接触地面，其中，控制器被配置为基于来自支撑件传感器的一个或多个信号，调节第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量中的一个或两个。
在一些示例实施例中，支撑件传感器包括：第一接触传感器，被配置为基于远端支撑件的第一部分是否接触地面，将第一信号传送到控制器；第二接触传感器，被配置为基于远端支撑件的第二部分是否接触地面，将第二信号传送到控制器。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：当来自第一接触传感器的第一信号指示远端支撑件的第一部分接触地面且来自第二接触传感器的第二信号指示远端支撑件的第二部分不接触地面时，将第一虚拟弹簧的弹性模量设置为大于第二虚拟弹簧的弹性模量的值；当来自第二接触传感器的第二信号指示远端支撑件的第二部分接触地面且来自第一接触传感器的第一信号指示远端支撑件的第一部分不接触地时，将第二虚拟弹簧的弹性模量设置为大于第一虚拟弹簧的弹性模量的值。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：当来自第一接触传感器的第一信号指示远端支撑件的第一部分接触地面和来自第二接触传感器的第二信号指示远端支撑件的第二部分接触地面时，将第一虚拟弹簧的弹性模量与第二虚拟弹簧的弹性模量之间的差设置为小于或等于第一设置值的值。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：当来自第一接触传感器的第一信号指示远端支撑件的第一部分不接触地面和来自第二接触传感器的第二信号指示远端支撑件的第二部分不接触地面时，将第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量中的每个设置为小于第二设置值的值。
在一些示例实施例中，支撑件传感器包括被配置为测量关于从地面施加到远端支撑件的压力的分布的信息的压力传感器，控制器被配置为基于测量的信息调节第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量的值，或者调节第一虚拟弹簧的弹性模量与第二虚拟弹簧的弹性模量之比。
在一些示例实施例中，所述运动辅助设备还包括：速度传感器，被配置为感测用户的步行速度，其中，控制器被配置为：当步行速度增加时，增加第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量中的至少一个；当步行速度减小时，减小第一虚拟弹簧的弹性模量和第二虚拟弹簧的弹性模量中的至少一个。
在一些示例实施例中，虚拟双弹簧-质量模型包括第一虚拟阻尼器和第二虚拟阻尼器中的至少一个，其中，第一虚拟阻尼器连接近端支撑件和远端支撑件的第一部分，第二虚拟阻尼器连接近端支撑件和远端支撑件的第二部分，控制器被配置为基于第一虚拟阻尼器和第二虚拟阻尼器中的所述至少一个的虚拟阻尼力，控制支撑组件。
在一些示例实施例中，支撑组件包括多个可旋转连杆。
在一些示例实施例中，所述多个可旋转连杆包括第一连杆和第二连杆，其中，第一连杆可旋转地连接到近端支撑件，第二连杆可旋转地连接到第一连杆和远端支撑件，支撑组件包括第一驱动源和第二驱动源，其中，第一驱动源被配置为调节近端支撑件与第一连杆之间的旋转角度或第一连杆与第二连杆之间的旋转角度；第二驱动源被配置为：调节第二连杆与远端支撑件之间的旋转角度。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：确定由第一虚拟弹簧作用在远端支撑件的第一部分上的第一虚拟力和由第二虚拟弹簧作用在远端支撑件的第二部分上的第二虚拟力；基于通过将输入矩阵乘以雅可比变换矩阵而计算出的输出矩阵，控制第一驱动源和第二驱动源，其中，输入矩阵包括第一虚拟力和第二虚拟力，雅可比变换矩阵基于支撑组件的运动学结构来确定。
在一些示例实施例中，支撑组件还包括被配置为调节第一连杆与第二连杆之间的旋转角度的第三驱动源，第一驱动源被配置为调节近端支撑件与第一连杆之间的旋转角度。
在一些示例实施例中，支撑组件包括用于连接远端支撑件的两侧和近端支撑件并将线性动力从近端支撑件提供给远端支撑件的两侧的第一驱动源和第二驱动源。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：确定由第一虚拟弹簧作用在远端支撑件的第一部分上的第一虚拟力和由第二虚拟弹簧作用在远端支撑件的第二部分上的第二虚拟力；基于通过将输入矩阵乘以雅可比变换矩阵计算的输出矩阵，控制第一驱动源和第二驱动源，其中，输入矩阵包括第一虚拟力和第二虚拟力，雅可比变换矩阵基于支撑组件的运动学结构来确定。
在一些示例实施例中，支撑组件还包括：阻尼器，被配置为连接近端支撑件和远端支撑件。
在一些示例实施例中，近端支撑件被配置为支撑用户的腰，远端支撑件被配置为支撑用户的第一脚。
在一些示例实施例中，所述运动辅助设备还包括：附加远端支撑件，被配置为支撑用户的第二脚；附加支撑组件，被配置为连接近端支撑件和附加远端支撑件，并调节从近端支撑件至附加远端支撑件的分开距离和附加远端支撑件的旋转角度。
在一些示例实施例中，控制器被配置为：基于使用近端支撑件作为质量体设计的虚拟双弹簧-质量模型，控制支撑组件，其中，虚拟双弹簧-质量模型包括第一虚拟弹簧和第二虚拟弹簧，第一虚拟弹簧被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第一部分，第二虚拟弹簧被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第二部分的第二虚拟弹簧。
其他实施例涉及一种运动辅助设备的控制方法。
在一些示例实施例中，所述运动辅助设备包括被配置为支撑用户的近端部分的近端支撑件和被配置为支撑用户的远端部分的远端支撑件，所述方法包括：基于使用近端支撑件作为质量体设计的虚拟双弹簧-质量模型，调节近端支撑件与远端支撑件之间的分开距离和远端支撑件的旋转角度，其中，虚拟双弹簧-质量模型包括被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第一部分的第一虚拟弹簧以及被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第二部分的第二虚拟弹簧。
在一些示例实施例中，一种非暂时性计算机可读记录介质，所述介质上记录有由计算机执行的用来执行如权利要求24所述的方法的计算机程序。
其他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：近端支撑件，被配置为支撑用户的近端部分；远端支撑件，被配置为支撑用户的远端部分，远端支撑件包括第一部分和第二部分；第一弹簧，被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第一部分；第二弹簧，被配置为连接近端支撑件和远端支撑件的第二部分，其中，至少两个运动副位于用户的近端部分与用户的远端部分之间。
在一些示例实施例中，所述运动辅助设备还包括：阻尼器，被配置为连接近端支撑件和远端支撑件。
示例实施例的附加的方面将在下面的描述中部分阐述，并且部分从该描述将是清楚的，或者可通过本公开的实践而获知。
附图说明
从以下结合附图对示例实施例进行的描述，这些和/或其他方面将变得清楚和更容易理解，其中：
图1示出根据至少一个示例实施例的人的步态周期；
图2示出根据至少一个示例实施例的基于弹簧-质量模型的人的步态；
图3示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图4示出根据至少一个示例实施例的当用户处于支撑相(stancephase)时基于脚接触地面的位置的改变而操作的运动辅助设备；
图5示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图6示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图7示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图8示出根据至少一个示例实施例的支撑件传感器；
图9a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9b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10是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的控制方法的流程图；
图11示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图12示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备；
图13示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述一些示例实施例。关于分配给附图中的元件的参考标号，应注意，在任何可能的情况下，即使相同的元件在不同的附图中被示出，相同的元件也将由相同的参考标号指定。此外，在实施例的描述中，当认为与公知的相关结构或功能的详细描述将导致本公开的解释模糊时，将省略与公知的相关结构或功能的详细描述。
然而，应理解，不意在将本公开限制为公开的具体示例实施例。相反，示例实施例将涵盖落入示例实施例的范围内的所有修改、等同物和替代物。贯穿附图的描述，相同的标号表示相同的元件。
此外，这里可使用诸如第一、第二、a、b、(a)、(b)等术语来描述组件。这些术语中的每个术语不用于限定相应组件的本质、顺序或次序，而仅用于将相应组件与其它组件进行区分。应注意，如果在说明书中描述了一个组件“连接”、“结合”或“接合”至另一组件，则尽管第一组件可直接连接、结合或接合到第二组件，但第三组件可“连接”、“结合”或“接合”在第一组件与第二组件之间。
在此使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，不意在限制。如在此使用的，除非上下文另外明确地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解，当在此使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应注意，在一些可选择的实施方式中，示出的功能/动作可不按附图中示出的顺序发生。例如，根据所涉及的功能/动作，连续示出的两个附图实际上可基本同时执行或有时可以以相反的顺序执行。
图1示出根据至少一个示例实施例的人的步态周期，图2示出根据至少一个示例实施例的基于弹簧-质量模型的人的步态。
参照图1，人的步态周期可被理解为腿接触地面的支撑相和腿离开地面的摆动相轮流重复。在人的步态中，可执行至少一个关节的运动。例如，当人正在步行时，可同时执行距小腿关节、距下关节、膝关节和髋关节的运动。在这个示例中，每个关节可具有不同的自由度和运动。因此，为了辅助步态准确地跟随每个关节的运动，可能需要考虑相应关节的角度和施加到相应关节的力矩。
在腿动力学中，两条腿可在人的步态运动中被建模为对应于两个弹簧，并且在步态期间，弹性模量(例如，腿的刚度)可在支撑相中维持大约20千牛顿每米(kn/m)的期望的(或者，可选地，预定的)值。
参照图2，当人的每条腿被理解为单个线性弹簧时，在步态周期中腿的运动可基于一个自由度被简化。例如，可假设人的重心位于质量m处，并且可将腿假设为具有弹性模量k的弹簧。在人的步态运动中，腿的运动可基于从腿的一部分(例如，大腿)至地面的直线距离的改变和跟随直线距离的改变的弹力的改变来确认。
两足弹簧-质量模型可分析整条腿的运动，而不是如在典型研究方法中一样分析髋关节、膝关节和踝关节中的每个关节的人的步态。即使两足弹簧-质量模型是在简单结构中，也可有效解释人的步态的各种特性(例如，地面反作用力(grf)模式和运动中心(com)跟踪)。因为人类具有脚底，所以脚跟着地(heel-strike)运动和蹬离(push-off)运动可由于脚底而在步态期间出现。然而，难于使用双足弹簧-质量模型来分析这样的现象。
图3示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图3，运动辅助设备1可由用户穿戴，以辅助用户的运动。用户可对应于人、动物或机器人。然而，用户不限于此。尽管图4和图5示出运动辅助设备1辅助用户的步态运动的情况，但运动辅助设备1还可辅助用户的另一部分(例如，腕、肘或肩)的运动。例如，运动辅助设备1可辅助向前运动或在颠倒站立时的向后运动的用户的运动。在下文中，将描述运动辅助设备1辅助人的步态的示例。
运动辅助设备1可附着到左下肢和/或右下肢。运动辅助设备1可辅助一个下肢，并还可辅助两个下肢。运动辅助设备1可包括：近端支撑件11、远端支撑件12、支撑组件13、附加远端支撑件14和附加支撑组件15。
近端支撑件11可支撑用户的近端部分。近端支撑件11可支撑上身、腰或骨盆的至少一部分，或者支撑用户的髋以下的部分。例如，近端支撑件11可包括被配置为支撑用户的骨盆或腰的整个外周的可拆卸带。此外，近端支撑件11可包括用于支撑用户的大腿部分的鞍结构和用于增加用户的可穿戴性的垫。
远端支撑件12可支撑用户的远端部分。远端支撑件12可支撑脚。远端支撑件12可具有与用户的脚的长度对应的长度。远端支撑件12可包括全部覆盖用户的脚底的结构。例如，远端支撑件12可包括可拆卸带，该可拆卸带被配置为包围用户的脚的顶部，以防止在用户正在步行时远端支撑件12与脚分开。远端支撑件12可基于用户的踝关节而旋转。例如，远端支撑件12可跟随背屈和跖屈。远端支撑件12可包括第一部分121和第二部分122。
远端支撑件12的第一部分121和第二部分122可位于基于远端支撑件12的旋转中心的相对侧。例如，远端支撑件12的第一部分121和第二部分122可位于基于用户的踝关节的相对侧。第一部分121可以是靠近用户的脚跟的部分，第二部分122可以是靠近用户的脚趾的部分。第一部分121与第二部分122之间的间隔可与用户的脚的长度相似或相同。
在用户的关节之中，至少两个关节可在近端部分与远端部分之间。例如，由近端支撑件11支撑的近端部分可以是用户的腰，由远端支撑件12支撑的远端部分可以是用户的脚。在这个示例中，髋关节、膝关节和踝关节可在近端部分与远端部分之间。近端部分与远端部分不限于该示例。近端部分还可以是用户的髋以下的部分。在这个示例中，膝关节和踝关节可在近端部分与远端部分之间。
支撑组件13可连接近端支撑件11和远端支撑件12，并可调节近端支撑件11与远端支撑件12之间的分开距离。例如，当支撑组件13收缩时，近端支撑件11与远端支撑件12之间的分开距离可减小。支撑组件13可调节远端支撑件12的旋转角度。例如，在矢状平面(sagittalplane)上，支撑组件13可控制远端支撑件12基于近端支撑件11旋转。此外，支撑组件13可调节远端支撑件12与地面之间的角度。支撑组件13可包括第一弹簧131和第二弹簧132。
第一弹簧131可连接近端支撑件11和远端支撑件12的第一部分121。当用户执行脚跟着地运动时，第一弹簧131可将弹力施加到第一部分121以吸收施加到用户的冲击。
第二弹簧132可连接近端支撑件11和远端支撑件12的第二部分122。当用户执行蹬离运动时，第二弹簧132可将弹力施加到远端支撑件12的第二部分122以辅助用户的蹬离运动。
运动辅助设备1可使用第一弹簧131和第二弹簧132的弹力来辅助用户的步态，从而简化结构。因为第一弹簧131和第二弹簧132分别将力施加到支撑脚跟的第一部分121和支撑脚趾的第二部分122，所以在步态期间力接收位置和由用户接收的压力中心可大约相同。在上面的结构中，可减少穿戴运动辅助设备1的用户的不便。
附加远端支撑件14可支撑未由远端支撑件12支撑的远端部分。例如，当远端支撑件12支撑用户的右脚时，附加远端支撑件14可支撑用户的左脚。
附加支撑组件15可连接近端支撑件11和附加远端支撑件14，并可调节近端支撑件11与附加远端支撑件14之间的分开距离。在矢状平面上，附加支撑组件15可调节附加远端支撑件14基于近端支撑件11旋转的角度。附加支撑组件15可包括第一弹簧151和第二弹簧152。
除非另外描述，否则关于远端支撑件12和支撑组件13的描述也可适用于附加远端支撑件14和附加支撑组件15，因此，为了简明，将省略重复的描述。
图4示出根据至少一个示例实施例的当用户处于支撑相时基于脚接触地面的位置的改变而操作的运动辅助设备。
参照图4，应理解，在步态期间，人的脚接触地面的部分在支撑相中连续改变。支撑相可包括：脚跟接触地面的脚跟着地时段、脚底接触地面的中间支撑(mid-stance)时段、前脚接触地面的终末支撑(terminalstance)时段和前脚蹬离地面使得人向前运动的脚尖离地(toe-off)时段。在支撑相中，脚可从脚跟至前脚的顺序接触地面。在这样的过程中，人的相对于地面的压力中心可从脚跟顺序地移动至前脚。因此，为了实现人的实际步态，运动辅助设备的相对于地面的压力中心需要从脚跟顺序地移动至前脚。例如，运动辅助设备可将辅助动力提供给脚的后部，以在脚跟着地时段中减小施加到用户的脚跟的冲击。此外，运动辅助设备可将辅助动力提供给脚的前部，以在蹬离时段中辅助将用于蹬离运动的动力。
图5示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图5，运动辅助设备2可包括：近端支撑件21、远端支撑件22、支撑组件23、附加远端支撑件24和附加支撑组件25。
支撑组件23可包括：第一弹簧231、第二弹簧232、第一阻尼器233和第二阻尼器234。
第一阻尼器233和第二阻尼器234可分别布置为与第一弹簧131和第二弹簧132并行。第一阻尼器233可连接近端支撑件21和远端支撑件22的第一部分221。第二阻尼器234可连接近端支撑件21和远端支撑件22的第二部分222。
第一阻尼器233可第二阻尼器234可基于用户的步行速度来调节第一弹簧231和第二弹簧232被压缩和拉伸的程度。当用户正在以低速(例如，2.2千米每小时(km/h)与5.4km/h之间的速度)步行时，用户的下肢可与弹簧相似地运动。当用户正在以高速(例如，5.4km/h与13km/h之间的速度)步行时，用户的下肢可与相比于以低俗步行的用户的下肢刚性更大的连杆相似地运动。因此，通过使用与第一弹簧231和第二弹簧232并行连接的第一阻尼器233和第二阻尼器234，运动辅助设备2可甚至在用户正在步行或奔跑时提供合适于用户的速度的宽范围的步行辅助动力。
附加支撑组件15可包括：第一弹簧251、第二弹簧252、第一阻尼器253和第二阻尼器254。
图6示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图6，运动辅助设备3可包括：近端支撑件31、远端支撑件32、支撑组件33、附加远端支撑件34和附加远端支撑组件35。远端支撑件32可包括：第一部分321、第二部分322和第三部分323。
第一部分321和第二部分322可位于基于第三部分323的相对侧。例如，第三部分323可支撑用户的踝关节。
支撑组件33可包括：第一弹簧331、第二弹簧332和阻尼器335。
阻尼器335可连接近端支撑件31和第三部分323。阻尼器335可吸收当用户执行脚跟着地运动时从地面施加的冲击。
图7示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备，图8示出根据至少一个示例实施例的支撑件传感器，图9a和图9b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10是示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备的控制方法的流程图。
参照图7至图10，运动辅助设备4可包括：用于支撑用户的近端部分的近端支撑件41、用于支撑用户的远端部分的远端支撑件42、支撑组件43、控制器49和支撑件传感器46。远端支撑件42可包括第一部分421和第二部分422。
支撑组件43可连接近端支撑件41和远端支撑件42，并可调节远端支撑件42的旋转角度和近端支撑件41与远端支撑件42之间的分开距离。
支撑组件43可包括多个可旋转连杆。支撑组件43可包括：第一连杆436、第二连杆437、第一运动副j1、第二运动副j2、第三运动副j3、第一驱动源438和第二驱动源439。
第一连杆436可以可旋转地连接到近端支撑件41。例如，第一连杆436可以可旋转地连接到设置在近端支撑件41的髋关节覆盖部分上的第一运动副j1。第一运动副j1可包括与用户的髋关节的屈曲轴或伸展轴相似或相同的旋转轴。然而，第一运动副j1的位置不限于前述的示例。
第二连杆437可在一端经由第二运动副j2可旋转地连接到第一连杆436。例如，第二运动副j2可包括与用户的膝关节的屈曲轴或伸展轴相似或相同的轴。然而，第二运动副j2的位置不限于前述的示例。
第二连杆437可在另一端经由第三运动副j3连接到远端支撑件42。例如，第三运动副j3可包括与用户的踝关节的背屈轴或跖屈轴相似或相同的轴。然而，第三运动副j3的位置不限于前述的示例。
参照图9a，第一驱动源438可调节近端支撑件41与第一连杆436之间的旋转角度，或第一连杆436与第二连杆437之间的旋转角度。也就是，第一驱动源438可连接到第一运动副j1和第二运动副j2中的一个，以使连接的运动副旋转。例如，第一驱动源438可使第一运动副j1或第二运动副j2旋转，以调节近端支撑件41与远端支撑件42之间的分开距离。第一驱动源438可调节从第三运动副j3传输到远端支撑件42的力。当由支撑组件43支撑的下肢处于支撑相时，第一驱动源438可使第一运动副j1或第二运动副j2旋转，以增加近端支撑件41与远端支撑件42之间的分开距离，从而提供用于支撑用户的重量的辅助动力。
第二驱动源439可调节第二连杆437与远端支撑件42之间的旋转角度。例如，第二驱动源439可使第三运动副j3旋转，以调节远端支撑件42的旋转角度。第二驱动源439可调节从第三运动副j3传输到远端支撑件42的第一部分421和第二部分422中的每个的力矩。当用户处于蹬离时段时，第二驱动源439可使第三运动副j3旋转，使得远端支撑件42沿图7的示例中的顺时针方向旋转。通过这样，第二驱动源439可沿远端支撑件42的第二部分422推地面的方向提供辅助动力。此外，在用户执行脚跟着地运动的时段中，第二驱动源439可使第三运动副j3旋转，使得远端支撑件42沿图7的示例中的逆时针方向旋转。通过这样，第二驱动源439可沿远端支撑件42的第一部分421推地面的方向提供辅助动力，以便减小将被施加到用户的冲击。
参照图9b，支撑组件43’还可包括第三驱动源430。当第一驱动源438使第一运动副j1旋转时，第三驱动源430可使第二运动副j2旋转。在这个示例中，第一驱动源438可调节近端支撑件41与第一连杆436之间的旋转角度，第三驱动源430可调节第一连杆436与第二连杆437之间的旋转角度。当第一驱动源438使第二运动副j2旋转时，第三驱动源430可使第一运动副j1旋转。在这个示例中，第一驱动源438调节第一连杆436与第二连杆437之间的旋转角度，第三驱动源430可调节近端支撑件41与第一连杆436之间的旋转角度。同样地，支撑组件43’可包括三个驱动源来使三个运动副旋转。如此，示例实施例还可适用于包括分别被配置为确定三个运动副的三个驱动源的运动辅助设备。
支撑件传感器46可感测远端支撑件42是否接触地面和/或感测施加到远端支撑件42的压力。例如，支撑件传感器46可感测远端支撑件42的第一部分421是否接触地面，或者远端支撑件42的第二部分422是否接触地面。支撑件传感器46可包括第一接触传感器461和第二接触传感器462。
第一接触传感器461可基于远端支撑件42的第一部分421是否接触地面将开/关信号传递到控制器49。第二接触传感器462可基于远端支撑件42的第二部分422是否接触地面将开/关信号传递到控制器49。
控制器49可包括存储器和处理电路(未示出)。
存储器可包括非暂时性计算机可读介质。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，cdrom盘和dvd)；磁光介质(诸如，光盘)；专门被配置为存储和执行程序指令的硬件装置(诸如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存等)。非暂时性计算机可读介质还可以是分布式网络，以便程序指令以分布式方式被存储和执行。
处理电路可包括：处理器、中央处理器(cpu)、控制器、算术逻辑单元(alu)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、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执行操作的任何其他装置。
处理电路可通过布图设计和/或存储在存储器中的计算机可读指令的执行被配置为用于从一个或多个传感器接收的信号来控制支撑组件43的专用计算机。
例如，如下面讨论的，处理电路可被配置为基于第一虚拟弹簧s1的弹性模量、第一虚拟弹簧s1的长度、第二虚拟弹簧s2的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的长度使用虚拟双弹簧-质量模型来计算第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的弹力，并可被配置为基于第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的弹力驱动支撑组件13。此外，如下面更详细讨论的，处理电路可被配置为基于用户的步态状态来调节第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的弹性模量。
控制器49可基于虚拟双弹簧-质量模型来控制支撑组件43。虚拟双弹簧-质量模型可包括第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2。第一虚拟弹簧s1可连接近端支撑件41和远端支撑件42的第一部分421。第二虚拟弹簧s2可连接近端支撑件41和远端支撑件42的第二部分422。此外，虚拟双弹簧-质量模型可以是使用近端支撑件41作为质量体设计的虚拟模型。
第一虚拟弹簧s1可以是被配置为连接第一运动副j1和远端支撑件42的第一部分421的虚拟弹簧。第二虚拟弹簧s2可以是被配置为连接第一运动副j1和远端支撑件42的第二部分422的虚拟弹簧。
例如，控制器49可响应于好像第一虚拟弹簧s1的长度被改变似的第一部分421与第一运动副j1之间的距离的改变，而基于双弹簧-质量模型来计算第一虚拟弹簧s1的弹力。控制器49可基于计算的弹力来控制支撑组件43。
控制器49可基于第一虚拟弹簧s1的弹性模量、第一虚拟弹簧s1的长度的改变、第二虚拟弹簧s2的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的长度的改变来驱动支撑组件43。
第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的弹性模量可以是常量或非线性变量。当运动辅助设备4将要辅助用户的相对简单的步态模式时，第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的弹性模量可被设置为常量。第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的弹性模量的常数值可基于经验研究来设置。此外，例如，当运动辅助设备4将要辅助用户的相对复杂和精细的步态模式时，第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的弹性模量可被设置为基于用户的步态状态线性地改变。第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的线性弹性模量可基于经验研究来设置。
例如，控制器49可使用第一连杆436的长度、第二连杆437的长度、第三运动副j3与第一部分421之间的长度、第一连杆436与第二连杆437之间的角度以及第二连杆437与远端支撑件42之间的角度，来计算第一虚拟弹簧s1的长度。
控制器49可基于第一虚拟弹簧s1的长度的改变和第一虚拟弹簧s1的弹性模量，来确定从第一虚拟弹簧s1施加到远端支撑件42的第一部分421的第一虚拟力。
例如，控制器49可使用第一连杆436的长度、第二连杆437的长度、第三运动副j3与第二部分422之间的长度、第一连杆436与第二连杆437之间的角度以及第二连杆437与远端支撑件42之间的角度，来计算第二虚拟弹簧s2的长度。
控制器49可基于第二虚拟弹簧s2的长度的改变和第二虚拟弹簧s2的弹性模量，来确定从第一虚拟弹簧s1施加到远端支撑件42的第二部分422的第二虚拟力。
控制器49可基于输出矩阵来控制第一驱动源438和第二驱动源439，其中，输出矩阵通过将输入矩阵乘以基于支撑组件43的运动学结构确定的雅可比(jacobian)变换矩阵而获得。在这个示例中，输入矩阵可包括使用虚拟双弹簧-质量模型计算的第一虚拟力和第二虚拟力。例如，雅可比变换矩阵可以是基于第一运动副j1与远端支撑件42的第一部分421之间的关系和第一运动副j1与远端支撑件42的第二部分422之间的关系确定的雅可比变换矩阵。如在图7中所示，当支撑组件43包括多个运动副时，输出矩阵的元素可以是将通过第一驱动源438和第二驱动源439输出的力矩。
当运动辅助设备4’还包括第三驱动源430时，控制器49可基于输出矩阵来控制第一驱动源438、第二驱动源439和第三驱动源430，其中，输出矩阵通过将基于支撑组件43’的运动学结构确定的雅可比变换矩阵乘以使用虚拟双弹簧-质量模型计算的第一虚拟力和第二虚拟力中的每个来计算。
控制器49可基于在支撑件传感器46中感测的信息来调节第一虚拟弹簧s1的弹性模量或第二虚拟弹簧s2的弹性模量。
当第一接触传感器461是开信号且第二接触传感器462是关信号时，控制器49可将第一虚拟弹簧s1的弹性模量调节为大于第二虚拟弹簧s2的弹性模量。在这个示例中，控制器49可驱动支撑组件43以辅助用户的脚跟着地运动。
当第一接触传感器461是关信号且第二接触传感器462是开信号时，控制器49可将第二虚拟弹簧s2的弹性模量调节为大于第一虚拟弹簧s1的弹性模量。在这个示例中，控制器49可驱动支撑组件43以辅助用户的蹬离运动。
当第一接触传感器461和第二接触传感器462是开信号时，控制器49可将第一虚拟弹簧s1与第二虚拟弹簧s2之间的弹性模量的差调节为小于或等于第一设置值。例如，如在图1中所示，当用户处于步态周期的中间支撑时段时，控制器可将第一虚拟弹簧s1的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的弹性模量设置为相同值。例如，第一设置值可以是零。通过这样，在用户正在步行时，运动辅助设备4可从脚跟着地时段到蹬离时段将自然的辅助力提供给用户。
当第一接触传感器461和第二接触传感器462是关信号时，控制器可将第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2中的每个虚拟弹簧的弹性模量调节为小于第二设置值。例如，当第一部分421和第二部分422不与地面接触时，控制器49可将第一虚拟弹簧s1的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的弹性模量设置为零。在这个示例中，在摆动相期间，控制器49可防止不必要重量作用在用户上，从而提高可穿戴性。
此外，支撑件传感器46可包括用于测量关于从地面施加到远端支撑件42的压力的分布的信息的压力传感器。在这个示例中，控制器49可基于由压力传感器测量的信息，连续地调节第一虚拟弹簧s1的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的弹性模量，或者第一虚拟弹簧s1的弹性模量与第二虚拟弹簧s2的弹性模量之比。
运动辅助设备4可包括长度改变传感器47和速度传感器48。
长度改变传感器47可感测第一虚拟弹簧s1的长度的改变和第二虚拟弹簧s2的长度的改变。长度改变传感器47可基于支撑组件43的结构而变化。在图7的示例中，长度改变传感器47可包括用于测量基于支撑组件43的每个运动副的角度的编码器。控制器49可基于每根连杆的长度和在编码器中测量的值来感测第一虚拟弹簧s1的长度的改变和第二虚拟弹簧s2的长度的改变。在图12的支撑组件63的示例中，长度改变传感器47可包括被配置为感测每个线性驱动器的长度的改变的位置传感器。在这个示例中，控制器可基于由位置传感器获取的信息来感测第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的长度的改变。然而，长度改变传感器47的类型不限于前述的示例。
速度传感器48可感测用户的步行速度。例如，速度传感器48可包括被配置为附着到用户的身体的惯性测量单元(imu)。速度传感器48可基于由imu感测的信息来感测用户的步行速度。此外，速度传感器48可基于支撑组件43的结构而变化。速度传感器48可包括用于测量基于图7的示例中的支撑组件43的每个运动副的角度的编码器。控制器49可基于每根连杆的长度和由编码器测量的值来感测用户的步行速度。
参照图10，运动辅助设备可执行控制方法。
在操作91中，控制器49可感测运动辅助设备的状态。例如，在操作91中，控制器49可通过支撑件传感器46感测远端支撑件42的地面接触信息，并通过长度改变传感器47感测近端支撑件41与远端支撑件42之间的长度的改变。
在操作92中，控制器49可基于双弹簧-质量模型来确定第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的状态。例如，控制器49可基于使用双弹簧质量模型感测的信息来确定第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的状态。
在操作93中，控制器49可确定第一驱动源438和第二驱动源439的输出。可选地，当运动辅助设备4’包括第三驱动源430时，在操作93中，控制器49可确定第一驱动源438、第二驱动源439和第三驱动源430的输出。
在操作94中，控制器49可控制第一驱动源438和第二驱动源439。可选地，当运动辅助设备4’包括第三驱动源430时，在操作94中，控制器49可控制第一驱动源438、第二驱动源439和第三驱动源430。
例如，当由速度传感器48感测的步行速度增加时，控制器49可增加第一虚拟弹簧s1的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的弹性模量中的至少一个。同样地，当步行速度减小时，控制器49可减小第一虚拟弹簧s1的弹性模量和第二虚拟弹簧s2的弹性模量中的至少一个。通过这样，运动辅助设备4可模拟在低速步态期间执行与弹簧相似地运动，以及在高速步态期间执行与刚体相似地运动的人的步态，以便提高用户的可穿戴性。
此外，在其他示例实施例中，当包括与每条腿相关联的一个或多个阻尼器的运动辅助设备2、运动辅助设备3或运动辅助设备5被控制器49控制时，控制器可基于由速度传感器48感测的步行速度来控制一个或多个阻尼器。例如，控制器49可基于从速度传感器48接收的数据来确定用户正以低速(例如，2.2千米每小时(km/h)与5.4km/h之间的速度)还是高速(例如，5.4km/h与13km/h之间的速度)步行，并可设置一个或多个阻尼器，使得如果用户正以低速步行，则对应的弹簧具有相对柔韧的结构，并且如果用户正以高速步行，则对应的弹簧具有相对更大刚性的结构。
图11示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图11，运动辅助设备5可包括：近端支撑件51、远端支撑件52、支撑组件53和控制器(未示出)。支撑组件53可包括：第一连杆536、第二连杆537、第一运动副j1、第二运动副j2和第三运动副j3。
控制器可基于第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2的弹性力以及第一虚拟阻尼器d1和第二虚拟阻尼器d2的阻尼力来控制支撑组件53。例如，第一虚拟阻尼器d1可以是被配置为连接近端支撑件51和远端支撑件52的第一部分521的虚拟阻尼器。例如，第二虚拟阻尼器d2可以是被配置为连接近端支撑件51和远端支撑件52的第二部分522的虚拟阻尼器。
图12示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图12，运动辅助设备6可包括：近端支撑件61、远端支撑件62、支撑组件63和控制器(未示出)。
支撑组件63可连接近端支撑件61和远端支撑件62的两端。此外，支撑组件63可包括用于将线性动力从近端支撑件61提供给远端支撑件的两端的第一驱动源638和第二驱动源639。例如，第一驱动源638和第二驱动源639可以是活塞缸套型线性驱动器。
控制器可确定由第一虚拟弹簧s1作用在远端支撑件62的第一部分621上的第一虚拟力和由第二虚拟弹簧s2作用在远端支撑件62的第二部分622上的第二虚拟力。此外，控制器可基于通过将第一虚拟力和第二虚拟力乘以雅可比变换矩阵而计算出的输出矩阵，来控制第一驱动源638和第二驱动源639。这里，雅可比变换矩阵可基于支撑组件63的运动学结构来确定。如在图12中所示，当支撑组件63包括多个线性驱动器时，输出矩阵的元素均可以是将从第一驱动源638和第二驱动源639输出的力。
当第一驱动源638和第二驱动源639被提供在支撑组件63中的与第一虚拟弹簧s1和第二虚拟弹簧s2相同位置时，控制器可使用第一虚拟力和第二虚拟力来控制将被驱动的第一驱动源638和第二驱动源639。
图13示出根据至少一个示例实施例的运动辅助设备。
参照图13，运动辅助设备7可包括近端支撑件71、远端支撑件72、支撑组件73、固定构件78和连接构件79。例如，近端支撑件71可支撑大腿。在这个示例中，可提供固定构件78以防止近端支撑件71下滑。
固定构件78可支撑位于基于近端部分的与用户的远端部分相对的身体部分。在这个示例中，近端部分可由近端支撑件71来支撑，远端部分可由远端支撑件72来支撑。例如，当近端支撑件71和远端支撑件72分别支撑用户的大腿和用户的脚时，固定构件78可支撑用户的腰。
连接构件79可连接固定构件78和近端支撑件71。连接构件79可以是被配置为从固定构件78延伸至近端支撑件71的纵向构件。例如，连接构件79可以是如在图13中所示的架。此外，连接构件79可以是诸如线缆和橡筋的构件。固定构件78和连接构件79可防止近端支撑件71与用户的近端部分分开，使得运动辅助设备7在用户正在步行时稳定地辅助用户的运动。
上面已描述了一些示例实施例。然而，应理解，可对这些示例实施例做出各种修改。例如，如果描述的技术以不同的顺序被执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合和/或被其他组件或它们的等同物替换或补充，则可获得合适的结果。因此，其他实施方式在权利要求的范围内。