本申请要求于2016年1月25日提交的美国临时专利申请号62/286,902的权益，其通过引用结合在本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于确定用户的步态轮廓的步态分析器系统和方法。
背景技术：
提供最优化的膝盖辅助(即在用户活动的多于99％期间注入能量)的辅助移动装置诸如致动矫正器要求知晓用户腿部的状态，即要么a)处于站立状态(即与地面接触，要么b)处于摆动状态。
实现这一点的常见方法是使用压力传感器。然而，该方法具有缺点，主要是：
·压力传感器必须放置到用户的鞋子的鞋底中或者产生可以适于适合所有鞋子的鞋底；
·压力传感器的准确性对用户的特定站姿敏感，(依赖于当触及地面时脚部的哪个部分受压)，除非使用多个压力传感器；并且
·压力传感器可能易碎并且可能在短期使用之后损坏。
因此，需要一种克服压力传感器的缺点的、用于确定用户的步态轮廓的步态分析器系统和方法。
技术实现要素：
本公开提供了一种用于确定用户的步态轮廓的步态分析器系统，包括：
第一感测系统，该第一感测系统与用户的右侧脚部相关联，包括：
第一惯性传感器；
第一固定机构，该第一固定机构被配置成将第一感测系统固定到用户的右侧脚部；
第一组外部传感器，该第一组外部传感器观察右侧小腿、右侧大腿和右侧躯干的空间定向；
第二感测系统，该第二感测系统与用户的左侧脚部相关联，包括：
第二惯性传感器；
第二固定机构，该第二固定机构被配置成将第二感测系统固定到用户的左侧脚部；
第二组外部传感器，该第二组外部传感器观察左侧小腿、左侧大腿和左侧躯干的空间定向；
至少一个处理器，该至少一个处理器与第一惯性传感器和第二惯性传感器以及第一组外部传感器和第二组外部传感器通信，该至少一个处理器具有相关联的存储器，该相关联的存储器包括存储在该存储器上的指令，当在处理器上执行该指令时，该指令实施以下步骤：
接收来自第一惯性传感器和第二惯性传感器的关于用户的生物力学信息；
接收来自第一组外部传感器和第二组外部传感器的生物力学信息；
使用来自第一惯性传感器和第一组外部传感器的生物力学信息来生成用户的右侧脚部的运动相关信息；
使用来自第二惯性传感器和第二组外部传感器的生物力学信息来生成用户的左侧脚部的运动相关信息；
通过将右侧脚部和左侧脚部的运动相关信息合并来计算用户的运动状态(例如站立状态或摆动状态)；以及
使用用户的运动状态生成用户的步态轮廓。
本公开还提供了如上所述的步态分析器系统，其中，第一组外部传感器和第二组外部传感器包括：被配置成定位在相应的右侧和左侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的一对惯性传感器，以及提供指示用户的右侧和左侧的膝盖和大腿的角度位置的信息的多个传感器。
本公开还提供了如上所述的步态分析器系统，其中，各种传感器通过由用户穿戴的外骨骼装置(exoskeleton)或矫正装置提供。
本公开还提供了如上所述的步态分析器系统，其中，使用传感器融合算法实施将用户的右侧脚部和左侧脚部的运动相关信息合并的步骤，该传感器融合算法包括以下子步骤：
使用右侧脚部和左侧脚部的运动相关信息来确定用户的右侧脚部和左侧脚部中的每一个的静态状态；
使用右侧脚部和左侧脚部的运动相关信息来确定用户的右侧脚部和左侧脚部中的每一个的动态状态；以及
使用用户的右侧脚部和左侧脚部中的每一个的静态状态和动态状态来确定用户的运动状态。
本公开还提供了如上所述的步态分析器系统，其中，生成用户的步态轮廓的步骤包括以下子步骤：
使用来自第一惯性传感器和第二惯性传感器的关于用户的生物力学信息和来自第一组外部传感器和第二组外部传感器的生物力学信息中的至少一种来计算次级(secondary，辅助、二级)步态信息；
基于用户的运动状态计算步态轮廓，运动状态具有相关联的模型步态轮廓；以及
基于次级步态信息使步态轮廓最优化。
附图说明
将通过仅参考所附附图的实施例来描述本公开的实施方式，其中：
图1是步态分析器系统的示意图；
图2是根据本公开的例示性实施方式的步态分析器系统的示意图；
图3是根据本公开的例示性实施方式的状态计算过程的流程图；
图4是图3的状态计算过程的传感器融合算法子步骤的流程图；以及
图5是根据本公开的例示性实施方式的步态轮廓计算过程的流程图。
不同的附图中所使用的相似的附图标记表示相似的部件。
具体实施方式
总体上来说，本公开的非限制性的例示性实施方式提供了用于确定用户的步态轮廓的系统和方法。步态分析器系统使用：包括惯性传感器的感测系统，上述惯性传感器被配置成定位在右侧和左侧的脚部-踝关节结构处；以及待被确定步态轮廓的人的下肢身体部位(小腿、大腿和躯干)的空间定向。在例示性的实施方式中，步态分析器系统使用可以通过由用户穿戴的外骨骼装置或矫正装置提供的下述传感器：在左侧和右侧的腿部-膝盖或大腿-臀部结构处的两个附加的惯性传感器，以及提供指示左侧和右侧的膝盖和大腿的角度位置的信息的传感器，例如，诸如在标题为“LOAD DISTRIBUTION DEVICE FOR HUMAN JOINTS(用于人类关节的负载分布装置)”的美国专利号9,370,439中所描述的。使用来自惯性传感器的关于用户的生物力学信息结合膝盖和臀部角度来实施对用户的步态轮廓的这一确定。
参考图1，步态分析器系统10包括：一个或多个处理器12，该一个或多个处理器具有相关联的存储器14，该相关联的存储器包括存储在其上的指令，当在处理器12上执行该指令时，该指令实施状态计算过程100和步态轮廓计算过程200的步骤，将在下文进一步描述这些过程；以及输入/输出(I/O)接口16，该输入/输出接口用于通过通信链路18与右侧脚部感测系统20a和左侧脚部感测系统20b以及观察右侧小腿、右侧大腿和右侧躯干的空间定向的外部传感器30a和观察左侧小腿、左侧大腿和左侧躯干的空间定向的外部传感器30b通信，该通信链路可以是有线的、无线的或者两者的组合。
感测系统20a、20b中的每一个分别包括相关联的惯性传感器22a、22b(提供关于用户的相应脚部的生物力学信息)和固定机构24a、24b，该固定机构被配置成固定感测系统20a、20b，例如正好固定在用户的相关联的脚部的内踝部之下。
在图2中示出的步态分析器系统10的例示性实施方式中，外部传感器30a、30b采用右侧的膝盖或大腿惯性传感器和膝盖和臀部角度位置传感器30’a以及左侧的膝盖或大腿惯性传感器和膝盖和臀部角度位置传感器30’b的形式。
应当理解，膝盖和臀部角度位置传感器30’a、30’b可以采用任何下述传感器的形式，上述传感器提供指示角度位置的信息，或者提供可以从其生成角度位置的信息，如可以通过直接测量来确定膝盖和臀部角度，或者可以从由多种类型的传感器提供的生物力学信息中得出膝盖和臀部角度。
参考图3，示出了根据本公开的例示性实施方式的由一个或多个处理器12(参见图1和图2)执行的状态计算过程100的流程图。过程100的步骤由框102至110指示。
过程100在框102处开始，在这里，向一个或多个处理器12提供来自相关联的惯性传感器20a、20b和外部传感器30a、30b的生物力学信息以及膝盖和臀部角度。
在框104处，可选地，通过结合在全球坐标系统中表示的加速度计算速度。
在框106处，可选地，校正并结合该速度以获得自上一步起的位置。
然后，在框108处，利用传感器融合算法将位置和速度(如果实施了可选步骤104和106)、加速度、旋转和定向合并，以便计算用户的运动状态(即站立状态或摆动状态)。
最后，在框110处，过程100向步态轮廓计算过程200提供用户的站立状态或摆动状态和用户的每个脚部的运动相关信息。
参考图4，示出了在图3的状态计算过程100的步骤108中使用的传感器融合算法子步骤的流程图。传感器融合算法子步骤由框1082至1086指示。
在框1082处，使用生物力学信息确定用户的右侧脚部和左侧脚部中的每一个的静态状态，即脚部是否与地面接触并且是否是静止的，等等。
然后，在框1084处，使用生物力学信息确定用户的右侧脚部和左侧脚部中的每一个的动态状态，即，脚部是否在运动，是否是运动周期的一部分，等等。
最后，在框1086处，算法确定用户的运动状态(即站立状态或摆动状态)。为此，使用右侧脚部和左侧脚部的静态状态和动态状态(即静态的右侧脚部、静态的左侧脚部、动态的右侧脚部、动态的左侧脚部)，右侧脚部和左侧脚部状态的各种组合确定用户是处于站立状态还是摆动状态。应当理解，可以使用其他的生物力学信息以补足右侧脚部和左侧脚部的静态状态和动态状态。
现在参考图5，示出了根据本公开的例示性实施方式的由一个或多个处理器12(参见图1和图2)执行的步态轮廓计算过程200的流程图。过程200的步骤由框202至210指示。
过程200在框202处开始，在这里，从状态计算过程100(参见图3)获得用户的运动状态(即站立状态或摆动状态)和用户的每个脚部的运动相关信息。
在框204处，根据生物力学信息以及膝盖和臀部角度计算次级步态信息诸如用户活动、倾斜度、节奏等等。
在框206处，基于用户的站立状态或摆动状态计算扭转(torque，转矩)轮廓。每个状态都提供有模型扭转轮廓，即站立状态扭转轮廓和摆动状态扭转轮廓。
然后，在框208处，基于用户次级步态信息使扭转轮廓最优化。这意味着当检测到运动状态和/或次级步态信息的变化时，调节扭转轮廓以便于限制那些变化对用户步态的影响。
最后，在框210处，过程200提供用户的扭转轮廓(即步态轮廓)。
应当理解，在可替代实施方式中，可以在单个或分离的处理器12上执行用户的右侧脚部和左侧脚部的状态计算过程100和步态轮廓计算过程200，并且可以在分离的处理器12上执行用户的右侧脚部和左侧脚部的状态计算过程100，惯性传感器20a、20b和外部传感器30a、30b将它们的信息直接提供给它们的相关联处理器12。
尽管已经通过特定的非限制性的例示性实施方式及其实施例对本公开进行了描述，但是应当注意，对于本领域技术人员而言明显的是，在不背离所要求保护的本公开的范围的情况下，可以对当前的特定的实施方式应用修改。