CN118252727A - 辅助使用者的关节运动的方法和可穿戴式机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及辅助使用者的关节运动的方法和可穿戴式机器人系统。其中，所述辅助使用者的关节运动的方法可包括：确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力和/或功率；监测关节运动的实时测量，以检测关节何时达到最大屈曲角度；和响应于检测到关节已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助关节运动。

Description

辅助使用者的关节运动的方法和可穿戴式机器人系统

本申请是申请日为2015年9月19日、发明名称为“用于人类运动辅助的软外套”的申请号为202010304892.X的专利申请(下文称“子案”)的分案申请。

本申请是在国家知识产权局专利局认为上述子案不符合单一性要求的情况下提出的，具体涉及所述子案的第二次审查意见通知书，其发文日为2022年12月23日、发文序号为2022122001827660。

此外，上述子案是第201580055314.4号专利申请(下文称“母案”)的分案申请，该母案的申请日是2015年9月19日，发明名称是“用于人类运动辅助的软外套”。

技术领域

本公开的实施方案涉及运动辅助装置，更具体地涉及为人类运动(包括髋部运动和踝部运动)提供辅助的软外套系统和方法。

背景技术

在过去十年中，已经开发了许多下肢外骨骼以在各种条件下辅助人类步态。一些装置被设计成辅助受损的或健全的人，而其他装置被设计成使得负荷运输更容易。通常，这些装置由能够对穿戴者提供高辅助扭矩的刚性外骨骼结构组成。然而，刚性框架可能会限制穿戴者的自然运动，并且当它们与穿戴者的生物关节不对准时可能施加不期望的力。此外，刚性装置可能特别是在远端区域上具有大的惯性，这可能阻碍穿戴者的运动并且从控制的角度提供挑战。

已经开发了利用主要柔软、柔性或半柔性部件(例如，织物)的外套来解决外骨骼的这些问题特征中的一些问题。许多这种外套的共形、不引人注目和顺应性质减轻了与刚性外套相关的许多上述问题，但是反过来又引起了新的问题。软外套通常不像刚性外骨骼那样承载，因此在外套中产生的力最终传递到使用者的身体并由其承载。因此，舒适性和安全性考虑可能限制能够被产生以辅助运动的力的量。此外，由于软外套可能直接穿戴在使用者的皮肤上或穿在衣服上，所以舒适性可能是关键的设计考虑。然而，通常，针对舒适性的设计考虑通常与针对维持用于通过其传递负荷的有效系统刚度的设计考虑冲突。特别地，许多舒适的织物当被置于张力下时易于拉伸。这种拉伸可以有效地从外套中排出能量，使得与使用更高模量的材料相比，需要提供更大的电机和消耗更大量的功率以产生与人体相同的辅助力。此外，拉伸可能导致外套的元件变得与其在身体上的预期位置不对准和/或移位，可能导致不舒服，不自然的关节扭矩和增加的功率要求。软外套的固有顺应性和非线性机械结构还可能使得难以精确和可靠地将期望量的力传递到使用者身体的各个部分以辅助运动。因此，需要一种用于辅助运动的轻质、舒适的外套，其被构造成在身体上保持期望的位置和对准，并且通过其提供有效的负荷路径和传递特性。

除了致动软外套的机械挑战之外，另一个挑战在于在关节运动学和肌肉活动模式中给出相当大的变化性来提供有效的帮助。用于控制运动辅助的现有方法使用历史数据或预定常数来估计辅助的开始，并且因此不能解决穿戴者的当前步法的正常或不可预测的变化。特别地，许多控制系统利用来自先前步法的历史或预定数据来估计在当前步法期间将被辅助的运动的开始。其他系统可以被构造成在设置为与普通人的步态周期的某些部分相对应的预定的、恒定的时间偏移上施加功率。这在使用者的步态变化的情况下可能是有问题的，在现实生活中通常是这样。因此，需要一种被构造成实时地适应使用者的运动并且因此以适当的时机和幅度提供辅助功率的控制系统。

另一个挑战是，在由于性别、年龄、身高、体重和诸如行动速度等空间-时间因素引起的穿戴者动力学的相当大变化性的情况下，提供有效的辅助。现有的控制系统不能解决这些变化，而是提供未针对外套的特定穿戴者定制的一种尺寸适合所有的辅助幅度。因此，需要一种被构造成适应外套的特定穿戴者和/或正在进行的活动特性的辅助幅度的控制系统。

发明内容

本发明公开了使用外套系统为人类运动提供辅助的系统和方法。在各种实施方案中，外套可以被致动以向人体施加辅助力，以加强由下层肌肉组织产生的力。可以使用各种传感器来监测在外套中产生的力以及使用者身体的运动，以便确定用于致动外套的合适分布，从而在适当的时机传送期望水平的辅助。

在各种实施方案中考虑使用者动力学和运动学的变化以及可穿戴式机器人系统的构造、材料和适配，以便提供针对使用者和当前活动定制的辅助。在各种实施方案中，外套可以使用迭代方法致动，该迭代方法将外套中产生的实际力或积分功率与期望的那些进行比较，从而确保适当的致动幅度，而不管外套系统的使用者之间的适配和身体特性的变化。在各种实施方案中，提供的辅助幅度可能受到诸如体重和空间-时间(如行动速度)等影响身体的生物负荷的因素所影响。此外，在各种实施方案中，身体运动和步态事件的实时检测可以用于在任何给时机针对使用者的实际运动定制辅助的时机，从而解决使用者的运动或步态的正常或不可预测的变化。

在各种实施方案中，运动辅助可以提供给使用者的髋关节以辅助运动。在各种实施方案中，这可以包括确定在使用者的当前步态周期期间由外套系统产生的期望峰值力或积分功率，从而产生致动分布，根据所述致动分布可以致动外套以产生所述期望峰值力或积分功率，监测髋关节的角度的实时测量，以检测髋关节何时达到最大屈曲角度，和响应于检测到髋关节的角度已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的髋关节的伸展运动。

在各种实施方案中，运动辅助可以提供给使用者的踝关节以辅助运动。在一个实施方案中，可以在踝关节的站姿背屈和站姿跖屈运动的一个或组合期间提供辅助。可以通过实时监测传感器测量以检测脚跟着地和踝部旋转方向的随后变化来确定适当的时机，踝部旋转方向指示从站姿背屈运动到站姿跖屈运动的过渡。响应于检测到踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化，外套可以被致动以辅助使用者的踝关节的跖屈运动。在一个实施方案中，外套系统可以被构造成分别独立地控制在背屈和跖屈运动期间传递到踝关节的负和正功率。

附图说明

下面将参照附图进一步解释本公开的实施方案。所示的附图不一定按比例绘制，而是通常重点放在示出本公开实施方案的原理。

图1示出了软外套的代表性实施方案；

图2示出了软外套的代表性实施方案；

图3A示出了软外套的代表性实施方案的前视图；

图3B示出了软外套的代表性实施方案的后视图；

图3C示出了软外套的代表性实施方案的侧视图；

图4A示出了腰部锚固构件的代表性实施方案的前视图；

图4B示出了腰部锚固构件的代表性实施方案的后视图；

图4C示出了腰部锚固构件的替代实施方案的前视图；

图4D示出了腰部锚固部的实施方案，其中连接元件接合腰部锚固构件的前部；

图4E示出了腰部锚固部的实施方案，其中连接元件接合腰部锚固构件的侧部；

图5示出了大腿锚固部的代表性实施方案；

图6A示出了小腿锚固部的代表性实施方案的前视图；

图6B示出了小腿锚固部的代表性实施方案的后视图；

图6C示出了小腿锚固部的实施方案；

图6D示出了包括可以在特定方向上用织物颗粒定向的织物的小腿锚固部；

图6E示出了用于将小腿锚固部与连接元件连接的代表性联接元件的前视图；

图6F示出了用于将小腿锚固部与连接元件连接的代表性联接元件的后视图；

图6G示出了具有Y形带和通过环插入的两个销子的代表性联接元件，

图6H示出了用于联接和致动连接元件与小腿锚固部的代表性机构；

图7A示出了脚部锚固构件的实施方案，其中锚固构件包括靴子；

图7B示出了代表性加强部件。

图7C示出了安装在靴子上的代表性加强部件；

图7D示出了鞋类加强部的实施方案；

图8A示出了连接元件的代表性实施方案的立体图；

图8B示出了连接元件的代表性实施方案的立体图；

图8C示出了连接元件的代表性实施方案的立体图；

图9A示出了基层的实施方案的前视图；

图9B示出了基层的实施方案的后视图；

图9C示出了基层的实施方案的侧视图；

图10示出了用于在软外套中产生张力的代表性致动系统；

图11示出了位于远离软外套的一部分的电机，线缆连接到电机上并在其间延伸；

图12A示出了包括腰部锚固部和沿着大腿后部的大腿锚固部的软外套的实施方案；

图12B示出了包括腰部锚固部和沿着大腿前部的大腿锚固部的软外套的实施方案；

图12C示出了包括小腿锚固部和脚部锚固部的软外套的实施方案；

图12D示出了包括腰部锚固部、脚部锚固部和在其间延伸的连接元件的软外套的实施方案；

图12E示出了包括具有第一模块和第二模块的两个模块的软外套的实施方案；

图13示出了被构造成将由致动系统产生的力的一部分分配到使用者身体的各个部分的软外套；

图14A示出了位于线缆和腰部锚固部之间的界面处的力传感器；

图14B示出了位于连接元件和线缆之间的界面处的力传感器；

图15示出了控制系统的示例性实施方案；

图16A示出了将经由软外套传递到使用者身体的代表性力分布；

图16B示出了用于产生力分布的代表性致动分布；

图17A是将行动速度与施加在髋部上的生理功率的峰值大小进行比较的图；

图17B示出了与髋部辅助相关联的乘数可以随着步行速度基本线性地增加；

图17C示出了通过图17B的乘数调节的可以施加到髋关节的一些示例性调节峰值力；

图18A是比较行动速度与施加在踝关节上的生理功率的峰值大小的图；

图18B示出了与踝部辅助相关联的乘数可以随着步行速度基本线性地增加；

图18C示出了通过图18B的乘数调节的可以施加到踝关节的一些示例性调节峰值力；

图19A示出了在矢状面中的髋部运动范围；

图19B示出步行速度估计的验证；

图20是髋部控制架构的实施方案的示意图。

图21A示出了典型的步态周期；

图21B示出了腿筋的步态周期；

图21C示出臀大肌的步态周期；

图22A示出了用于辅助髋部运动的力的示例性应用；

图22B示出了用于辅助大腿运动的力的示例性应用；

图23A示出了相应的代表性髋部角度测量；

图23B示出了用于辅助髋关节伸展运动的代表性力分布；

图23C示出了用于辅助髋关节伸展运动的代表性致动分布；

图24是包括障碍物躲避检测单元的髋部控制架构的实施方案的示意图；

图25A是针对与障碍物躲避动作相关联的髋部运动实时监测的髋部角度数据的示意图；

图25B是在髋部周围施加力的线缆的示意图。

图25C是软外套中的相应髋部辅助线缆的系统命令致动的示意图；

图26是踝部控制系统的实施方案的示意图。

图27示出了在步态周期中在30-60％期间在踝部处与下层肌肉同时产生力矩的外套；

图28A示出了踝关节的预张力和主动力区域；

图28B示出了踝关节的预张力和主动力区域；

图28C示出了踝关节的预张力和主动力区域；

图29A示出踝关节运动和所得到的功率之间的关系；

图29B示出踝关节力矩和所得到的功率之间的关系；

图29C是表示踝关节速度与所得到的功率之间的关系；

图29D示出了命令的线缆位置和所得到的力之间的关系；和

图29E示出了所产生的踝部辅助力和主动力之间的关系。

虽然上述附图阐述了本公开的实施方案，但是如在讨论中所指出的，还可以想到其他实施方案。本公开通过表示而非限制的方式呈现了说明性实施方案。本领域技术人员可以设计落入本公开实施方案的原理的范围和精神内的许多其他修改和实施方案。

具体实施方式

公开了使用外套系统为人类运动提供辅助的系统和方法。本公开的实施方案通常提供外套系统100，用于以适于减少进行自然运动所需的努力的方式经由软外套来辅助自然的驱动肌肉运动，从而增加人的耐力或使得以其他方式不可能的运动能够实现。

外套系统100

外套系统100的实施方案可以提供一种新颖的软外套设计，其构造有有效的负荷路径，用于将潜在的高辅助力引导和分配到外套使用者身体的各个部分，同时保持舒适性并最小化对使用者的自然运动的阻碍。外套系统100可以监测使用者的自然运动以实时检测待辅助的运动的开始以及检测或估计运动可能持续多久，以便提供适应使用者活动的运动学变化的辅助。外套系统100可以进一步适应外套的性质的变化、其如何适配使用者以及可靠地传递期望的辅助幅度的其他因素。更进一步地，其中，外套系统100可以基于使用者的身体特征(例如，体形、体重)、空间-时间因素(例如，行动速度)和使用者舒适性偏好来适应将要提供给使用者的辅助水平。

图1示出了外套系统100的代表性实施方案，其通常可以包括软外套200、致动系统300、传感器400和控制系统500。软外套200可以由使用者穿戴，致动系统300可以移动软外套200的部件以在其中产生张力。控制系统500可以利用来自传感器400的测量来监测使用者的运动以及在软外套200中产生的力，以便控制提供给使用者的辅助的时机和幅度。

软外套200

图2示出了软外套200的代表性实施方案。外套系统100的软外套200通常可以包括一个或多个锚固构件210。在各种实施方案中，锚固构件210可以包括能够将软外套200中产生的负荷传递到使用者的身体的任何可穿戴式部件。锚固构件210的示例性实施方案可以包括但不限于腰部锚固部212、大腿锚固部214、小腿锚固部216和/或脚部锚固部218。在一个实施方案中，腰部锚固构件212可以是被构造成通过牢固地捆扎在使用者的髋部上面来提供负荷支撑的任何部件，例如腰带。在各种实施方案中，大腿锚固构件214和小腿锚固构件216可以是被构造成通过分别围绕外套使用者的大腿和小腿牢固地捆扎来提供负荷支撑的任何部件，例如大腿包裹物或小腿包裹物。在一个实施方案中，脚部锚固构件218可以是适合于使用者的脚穿戴或以其他方式与其联接的任何鞋类或其他部件，例如靴子，其被构造成向外套使用者的脚提供负荷支撑。当然，软外套200可以包括任何数量的合适类型的锚固构件210及其组合，本公开不旨在仅限于本文所述的那些示例性实施方案。

仍然参照图2，软外套200还可以包括一个或多个连接元件220。在各种实施方案中，连接元件220可以包括一个或基本上连续系列的柔性细长部件系列，其被布置成将软外套200的部件彼此连接并且在其间限定张力可以沿着其传递的负荷路径。在一个实施方案中，一个或多个连接元件220可以是基本上不可伸长的，以便更有效地在软外套200中传递张力。在一个实施方案中，软外套200可以包括在腰部锚固部212和大腿锚固部214之间延伸并与其联接的连接元件222，如图所示。另外或可选择地，在另一个实施方案中，软外套200可以包括在腰部锚固部212和使用者腿部的下部之间延伸的连接元件224。在一个实施方案中，这样的连接元件224可以直接或间接地与小腿锚固部216和/或脚部锚固部228联接。当然，软外套200可以包括任何数量的合适类型的连接元件220及其组合，本公开不旨在仅限于本文所述的那些示例性实施方案。

图3A、图3B和图3C示出了软外套200的额外的视图(即，分别为前视图、后视图和侧视图)，用于说明软外套200的进一步特性。参照图3A，软外套200可以包括两个连接元件224a，224b。连接元件224a，224b的第一端可以与腰带212的前部联接，并且各连接元件224a，224b的中间部分可以沿着使用者大腿的前部向下延伸。然后，中间部分可以围绕膝盖的侧向侧分开，以便沿着使用者的膝关节的旋转中心延伸，如图3C中最佳地示出的。参照图3B和图3C，连接元件224a，224b可以继续进一步向下延伸并且缠绕在使用者小腿的背面，如图所示。参照图3B，锚固构件210可以设置有连接点240，一个或多个致动元件320可以连接到连接点240，如稍后更详细描述的。

材料和构造

软外套系统的一个或多个部件可以至少部分地由具有高弹性模量的材料制造。使用具有高弹性模量的材料可以最小化由于材料拉伸而沿着套装的负荷路径的传输损耗。最小化传输损耗和固定软外套系统的不同组件可以降低功耗、电机尺寸和电池尺寸。此外，最小拉伸可以进一步有助于将软外套系统的部件(例如，锚固构件210)固定在适当位置，从而帮助保持软外套200在穿戴者身体上的适当对准。

软外套系统的实施方案还可以包括通过减轻由于刚性、高弹性模量材料与身体的相互作用引起的磨损风险而提供舒适性的材料。如下面进一步更详细描述的，外套也可以被构造成更接近单一的衣服制品，而不是复杂的一系列部件，例如束带和带子，这可能会延长软外套系统的换入和离开的时间变化。

在各种实施方案中，各种锚固构件210可以由织造和加强材料制成。织造和加强材料可以在不同方向上具有不同的应变性质，从而允许这种织物用于帮助限定和加强负荷路径，代替潜在不舒服的带状加强。织造和加强材料可以被构造成在形状和轮廓上是可调节和共形的，以便加强其在施加负荷时保持在适当位置的能力。

图4A、图4B和图4C示出了腰部锚固构件212的代表性实施方案。腰部锚固部212可以环绕使用者的腰部并且被构造成接合髂嵴以用于支撑。在一个实施方案中，腰部锚固部212可以经由连接元件222连接或连接到软外套200的其他部件，例如经由连接元件222到大腿锚固部214，以确保身体运动时的最小迁移和漂移。套装的图案化轮廓提供了与软外套200的相应部件上的连接点适当对准的共形适配。

在各种实施方案中，腰部锚固部212可以使用各种织物材料制造。在各种实施方案中，腰部锚固部212可以包括层状材料和复杂图案的片块。腰部锚固部212的后部，如图4B所示，可以由层状平纹织造材料的两个或更个片块组成，例如Typhoon，并且可以进一步用强力材料加强，例如帆布。腰部锚固部212的前部片块可以在成角度的侧接缝处连接，并且腰带的左右前部片块可以重叠以环绕腰部并与维可牢尼龙搭扣(Velcro)连接。通过切割和整合毛绒、衬垫材料，可以减轻织造和层状织物的面积，从而保持舒适性。例如，泡沫衬垫可以缝制在与穿戴者髂嵴对齐的切口下面。当系统在步态周期期间提供不对称负荷时，该衬垫可以减轻压力并提高舒适性。

参照图4D和图4E，腰部锚固部212的材料可以布置成提供穿过腰部锚固部212的负荷路径，并且加强负荷可以从软外套200的其他部件引入腰部锚固部212的面积。在一个实施方案中，加强和/或其他材料可以定位在连接元件224在连接点250处接合腰部锚固构件212的前部的位置以及连接元件222接合腰部锚固构件212的侧部的位置。材料可以布置成适合于引导负荷沿着预定的负荷路径进入或离开腰部锚固部212，如这些图中所示的箭头所示出的。如图所示，在一个实施方案中，材料可以布置成在腰部锚固部212的上部附近更垂直地引导这些负荷，以便在髋部上提供自然的上下负荷。材料还可以定向成使得当应变时，最稳定的方向与通过套装传递力的负荷路径一致。每个片块可以由在相反方向上定向的多层Typhoon和加强的帆布材料构成，以支撑引入腰部锚固部212的负荷并且将不对称负荷分布在两个髋部上。

图5示出了大腿锚固部214的代表性实施方案。大腿锚固部214可以包括被构造成包裹在使用者的大腿周围的多片片块。这种材料带可以重叠在其自身上并且可以使用单独的Velcro搭扣、系带、线轴和绳索系统或调节机构来固定。大腿锚固部214还可以具有波状设计和多个可调节Velcro搭扣，这提供了具有最小滑动可能性的舒适适配。离散的弹性段可以沿着接缝和/或搭扣和封闭件被包括，以在张紧和致动时改善舒适性，以及允许与穿用者身体的更共形的界面。几个单独的搭扣允许大腿锚固部214环绕大腿并且用各个搭扣之间的不同量的张力紧固，以均匀地适应大腿和四头肌激活的分布。弹性的添加减轻了致动期间以及随着肌肉在运动期间弯曲和释放的压力。在各种实施方案中，大腿锚固构件214可以使用各种额外的织物材料制造，包括如之前在腰部锚固部212的上下文中描述的Typhoon、泡沫和加强帆布。大腿锚固部214的代表性位置可以是在髌骨上方的大约12厘米延伸至少15厘米的距离，但是本领域技术人员将认识到对于给定应用的大腿锚固部214的多个合适位置。

返回参照图4E，大腿锚固构件214可以被构造成将力均匀地分布到大腿。大腿部件设计的共形轮廓在大腿上保持稳固，同时保持舒适性，因为柔性加强材料可以被图案化以沿着经由连接元件222在大腿锚固部214和腰带212之间延伸的负荷路径交界。可以进一步布置织造和加强材料以加强负荷路径，其中大腿锚固构件214在后面连接到腰部锚固构件212的后连接元件222，如箭头所示。可以进一步布置诸如加强帆布等材料以在大腿锚固构件214的中心部分附近更垂直地引导这些负荷，从而在大腿上提供自然的上下负荷，如在该图中所示的箭头所示出的。

图6A-6F示出了小腿锚固部216的代表性实施方案。首先参照图6A、图6B和图6C，小腿锚固部216可以包括被构造成与使用者的腿的下部(例如小腿区域)牢固地联接的套筒状结构。小腿锚固部216的代表性位置可以在中心髌骨下方大约7厘米延伸至少18厘米的距离，但是本领域技术人员将认识到对于给定应用的小腿锚固部216的多个合适位置。

小腿锚固部216可以被构造成即使没有从致动系统300施加的外力的情况下也适度地压缩小腿肌。小腿锚固部216可以沿着负荷路径用材料加强，如之前在腰部锚固部212和大腿锚固部214的上下文中说明的，并且可以重叠在其自身上。该套筒可以使用单独的Velcro搭扣、系带、线轴和绳索系统或可调节机构来固定。使用这些固定方法或这些固定方法的组合可以适应个体小腿的独特且变化的轮廓，同时在致动期间在穿戴者身上保持稳定。

小腿锚固部216可以额外使用泡沫衬垫，以放置在包含大部分小腿的系带下。该系带可以由不可伸展的系带、可伸展的弹性系带、线轴和绳索系统或调节机构组成。集成或可拆卸的衬垫可以减轻由系统从小腿背面启动时引起的压力。小腿锚固部216可以由于其多件式图案化轮廓设计、双重紧固闭合以及弹性系带容纳而舒适地共形地适配。

参照图6D，小腿锚固构件216可以被构造成将力均匀地分配到使用者的小腿区域。例如，织物可以在特定方向上用织物颗粒定向，以在身体上提供相应的、所需的力分布。通过作为力的在胫骨和小腿肌肉侧面的织物“阻塞”产生的包裹作用向下施加在背面。加强材料的取向对于向内力在小腿肌肉和腱的大部分上的均匀分布是关键的，因为胫骨的顶部主要接受向内力。小腿锚固部216可以主要由织造织物组成，其被定向成使得最稳定的方向与通过套装传递力的负荷路径一致。这可以利用在小腿背面上以“V”形图案化的帆布材料进一步加强，以将力向上引导到小腿肌肉和腱的侧面。在加强的“V”形上产生重叠可以允许用于相应的致动元件220的集成连接点，如下所述。这种重叠连接可以用耐磨材料进一步加强，因为连接的基部可以在操作中摩擦脚部锚固部18，例如靴子。

图6E、图6F、图6G和图6H示出了用于将小腿锚固部216与连接元件224连接的代表性联接元件217。联接元件217在本文中可以被称为“Y形带”，但是应当认识到，本公开旨在包括适于这个目的任何机构。Y形带提供由施加到脚部锚固部18的拉伸负荷产生的一些反作用力，其经由小腿锚固部216部分地传递到使用者的小腿，并且部分地传递到连接元件224。这种联接可允许高辅助力通过连接元件224分配到两个不同的锚固构件210(例如小腿锚固部216和腰部锚固部212)。这种联接还可以用于减小致动元件320的位移，从而有助于最小化外套系统100内的传输损失。最小化位移和传输损失可以最小化经由致动系统300产生期望力所需的电池电力的量。

Y形带217是定制的部件，其与小腿锚固部216和连接元件224接合，以便在它们之间形成负荷路径。Y形带217可以由层状织物和加强帆布构成。条带由五个独立的连接点组成。这些连接点中的两个将Y形带217连接到小腿锚固部216。特别地，条带的两个重叠的“V”形腿可以使用Velcro连接，以穿过固定到小腿包裹物的力路径的两个单独的2杆滑块。因为其允许两个不同的部件维持由外套线缆产生的总力，所以Y形带217允许减小在小腿包裹物和腰带下的组织上的应力，或者增加外套可以在不损害穿戴者舒适性的情况下传递的辅助力的最大量。第三连接点用于将Y形带217连接到连接元件224a，b的端部。特别地，在条带的两个“V”形腿的相交处存在环形环，具有两个环的绳索穿过该环形环。绳索的每个环状端部可以与连接元件224a，b的下端联接，在一个实施方案中，其可以位于使用者膝关节的相对侧向侧上。第四和第五连接点可以是位于Y形带217的“V”形腿的会聚附近的环，并且用于将Y形带217联接到用于连接用于致动软外套200的致动元件320的机构。在一个实施方案中，该机构可以经由通过环插入的两个销与Y形带217联接，如图6G所示。

参照图6H，应当注意，由于软外套使用者的腿部和步行机械学中的不对称性，拉伸负荷可能不均匀地分布在外和内连接元件224a，b之间。特别地，如果连接元件224的下部部分与Y形带219在固定位置联接，则连接元件224a中沿着软外套使用者膝盖的外侧定向的负荷可以大于连接元件224b中沿着软外套使用者膝盖的内侧定向的负荷。这可能在膝关节上引起不舒服的侧向扭矩。这样，可以允许绳索在环形环内的侧向滑动，从而允许连接元件224a，224b上下移动，如图6H中的箭头所示。以这种方式，施加在连接元件224a，224b上的不对称侧向负荷可以自动平衡，从而产生自平衡系统。当然，本领域技术人员将认识到，任何数量的机构可以适于平衡由连接元件224a，224b施加的不均匀的力，本公开不旨在仅限于本文所述的示例性实施方案。

图7A、图7B和图7C示出了脚部锚固构件218的实施方案。如图7A所示，在一个实施方案中，脚部锚固构件可以包括诸如靴子等鞋类。在这样的实施方案中，脚部锚固构件218可以包括外部脚跟联接器219，用于作为靴跟后部上的锚固点。致动系统300的致动元件320可以在各种实施方案中连接到脚跟联接器219，用于将张力传递到软外套200，如稍后更详细描述的。在另一个实施方案(未示出)中，脚部锚固部218可以包括代替标准鞋类的内底或者除其之外的鞋类插入物，并且可以以类似方式作为鞋跟后部上的锚定点。

通常，许多形式的鞋类在负荷下是相当可变形的。这样，当向上的拉力作用在鞋类的鞋跟处的锚固点时，鞋底可向上弯曲并且鞋类的一部分可能在使用者的脚上移动，潜在地导致起泡和其他不适。变形还可以从被传递到或穿过软外套200的力排出能量，由此需要由致动系统300产生更大量的力以在软外套200中实现期望的最终负荷。

为了减少响应引入脚部锚固部218的负荷的变形，从而增加舒适性并改善性能，脚部锚固部218可以包括结构加强部件。图7B示出了示例性加强部件，图7C示出了安装在靴子上的图7B的示例性加强部件，用于说明目的。

加强部件(本文中也称为鞋类加强部或靴子加强部)可以经由螺纹插入件与脚部锚固部218的跟部接合。可以在脚部的球附近使用粗螺钉以减小横截面并提供额外的舒适性。在柔性环氧树脂中涂覆的螺纹螺钉也可用于提供额外的刚度。在一个实施方案中，鞋类加强部可以由轻质、坚固的材料构成，包括但不限于碳纤维(CF)。尽管CF由于其相对高的刚度与重量比而被提及，但是其他材料也可以适用于鞋类加强部，无论它们是金属、聚合物还是复合材料。本领域技术人员将认识到对于给定应用的合适材料和构造。

在一个实施方案中，鞋类加强部可以被成形为围绕靴子的鞋底的侧面适配，在选择区域中留有一些额外空间以改善舒适性，例如足弓。加强层可以用多个螺钉、螺母、螺栓和/或其他紧固件或者用粘合材料或者通过任何其他合适的方法固定到靴子。

鞋类加强部通过增加鞋底的有效刚度来提高脚部锚固部218的刚度。因为CF比鞋类的鞋底硬得多，所以CF承受大部分负荷并且变形极小。这意味着脚部锚固部218至少在脚部的球和跟之间很少变形或没有变形，类似于刚性登山靴。以这种方式，鞋类加强部通过增加脚部锚固部218的刚度而提高系统效率，这可能导致如果致动(例如，稍后描述的较低的线缆行程)需要更小幅度以实现相同的力。例如，测试已经表明，使用鞋类加强部，在软外套200中产生450N的力所需的行程量可以减少约560％。减小的行程意味着较低的速度，这导致较低的功耗，因为需要致动器210(例如，电机)移动较少以实现期望的力。功耗由式(1)定义：

P(W) ＝ F(N)v(ms-1) (1)

其中功耗由P(W)表示，力由F(N)表示，速度由v表示。基于式(1)，当力保持恒定并且速度降低时，驱动电机可以产生较小的功率。

图7D示出了包括可以来自各种材料的部件的鞋类加强部的另一个实施方案。如图所示，图7C的鞋类加强部包括从脚跟延伸到脚的跗骨-跖骨关节的铝杆以及围绕脚跟延伸的碳纤维杯。在一个实施方案中，碳纤维杯部件可以具有约2mm～4.5mm的厚度。使用铝和碳纤维材料的组合可以提高靴子加强部的耐久性并且提供增强的刚度和舒适性。

图8A、图8B和图8C示出了连接元件220的代表性实施方案的各种视图。在各种实施方案中，连接元件220可以使用包括加强帆布材料层的各种织物材料制造，其可以定向和组装成使得它们的重叠可以产生连接点，或者集成为系统连接用环。在其最稳定的方向上取向并且与力通过套装传递的负荷路径一致，消除了从织物到另一部件的刚度传递中断的可能性。衬垫可以添加在集成连接环和穿戴者身体之间，使得不能感觉到在致动期间的运动而导致线缆连接部件压入穿戴者的身体。

连接元件220可以使用通过腰带上的2杆滑动连接点进给的分层加强帆布制成尺寸稳定的，而连接元件220的另一端包括允许Y形带的绳索(“线缆引导件”)穿过的D形环，从而完成腰带和小腿包裹物之间的负荷路径。

图9A、图9B和图9C示出了软外套200的基层230(例如，贴腿)的实施方案。在各种实施方案中，基层230以及软外套200的其他部件可以包括轻质、可透气和抗菌的材料。下面的表1提供了在各种实施方案中可以制造基层230的各种材料以及与这些材料相关的潜在优点的一般说明。

表1

如表1所示，Typhoon是织造材料的一个例子，层压帆布是应用于软外套200的一个或多个部件的加强材料的例子。Typhoon可以是柔性的、相对透气的、轻质的，并且可以沿着所需方向用帆布进一步加强。织造和加强材料可以包括可调节的Velcro闭合搭扣、系带或其他元件以提供定制适配。织造和加强材料还可以设置有用于与各种连接元件连接的集成连接点，并且可以用帆布层压加强以增加尺寸稳定性。

泡沫衬垫材料可以添加到外套的单个部件的重要区域中，其中摩擦和压力可以在穿戴者身体的骨突出部上或者在连接的机械部件和穿戴者身体之间发生。

在软外套系统的某些区域中，当织物的透气性受到关注时，贴腿织物可以包括网眼衬里。贴腿织物还可以在外套系统的其他部件可以接触身体的一个或多个区域处包括衬垫材料(例如，在锚固部件210中的一个或多个的位置处和/或沿着连接和致动元件220和320可以分别沿着其延伸的身体的整个区域或部分区域)。

致动系统300

图10示出了用于在软外套200中产生用于传递给使用者的张力的代表性致动系统300。在各种实施方案中，致动系统300可以包括一个或多个致动器310和致动元件320。

在一个实施方案中，致动器310可以包括本领域中已知的任何合适的机构，用于以通过所述位移在软外套200中产生力的方式移动致动元件320，例如电机。为了便于解释，致动器310在本文中可以被称为电机；然而，应当认识到，本公开不旨在限于致动器310的这种特定实施方案。

在一个实施方案中，致动元件320可以包括诸如线缆、织物带、厚边带、布线等元件。在各种实施方案中，致动元件320的近端可以可能经由如图所示的滑轮330和齿轮箱340与电机310联接，并且致动元件320的远端可以与软外套200的一个或多个部件联接。为了便于说明，致动元件320在本文中可以被称为线缆或鲍登线(Bowden cable)；然而，应当认识到，本公开不旨在限于致动元件320的这种特定实施方案。

参照图11，在各种实施方案中，电机310可以位于远离软外套200的连接线缆320的那部分，并且线缆320可在其间延伸。在一些这样的实施方案中，电机310可以位于使用者的躯干或腰部上的某处，例如在背包或条纹包中，或者在腰部锚固部212上。在其他实施方案中，电机310可以代替地定位在靠近软外套200的连接线缆320的那部分。局部地提供驱动功率可以减少沿着线缆320的传输损耗，并且可能需要较小的驱动电机310以产生期望的力。然而，局部地定位驱动电机310可以增加辅助附肢的惯性，这可能需要电机310在尺寸上相对更大，以便提供相应更大的力来辅助移动。取决于软外套系统100的各种应用，致动系统300的各种实施方案可以具有各种合适的驱动电机310布置和尺寸。

参照图12A-12E，致动系统300的线缆320可以被构造成以适于在其中产生张力的方式与软外套200的一个或多个部件联接。在各种实施方案中，线缆320可以被构造成连接到软外套200的位于使用者腿部的上部的那部分。在一些实施方案中，线缆320的远端可以与大腿锚固部214联接，并且线缆320的中间部分可以与腰带212联接。例如，线缆320可以与这些部件的后部联接并沿着使用者大腿的后部延伸，如图12A和图12E所示。另外或可选择地，线缆320可以与这些部件的前部联接并且沿着使用者大腿的前部延伸，如图12B所示)。

在各种其他实施方案中，线缆320可以被构造成连接到软外套200的位于使用者腿部的下部上的那部分。在一个实施方案中，线缆320的远端可以与脚部锚固部218联接，并且线缆320的中间部分可以与连接元件224和/或小腿包裹物216联接，如图12C、图12D和图12E所示。例如，线缆320可以与脚部锚固部21的后部联接并且沿着使用者小腿的后部延伸到Y形带219，从而间接地与小腿包裹物216和连接元件224联接。

图12A-12E还示出了致动系统300在软外套200的各种实施方案中如何产生张力。如所构造的，通过驱动电机310使线缆320位移(例如，缩短)可以引入将软外套200的各部件朝向彼此拉动的张力，如下面进一步描述的。

图12A示出了包括腰部锚固部212和大腿锚固部214的软外套200的实施方案。致动系统300的线缆320具有与大腿锚固部214联接的远端和与腰部锚固部212联接的中间部分，并且沿着使用者大腿的后部延伸。线缆320的位移产生将腰部锚固部212和大腿锚固部214朝向彼此拉动的张力，如箭头所示。从髋关节的旋转中心偏离的该力可以在伸展方向上(如由相应的箭头所示)提供围绕使用者的髋关节的扭矩，非常像腿筋和臀大肌的激活可以用于将股骨绕着腰关节向后拉。

图12B示出包括相同部件的软外套200的另一个实施方案；然而，线缆320代替地沿着使用者大腿的前部延伸。线缆320的位移产生将腰部锚固部212和大腿锚固部214朝向彼此拉动的拉力，如箭头所示。从髋关节的旋转中心偏离的该力可以在屈曲方向上(如由相应的箭头所示)提供围绕使用者的髋关节的扭矩，非常像四头肌的激活可以用于将股骨绕着腰关节向前拉。

图12C示出了包括小腿锚固部216和脚部锚固部218的软外套200的实施方案。线缆320具有与脚部锚固部218连接的远端和与小腿锚固部216连接的中间部分，并且沿着使用者小腿的后部延伸。线缆320的位移产生将脚部锚固部218和小腿锚固部216朝向彼此拉动的张力，如箭头所示。从踝关节的旋转中心偏离的该力可以在跖屈方向(如相应的箭头所示)提供围绕使用者的踝关节的扭矩，非常像小腿肌肉和跟腱的激活可以用于向下旋转踝部。

图12D示出了包括腰部锚固部212、脚部锚固部218以及以图3A、图3B和图3C所示的方式(或以类似方式)在其间延伸的连接元件224的软外套200的实施方案。线缆320具有与脚部锚固部218连接的远端和与连接元件224连接的中间部分，并且沿着使用者小腿的后部延伸。线缆320的位移产生将脚部锚固部218和连接元件224朝向彼此拉动的拉力，如箭头所示。从踝关节的旋转中心偏离的该力可以在跖屈方向(如相应的箭头所示)提供围绕使用者的踝关节的扭矩，非常像小腿肌肉和跟腱的激活可以用于向下旋转踝部。此外，张力的一部分沿着使用者大腿的前部和朝向腰部锚固部212被引导到连接元件224。从髋关节的旋转中心偏离的该力的一部分可以在屈曲方向提供围绕使用者的髋部的扭矩，如由相应的箭头所示。

图12E示出了包括两个模块的软外套200的实施方案，包括图12A所示的构造的第一模块以及包括图12C所示的构造的第二模块。第一模块的线缆320a的位移产生将腰部锚固部212和大腿锚固部214朝向彼此拉动的张力，如相应的直箭头所示，从而在伸展方向上传递围绕使用者的髋关节的合成扭矩，如相应的弯曲箭头所示。第二模块的线缆320b的位移产生将脚部锚固部21和连接元件224朝向彼此拉动的张力，如相应的直箭头所示，从而在跖屈方向上传递围绕使用者的踝关节的合成扭矩，如相应的弯曲箭头所示。张力的一部分沿着使用者大腿的前部和朝向腰部锚固部212被引导到连接元件224，从而在屈曲方向上传递围绕使用者的髋部的合成扭矩，如相应的弯曲箭头所示。在各种实施方案中，致动系统300的电机310a，b可以在不同的时间被致动，以对相应的关节运动提供辅助。

参照图13，软外套200可以被构造成将由致动系统300产生的力的一部分分配到使用者身体的各个部分。将力的一部分分配到使用者身体的不同部分可以用于改善外套使用者的舒适水平，从而允许产生用于增强运动辅助的增加量的力，特别是在踝部。例如，假设舒适度将使用者腰部可承受的力的量限制到约250N。如果负荷在两个锚固部之间均匀分配，则除了腰部锚固部212之外仅包括一个锚固构件210的软外套200的实施方案可以限于约500N的总辅助力。当然，软外套200的材料、构造和适配的变化可能导致不均匀分配，但是对于当前例子，假设50％/50％分布。软外套200的实施方案还包括小腿锚固部216。如果力在这三个锚固元件之间均匀分配，则结果是传递到身体对应部分的总力按约33％/33％/33％分摊。在当前例子中，对于使用者的腰部、小腿和脚跟中的每一个，这将是约167N。由于167N在腰部处低于250N的假设舒适阈值，因此在套装中产生的总力可以增加相当的量(即，总共约750N)。应当意识到；然而，软套200的特定结构以及其如何与身体接合可能影响分配。例如，如图13所示，不是均匀分配，由致动系统300产生的力的约30％-50％可分配到使用者的小腿，导致致动器力的仅约50％-70％由使用者的腰部承受。甚至，这可以允许在踝部附近(例如，总共500N)传递附加力(例如，约150N-250N)到软外套200，同时在使用者的腰部上保持相同的负荷(例如，250-350N)。额外的力可用于提供增强的踝部运动辅助。此外，在使用者身体的多个部分之间分配力减小了每个元件上的力，从而减小了皮肤和下层组织上的压力，并提高了使用者的舒适性。软外套系统200的其他实施方案可以具有施加到软外套使用者小腿上的约300N～约450N的力。应当理解，这些是纯粹的假设性例子，本文所述的具体的力大小和分布百分比仅用于说明的目的。

在各种实施方案中，力分配可以部分地通过调节软外套系统200的各种部件来控制。例如，将线缆220和连接元件224联接到小腿锚固部216的Y形带219可以收紧以提供更紧的接合，从而将总套装力的较大部分卸载到使用者的小腿。类似地，在另一个实施方案中，Y形带219可以松开以提供更松的接合，从而将总套装力的的较小部分卸载到使用者的小腿。分摊连接元件224a，b之间的负荷还可以用于增加使用者的舒适性。

传感器400

参照图14A和图14B，外套系统100还可以包括一个或多个传感器400。

在各种实施方案中，传感器400中的一个或多个可以包括适于测量由软外套200中的致动系统300产生的张力的任何传感器或传感器组合(本文称为“力传感器410”)。例如，在一个实施方案中，力传感器410可以包括测力传感器。为了方便说明，力传感器410在本文中可以称为测力传感器；然而，应当认识到，本公开不旨在限于力传感器410的这种特定实施方案，并且可以代替地使用能够具有类似目的的任何其他合适的传感器/传感器结构。力传感器410可以定位在软外套200上或其内的任何位置，适于测量作用在软外套200的相应部分上的张力。在一个实施方案中，力传感器410可以定位在软外套200的部件之间或接近其间的接合处，以便测量由另一个部件施加在一个部件上的张力。例如，参照图14A，力传感器410可以定位在线缆320和腰部锚固部212之间的界面处，以便测量线缆320施加在软外套200的这些部件上的张力。作为另一个例子，参照图14B，力传感器410可以定位在连接元件224和线缆320之间的界面处，以便测量由线缆320施加在软外套200的这些部件上的张力。当然，外套系统可以包括任何合适数量、类型和布置的力传感器410以测量对于任何给定应用的软外套200中的张力。

仍然参照图14A和图14B，在各种实施方案中，传感器400中的一个或多个可以包括适于测量身体关节的运动(例如关节定向(即，角度))的任何传感器或传感器组合，以及关节是否旋转，在哪个方向上，多快(即，角度导数或角速度)，和/或它是否正在加速。这样的传感器在本文中被称为“运动传感器420”。示例性传感器可以包括惯性测量单元(IMU)、陀螺仪和加速度计等。运动传感器420可以以用于进行这样的测量的任何合适的布置位于身体上或软外套体200上/其内。本领域技术人员将认识到，可以使用任何合适数量、类型和布置的传感器，只要它们能够精确地测量关节的运动。

图14A是示出用于测量使用者大腿的运动的运动传感器420的示例性布置的示意图。在该实施方案中，IMU 420可以放置在使用者的大腿上，如图所示。IMU 420可以被构造成测量(或从IMU采取的其他测量计算)大腿角度和大腿速度中的一个或组合。在躯干的运动与大腿的运动相比可忽略的情况下，大腿角度和大腿速度可以分别用作髋部角度和髋部速度的近似值。当然，在另一个实施方案中，IMU或等效传感器可以定位在使用者的躯干上，从而用其提供躯干运动的测量，来关联前述大腿运动的测量。所测量的躯干和大腿的角度和速度之间的相对差异可以用于在这种情况下分别确定髋关节的角度和速度。

图14B是示出用于测量使用者踝部的运动的运动传感器420的示例性布置的示意图。在该实施方案中，可以使用两个或更多个陀螺仪来确定踝关节的角度和速度。特别地，在一个实施方案中，第一陀螺仪420a可以定位在使用者的下胫骨上(例如，在由使用者穿戴的靴子的靴身上)，并且第二陀螺仪420b可以定位在使用者的脚上(例如，由使用者穿戴的靴子的下部鞋带上)。由于陀螺仪420a，b分别测量脚和胫骨的角速度，所以踝关节的旋转速度可以通过减去包含在来自两个陀螺仪420a，b的信号中的测量角速度来计算，类似于躯干和大腿运动可以相关以确定髋关节运动的方式。当然，本领域技术人员将认识到，可以使用任何合适数量、类型和布置的运动传感器420，只要它们能够精确地测量和/或确定关节的运动。

在各种实施方案中，一个或多个传感器400还可以包括适于检测步态相关事件的任何传感器或传感器组合，例如但不限于使用者的脚跟着地或使用者的脚趾离开。这种传感器在本文中被称为“步态事件传感器430”。在一些实施方案中，一个或多个运动传感器420可以被另外配置用于该作用；在其他实施方案中，步态事件传感器430可以包括单独的传感器，如脚踏开关、脚部压力传感器、电位计和磁力计等。使用来自一个或多个陀螺仪和/或IMU的测量来检测脚跟着地的系统和方法在2014年5月30日提交的PCT/US2014/040340中进一步详细解释，该专利申请通过引用并入本文。步态事件传感器430可以以用于进行这种测量的任何合适的布置位于身体上或软外套200上/其内。本领域技术人员将认识到，可以使用任何合适数量、类型和布置的传感器，只要它们能够精确地检测特定的步态事件。

控制系统500

本公开还涉及被构造成管理和控制外套系统100的其他部件以向使用者提供运动辅助的控制系统500的一个或多个实施方案。特别地，控制系统可以实时地监测身体的自然的、肌肉被驱动的运动，并且进而命令以下方式，其中致动系统300在软外套200中产生张力以传递辅助而增加由肌肉产力的力并移动关节，从而降低进行运动的代谢成本。为此，控制系统500的实施方案可以被构造成控制由软外套200产生的辅助的幅度，以及提供辅助的时机和持续时间。

参照图15，控制系统500的示例性实施方案可以包括用于从传感器400接收信息的一个或多个数据采集板、用于控制致动系统300的一个或多个电机控制器以及被构造成处理从数据采集板和电机控制器接收的信息以管理经由软外套200产生的辅助的一个或多个处理器。

控制系统500可以被构造成以被构造成向外套系统100的使用者的一个或多个身体关节传递功率以辅助这些关节的自然运动的方式命令软外套200的致动。特别地，控制系统500可以命令电机310将线缆320致动到适于在软外套200的相应部件中产生力的位置。随着外套使用者的身体关节旋转，可以由软外套200施加所产生的扭矩，从而在身体关节中产生额外的功率以辅助自然的关节运动。换句话说，软外套200可以根据下式传递辅助功率：P_辅助＝τ_外套*ω_关节，其中P_辅助表示由软外套200传递到身体关节的功率，τ_外套表示通过软外套200的致动在身体关节周围产生的扭矩，ω_关节表示在被辅助的运动期间关节的角速度。

在一些实施方案中，控制系统500可以被构造成致动外套200以在使用者的一步或步法期间向关节传递期望量的功率。在一个实施方案中，这可以通过根据关节运动的角速度改变在外套200中产生的力大小来实现。当电机控制器直接控制系统施加到关节的力以在一步或步法期间取决于关节的旋转速度产生期望量的功率时，这种方法在本文中可被称为“基于功率的力控制”，或者当在控制致动器的位置以在一步或步法期间取决于关节的角速度产生适于向关节传递期望功率的力的上下文中使用时，可被称为“基于功率的位置控制”。在其他实施方案中，控制系统500可以被构造成致动软外套200以传递围绕关节的期望扭矩而不是期望的功率分布。这可能导致运动期间取决于关节的角速度而输送的变化量的辅助功率。当直接控制在软外套200中产生的力时，这种方法在本文中可以被称为“力控制”，或者当在控制致动器的位置以产生期望的力或所得到的扭矩的上下文中使用时，可被称为“基于力的位置控制”。尽管本公开可以在基于功率的力/位置控制或力/基于力的位置控制中的仅一个的上下文中描述软外套200的各种致动，但是并不旨在如此限制。本领域技术人员将认识到，只要合适，控制系统500可以利用这些方法中的任何方法。

当在与关节的运动相同或相似的方向上施加扭矩时，可以产生正功率。相反，当所产生的扭矩与关节的运动相反时，产生负功率。因为人体可以使用能量产生正和负功率，所以外套产生的正和负功率都可以被认为是辅助功率，这取决于具体应用。例如，可能期望正功率辅助以增强与特定关节甚至整个身体的特定运动相关联的疲劳的强度和/或减少疲劳。如稍后在本公开中更详细描述的，在踝关节的站姿跖屈运动期间的正功率辅助可以有助于在诸如步行、前进、跑步等运动期间向前推动使用者的身体。类似地，在髋部的伸展运动期间的正功率辅助可以具有类似的目的。如本文所使用的，在各种实施方案中，正功率可以对应于外套系统施加的有助于所述推进的主动力。作为额外的例子，在踝关节的站姿背屈运动期间由外套产生的负功率可以用于在推进运动之前在脚跟着地之后辅助身体和身体关节的减速。例如，如稍后在本公开中更详细描述的，这导致系统同时与下层肌肉和腱一起在关节处产生力矩，对于给定的腿，从一个脚跟着地延伸到下一个。例如，在踝部跖屈辅助的情况下，通过在步态周期的正功率区域施加力，系统辅助小腿肌肉和腱将身体向上和向前推动。然而，通过在负功率阶段期间提供辅助，随着身体的质心向下并向前落在贴附的脚上，套装通过拉伸来辅助小腿吸收力。在另一个实施方案中，例如髋部伸展，控制系统实时检测步态事件，从而当髋部从屈曲到伸展改变方向(这是正功率产生开始的地方)时以及当下层肌肉在关节中开始产生工作时辅助髋伸肌，以随着质心向下并向前落在贴附的脚上加速髋关节并且向前推动身体。本文所述的控制方法实时检测多个步态事件，以检测何时下层肌肉和腱需要额外的辅助以向前推进身体，这允许适应不同个人步行和不同行动活动的方式。本文提出的方法还可以应用于在行动期间和在本公开中未明确描述的其他活动期间辅助不同方向上的关节或额外的关节。

控制系统500可以被构造成经由对致动系统300的命令来管控辅助的产生。特别地，在各种实施方案中，控制系统500可以命令电机310将线缆320移动到适于传递期望的力或功率的位置。在一个实施方案中，控制系统500可以命令线缆位置，使线缆320在被动或主动辅助的时间之前保持松弛，从而其在软外套200中产生很小或没有力。在另一个实施方案中，控制系统500可以被构造成命令线缆位置，使软外套200的部件响应于特定运动产生被动力。该被动力可以用于在主动辅助的时间之前预拉伸线缆320和关节，以增强主动辅助的效果。在又一个实施方案中，控制系统500可以命令电机310以适于通过将软外套200的部件朝向彼此主动地拉动来产生主动力的方式移动线缆320。这样的命令通常被定时，以便在待辅助的运动开始和/或期间移动线缆320，从而增加由相应肌肉产生的自然力。一般来说，进一步的控制系统缩短和增加线缆320中的张力，在外套200内产生的力的幅度越大，围绕目标身体关节的产生扭矩越大。因此，控制系统500可以被构造成通过命令驱动电机310来控制外套系统100产生的扭矩的大小，以将线缆320移动到足以被动或主动地向身体关节传递期望的扭矩或功率的位置。

力和致动分布，一般地

图16A示出了将经由软外套200传递到使用者身体以辅助关节运动的代表性力分布。如本文所使用的，力分布是传达在整个运动辅助周期中的各个时间在软外套200中产生多少力的方式。为此，力分布可以传达所产生的力的大小、其被启动的时机以及施加力的持续时间。利用基于力的控制的实施方案可以直接靶向给定的力分布，而那些利用基于功率的控制的实施方案可以首先利用来自运动传感器420的角速度测量以从期望的功率分布导出相应的力分布。

图16A的代表性力分布中的力的大小可以在辅助开始时增加并且朝峰值大小急剧上升。然后力可以达到峰值并且随后在接近辅助结束时以相似的速率下降。在一个实施方案中，可以产生力分布，使得当涉及产生运动的目标肌肉群达到最大激活水平时，力最大，从而提供增强最大功率并减少代谢能量消耗的临界加强。如在本公开中稍后详细描述的，图16A所示的力分布可以在辅助踝关节的站姿背屈和跖屈运动时用于辅助小腿肌肉，以帮助在行动期间推进使用者向前。

当然，应当认识到，控制系统500可以被构造成以任何合适的方式命令软外套200的致动，以产生任何数量的合适的力分布，本公开不旨在被限制到仅上述示例性实施方案。

图16B示出了用于产生图16A的力分布的代表性致动分布。如本文所使用的，致动分布是表示如何致动致动系统300以便产生具有适宜时机和持续时间的期望的力或功率分布的方式，以在发生时辅助关节的运动。

如图16B所示，致动分布可以在整个辅助期间表示各线缆位置的序列。在该例子中，对于使用者的步态周期的一部分(在一个步态周期的约80％和连续步态周期的约40％之间延伸)，线缆320保持在第一位置(即，100mm)。在这段时间的大部分期间，命令的线缆位置产生很小或没有力，如图16A的力分布所示，并且线缆320可以是松弛的。然而，在步态周期的约20％～40％之间延伸的时间段期间，力增加而线缆位置保持在第一位置。这反映了随着软外套200在该时间期间限制关节的特定运动而产生的被动力。在步态周期的约40％～75％之间，线缆320被驱动朝向第二位置(即，150mm)并返回到第一位置，产生由图16A中的尖峰所示的主动力。应当认识到，前述例子仅仅是为了说明的目的而描述的，控制系统500可以被构造成根据本公开的教导产生任何数量的合适的致动分布。

在各种实施方案中，控制系统500可以被构造成利用来自传感器400的反馈来确定适宜的线缆位置以及它们应该保持的时机和持续时间，以便在软外套200中产生期望的力或功率分布，如下面更详细描述的。

致动幅度

在各种实施方案中，控制系统可以被构造成确定用于在软外套系统中产生期望峰值力F_峰值的适当线缆位置Pos_峰值。

在一个实施方案中，控制系统可以使用来自软外套系统的先前测试的经验数据来估计相应的线缆位置Pos_峰值。例如，控制系统500可以包括将各种线缆位置与将在软外套系统中产生的相关力相关联的查找表、库、方程或其他预定参考。尽管这种方法可以与被构造成在每次穿上套装时以相同的方式适配各种使用者的可穿戴式机器人系统一起工作，但是软外套系统的部件可以以降低系统刚度的方式移位、拉伸或以其他方式行为，导致对于给定的电机位置轨迹而言实际传递到使用者身体的软外套系统的峰值力的幅度减小。

为了解决这个问题，在各种实施方案中，控制系统500可以利用基于力的位置控制方法，其利用来自力传感器410的反馈来迭代地改变线缆位置Pos_峰值，直到实现目标峰值力F_峰值。在一个实施方案中，控制系统500可以通过将在先前步法期间将要传递的期望峰值力与在先前步法期间传递的实际峰值力的测力传感器测量进行比较而开始。然后，控制系统500可以利用该信息来调节致动分布的幅度(即，调节命令的线缆位置Pos_峰值)，以在在后步法中补偿在先前步法期间传递的期望力和实际力之间的任何差异。如果先前步法的实际峰值力未能达到该步法的期望峰值力，则致动幅度将增加，并且如果先前步法的实际峰值力超过该步法的期望峰值力，则致动幅度将减小。控制系统可以根据式(2)确定相应的线缆位置：

在另一个实施方案中，控制系统500可以代替地通过监测来自测力传感器410的实时力反馈并实时地以相应方式调节线缆位置来实时地调节力。

类似的基于力的位置控制算法自动地将系统校准到给定使用者。特别地，在操作开始时，控制系统500可以将力增加到期望水平，由此确保独立于使用者之间可能变化的因素的适当辅助，例如身体形状、身体构成、套装适配如何、个人舒适偏好等。在各种实施方案中，负荷反馈也可以由控制器使用以监测施加到其他关节的力并且考虑可能需要校正的任何不对称性。

另外或可选择地，在各种实施方案中，控制系统500可以利用基于功率的位置控制方法来确定在完整步态周期期间传递所需量的功率的适当线缆位置。特别地，控制系统500可以首先确定在先前周期期间由套装传递的实际积分功率。在一个实施方案中，这可以通过在整个先前周期中测量关节的角速度和在外套系统200中产生的力并根据式(3)积分乘积来完成：

应当注意，由外套200的致动产生的扭矩的符号是已知的，这是由于仅在其中产生张力的事实。然后，控制系统500可以将该测量的积分功率与在先前周期期间要传送的期望的积分功率进行比较。该信息又可用于当在先前步法期间传递的积分功率低于或超过在先前步法期间施加的期望功率量的情况下调节当前步法的线缆位置。在一个实施方案中，这种调节可以根据式(4)进行：

当然，应当认识到，对线缆位置的调节不需要遵循式(4)中所示的比例关系，本领域技术人员将认识到用于迭代地调节线缆位置以传送期望的积分功率的其他适当的关系。

上面解释的基于功率的位置控制方法可以与被构造成仅控制正或负功率辅助中的一个的外套系统的实施方案一起使用。为了独立地控制正和负功率辅助，控制系统500的实施方案可以利用另一种基于功率的位置控制方法，其中基于运动的正和负功率部分的单独积分来确定线缆位置。

特别地，可以从测量的踝速度和由测力传感器测量的力来计算由外套系统100传递的实际功率，分别在正和负功率间隔内积分并且通过步法时间归一化。这可以总结在式(5a)和式(5b)中：

在式(5a)和式(5b)中，应当注意，为了计算积分负功率，初始时间t_{步进_开始}对应于脚跟着地的检测，而终止时间t_{步进_结束}对应于ω_关节≥0的第一时间。在式(5b)中，应当注意，为了计算积分正功率，初始时间t_{积分_开始}对应于用于计算负功率的终止时间t_{积分_停止}，而终止时间t_{积分_停止}对应于ω_关节<0的时间。

然后，控制系统500可以使用两个功率积分值逐步地调节线缆的命令位置幅度水平。为了分别控制负功率和正功率，控制系统500可以被构造成在运动的负功率间隔开始时开始拉动线缆320。通过这样做，用于下一步法的负功率可以通过调节预张力的水平来控制，而正功率可以通过控制主动力的水平来改变。例如，如果在先前步法期间的负功率积分小于期望值，则控制器将增加线缆的保持位置以增加下一步法的预张力；另一方面，如果先前步法的实际正功率大于期望值，则控制器将减小线缆位置的振幅，以减少下一步法的主动力。在一个实施方案中，这种调节可以根据式(6a)和式(6b)进行：

基于力的位置和基于功率的位置控制方法可以进一步提供一种有用的方式来补偿外套中的不同适配(例如，由于使用者体形的变化)、在操作期间套装的变化(例如，套装部件在身体上漂移、步态改变)以及在致动元件(例如，线缆)中改变摩擦和阻尼特性，这取决于它们如何移动(例如，由于弯曲和拉伸而导致的损失)。

在又一个实施方案中，控制系统500可以进行“基于功率的力控制”。该控制方法将类似于前面段落中描述的方式起作用，但是将控制在预拉伸和步态的主动阶段期间的力水平，而不是线缆位置。

控制方法将在给定关节的行动期间实时地跟踪期望的功率分布。控制系统可以通过用目标功率值除以作为针对低水平力控制的输入目标的关节速度来实时地计算步态周期中的当前点的所需力。然后，低水平控制将通过使用来自测力传感器或任何其他力感测系统或力估计方法的实时反馈来跟踪系统传递到关节的力。

期望峰值力或期望积分功率

在各种实施方案中，辅助水平可以由使用者或由控制系统500调节，以针对穿戴者定制辅助水平，针对应用或两种因素的组合。使用者或控制器500将调控辅助水平的情况或情况组合的例子包括：基于身体质量和身高来针对不同使用者定制辅助，一般来说具有较高质量和高度的对象将需要更高的辅助水平以得到同样的好处。将要由使用者进行的主要活动或任务可以是确定将要由外套系统100传递的适宜力幅度的因素。例如，使用者或控制系统500可以决定调控辅助水平以节省电池或当穿戴者最需要它时使用更多的电池。在另一个例子中，使用者或控制系统可以决定调控辅助水平以节省电池或当穿戴者最需要它时使用更多的电池。不同的活动，例如快速步行和上山或者携带更重的负荷，可能比其他较不费力的活动更多地受益于更高辅助。此外，当第一次使用装置时，辅助水平可以被设定为较低的值，并随着使用者的训练逐渐增加幅度。

在各种实施方案中，期望峰值力F_峰值可以是设置为控制系统中的基线的预定值。在一个实施方案中，可以预设基线峰值力。在一个实施方案中，使用者能够预选或在使用时选择基线峰值力。使用者的选择过程可以被实现为使得使用者将对于给定活动优选或对于使用者来说感觉舒适的基线峰值力直接输入到控制系统中，或者经由选择操作模式(例如，低、中、高辅助)、输入一个或多个参数(例如，外套使用者的的重量、预定义的个体设置)和/或其他间接选择来间接地选择基线峰值力。

在各种实施方案中，期望峰值力F_峰值可以受到作用在待辅助的关节上的生物力矩的影响。例如，随着体重增加，作用于身体关节的生物力矩通常对于给定活动而增加。因此，适应施加到各种关节的辅助峰值力的量以考虑生物力矩中的这些变化可能是有益的。类似地，使用者携带的负荷，包括软外套本身的负荷，也可以影响生物力矩并可以被考虑。

参照图17A、图17B和图17C以及图18A、图18B和图18C，控制系统500可以被构造成适应期望峰值力以考虑也影响作用在关节上的生物力矩的空间-时间因素，如行动(例如，步行)速度。如图17A和图18A所示，随着行动速度增加，施加在髋部上的生理功率(特别地，与髋部伸展相关联的生理功率)的峰值大小和围绕踝部(特别地，在踝部跖屈时)的生理功率的峰值大小通常增加。对于与诸如跑步、蹬踏等其他行动活动相关联的空间-时间步态变量，这同样是正确的。为了简单起见，本公开将步行速度称为示例性空间-时间步态变量；然而，应当理解，本文公开的用于调节辅助的系统和方法可以基于其他这样的空间-时间变量类似地应用。例如，本文公开的系统和方法可以为步进长度、步法长度、步行节奏(也称为步行频率)和其他空间-时间变量提供自适应辅助。

参照图17B和图18B，在各种实施方案中，可以以乘数的形式应用调节。在各种实施方案中，该因子可以被定制以将由软外套传递的峰值辅助力或功率调节到与以该步行速度作用于使用者关节上的生理力矩和功率成比例的水平。如所构造的，外套系统100可以用于根据期望的应用基本上减少、抵消、甚至克服这些自然力的效果，从而减少使用者疲劳。如图17B和图18B所示，与髋部和踝部辅助相关联的乘数可以随着步行速度基本线性地增加，类似于如图17A和图18A所示的具有步行速度的这些关节上的生理力矩增加的方式。

在一个实施方案中，调节因子可以应用于由外套系统100传递到相应关节的基线峰值力。图17C和图18C仅仅为了说明的目的示出了一些示例性调节的峰值力，其可以分别施加到髋关节和踝关节，如由图17B和图18B的乘数调节的。这些图基于如下假设：控制系统被构造成向髋部提供约200N的基线峰值力和向踝部提供约350N的基线峰值力，但是本领域技术人员将认识到，这些仅是示例性基线力，并且根据本公开可以通过任何合适的空间-时间因素来调节任何合适的基线力。如在图17B中可以看出的，例如，约0.5m/s的较慢步行速度导致约0.4的髋部乘数，如图17C所示，其将在该步行速度下的200N的基线峰值力减小到约80N的调节峰值力。类似地，如在图18B中可以看出的，约0.5m/s的较慢步行速度导致约0.4的踝部乘数，如图18C所示，其根据踝部力分布将在该步行速度下的约350N的基线踝部峰值力减小到约140N的踝部峰值力。另一方面，例如，如图17B和图18B所示，在约1.75m/s的较快步行速度下，髋部和踝部峰值力乘数可以为约1.4，如图17C和图18C所示，其将相应的基线峰值力从约200N和约350N分别增加到约280N和约490N的调节峰值力。尽管图17B和图18B中提供的示例性乘数被描绘为随行动速度基本上线性地增加，但是应当认识到，乘数不需要遵循线性关系，并且可以以任何合适的方式来定义。

参照图19A和图19B，控制系统500可以被构造成估计使用者的行动速度(例如，步行速度、跑行速度等)，以用于相应地调节如上所述的力或功率分布的幅度。参照图19A，在一个实施方案中，步行速度可以部分地通过使用从IMU确定的髋部角度测量来估计。特别地，这些测量可以用于定义使用者髋部在矢状面中的运动范围Θ，如图19A所示。然后，根据下式(7)，使用者步进的长度l_步进可以作为腿长度l_腿和髋部运动范围Θ在矢状面中的函数来估计：

l_步进＝2*l_腿*sinθ/2 (7)

在一个实施方案中，腿长度l_腿可以是测量或估计的常数变量。例如，控制系统500可以基于典型使用者的平均腿长度来采取代表值，或者可以被构造成使得使用者可以在开始系统之前输入他/她的估计或测量的腿长度。

仍然参照图19A，然后，可以根据下式(8)将步行速度V_步行估计为步进长度l_步进和步进时间t_步进(即，步进之间经过的时间)的函数：

在一个实施方案中，步进时间t_步进可以被测量为脚跟着地或任何其他步态事件之间的时间段。参照图19A，步进时间可以被测量为在两个相继的步态周期期间髋部达到最大屈曲角度之间的时间段。IMU、陀螺仪或任何其他合适的传感器布置可以被构造成检测上述的脚跟着地或其他步态事件。然后，可以通过从最近检测到的脚跟着地或其他步态事件的时间减去先前检测到的脚跟着地或其他步态事件的时间来计算步进时间t_步进。当然，步进时间可以根据本领域已知的任何其他合适的方式来测量或估计。

参照图19B，进行测试以验证该方法，从而估计使用者的步行速度。实线示出了速度估计方法的输出，虚线示出了由使用者在其上步行的仪器化跑步机测量的步行速度。如图19B所示，控制算法可以能够处理多个混杂因素，例如躯干移动和步进长度的变化。

当然，应当认识到，可以根据适合于给定应用的任何数量的因素来确定将要在软外套200中产生的用于向使用者的关节提供运动辅助的适宜力幅度，本公开不应限于上面列出的那些例子中的任何一个或组合。

辅助时机

为了定制对关节的当前运动的辅助并且提供适应于不同行动活动和不同使用者步行方式的自然辅助，控制系统500可以被构造成利用来自各个运动传感器420的输入和/或如前所述定位在身体上或附近的步态事件传感器430的输入，以确定使用者如何移动，进而确定用于辅助的适当时机。为此，控制系统500可以实时监测关节运动的测量并且估计下层肌肉和腱正在进行工作的时间，以便在正确的时间开始辅助。这样的测量或其组合可以用作致动开始的触发(“起始触发”)。

起始触发可以根据给定的应用或行动活动而变化。在一个实施方案中，特定关节运动事件的检测可以用作起始触发。特别地，可能的情况是，待辅助的运动通常在特定事件时(例如，当关节角度达到最大值时或当关节改变运动方向时)开始，因此控制系统500可以被构造成解释这种检测作为起始触发。在另一个实施方案中，已经达到特定角速度的关节的检测可以用作起始触发。例如，在一些应用中，可能希望仅当关节在阈值速度以上或以下移动时辅助关节运动，如由测量的角速度的大小所指示的。在其他应用中，可能希望当关节沿特定方向旋转时提供辅助，如由测量的角速度的符号所指示的。应当认识到，可以以类似的方式使用关节角度的测量(例如，通过计算角度导数等以产生类似于速度和/或类似于加速度的测量)。在另一个实施方案中，关节角度和角速度的组合的检测可以用作起始触发。例如，在一些应用中，可能希望通过伸展运动提供辅助部分，这里，起始触发可以是表示待辅助的伸展运动的一部分开始的特定角度和具有与伸展运动相关联的符号(即，+或-)的角速度(例如，与相反的符号相反，其可以指示相反的屈曲运动)的组合的检测。

在一些应用中，可能希望仅当关节运动与身体的其他部分的特定运动或运动组合一致时和/或与身体的运动相关联的另一事件一致时向关节提供辅助。例如，在各种实施方案中，控制系统500可以被构造成在脚与地面接触时增加腿关节辅助。以这种方式，可以针对用于向前推进使用者的那些运动定制辅助，从而提高效率。在这种情况下，除了检测关节运动的相关联的指示之外，起始触发可以包括脚与地面接触的一些指示的检测。在一个实施方案中，一种这样的检测可以是脚跟着地的检测。控制系统500可以被构造成从来自一个或多个传感器430收集的测量检测事件，如稍后在针对踝部辅助的控制系统的实施方案的上下文中更详细描述的。当然，如果基于其他关节的运动来提供辅助，则控制系统可以被构造成监测那些其他关节的运动，进而检测启动所讨论关节的辅助所需的一个或多个触发。

辅助持续时间

控制系统500可以进一步利用关节运动测量来确定何时停止向关节提供主动辅助。

在各种实施方案中，控制系统可以被构造成当关节达到预定角度或旋转速度时终止辅助。为此，在一个实施方案中，控制系统可以监测实时角度测量并在达到期望角度时终止致动。类似的过程可以用于在以用于终止辅助的不同触发为特征的一些实施方案中估计辅助持续时间，如当关节运动停止或改变方向时可能希望终止辅助时。在一个实施方案中，控制系统可以以类似的方式通过监测实时旋转速度测量并在测量的角速度达到零时终止致动来间接地确定辅助持续时间。

在各种实施方案中，控制系统可以监测关节角度、速度和/或其他运动相关测量的实时测量，以检测步态相关事件和决定辅助分布以及何时启动、维持或终止运动辅助。控制系统可以使用该信息来估计下层肌肉和腱何时在关节处产生扭矩并且在正确的时间启动辅助。

然后，控制器可以将电机驱动到适于产生相应力大小的第一致动位置。控制系统可以继续监测关节运动的实时测量，并且基于当生物肌肉和腱在系统线缆可以提供致动的方向上停止向关节提供力时测量的旋转速度或角度导数来估计，使得系统将变得透明(终止致动)并且不阻碍在相反方向上作用的肌肉。

可选择地，控制系统500可以通过监测外套200产生的辅助力而检测力的预定值或预定百分比的变化来确定何时终止辅助。在各种实施方案中，这种变化可以指示关节已经进展通过待辅助的运动。例如，在线缆在主动力产生期间保持在恒定位置的实施方案中，随着关节继续移动，力建立和/或下降。控制系统500可以被构造成一旦力已经达到预定阈值就检测力的变化并终止致动，以便不干扰随后的运动。在踝部运动的站姿背屈阶段期间可能是这种情况(即，检测在站姿背屈期间施加的预张力的增加和以适当的方式移动线缆以辅助后续的站姿跖屈运动)，如稍后更详细描述的；完全相同的效果可应用于髋部伸展辅助(即，当腿接近垂直时检测力的下降)并且可应用于其他关节。

这样，控制系统可以从期望的力分布识别要在关节运动中的每个点处产生的相应的力大小，并且将线缆移动到相应的位置或命令期望的力。这样的控制系统将实时地控制何时致动开始和结束，因此适应不同个人步行或不同活动的方式，使得当其将有益于穿戴者时提供辅助，并且终止辅助，使得系统不会在任何其他情况下产生任何力。

如下面进一步更详细描述的，控制系统500可以代替地被构造成估计或以其他方式预测关节运动的持续时间。然后，待辅助的关节运动的估计持续时间(“关节运动持续时间”)可以进而被用于确定外套系统500可被致动以辅助关节的适宜持续时间(“辅助持续时间”)。这种方法可以允许控制系统500在开始致动之前产生合适的致动分布，根据该致动分布可以致动软外套，而不需要监测关节运动的实时测量以检测指示运动结束的终止触发。

在其他这样的实施方案中，控制系统500可以被构造成利用来自先前运动周期的关节运动测量来估计当前运动周期中即将到来的相应运动的持续时间。这种方法对于辅助重复运动特别有用，例如当使用者步行、跑步等时腿关节的行动运动。在各种实施方案中，这样的近似可以在给定活动的循环性质的情况下密切地预测当前运动的持续时间，并且导致致动分布(后述的)适合紧密地匹配期望的辅助。

作为说明性例子，考虑步行辅助应用，其中控制系统500被构造成致动外套200以有助于在正前摆动阶段之后将腿从屈曲位置拉回，典型地跨越约30％的平均步态周期的运动。在一个实施方案中，控制系统500可以首先从关节运动或在先前周期期间进行的其他测量计算该先前步态周期(本文中也称为步法时间)的持续时间，然后估计当前周期期间即将到来的关节运动持续时间，作为先前步法时间的30％的步法时间。在另一个实施方案中，控制系统500可以以类似的方式估计即将到来的关节运动持续时间；然而，代替假设运动跨越约30％的平均步态周期，控制系统500可以代替地确定在多个先前步态周期期间运动跨越的实际百分比，以提供控制器稍后可以通过使用来自集成传感器的实时测量来校正的第一近似。特别地，控制系统500可以被构造成利用在先前步态周期期间进行的关节运动测量来识别关节运动何时开始和结束，然后将它们与那些周期的各自的步法时间相关联，以确定每个先前周期的关节运动持续时间百分比。在一个实施方案中，这些百分比可以被平均以提供用于估计在当前步态周期期间待辅助的关节运动的持续时间的更定制的基础。

在各种实施方案中，可以利用一个或多个传感器400以任何合适的方式确定步法时间。在一个实施方案中，步法时间可以计算为在每个周期发生的特征事件的连续检测之间经过的时间。例如，控制系统500可以测量针对给定腿的连续脚跟着地之间经过的时间并且将其定义为步法时间。作为另一个例子，控制系统500可以测量最大髋部屈曲或伸展的连续检测之间经过的时间并且将其定义为步法时间。在本公开中稍后更详细地提供用于检测脚跟着地和最大屈曲/伸展角度的方法，以及用于确定在连续的这种检测之间经过的时间间隔的方法。

应当认识到，对于给定应用可以以任何数量的适当方式从这种传感器测量来确定辅助持续时间，本公开不旨在仅限于上面阐述的那些说明性实施方案。

产生致动分布

如前所述，控制系统500可以被构造成确定将由外套系统100产生的期望峰值力，以及识别何时待辅助的关节运动开始并估计关节运动的持续时间。在各种实施方案中，控制系统500可以利用该信息来产生致动分布，根据该致动分布，外套系统100可以被致动以向关节传递期望的运动辅助。

在各种实施方案中，控制系统500可以被构造成在运动开始之前产生致动分布。在一个这样的实施方案中，控制系统500可以单独地基于在先前周期期间的类似运动的持续时间来估计关节运动持续时间(从而辅助持续时间)。一方面，这种方法可能不考虑关节运动何时开始/在其各自周期内将要开始的任何变化(也就是说，如果当前周期关节运动在当前周期中开始比在先前周期关节运动在先前周期中开始更后，则估计的持续时间可能比当前周期关节运动的实际持续时间稍微更长，反之亦然)。然而，另一方面，这种方法可能不如其他方式复杂，并且潜在地为控制系统500提供一些时间来准备即将到来的致动。应当认识到，在另一个实施方案中，控制系统500可以进一步适于通过在检测到起始触发的时间或稍微之后修改在致动分布中反映的持续时间来考虑上述潜在变化。

在各种其他实施方案中，控制系统500可以被构造成基于考虑运动的实际开始时间的关节运动持续时间的估计，在检测到起始触发时或稍微之后产生致动分布。在一个这样的实施方案中，控制系统500可以利用前述方法之一或任何其他合适的方法来估计此时的关节运动持续时间(从而辅助持续时间)。

用于辅助循环性髋关节运动的示例性控制系统

图20是髋部控制架构的实施方案的示意图，其在保持充分的力性能的同时向髋部启动辅助扭矩。髋部控制系统600可以被构造成向髋关节提供辅助，以辅助在诸如步行、跑步和跳跃等行动活动期间的循环性伸展运动。为此，髋部控制系统600的各种实施方案可以结合图12A的外套或图12E的外套200的第一模块使用，以及适于传递扭矩以辅助使用者髋部的伸展运动的任何其他构造。髋部控制结构可以包括软外套200的至少一部分、用于测量髋部屈曲和旋转速度的一个或多个惯性测量单元(IMU)或其他合适的传感器420布置、一个或多个测力传感器430和控制系统600。在软外套200的腰部锚固部212和大腿锚固部214之间拉动线缆320可以产生在髋关节周围产生扭矩的辅助力。

在一个或多个实施方案中，IMU可以连接到使用者的大腿(或用于进行规定的测量的任何其他合适的位置)并且被构造成测量人类运动，特别是大腿角度，以及估计髋部屈曲角度。尽管图20仅示出了IMU的使用，但是髋部控制系统600的实施方案可以使用其他类型的动力学和/或运动学传感器，例如电位计和加速度计，和/或包括附加的传感器。测力传感器可以是力传感器410，例如换能器，其被构造成测量在外套200中产生的张力。髋部控制系统600的实施方案可以使用其他类型的力传感器410，作为测力传感器的替代或补充。

髋部控制系统600的一个优点是独立于手边的生物力学任务施加有益的运动辅助的能力。许多活动，例如步行、跑步、跳跃和爬楼梯，共享类似的关节运动序列，并且与这些运动相关的肌肉群在类似的时期可能是活动的。因此，许多这样的运动共享类似的起始触发，而不管正在进行的行动活动。

生物髋部伸展扭矩的起始点可以在不同受试者和活动之间广泛变化。这种大的变化性引入了确定所施加的辅助的开始与髋部正功率的开始时机同时而不是基于脚跟着地时间来估计的需要。从生物力学的角度来看，在行动期间，髋伸肌在髋部达到其最大屈曲角度之前开始稍微激活。经过仔细检查人类受试者数据的动力学和运动学数据，发现大致与髋部正功率的起点同步地髋关节力矩达到其最大屈曲。根据这个理由，决定使用最大髋部屈曲作为合适的步态事件，以确定髋部伸展辅助的开始时机。

在各种实施方案中，当与运动相关联的肌肉最活跃时可以提供辅助。例如，髋伸肌(例如腿筋和臀大肌)通常在大多数行动活动中被激活以辅助伸展运动。特别地，这些肌肉可以在先前屈曲运动之后最活跃，以通过在其向前延伸的腿上拉动使用者的髋部来辅助步态。如图21A所示，在典型的步态周期中，最大髋部屈曲发生在步态周期的约85％处(例如，步态周期的终端摆动)。图21B和图21C中的肌电图(EMG)腿筋和EMG臀大肌图示出了腿筋和臀大肌在达到最大髋部屈曲(例如，对于负荷步行，步态周期的约91％)之后的活跃，并且在步态周期的约30％时变为不活跃。

因此，可能有益的是，在检测到髋关节已经达到最大屈曲角度时向髋伸肌提供辅助，并且继续辅助直到大约在使用者的步态中当髋关节已经恢复到基本垂直的角度(即，腿垂直于地面)的时间。图22A示出了在使用者步态期间辅助该运动的力的示例性应用，图22B示出了使用者的相应大腿角度(可相对于髋部角度，如前所述)，以验证关于腿的生物力学的时机。

为此，在各种实施方案中，髋部控制系统600可以被构造成监测实时关节运动测量，以检测前述髋部伸展运动的开始，即，当髋关节达到最大屈曲角度时。髋部控制系统600可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来实现这一点。例如，在一个实施方案中，髋部控制系统600可以监测髋部角速度的实时测量，以检测与髋部屈曲运动的结束和随后的髋部伸展运动的开始相关联的符号变化。在另一个实施方案中，髋部控制系统600可以以类似的方式监测髋部角度的实时测量，以检测髋部角度何时停止与屈曲运动相关联的幅度增加，并且在随后的伸展运动开始时开始减小幅度。如前所述，这可以是步态周期的约85％。

髋部控制系统600可以进一步被构造成估计关节运动的持续时间，从而估计应当提供辅助的持续时间。髋部控制系统600可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来实现这一点。为此，在一个实施方案中，髋部控制系统600可以被构造成估计使用者的当前步法时间，以估计髋关节达到待辅助的运动的结束需要多长时间，如前所述。如前所述，待辅助的髋部伸展运动的结束(即,，当髋部角度基本上垂直于地面时)可以是地面上负荷步行的步态周期的约30％。在各种实施方案中，可以利用来自先前周期的步法时间来估计步法时间。在一个这样的实施方案中，髋部控制系统600可以被构造成将步法时间确定为在估计的最大髋部屈曲角度的连续检测之间经过的时间。

在各种实施方案中，髋部控制系统600可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来确定期望峰值力和用于产生期望峰值力的相关线缆位置。例如，髋部控制系统600可以被编程以在外套中传递约300N的基线峰值力而辅助髋部运动。当然，该基线力可以被调节以考虑任何数量的因素，例如先前在图17A、图17B和图17C的上下文中所述的空间-时间因素(例如，行动速度)或者使用者体重/负荷等。然后，髋部控制系统600可以利用前述的基于力的位置控制算法或任何其他合适的方法来确定用于传递期望峰值力的适当线缆位置。例如，在一个实施方案中，髋部控制系统600可以首先确定在先前周期期间在套装中产生的实际峰值功率，然后根据式(2)，通过将先前周期线缆位置乘以当前期望峰值力与来自先前周期的测量峰值力的比值来确定当前周期的线缆位置。

另外或可选择地，在各种实施方案中，髋部控制系统600然后可以利用基于功率的位置控制算法来确定用于将期望的积分功率传递到髋关节的适当线缆位置，如前所述。例如，在一个实施方案中，髋部控制系统600可以首先确定在先前周期期间由外套系统100传递到髋关节的实际积分功率，作为在先前周期期间所提供的辅助中所产生的力和髋关节的角速度的函数。然后，根据式(4)，髋部控制系统600可以通过将先前周期线缆位置乘以当前期望的积分功率与在先前周期期间测量的积分功率的比值来确定当前周期的线缆位置。

图23B示出了用于辅助髋关节伸展运动的代表性力。图23C示出了用于辅助髋关节伸展运动的致动分布。图23A示出了由IMU测量的相应的代表性髋部角度测量。

这些分布可以由针对如图20所述的髋部控制架构的软外套产生。髋部控制架构单元中的轨迹产生可以适于产生致动器轨迹，该致动器轨迹在整个辅助期间通过拉动线缆320产生期望的力。致动的开始时间(例如，梯形分布的上升边缘)被设置为来自IMU的估计最大髋部屈曲角度，如前所述。在一个实施方案中，可以修改梯形分布的幅度以考虑在先前步法期间经历的命令幅度和实际幅度的任何差异，如先前针对基于力的位置控制所述的。特别地，髋部控制系统600可以监测最后步法的最大辅助峰值力(或积分峰值功率)，并且相应地调节当前步法的梯形分布的幅度。如果最后步法的辅助峰值力(或积分峰值功率)没有达到期望峰值力范围(或积分峰值功率范围)，则幅度增加，并且如果它超过峰值力范围(或积分峰值功率范围，则幅度减小。致动的释放时间(例如，梯形分布的下降边缘)约为步态周期的40％，其是使用从IMU检测的最后步法时间由步法时间单元计算的。梯形分布可以针对一个或多个步法自动调节以适应环境变化并保持期望的力性能。

控制系统600还可以通过考虑步法时间、测量的力和期望的力而使用“generateProfile”模块来产生致动分布。致动器/控制器单元可以在预定频率(例如，100Hz)接收测量的力并将其存储在存储器(例如，缓冲器)中。使用来自一个或多个先前步态周期的测量力，致动器/控制器单元可以基于先前步法时间的持续时间、期望力和先前测量的力来产生位置分布。测量的力可以基于计算最后步法的最大辅助峰值力。

致动器/控制器单元可以实施“generateProfile”模块，以使用测量的力来校正辅助力的位置振幅(例如，髋部位置振幅＝髋部位置振幅*期望力/测量力)。在一个实施方案中，“generateProfile”模块可以产生作为具有步法时间的指定振幅和持续时间的梯形位置分布的位置分布。梯形位置分布的下降边缘或致动的释放可以在步态周期的约40％处发生。作为简单分布的例子，“generateTrapezoid”模块可以产生作为具有在约85％的步态周期具有斜率“s1”的上升边缘和在约40％的步态周期具有斜率“s2”的下降边缘的位置分布的梯形。可以通过设置“percentageOff”变量来调节梯形位置分布的下降边缘。

表2

图23C的致动图示出了致动器在步态周期的约91％处激活或在达到最大髋部屈曲之后激活以施加期望的辅助力。注意，如前所述，由于致动启动基于最大髋部屈曲角度的实时检测，因此该百分比不是固定的，而是针对每个个体或每个活动定制，与依赖于作为步态周期的函数的固定致动分布的现有技术方法相比，这是显著的改进。致动器继续施加期望的辅助力，直到致动的释放时间，在图23C中约为步态周期的30％。请记住，髋部控制系统600可以从诸如IMU等传感器实时地接收大腿角度和大腿旋转速度，并且基于大腿角度和大腿旋转速度精确地应用一个或多个致动分布。

应当认识到，通过以这种方式确定致动时机和持续时间，控制系统600可以用于避免以可能不利地影响髋关节的自然运动的方式致动软外套系统。换句话说，髋部控制系统600的实施方案可以用于确保仅当关节实际上经历期望辅助的运动时才提供辅助。这是对现有系统的显著改进。例如，如果使用者在达到待辅助的运动之前突然停止，则将不会检测到起始触发，并且将不会发生致动。以这种方式，例如，在突然停止之后静止时，使用者不会遭受不必要的套装致动。因为对于软外套，当系统不活动或处于松弛模式时，即，当控制系统推出线缆以确保没有拉伸线缆时，系统惯性和对关节的干扰是可忽略的，使用者将不会感觉到任何可感知的力，除非系统启动致动。由于对生物腿的显著增加的惯性，诸如刚性系统等其他现有技术的外骨骼需要控制系统来通过使用诸如力控制等方法来跟踪关节运动而不产生力，而不是当关节不需要力时保持不活动而不限制正常运动。作为另一个例子，如果使用者突然减速，则任何不利的致动可以仅限于所提供的辅助的持续时间，即，估计的辅助持续时间可能比实际关节运动持续时间稍长，导致为该周期提供比实际需要更长的辅助。当然，髋部控制系统600可以理解步法时间的显著变化已经发生，并且调节在后周期的持续时间，从而限制对当前周期的任何不利影响。

此外，在各种实施方案中，髋部控制系统600可以被构造成实时地检测可以改变应当提供辅助的时机的事件。当使用者在其路径中避开障碍物时，例如通过越过岩石或木块，可能出现一种这样的情况。当这种情况发生时，使用者可以比正常行动期间显著更大地屈曲其髋部，以便清除障碍物并越过障碍物。

图24是包括障碍物躲避检测单元的髋部控制架构的实施方案的示意图。如前所述，辅助扭矩可以作为用于将大腿从屈曲(即，抬起)状态朝着伸展(即，竖直)状态拉伸的回复力而提供给髋部。在一个实施方案中，可以从由髋部控制器和/或IMU检测到的最大髋部屈曲的时刻开始施加对髋部的辅助扭矩。然而，应当注意，在真实世界的使用中，使用者可能需要偏离正常步行模式以在他/她的路径中避开障碍物，例如岩石或木块。在越过或以其他方式移动以避开这种障碍物时，使用者的髋部可能过度屈曲，即，超出在步行时通常与使用者的正常运动范围(ROM)相关联的最大屈曲角度的屈曲。在这种情况下，如果髋部控制器在正常时间(即，当检测到典型的最大屈曲角度时)启动髋部辅助，则软外套可能在不合适的时间提供这种回复力，即，当使用者过度屈曲而越过障碍物时。这可能阻碍使用者的运动，而不是辅助使用者的期望运动。

这样，髋部控制架构可以被构造成经由来自IMU的测量来检测这种障碍物躲避运动，并且作为响应，延迟何时提供髋部辅助，以避免这种阻碍。具体地，参照图25A、图25B和图25C，在各种实施方案中，可以经由实时监测由IMU收集的髋部角度数据与在多个过去步进中测量的历史髋部角度数据来完成障碍物躲避检测。特别地，在正常步行期间，髋部在矢状面中具有正常的ROM，其跨越约65度的典型最大屈曲角度和约140度的最大伸展角度，如由25A中围绕髋部角度曲线的水平边界线所示。该系统可以被构造成作为穿戴者髋部运动的正常参考，计算在一系列先前步进中(例如，在先前五个步进中)的该ROM的运动平均值。

然后，对于与障碍物躲避动作相关联的运动，可以实时地监测髋部角度数据。具体地，当穿戴者向上拉动其膝盖(即，使其髋部过度屈曲)以使其前腿在障碍物上摆动时，测量的髋部角度可能显著超过与使用者的正常ROM相关联的最大屈曲角度。这种过度屈曲的时期在图25A中被描绘在约1.5秒(s)和约1.75s之间。这里，髋部角度已经超过正常ROM的屈曲边界接近35度，清楚地表明使用者正在参与将由那时施加回复力而阻碍的运动。当然，可以定义用于检测障碍物躲避运动和延迟辅助力施加的任何合适的阈值。在一个实施方案中，这样的阈值可以被设定为实时髋部角度测量必须超过正常ROM的最大屈曲边界的预定百分比。例如，仅当髋部角度超过正常屈曲边界25％时，才可能触发障碍物躲避调节。在一个实施方案中，这样的阈值可以基于在过去几个步态周期中的最大髋部角度测量的标准偏差。例如，当实时髋部角度测量超过该标准偏差达预定因子时，例如两倍或更多倍，可以触发障碍物躲避算法。在一个实施方案中，阈值可以是典型的使用者步态中已知的自然变量的因子。例如，在生物力学领域中已知的是，在正常步行条件下，使用者的ROM可以变化约3％-约4％。

因此，当实时髋部角度测量超过该变化达预定因子(例如两倍或更多倍)时，可以触发障碍物躲避算法。本领域技术人员将认识到，可能有利的是，将任何这样的阈值定义为足够高以避免错误触发，但是足够低以确保在其可能显著地负面影响性能和穿戴者的舒适性时不施加回复力。如前所述，如果通过使用诸如力控制等方法检测到障碍物而不是当关节不需要力时保持不活动，则诸如刚性系统等其他现有技术的外骨骼将需要控制系统来跟踪关节运动而不产生力。

在检测到障碍物躲避运动之后，髋部辅助可以延迟任何合适的持续时间。在一个实施方案中，系统600可以被构造成延迟辅助，直到髋部在正常ROM的界限内返回，如图25B和图25C所示。特别地，参照图25A，注意在该图中，髋部角度在约1.5s处超过正常ROM屈曲边界。然后，髋部角度在约1.6s处达到峰值(即，最大过度屈曲)，并在约1.75s处返回到正常ROM的界限内。正是在这个时候，当髋部角度返回到正常ROM的界限内时，系统命令在软外套中的相应髋部辅助线缆(例如，连接腰带和大腿包裹物的线缆)的致动，如图25C所示。这又导致线缆在髋部周围施加力，如图25B所示。在一个实施方案中，系统可以被构造成延迟辅助，直到相应的腿在被穿越的障碍物的远侧上向下触地。这可以经由在过度屈曲后检测相应腿的脚跟着地来确定。这种方法一方面可以提供回复力不在不适宜时间施加的进一步保证，但是另一方面，当可能需要时，可以延迟超过临界时间的辅助，即，随着穿戴者使用那条腿将其身体越过障碍物。当然，本公开不旨在限制于在检测到障碍物躲避运动时可以延迟髋部辅助的任何特定持续时间。

下表3是髋部控制算法，其在最大大腿屈曲时触发致动，并且在垂直大腿位置处停止致动。低水平控制是位置控制梯形分布。基于在先前步进中测量的峰值力，每次步进调节辅助可以作为峰值位置的幅度。在大腿过度屈曲的情况下，致动开始的时机被延迟。辅助力的大小也基于受试者的步行速度、重量来适配。

表3

尽管前面的描述是在经由与激活臀大肌和腿筋相关联的力来提供辅助髋部扭矩的上下文中讨论的，但是应当认识到，可以提供类似的控制系统，用于经由以类似方式激活其他腿部肌肉，例如四头肌。

在各种实施方案中，控制系统可以被构造成利用髋部角度和旋转速度测量以在四头肌激活期间(即，在相反方向上，可能通过致动沿着大腿前面而不是后面引导的鲍登线，如在图12B的上下文中所描述的)来提供辅助扭矩)。

用于辅助循环性踝关节运动的示例性控制系统

图26是踝部控制系统700的实施方案的示意图，其在移动期间辅助踝关节，同时保持充分性能。踝部控制系统700可以被构造成向使用者的踝部提供辅助扭矩，以辅助在诸如步行、跑步和跳跃等行动活动期间的循环性踝部跖屈运动。为此，踝部控制系统700的各种实施方案可以结合图12C、图12D和图12E的外套系统使用，以及适于辅助使用者踝部的跖屈运动的任何其他构造。

参照图27，在步态周期中的30-60％期间，外套在踝部与下层肌肉处同时产生力矩，其对于给定的腿从一个脚跟着地延伸到下一个脚跟着地。在步态的这个阶段，小腿肌肉和腱将身体向上和向前推动。最初，随着身体的质心向下和向前落在贴附的脚上，小腿通过拉伸吸收功率。在步态周期中的约50％之后，随着腱和韧带弹性回弹，吸收的功率返回到身体。小腿和髋部的肌肉主动收缩，以用额外的能量补充这种返回的功率。

控制方法可以以类似的方式表现，并且可以允许不同的策略以通过实时地检测步态事件以估计何时从功率吸收转换到产生的这种方式来吸收和传递功率：通过将致动器保持在初始固定长度(预张力)，外套自身伸展，并且套装下面的组织随着身体向前倾斜而压缩。这在套装中引起张力并吸收来自身体的功率。在生物功率吸收的时期之后，套装弹性回缩，从而将能量返回到身体。这通过致动器来补充，在步态周期中的开始点提供主动力，其中生物踝关节从功率吸收阶段变化到功率产生，以向上和向前推进身体。

踝部控制系统700至少部分地基于在同一步进内检测脚跟着地和速度相关事件来产生辅助。因此，踝部控制系统700可以包括一个或多个传感器，其被构造成测量踝部的角速度(“旋转传感器”)，如先前在图14B的上下文中所解释的。在各种实施方案中，传感器可以包括定位和构造在外套上的两个或更多个陀螺仪，以便实时地检测脚跟着地和测量踝部速度。

为此，在各种实施方案中，踝部控制系统700可以被构造成监测实时踝关节运动测量，以检测站姿跖屈运动的开始，即，当踝部在脚跟着地之后首先从站姿背屈运动改变到站姿跖屈运动。踝部控制系统700可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来实现这一点。例如，在一个实施方案中，踝部控制系统700可以首先监测来自陀螺仪(或IMU或其他合适的传感器)的实时测量，以检测脚跟着地，从而确保脚部在地面上并经历“站姿”运动。踝部控制系统700可以继续监测踝部角速度的实时测量，以检测测量的踝部角速度中的零交点，从而指示踝关节已经停止站姿背屈运动并开始站姿跖屈运动。

踝部控制系统700可以进一步被构造成估计踝部站姿跖屈运动的持续时间，并且因此估计应当提供辅助的持续时间。踝部控制系统700可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来实现这一点。为此，在一个实施方案中，踝部控制系统700可以被构造成估计使用者的当前步法时间，以估计踝关节到达运动站姿跖屈运动的结束所需的时间。以类似于髋部控制系统600可以使用髋部角度缓冲器来确定步法时间的方式，踝部控制系统700可以使用站姿踝部速度缓冲器来确定步法时间。特别地，因为踝部角速度测量在已知频率(例如，100Hz)下被采样，所以在连续的脚跟着地检测之间进行的站姿踝部角速度测量的数量与在所述时段期间经过的时间直接相关。也就是说，可以通过用取得的站姿踝部角速度测量的数量除以采样频率来计算步法时间。在脚跟着地的每次检测时，可以计算步法时间，并且从存储器中刷新存储的站姿踝部角速度数据，使得可以在随后的周期中重复该过程。然后，可以使用步法时间(先前周期的步法时间或者多个先前周期的步法时间的平均值)来估计前述的关节运动持续时间。

在各种实施方案中，踝部控制系统700可以被构造成利用前述的任何示例性方法或任何其他合适的方法来确定期望的峰值力以及用于产生期望峰值力的相关联的线缆位置。例如，踝部控制系统700可以被编程为在外套中传递约300N的基线峰值力以辅助站姿踝部跖屈运动。当然，该基线力可以被调节以考虑任何数量的因素，例如先前在图18A、图18B和图18C的上下文中所述的空间-时间因素(例如，行动速度)，或者使用者的重量/负荷等等，如前所述。然后，踝部控制系统700可以利用前述的基于力的位置算法或任何其他合适的方法来确定用于传递期望峰值力的适当线缆位置。

另外或可选择地，在各种实施方案中，踝部控制系统700可以利用基于功率的位置控制算法来确定用于将期望的积分功率传递到髋关节的适当线缆位置，如前所述。可以调节期望功率以考虑任何数量的因素，例如先前在图18A、图18B和图18C的上下文中所述的空间-时间因素(例如，行动速度)，或者使用者的重量/负荷等等，如前所述。

在一个实施方案中，然后，踝部控制系统700可以确定在先前周期期间由外套系统100传递到踝关节的实际积分功率，作为在先前周期期间所提供的辅助中产生的力和踝关节的角速度的函数。存在两个不同的间隔，其中在站姿阶段期间生物踝部功率是负的(步态周期的30％～50％)和正的(步态周期的50％～70％)。积分正功率和积分负功率可以根据式(5a)和式(5b)计算，并且相应的有效和预拉伸线缆位置可以分别根据式(6a)和式(6b)计算。

应当认识到，通过以这种方式确定致动时机和持续时间，控制系统700可以用于避免以可能不利地影响踝关节的自然运动的方式致动软外套系统100。换句话说，踝部控制系统700的实施方案可以用于确保仅当关节实际上经历期望辅助的运动时才提供辅助。这是对现有系统的显著改进。例如，如果使用者在站姿背屈运动期间突然停止，则将检测脚跟着地以及可能随后的零踝部速度；然而如果踝部不继续进行站姿跖屈运动，则可能不发生零交点。在这种情况下，不会发生完全起始触发，并且将不会启动致动。类似地，如果使用者在跖屈运动期间突然停止，则将检测起始触发并且可以开始致动；然而，它将在停止期间站姿跖屈运动停止时立即停止。以这种方式，例如，在突然停止之后静止时，使用者不会遭受不必要的套装致动。作为另一个例子，如果使用者突然减速，则任何不利的致动可以仅限于所提供的辅助的持续时间，即，估计的辅助持续时间可能比实际的关节运动持续时间稍长，导致为该周期提供比实际需要更长的辅助。当然，踝部控制系统700可以理解步法时间的显著变化已经发生，并且调节在后周期的持续时间，从而限制对当前周期的任何不利影响。

在各种实施方案中，踝部控制系统700可以进一步被构造成除了上述正功率辅助之外还向踝部提供负功率辅助。在生物力学上，在步态周期期间，踝关节有明显的负功率间隔和正功率间隔。图28A、图28B和图28C示出了预张力和作用力区域。

图29A、图29B和图29C示出了关节运动、命令的线缆位置和所得到的力/功率之间的关系。在各种实施方案中，踝部控制系统700可以被构造成将线缆保持在预拉伸位置，使得踝关节的站姿背屈运动使软外套在相反方向上施加扭矩，从而在站姿背屈运动期间在踝关节中产生负功率。该负功率可以用于预拉伸踝关节以及线缆，以增强在随后的推进姿态跖屈阶段期间提供的辅助的有效性。如图29A所示，在零交点之前传递的力将有助于踝关节的负功率；并且在零交点之后施加的力将有助于踝部正功率。如图29D和图29E所示，踝部控制系统700施加预张力，其指的是在零交点之前在踝部控制系统700保持电机位置的同时由步态运动学被动产生的力，并且产生主动力，其指的是通过在零交点之后拉动电机主动产生的力。通过独立地控制预张力和主动力的峰值，踝部控制系统可以独立地控制施加到踝部的正和负功率。

步态周期开始于脚跟撞击地面。脚跟着地接触可以通过脚踏开关和/或使用踝部控制系统的脚和/或胫骨陀螺仪来检测。当在关闭阶段期间脚枢转并且脚跟抬离地面时，脚和胫骨的两个陀螺仪被用于实时地测量踝关节速度。如图29A和图29E所示，在踝部套装力图中的阶段1处，相对较慢的被动力增加以提供负功率阻力。在零交点之后，并且在阶段2处，相对较快的力上升提供正功率辅助，如图29A和图29E所示。随后，在摆动阶段期间不提供力。在一个实施方案中，踝部控制系统可以在脚跟着地之后的第二后续的零交点监测踝部速度，作为何时停止正功率辅助的指示。第二零交点对应于在推动之后的摆动阶段期间踝部返回到正常位置。

使用踝部控制系统700的好处之一是，传递辅助基于实时测量，而不是使用关于先前步进的信息或基于步态％定义辅助分布。踝部控制系统实时地适应速度和不同生物力学活动的变化，而不必依赖于过去的信息。此外，控制还在适当的时间施加力，而不是过期地施加力。

尽管当然可以想到的是，可以响应于检测到障碍物躲避运动来调节踝部辅助的时机和幅度，但是应当认识到，在各种实施方案中，这样的调节可能不是必要的以避免不适当地施加回复力。如前所述，根据本公开实施方案的踝部辅助可以通过检测脚跟着地来触发，并且继续通过随后的跖屈屈曲旋转运动。这通常不会在障碍物躲避运动期间发生，直到相应的腿已经在障碍物上摆动并且已经在远侧上的地面上触地。因此，如所配置的踝部控制系统将不施加辅助力，直到障碍物已经被相应的腿清除并且再次需要辅助力以向前推动使用者。

下表4示出了控制器单元可以如何以预定频率(例如，100Hz，或适合于以足够保真度监测关节运动以提供定制辅助的任何频率)来接收踝部角速度数据并存储在存储器(例如，缓冲器)中。控制器单元可以使用所示的“isHeelStrike”模块从该数据检测脚跟着地，并且可以使用所示的“detectZeroCrossing”模块来检测第一零交点。如果当前的踝部角速度大于零(即，具有与跖屈运动相关的符号)并且先前角速度小于阈值(即，具有与背屈运动相关的符号)，则“detectZeroCrossing”模块返回真逻辑值；否则，模块返回假逻辑值。在一个实施方案中，相应的真逻辑值可以被解释为指示站姿跖屈辅助应该开始的起始触发。

仍然参照表4，踝部控制系统700可以确定在表4中被称为ANKLE_OFFSET的适当线缆位置，在该位置处线缆可以被定位成在背屈运动期间在踝部上产生期望的预张力(或期望的积分负功率或“INP“)。如图所示，基于功率的位置算法可以用于通过期望的INP与当前INP的比值来调节该预拉伸的线缆位置，以便在背屈运动期间向踝部传递期望的积分负功率。同样，踝关节控制系统700可以确定在表4中被称为positionAnkleAmplitude的适当线缆位置，在该位置处线缆可以被定位成在站姿跖屈运动期间在踝部上产生期望的力(或期望的积分正功率，或“IPP”)。如图所示，基于功率的位置算法可以用于通过期望的IPP与测量的IPP的比值来调节用于辅助站姿跖屈的线缆位置，以便在站姿跖屈运动期间向踝部传递期望的积分正功率。

表4

请记住，如前所述，诸如四头肌等髋屈肌在踝部站姿跖屈推压运动期间也可能是最活跃的。因此，踝部控制系统700可以被修改以用于控制外套的各种实施方案，以提供髋部屈曲辅助，从而辅助向前推进使用者。踝部控制系统700还可以用于结合被构造成在踝部和髋部之间传递致动负荷的外套的实施方案来同时控制对相应髋关节提供屈曲辅助，如图12D和图12E所示的。

在各种实施方案中，可以为使用者的每个腿使用单独的控制器。也就是说，控制器L可以主要负责监测和向左腿的一个或多个关节提供辅助运动，并且单独的控制器R可以主要负责右腿的关节。这些控制器可以完全彼此独立地起作用，或者可以以任何合适的程度彼此通讯。在一个实施方案中，控制器L和R可以传递来自其相应测力传感器的负荷信息，例如，使得系统可以比较两个负荷信息并且如果需要的话调节施加到每个腿上的辅助力以彼此平衡。在一个实施方案中，可以交换基本上更多的信息；特别地，如果腿(或其关节)的功能不对称，这可能影响待提供给相对腿的辅助。当然，单个控制器也可以处理所有控制。

髋部和踝部控制系统和方法的示例性实施方案

在本公开的一些实施方案中，提供了一种辅助髋关节运动的方法，包括：确定在使用者的当前步态周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力；产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力或积分功率；监测髋关节的角度的实时测量，以检测髋关节何时达到最大屈曲角度；和响应于检测到髋关节的角度已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的髋关节的伸展运动。在一些实施方案中，所述期望峰值力是预定基线力。在一些实施方案中，所述致动分布限定所述可穿戴式机器人系统的致动器的位置，所述致动器被构造成在使用者的当前步态周期中的给定点处在所述致动器可穿戴式机器人系统中产生相应的力。在一些实施方案中，所述致动分布基本上是梯形形状，从而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。在一些实施方案中，所述致动辅助身体关节的伸展运动。在一些实施方案中，所述致动分布基本上是梯形形状，从而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些实施方案中，确定期望峰值力还包括：至少部分地基于髋关节的运动范围和使用者的相应腿的长度的测量来估计使用者正在移动的速度以及通过与使用者正在移动的估计速度相关联的预定校正因子来调节预定力。在一些实施方案中，估计使用者正在移动的速度还包括：从髋关节的角度或旋转速度中的至少一个的测量确定使用者的髋关节的运动范围，基于使用者的运动范围和腿长度来估计使用者的步进长度，监测髋关节的角度的测量以确定使用者的步进时间，以及通过将步进长度除以步进时间来计算使用者正在移动的估计速度。在一些实施方案中，所述预定校正因子与以各种速度作用在髋关节上的不同生理力矩相关联。

在一些实施方案中，产生致动分布还包括：测量由使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的峰值力，将在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望峰值力进行比较，以及调节所述致动分布的振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力和期望峰值力之间的差异。在一些实施方案中，所述致动器的位置从第一位置增加到第二位置，第二位置被构造成在所述可穿戴式机器人系统中产生所述期望峰值力。在一些实施方案中，在至少部分地基于关节运动的实时测量的触发事件的检测时发生致动器位置的增加。在一些实施方案中，对于所述致动分布的大部分保持第二位置。在一些实施方案中，所述致动器的位置随后从第二位置减小。

在一些实施方案中，所述方法还包括在身体关节的测量角度达到预定角度时，终止所述可穿戴式机器人系统的致动，其中所述预定角度是对应于当使用者的腿部在当前步态周期期间基本上垂直于地面定向时的关节角度。在一些实施方案中，所述方法还包括基于先前步态周期的步法时间估计在致动的开始和步态周期的预定百分比之间经过的时间段，以及在所述时间段的结束时终止致动，其中所述预定百分比是所述步法时间的约40％。

在一些实施方案中，所述方法还包括：在多个先前步态周期中确定髋关节的平均最大屈曲角度，检测在当前步态周期期间髋关节的角度已经超过所述多个先前步态周期中的平均最大屈曲角度达预定阈值，以及延迟致动的开始，直到在当前步态周期期间髋关节的角度返回到在先前步态周期中的平均最大屈曲角度以下。

在本公开的一些实施方案中，提供了一种用于对使用者的髋关节的运动辅助的可穿戴式机器人系统，包括：至少一个传感器，其适于监测髋关节的角度的实时测量，以检测髋关节何时达到最大屈曲角度；和至少一个处理器，其适于获得存储在非暂时性介质上的计算机可执行命令，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统：确定在使用者的当前步态周期期间将由所述可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力；产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力；检测髋关节的角度何时达到最大屈曲角度；和响应于检测到髋关节已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的髋关节的伸展运动。在一些实施方案中，所述期望峰值力是预定基线力。在一些实施方案中，所述致动辅助身体关节的伸展运动。在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统在多个先前步态周期中确定髋关节的平均最大屈曲角度，检测在当前步态周期期间髋关节的角度已经超过所述多个先前步态周期中的平均最大屈曲角度达预定阈值，以及延迟致动的开始，直到在当前步态周期期间髋关节的角度返回到在先前步态周期中的平均最大屈曲角度以下。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来确定期望峰值力：至少部分地基于髋关节的运动范围和使用者的相应腿的长度的测量来估计使用者正在移动的速度，以及通过与使用者正在移动的估计速度相关联的预定校正因子来调节预定力。在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来估计使用者的速度：从髋关节的角度或旋转速度中的至少一个的测量来确定使用者的髋关节的运动范围，基于使用者的运动范围和腿长度来估计使用者的步进长度，监测髋关节的角度的测量以确定使用者的步进时间，以及通过将步进长度除以步进时间来计算使用者正在移动的估计速度。在一些实施方案中，所述预定校正因子与以各种速度作用在髋关节上的不同生理力矩相关联。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来产生致动分布：使用至少一个第二传感器测量在使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的峰值力，将在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望峰值力进行比较，以及调节所述致动分布的振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力和期望峰值力之间的差异。在一些实施方案中，所述致动器的位置从第一位置增加到第二位置，并且其中所述致动器的第二位置在所述可穿戴式机器人系统中产生所述期望峰值力。在一些实施方案中，在至少部分地基于关节运动的实时测量的触发事件的检测时发生致动器位置的增加。在一些实施方案中，对于所述致动分布的大部分保持第二位置。在一些实施方案中，所述致动器的位置随后从第二位置减小。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统在身体关节的测量角度达到预定角度时，终止所述可穿戴式机器人系统的致动。在一些实施方案中，所述预定角度是对应于当使用者的腿部在当前步态周期期间基本上垂直于地面定向时的关节角度。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统：基于先前步态周期的步法时间估计在致动的开始和步态周期的预定百分比之间经过的时间段，并且在所述时间段的结束时终止致动。在一些实施方案中，所述预定百分比是所述步法时间的约40％。

在一些实施方案中，所述系统还包括致动器，其被构造成在使用者的当前步态周期中的给定点处在所述可穿戴式机器人系统中产生相应的力，其中所述致动分布限定所述致动器的位置。在一些实施方案中，所述致动分布基本上是梯形形状，从而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些实施方案中，公开了一种辅助踝关节运动的方法，包括：确定在使用者的当前步态周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力；产生致动分布，根据所述致动分布可致动所述可穿戴式机器人系统以将期望峰值力传递到使用者的身体；检测使用者的脚跟着地；监测使用者踝部的旋转速度的实时测量，以检测在脚跟着地的检测之后踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化；和响应于检测到踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的踝关节的跖屈运动。在一些实施方案中，所述期望峰值力是预定基线力。在一些实施方案中，所述致动分布限定所述可穿戴式机器人系统的致动器的位置，所述致动器被构造成在使用者的当前步态周期中的给定点处在所述可穿戴式机器人系统中产生相应的力。在一些实施方案中，通过所述可穿戴式机器人系统的致动在踝关节周围产生的所得到的扭矩与踝关节的运动协同起作用，从而向踝关节施加正功率，以辅助踝关节的跖屈运动。在一些实施方案中，所得到的扭矩有助于向前推进使用者。

在一些实施方案中，确定期望峰值力还包括：至少部分地基于髋关节的运动范围和使用者的相应腿的长度的测量来估计使用者正在移动的速度，以及通过与使用者正在移动的估计速度相关联的预定校正因子来调节预定力。在一些实施方案中，所述预定校正因子与以各种速度作用在踝关节上的变化的生理力矩相关联。在一些实施方案中，估计使用者正在移动的速度还包括：从髋关节的角度或旋转速度中的至少一个的测量确定使用者的髋关节的运动范围，基于使用者的运动范围和腿长度来估计使用者的步进长度，监测髋关节的角度的测量以确定使用者的步进时间，以及通过将步进长度除以步进时间来计算使用者正在移动的估计速度。

在一些实施方案中，产生致动分布还包括：测量由使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的峰值力，将在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望峰值力进行比较，以及调节所述致动分布的振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力和期望峰值力之间的差异。在一些实施方案中，所述致动器的第一位置被构造成使得所述可穿戴式机器人系统在脚跟着地与踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化之间发生的踝关节运动的至少一部分期间在踝关节上施加成比例增加的力。在一些实施方案中，所施加的力产生与踝关节的运动相反的扭矩，从而在相应的运动期间向踝关节施加负功率。在一些实施方案中，所得到的扭矩用于在相应的站姿背屈运动期间预拉伸踝关节。

在一些实施方案中，所述致动器的位置从第一位置增加到第二位置，第二位置被构造成在所述可穿戴式机器人系统中产生所述期望峰值力。在一些实施方案中，在至少部分地基于关节运动的实时测量的触发事件的检测时发生致动器位置的增加。在一些实施方案中，对于所述致动分布的大部分保持第二位置。在一些实施方案中，第二位置在所述致动分布中保持与在当前步态周期期间待辅助的关节运动的估计持续时间相对应的持续时间。在一些实施方案中，所述致动器的位置随后从第二位置减小。在一些实施方案中，在当前步态周期期间待辅助的关节运动的估计持续时间至少部分地基于在先前步态周期期间关节的旋转速度的测量。

在一些实施方案中，所述方法还包括在踝关节的测量旋转速度随后达到预定速度时，终止所述可穿戴式机器人系统的致动。在一些实施方案中，所述预定速度约为零。

在一些实施方案中，所述方法还包括基于先前步态周期的步法时间估计在致动的开始和步态周期的预定百分比之间经过的时间段，以及在所述时间段的结束时终止致动。

在一些实施方案中，确定期望峰值力还包括：测量在使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的力，监测使用者踝部的旋转速度的实时测量，以检测在踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化之后踝关节的测量旋转速度的方向的第二变化，在从检测到的踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化到检测到的踝关节的测量旋转速度的方向的第二变化之间的时间段期间，计算由所述可穿戴式机器人系统产生的积分正功率，其中所述积分正功率通过将测量的力与相应的踝关节的测量旋转速度相乘来确定，将在所述至少一个在先步态周期期间的测量积分正功率与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望积分正功率进行比较，以及调节所述致动分布的预定振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量积分正功率和期望积分正功率之间的差异。

在一些实施方案中，确定期望峰值力还包括：测量在使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的预张力，在从检测到脚跟着地到检测到的踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化之间的时间段期间，通过将测量的预张力与踝关节的测量的旋转速度相乘，计算由所述可穿戴式机器人系统产生的积分负功率，将在所述至少一个先前步态周期期间的测量积分负功率与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望积分负功率进行比较，以及调节所述致动分布的预定振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量积分负功率和期望积分负功率之间的差异。

在本公开的一些实施方案中，提供了一种用于对使用者的踝关节的运动辅助的可穿戴式机器人系统，包括：至少一个传感器，其适于监测使用者踝部的旋转速度的实时测量，以检测在脚跟着地的检测之后踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化；和至少一个处理器，其适于获得存储在非暂时性介质上的计算机可执行命令，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统：确定在使用者的当前步态周期期间将由所述可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力；产生致动分布，根据所述致动分布可致动所述可穿戴式机器人系统以将期望峰值力传递到使用者的身体；检测使用者的脚跟着地；检测踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化；和响应于检测到踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的踝关节的跖屈运动。

在一些实施方案中，所述期望峰值力是预定基线力。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来确定期望峰值力：至少部分地基于髋关节的运动范围和使用者的相应腿的长度的测量来估计使用者正在移动的速度；和通过与使用者正在移动的估计速度相关联的预定校正因子来调节预定力。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来估计使用者的速度：从髋关节的角度或旋转速度中的至少一个的测量来确定使用者的髋关节的运动范围；基于使用者的运动范围和腿长度来估计使用者的步进长度；监测髋关节的角度的测量以确定使用者的步进时间；和通过将步进长度除以步进时间来计算使用者正在移动的估计速度。

在一些实施方案中，所述预定校正因子与以各种速度作用在踝关节上的变化的生理力矩相关联。

在一些实施方案中，所述系统还包括致动器，其被构造成在使用者的当前步态周期中的给定点处在所述可穿戴式机器人系统中产生相应的力，其中所述致动分布限定所述致动器的位置。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来产生致动分布：测量在使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的峰值力；将在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望峰值力进行比较；和调节所述致动分布的振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量峰值力和期望峰值力之间的差异。

在一些实施方案中，所述致动器的位置从第一位置到第二位置增加，第二位置被构造成在所述可穿戴式机器人系统中产生所述期望峰值力。

在一些实施方案中，在至少部分地基于关节运动的实时测量的触发事件的检测时发生致动器位置的增加。

在一些实施方案中，对于所述致动分布的大部分保持第二位置。在一些实施方案中，第二位置在所述致动分布中保持与当前步态周期期间待辅助的关节运动的估计持续时间相对应的持续时间。

在一些实施方案中，在当前步态周期期间待辅助的关节运动的估计持续时间至少部分地基于在先前步态周期期间关节的旋转速度的测量。

在一些实施方案中，所述致动器的位置随后从第二位置减小。

在一些实施方案中，所述致动分布基本上是梯形形状，从而提供具有由所述期望峰值力限定的峰值的基本上三角形的力分布。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统在踝关节的测量旋转速度随后达到预定速度时终止可穿戴式机器人系统的致动。在一些实施方案中，所述预定速度约为零。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统：基于先前步态周期的步法时间估计在致动的开始和步态周期的预定百分比之间经过的时间段；和在所述时间段的结束时终止致动。

在一些实施方案中，通过所述可穿戴式机器人系统的致动在踝关节周围产生的所得到的扭矩与踝关节的运动协同起作用，从而向踝关节施加正功率，以辅助踝关节的跖屈运动。在一些实施方案中，所得到的扭矩有助于向前推进使用者。

在一些实施方案中，所述致动器的第一位置被构造成使得所述可穿戴式机器人系统在脚跟着地与踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化之间发生的踝关节运动的至少一部分期间在踝关节上施加成比例增加的力。在一些实施方案中，所施加的力产生与踝关节的运动相反的扭矩，从而在相应的运动期间向踝关节施加负功率。在一些实施方案中，所得到的扭矩用于在相应的站姿背屈运动期间预拉伸踝关节。

在一些实施方案中，所述计算机可执行命令在由所述至少一个处理器执行时使所述可穿戴式机器人系统通过进行至少以下操作来产生致动分布：测量在使用者的至少一个先前步态周期期间由所述可穿戴式机器人系统产生的力；

在从检测到的踝关节的测量旋转速度的方向的第一变化到检测到的踝关节的测量旋转速度的方向的第二变化之间的时间段期间，通过将测量的力与踝关节的测量旋转速度相乘，计算由所述可穿戴式机器人系统产生的积分正功率；将在所述至少一个先前步态周期期间的测量积分正功率与在所述至少一个先前步态周期期间将要产生的期望积分正功率进行比较；和调节所述致动分布的预定振幅以考虑在所述至少一个先前步态周期期间产生的测量积分正功率和期望积分正功率之间的差异。

系统硬件和架构

外套系统100和控制系统500、600和700的实施方案可以使用合适的硬件和架构来实现。参照图15，外套系统100可以包括控制器单元，其可以对应于或可以是驱动模块、致动器/控制单元、控制系统500，600，700的一个实施方案或其组合和/或用于外套的任何其他控制装置的一部分。控制器单元包括处理器，其也可以被称为中央处理器单元(CPU)，如Diamond Systems Aurora单板计算机。处理器可以(例如，经由系统总线)通讯和/或向控制器单元内的其他部件(例如输入接口、输出接口和/或存储器)提供命令。在一个实施方案中，处理器可以包括用作数据的缓冲器和/或储存器的一个或多个多核处理器和/或存储器(例如，高速缓冲存储器)。换句话说，处理器可以是诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或数字信号处理器(DSP)之类的一个或多个其他处理部件的一部分。尽管图26示出了处理器可以是单个处理器，但是处理器不限于此，而是可以表示多个处理器。处理器可以被构造成实施本文所述的任何方法。

存储器可以可操作地联接到处理器。存储器可以是被构造成存储各种类型的感测数据和/或基于力的位置控制算法的非暂时性计算机可读介质。例如，存储器可以包括包含辅助存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或其他类型的存储器的一个或多个存储装置。辅助存储器通常由一个或多个磁盘驱动器、光驱动器、固态驱动器(SSD)和/或磁带驱动器构成，并且用于数据的非易失性存储。在某些情况下，如果所分配的RAM不足够大以容纳所有的工作数据，则辅助存储器可以用于存储溢出数据。辅助存储器还可以用于存储当选择这样的程序用于执行时加载到RAM中的程序。ROM用于存储在程序执行期间读取的命令以及可能的数据。ROM是非易失性存储装置，其相对于辅助存储器的较大存储容量通常具有小的存储容量。RAM用于存储易失性数据并且可能存储计算机可执行命令，例如基于力的位置控制算法。

存储器可以用于容纳用于实施本文所述的各种实施方案的命令。在一个实施方案中，存储器可以包括可以由处理器访问和实施的致动器控制模块。可选择地，致动器控制模块可以在嵌入处理器中的存储器(例如，高速缓冲存储器)内存储和访问。具体地，致动器控制模块可以通过控制线缆的长度来调节和控制在软外套中产生的力和/或调节和控制传递到踝部和/或其他类型的关节的功率。在一个实施方案中，存储器与计算机总线连接，以便在结合有本文所述功能的软件程序(例如，包括程序代码的软件模块)和/或计算机可执行处理步骤的执行期间将存储在存储器中的信息通讯和/或传送到处理器，例如，致动器控制模块。处理器首先从储存器(例如存储器)、存储介质、可移除介质驱动器和/或其他存储装置加载计算机可执行处理步骤。然后，处理器可以执行存储的处理步骤，以便执行所加载的计算机可执行处理步骤。存储的数据(例如由存储装置存储的数据)可以在计算机可执行处理步骤的执行期间由处理器访问，以指示控制器单元内和/或控制器单元外部的一个或多个部件，如与外套相关联的电机和机械部件。

将可执行命令编程和/或加载到存储器和处理器以将外套系统转换成控制和驱动外套件中的一个或多个电机的非通用特定机器或装置是本领域中公知的。通过将可执行软件加载到计算机和/或处理器中来实施命令、实时监测和其他功能可以通过公知的设计规则转换成硬件实施和/或将通用处理器转换为针对具体应用编程的处理器。例如，在软件与硬件中实施构思之间的决定可以取决于许多设计选择，包括设计的稳定性和将要产生的单元的数量以及从软件域转换到硬件域所涉及的问题。通常，可以以软件形式开发和测试设计，随后通过公知的设计规则将设计转换为ASIC或硬件连接软件命令的专用硬件中的等效硬件实施。以与由新的ASIC控制的机器相同的方式是特定的机器或设备，同样地，已经被编程和/或加载有可执行命令的计算机可以被视为非通用的特定机器或设备。

处理器可以可操作地联接到被构造成接收感测数据的输入接口。输入接口可以被构造成经由电、光和/或无线连接来获得生物力学数据，例如大腿角度、大腿旋转速度、踝部旋转速度和脚跟着地。输出接口可以是能够通讯用于驱动各种机电和/或机械装置的命令的接口，例如外部用的电机。

本发明公开了至少一个实施方案，并且由本领域技术人员做出的实施方案和/或特征的变化、组合和/或改进都在本公开的范围内。由实施方案的特征的组合、集成和/或省略产生的替代实施方案也在本公开的范围内。在明确陈述数值范围或限制的情况下，这样的表达范围或限制可以被理解为包括落在明确陈述的范围或限制内的相似量值的迭代范围或限制(例如，约1～约10包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。除非另有说明，否则术语“约”和“基本上”的使用意指随后数字的±10％。

相对于权利要求的任何要素使用术语“任选地”意指该要素是必需的，或者该要素不是必需的，两种选择都在权利要求的范围内。诸如包括、包含和具有等较宽术语的使用可以被理解为对诸如由...组成、基本上由...组成和基本上由...构成的较窄术语提供支持。因此，保护范围不受上述说明的限制，而是由所附权利要求限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每个权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，并且权利要求是本公开的实施方案。

尽管在本公开中提供了若干实施方案，但是应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其他具体形式实施。本发明的例子被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节。例如，各种元件或组件可以组合或集成在另一个系统中，或者某些特征可以省略或不实施。

此外，在各个实施方案中离散或分离地描述和说明的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法组合或集成而不脱离本公开的范围。所示出或讨论的联接或直接联接或彼此通讯的其他项目可以间接联接或通过一些接口、装置或中间部件通讯，不论是以电的、机械的或以其他方式进行。改变、替换和变更的其他例子可由本领域技术人员确定，并且可以在不脱离本文公开的精神和范围的前提下作出。

当然，上述控制系统可以独立地或彼此协同地使用，以使用上述软外套的任何合适的实施方案将辅助扭矩的组合传递到使用者的髋部和/或踝部。

在各种实施方案中，可以为使用者的每个腿使用单独的控制器。也就是说，控制器L可以主要负责监测和向左腿的一个或多个关节提供辅助运动，并且单独的控制器R可以主要负责右腿的关节。这些控制器可以完全彼此独立地起作用，或者可以以任何合适的程度彼此通讯。在一个实施方案中，控制器L和R可以传递来自其相应测力传感器的负荷信息，例如，使得系统可以比较两个负荷信息并且如果需要的话调节施加到每个腿的辅助力以平衡彼此。在一个实施方案中，基本上可以交换更多的信息；特别地，如果腿(或其关节)的功能不对称，这可能影响将要提供给相对腿的辅助。当然，单个控制器也可以处理所有控制。

本文引用的所有专利、专利申请和公开的参考文献通过引用整体并入本文。应当强调的是，本公开的上述实施方案仅仅是实施的可能例子，仅仅为了清楚地理解本公开的原理而阐述。在不实质上偏离本公开精神和原理的情况下，可以对上述实施方案进行许多变化和修改。应当理解，上述公开的和其他特征和功能中的几个或其替代可以期望地组合到许多其他不同的系统或应用中。所有这些修改和变化旨在被包括在本公开的范围内，落入所附权利要求的范围内。

相关申请的交叉参考

本申请要求于2014年9月19日提交的美国临时专利申请No.62/052,562的优先权；于2015年1月26日提交的美国临时专利申请No.62/107,729；于2015年6月10日提交的美国临时专利申请No.62/173,887；于2015年6月22日提交的美国临时专利申请No.62/183,149；和于2015年7月17日提交的美国临时专利申请No.62/193,793，并且所有这些申请的全部内容通过引用并入本文。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本公开实施方案的至少一些方面是在来自美国国防高级研究计划署(DARPA)以Grant W911NF-14-C0051的政府支持下进行的。政府享有本发明的这些方面的权利。

Claims (35)

1.一种辅助使用者的关节运动的方法，包括：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力和/或功率；

监测关节运动的实时测量，以检测关节何时达到最大屈曲角度；和

响应于检测到关节已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助关节运动。

2.一种辅助使用者的关节运动的方法，包括：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力和/或功率；

监测关节运动的实时测量，以检测关节的角速度何时改变符号；和

响应于检测到关节的角速度已经改变符号，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助关节运动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述的监测关节运动是选自关节的角度和关节的旋转速度中的至少一个。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述的关节是使用者的髋关节，并且其中将要辅助的运动是髋部伸展。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述期望峰值力和/或功率包括估计使用者正在移动的速度，并且至少部分地基于使用者正在移动的估计速度来调节所述期望峰值力和/或功率。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述的产生致动分布还包括：

确定在至少一个先前运动周期期间的测量峰值力和/或功率和期望峰值力和/或功率之间的差异；和

基于所确定的差异来调节所述致动分布的振幅和/或功率。

7.根据权利要求1或2所述的方法，还包括在所测量的关节运动达到预定角度和/或旋转速度时，终止所述可穿戴式机器人系统的致动。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述的关节是使用者的腿关节，并且所述运动周期是使用者的步态周期。

9.一种用于辅助使用者的关节运动的可穿戴式机器人系统，所述系统包括：

至少一个传感器，其适于监测关节运动的实时测量；

至少一个处理器，其构造成：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力和/或功率；

至少部分地基于关节运动的实时测量来检测关节何时达到最大屈曲角度；和

响应于检测到关节已经达到最大屈曲角度，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助关节运动。

10.一种用于辅助使用者的关节运动的可穿戴式机器人系统，所述系统包括：

至少一个传感器，其适于监测关节运动的实时测量；

至少一个处理器，其构造成：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以产生所述期望峰值力和/或功率；

至少部分地基于关节运动的实时测量来检测关节的角速度何时改变符号；和

响应于检测到关节的角速度已经改变符号，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助关节运动。

11.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述至少一个传感器适于监测选自关节的角度和关节的旋转速度中的至少一个。

12.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述的关节是使用者的髋关节，并且其中将要辅助的运动是髋部伸展。

13.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述处理器构造成估计使用者正在移动的速度，并且至少部分地基于使用者正在移动的估计速度来调节所述期望峰值力和/或功率。

14.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述处理器构造成：

确定在至少一个先前运动周期期间的测量峰值力和/或功率和期望峰值力和/或功率之间的差异；和

基于所确定的差异来调节所述致动分布的期望峰值力的振幅和/或功率。

15.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述处理器构造成在所测量的关节运动达到预定角度和/或旋转速度时，终止所述可穿戴式机器人系统的致动。

16.根据权利要求9或10所述的可穿戴式机器人系统，其中所述的关节是使用者的腿关节，并且所述运动周期是使用者的步态周期。

17.一种辅助关节运动的方法，包括：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

监测使用者的关节运动的实时测量以检测关节的运动方向的变化；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以将所述期望峰值力和/或功率传递到使用者的身体，其中至少部分地基于以下因素来产生所述致动分布：

所述期望峰值力和/或功率；和

使用者的关节运动的实时测量。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括检测关节的运动方向的变化，并且响应于检测到关节的运动方向的变化，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的关节运动。

19.一种用于辅助使用者的关节运动的可穿戴式机器人系统，所述系统包括：

至少一个传感器，其适于监测关节运动的实时测量；

至少一个处理器，其构造成：

确定在使用者的当前运动周期期间将由可穿戴式机器人系统产生的期望峰值力和/或功率；

产生致动分布，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以将所述期望峰值力和/或功率传递到使用者的身体，并且其中所述处理器构造成至少部分地基于以下因素来产生所述致动分布：

所述期望峰值力和/或功率；和

使用者的关节运动的实时测量。

20.根据权利要求19所述的可穿戴式机器人系统，其中所述至少一个处理器构造成检测关节的运动方向的变化，并且响应于检测到关节的运动方向的变化，根据所述致动分布来致动所述可穿戴式机器人系统，以辅助使用者的关节运动。

21.根据权利要求17或19所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中关节运动的实时测量包括使用者正在移动的估计速度，并且其中至少部分地基于使用者正在移动的估计速度来产生所述期望峰值力和/或功率。

22.根据权利要求17所述的方法，其中所述的监测关节运动的实时测量包括监测来自放置在使用者的大腿和/或躯干上的一个或多个惯性测量单元的实时测量。

23.根据权利要求18或20所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述的关节的运动方向的变化是从屈曲到伸展。

24.根据权利要求7或15中所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述预定角度和/或旋转速度约为零。

25.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述的产生致动分布包括产生致动分布以避免不利地影响关节的自然运动。

26.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述致动分布包括构造成响应于预定运动而预拉伸线缆的被动力。

27.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述可穿戴式机器人系统构造成在与关节的运动相同的方向上施加扭矩，以产生正功率辅助。

28.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述可穿戴式机器人系统构造成在与关节的运动相反的方向上施加扭矩，以产生负功率辅助。

29.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中至少部分地基于使用者和/或使用者的活动来调节将要产生的期望峰值力和/或功率。

30.根据权利要求29所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中至少部分地基于选自使用者偏好、使用者身体质量、使用者身高、生物力矩的估计以及套装部件相对于使用者的运动中的一种或多种来调节将要产生的期望峰值力和/或功率。

31.根据权利要求17或19所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述可穿戴式机器人系统构造成实时地适应速度和不同生物力学活动的变化。

32.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中当在关节的角速度改变符号之前致动所述可穿戴式机器人系统时，针对关节产生负功率，并且其中当在关节的角速度改变符号之后致动所述可穿戴式机器人系统时，针对关节产生正功率。

33.根据权利要求1、2、9、10、17或19中的任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述可穿戴式机器人系统构造成实时地检测事件以估计何时从功率吸收变化到功率产生。

34.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中所述可穿戴式机器人系统构造成估计何时生物肌肉和/或腱停止向关节提供力，以确定何时终止致动。

35.根据权利要求1、2、9、10、17或19中任一项所述的方法或可穿戴式机器人系统，其中当涉及产生运动的目标肌肉群达到最大激活水平时，所述致动分布构造成传递所述期望峰值力和/或功率。