阅读说明：本技术 用于控制行动装置的方法和装置 (Method and device for controlling mobile device ) 是由 张恂杰 阿南德·卡帕迪亚 于 2018-07-09 设计创作，主要内容包括：本申请公开一种行动装置的控制系统包括控制器,控制器用于分析来自行动装置上的至少一个传感器的数据,其中数据用于确定用户的步态。然后,步态数据用于提供动作指令至行动装置上的电动马达。(A control system for a mobile device includes a controller for analyzing data from at least one sensor on the mobile device, wherein the data is used to determine a gait of a user. The gait data is then used to provide movement instructions to an electric motor on the mobility device.)

用于控制行动装置的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119要求于2017年07月08日提交的美国临时专利申请第62/530,177号的权利，所述美国临时专利申请通过引用并入本文。

有关联邦资助研究的声明

不适用。

背景技术

本发明涉及一种行动装置(mobility device)。更具体地，本发明涉及穿戴在用户脚上以提供行动助力的具有电动马达的行动装置的控制系统和控制方法。

无论通勤者和其他旅行者是否采用汽车、公交车、火车或者其他工具旅行，他们经常必须在旅程的最后一段路程步行。完成行程的最后这段路程所需要的时间取决于距离，可能会占据旅程总持续时间的相当大的数量。虽然可以使用自行车或滑板车，但是自行车或滑板车体积大并且需要技能和最低水平的适合性加以操作。诸如自动人行道(movingwalkways)的动力系统缺乏可移动性。其他的行动解决方案受到相同缺陷的限制或者缺乏适应特定用户的能力。因此，开发一种用于不需要任何特殊技能或用户训练且可以适应特定用户的个体需求的行动装置的控制系统将是有利的。

发明内容

本发明的实施例是控制行动装置的系统和方法，其中行动装置被穿戴在用户的每一只脚上。传感器获得与用户的步态(gait)有关的数据，并且将数据传送至处理器。处理器分析用户的步态，然后利用步态数据针对每一行动装置生成动作指令。所述行动装置包括马达、齿轮和滚轮。当被穿戴在用户的脚上时，与没有穿戴所述行动装置时的用户速度相比，所述行动装置允许用户针对给定的频率和步长以提高的速度行走。而且，所述控制系统的用户适应性强，用户不再需要学习，也不需要用户进行其他的控制输入。

附图说明

图1描绘根据本申请一个实施例的具有嵌入式控制器的行动装置。

图2是根据本申请一个实施例的控制系统的方框图。

图3示出使用图2描绘的控制器的控制方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明一个实施例的行动装置100，包括多个滚轮101，所述滚轮101至少其中之一与电动马达102相连接。图1还示出了机载控制器(onboard controller)111和可选的远程控制器112。通常使用时，用户将穿戴两个行动装置100，即每只脚上穿戴一个。在接触地面时通过向脚上穿戴的行动装置100的滚轮101增加扭矩，行动装置100使得步行者比正常步行速度走得更快。采用这种方式，用户体验到类似在自动人行道上行走的效果。更特别地，通过调整马达102的控制适应于用户的移动，本发明的控制系统110使得用户保持正常的步行运动。滚轮101通过马达102施加的扭矩而旋转，滚轮101的旋转速度通过分析用户的步态部分地被控制，以下将进行更为详细的说明。

图2描绘了机载控制器111的元件。机载控制器111包括至少一个惯性测量单元113、处理器114、马达驱动器115和无线通信模块116。图2中所示为两个机载控制器111，因为每一个行动装置(即，一个用于用户的一只脚)装有一个机载控制器111。在另一可选的实施例中，控制系统110还包括远程控制器112，能够向每一个机载控制器111发送指令。在这种特定的实施例中，左右两个行动装置100均从远程控制器112接收指令速度，以及依照指定的指令速度驱动行动装置，其中远程控制器112可以是手持控制器、计算机或手机的形式。

控制系统110用于收集数据并分析用户的步态。当用户穿戴一对行动装置100时，每一个行动装置100将具有一个控制系统110。例如，机载处理器114从惯性测量单元113读取动态步态数据，动态步态数据包括每一个行动装置100的加速度、角速率(angularrate)、方向、陀螺仪数据或四元数(quaternion)数据。在一个实施例中，两个机载控制器111向远程控制器112发送动态步态数据，反过来，从远程控制器112接收动作指令。动作指令包括例如加速到设定速度、制动、减速到设定速度和保持在恒定速度。在另一些可选的实施例中，动作指令中可以包括其他的数据。接收到动作指令后，机载处理器114连同马达驱动器115将动作指令转换为马达驱动信号并且驱动马达系统102，从而影响滚轮101的速度。在一个实施例中，马达驱动器115经由反馈回路控制，接收速度指令并且依照指令速度驱动马达102。

图3所示的框图描述了根据一个实施例的基于步态的动作控制的方法，包括接收动态步态数据301、检测支撑/摆动相(stance/swing phase)302、计算步态轨迹向量303、确定用户步态304以及确定动作指令305的步骤。

在步骤301中，控制系统110从两个机载控制器111接收动态步态数据。动态步态数据包括从每一个行动装置100中的惯性测量单元113收集的数据。接下来，在步骤302中，控制系统110确定每一个行动装置100的状态为“支撑”(即在地面上)或者“摆动”(即在悬空状态)。然后，在步骤303中，如果行动装置100处于支撑相，步态轨迹向量被设置为零。除了其他参数外，步态轨迹向量可以包括预估步速、步长、方向和高度。例如，可以对一段时间中x方向上的加速度进行集合以确定前进速度。类似地，z方向的加速度可以用于推导出高度。作为进一步的示例，如果高度为正值，这可能表明用户在爬楼梯。负值高度可以表明用户正在下一组楼梯。y方向(即侧向)的加速度可以用于推导出方向，可能表明用户的转向运动。如果运动装置100处于摆动相，则基于动态步态数据计算步态速度和轨迹向量。例如，在一个实施例中，将从惯性测量单元113获得的加速度数据被集合，以为每一个行动装置100提供速度。两个行动装置100的速度的平均数可用于计算用户的总体速度。

接下来，在步骤304处，步态速度和轨迹向量与预先配置的步态模型(或配置文件)进行比较，所述预先配置的步态模型(或配置文件)包括行走期间的速度范围以及行走、爬山或者上楼梯期间的不同高度范围。基于该比较的结果，确定用户步态。一旦确定出步态，在步骤305处，则基于确定的步态产生动作指令。例如，如果两个行动装置100的平均速度被计算为1.2米/秒，则步态被确定为“中等”(或者基于平均速度的任何其他指定的配置文件)，并且需要滚轮速度为0.8米/秒的动作指令。较低的平均速度可能需要较低滚轮速度的动作指令。

另外，在可选的步骤306处，远程控制器112检测用户输入是否已被登记。用户输入可以是各种形式，比如按压按钮或者沿一定的轨迹移动远程控制器112。例如，用户输入可以按压表示用户想要向前运动的按钮。这样，接收来自用户的向前动作指令可重写基于机器学习模型的控制器112提供的动作指令。在步骤304处检测用户输入以后，远程控制器112产生动作指令并且将其发送至两个机载控制器111。然而，如果从步骤306接收到用户输入，则最终动作指令在被发送至机载控制器111之前被用户输入所代替。

在另一实施例中，每一个机载控制器111在步骤304中确定步态，以及在步骤305中产生动作指令。为了避免来自每一个机载控制器111的指令不一致，一个机载控制器发送动作指令信号至另一机载控制器用于步骤307中的交互验证。动作指令包括加速到设定速度、制动、减速到设定速度和保持在恒定速度。验证动作指令以后，处理器114连同马达驱动器115将动作指令转换为马达驱动信号并驱动马达系统。换句话说，在步骤307中，交互验证将针对两个行动装置100的每一个所产生的动作指令加以比较。例如，当两个指令相似时马达驱动器115将仅仅发出马达速度的指令，以及当速度指令不一致时马达驱动器115将进行制动。

虽然本公开已结合其具体实施例加以详细描述，但是在不脱实施例的精神和范围的情况下，其中可做出的各种改变和修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，本公开旨在涵盖所附权利要求及其等同形式的范围内所提供的本公开的修改和变形。