具体实施方式

如图1中示出的，根据一个实施例，移动设备100包括多个轮101，其中轮101中的至少一个连接到电马达102。轮101可通过传动装置或带连接到马达102，替代地，可直接连接到马达102。在一个实施例中，移动设备100还可包括由柔性关节连接的后底盘和前底盘，以在行走时使得使用者的脚能够正常弯曲。在典型使用期间，使用者将穿戴两个移动设备100，每只脚上一个。当轮101与地面接触时，移动设备100通过向轮101中的至少一个增加扭矩而使得行人能够以比正常行走步速更快地行走。以这种方式，使用者体验到类似于在自动人行道上行走的效果。

图1中进一步示出的是装载的控制器111，其通过使马达102的控制适应于使用者的移动而使得使用者能够保持正常的行走运动。如将更详细地讨论的，通过由马达102施加的扭矩，轮101的旋转的速率部分地通过对使用者的运动或步态的分析控制。在一些实施例中，就由使用者穿戴的设备100的对的运动进行一起分析，以提供比单个脚的控制方法更好的控制。

在一个实施例中，装载的控制器111的组件可包括至少一个惯性测量单元或其他传感器113、处理器、马达驱动器、和无线通信模块。在本公开中，包括驱动器和模块的控制器111和控制器111的组件可包括微型计算机、微处理器、微控制器、专用集成电路、可编程逻辑阵列、逻辑器件、算术逻辑单元、数字信号处理器、或其他数据处理器以及支持的电子硬件和软件。此外，控制器111的组件可是独立单元或者可集成为控制器111的部分。在一个实施例中，系统包括两个装载的控制器111，或者每个移动设备一个控制器111(即，使用者的每只脚一个)。然而，在替代实施例中，可使用单个控制器111。在使用单个控制器111的实施例中，来自设备对中的每个设备100中的惯性测量单元113的数据可无线发送到单个控制器111。

控制器111用于收集数据并分析使用者的步态或行走运动并生成运动命令。例如，装载的处理器读取运动数据，该运动数据可包括来自惯性测量单元113的移动设备100的加速度、角速度、定向、陀螺仪数据、或四元数数据。基于该数据，控制器111将根据本文中讨论的控制方法生成运动命令。运动命令包括，例如，加速到设定速率、制动、减速到设定速率、以及保持在恒定速率。一旦接收到运动命令，装载的处理器与马达驱动器一起将运动命令转换为马达驱动信号并驱动马达系统102，由此影响轮101的速率。在一个实施例中，马达驱动器接收速率命令并经由反馈回路控制以命令速率驱动马达102。

图2中示出的图描绘了根据一个实施例的运动控制方法，其中移动设备100以从/主配置操作，该方法包括：在步骤301处接受来自传感器113的运动动态数据，在步骤302处估计步态轨迹，在步骤303处计算参考加速度，在步骤304处计算参考速度，并在步骤305处命令移动设备100达到参考速度。前述步骤应用于移动设备100的对中的第一移动设备100，或主移动设备。第二移动设备称为从移动设备，并且使用类似的方法，但是从主移动设备接收命令速度。通过使用主/从配置，可避免两个移动设备100之间的不一致。然而，在替代实施例中，该对中的每个移动设备100作为“主”移动设备操作或者可独立控制。

更详细地，在步骤301中，控制器111从惯性测量单元或其他传感器113采样运动数据。数据可包括加速度和陀螺仪速率和定向数据，以及来自马达电流的扭矩指示。接下来，在步骤302中，控制器111估计步态轨迹，其可包括三个维度上的摆动速度和距离。在该步骤期间，使用站姿(stance)检测过程以确定单个设备100是否处于步态周期的站姿或摆动阶段。可使用两种方法检测站姿。

对于第一站姿检测方法，在一段时间上分析三个子步骤的结果以确定步态阶段。在第一个子步骤中，就步态阶段的似然性在线性化加速度阵列和陀螺仪组上运行广义似然性比测试。接下来，在第二子步骤中，将多个维度上的角速度数据与预定义的阈值进行比较。如果所有角速度都低于阈值，则设备100可能处于站姿阶段。在第三子步骤中，将马达电流与阈值进行比较。高于阈值电流意味着站姿阶段的可能性。相反，低于阈值的马达电流指示摆动阶段，因为没有来自路面的施加到轮的力。如果所有三个子步骤指示设备100处于站姿阶段达一段时间(例如，大约50-100ms)，则移动设备100确定为处于站姿阶段。如果不是，则移动设备100处于摆动阶段。通过使用统计分析，站姿确定较少地受到接收自惯性测量单元113的数据中的噪声和异常值的影响，从而产生更稳健的控制方法。

对于第二站姿检测方法，将翻滚角速度或偏航角速度与阈值进行比较，并检查俯仰角速度以确定其是否落入预确定的范围内。如果翻滚角速度或偏航角速度高于阈值，则设备100可能处于摆动阶段。如果翻滚角速度和偏航角速度二者都低于阈值，并且俯仰角速度在预确定的范围内达较短时间段(例如，50-100ms)，则设备100可能处于站姿阶段，否则设备100处于摆动阶段。阈值和预确定的范围对于所有类型的步态都是通用的，并且是来自收集的使用者步态数据的大数据集的平均测量值。然而，本领域技术人员将理解，可使用在取平均值之外的方法以定义阈值和范围值。此外，如果设备100正在移动，则将马达电流与阈值进行比较。在先前的翻滚、偏航和俯仰分析之外，当条件满足达一段时间(例如，50-100ms)时，高于阈值电流指示站姿阶段。

在方法的多种步骤中，在全局坐标系或者载体坐标系中进行数据分析。全局坐标系是相对于不变的惯性坐标系定义的，而载体坐标系是相对于鞋或移动设备100的载体定义的。为了在步骤302中进一步估计步态轨迹，将载体坐标系下的加速度基于校正定向转换为全局坐标系，该校正定向是当前定向减去在步态轨迹估计的先前迭代中递归计算的偏差。然后在全局坐标系中过滤加速度数据以去除噪声。然后速度可确定为加速度数据的单积分。然后，通过由卡尔曼滤波器生成的误差项补偿加速度积分速度，使用卡尔曼滤波器以获得校正速度。接下来，以与获得校正速度相同的方式对速度进行积分和校正，以获得在全局坐标系下的校正摆动距离。然后通过应用在移动设备100从站姿过渡到摆动阶段的点处测量的定向，将速度和摆动距离数据转换成局部坐标系。通过将误差项应用到加速度积分和速度积分二者，可实时估计具有最小漂移的摆动距离。这是对先前系统的改进，其在当计算去漂移项时计算在摆动阶段结束处的摆动距离。通过分析完整的步骤，先前的控制方法受到滞后的影响，因为直到新的距离得到更新，都假设速率与先前步骤相同。

如注意到的，当移动设备100处于站姿(即，脚在地面上)阶段时，通过基于零速度假设递归地计算估计误差，使用卡尔曼滤波器估计关于速度和摆动距离的误差项。当检测到摆动阶段时，卡尔曼滤波器停止计算，并且其所有项保持不变。将其误差项应用到速度。

图3示出了结合惯性测量单元113和估计器模块115的控制器111的框图。如之前讨论的，控制器111的估计器和其他组件可包括软件、固件、硬件、或硬件/软件的任何组合。

在步骤303处，基于在先前步骤中识别的摆动速度和距离计算参考加速度。在该步骤期间，通过减去阻力常数并且然后乘以比例增益归一化摆动速度，以获得基于速度的参考加速度，该比例增益是通过调谐获得的系数。阻力常数可作为设备100的实际速度的函数实时调整。

为了获得基于摆动距离的参考加速度，估计摆动距离和基线摆动距离之间的差是在摆动阶段期间的经过时间处推断的。估计摆动距离与基线摆动距离之间的差在图4中的图上示出。基于摆动距离的参考加速度是摆动距离差和比例增益的积。总参考加速度是基于摆动距离的加速度和基于速度的参考加速度二者的积。

基线摆动距离可预确定(例如，在大数据集上的平均值)，或者替代地，从最近估计摆动距离的加权平均中取近似。例如，基线摆动距离可基于过去N个数量的估计摆动距离曲线的加权平均，如在图6中的图上示出的，其中N是可调整的常数。基线摆动距离也可由近似函数描述，该近似函数诸如多项式拟合、线性回归或样条插值。

在步骤304处，基于总参考加速度通过离散积分计算用于移动设备100的参考速度。因为站姿腿的参考加速度为零，仅从摆动腿的参考加速度计算用于两个移动设备100的参考速度。在默认阶段之外，使用步态状态机以将使用者步态分类为三个不同阶段：双站姿(Double Stance)、摆动站姿(Swing Stance)、和中间站姿(Mid-Stance)阶段，如在图5中描绘的流程图中示出的。可在控制器111中实施的步态状态机一起查看设备100的对以确定使用者的总体步态阶段。相比之下，如之前注意到的，站姿检测方法针对单个设备100。如图5中示出的，控制器111通过步态状态机确定是否：(1)两只脚在都地面上(即，双站姿)；(2)是否并是否仅一条腿的摆动距离足够大并且两条腿之间的摆动距离差是否足够大(即，摆动站姿)；以及(3)是否一条腿刚进入站姿阶段并且另一条腿尚未进入摆动阶段(即，中间站姿)。

步态状态机总是以默认(Default)阶段开始，并且只有在检测到两只脚都处于站姿阶段达几秒钟后才进入双站姿。在默认和双站姿阶段二者中，参考加速度和参考速度设置为零。

在双站姿阶段期间，如果并且仅如果一个设备100的摆动距离足够大，并且如果两条腿之间的摆动距离差足够大，步态状态机进入摆动站姿阶段。总参考加速度仅在摆动站姿期间积分到参考速度。如果摆动距离超过在连续行走中的最小步幅，则引发向前迈步旗标。当向前迈步激活并且如果摆动距离大于最大步幅时，将引发故障旗标并且状态机将返回到默认阶段，这意味着参考加速度和参考速度设置为零。由此，故障旗标作用为在某些情况下的安全特征。当向前迈步激活并且如果摆动距离减小到最小步幅以下时，由于迈步完成，状态机进入中间站姿阶段。

在中间站姿阶段期间，如果并且仅如果另一只脚的摆动距离足够大并且如果两条腿之间的摆动距离差足够大时，状态机返回到摆动站姿阶段。摆动站姿和中间站姿阶段将交替继续作为双足行走的周期运动。

但是，如果相同的脚明显地再次摆动，作为异常事件的结果，状态机重置为默认阶段，并且将引发故障旗标。如果两条腿保持在站姿过长时间(例如，～1s)或者在中间站姿阶段期间两条腿的步幅都指示向前迈步，状态机重置为默认阶段并引发故障旗标。在中间站姿阶段期间，参考速度基于经过的时间和实际移动设备速度减速。减速曲线防止当使用者完成迈步时的突然停止，并且确保控制系统对使用者停止运动(两只脚都牢牢踩在地面上)做出及时响应。

在检测多种步态阶段之外，控制器111可检测其他异常步态模式。例如，如图7中示出的，如果检测到交叉腿(cross-leg)运动或突然转向，控制系统立即基于交叉腿或转向角度降低参考速度。类似地，当使用者应用紧急制动时，马达增加其电流以响应增加的阻力。如果在双站姿阶段期间检测到马达电流的突然增加，控制系统立即基于电流大小降低参考速度。

上楼梯或下楼梯提出了另一挑战，即控制器111将在没有来自使用者的任何输入的情况下检测和控制。例如，始终计算摆动腿的起始和终止之间的高度差。如果高度差的大小类似于或大于平均楼梯台阶高度，则激活楼梯模式并且锁定两个移动设备100以防止轮102旋转。该特征允许使用者上下楼梯而无需将移动设备100从其脚上取下以上楼梯或下楼梯。一旦楼梯模式激活，其将保持锁定达较短时间段，例如，诸如2-3秒。

如之前讨论的，步态状态机探索了双足行走中更加整体性的两条腿的运动关系，这与相互依存(interpedent)控制的自平衡轮滑鞋形成对比。其允许在任何时候在行走和轮滑运动(即，在迈步之间滑行)之间平滑过渡，并且仍响应于使用者步态的改变。例如，使用者可通过进行最大和最快的跨步迅速加速移动设备，并且一旦达到令人满意的速率水平，使用者甚至可以稍微较小和较慢的跨步以该速率巡航。在停止的情况下，使用者通过从成比例地降低步幅/节奏到两只脚都踩在地面上而控制制动的积极性。

参考速度在该对中的每个移动设备100之间共享。当两个移动设备100处于站姿阶段达预定义时间段时，参考速度设置为零。在步骤305处，马达控制器将通过反馈控制回路朝向参考速度驱动每个移动设备100。

在一个实施例中，提供了远程主开关116(如图1中示出的)，并且其将或者与主设备或者同时与两个设备无线通信。远程主开关116可或者打开如上文描述地操作的控制系统，或者以制动命令超驰任何控制系统输出，该制动命令将移动设备100保持在零速度。该外部开关帮助使用者在行进通过某些地形而无需取下移动设备，例如行走通过明显裂缝和颠簸的人行道，在这些地形中轮102的旋转是不期望的。

在速率上升和下降的任何部分，都存在绝对最大加速限制器和绝对最大减速限制器，以确保使用者和移动设备二者的安全和健康操作。

在前述说明、或以下权利要求、或所附附图中公开的特征，该特征视情况以其具体形式或以用于执行所公开的功能的手段、或用于取得所公开的结果的方法或过程表示，该特征可，单独地或以这样的特征的任何组合，用于以本发明的多种形式实现本发明。特别地，本文中描述的任何实施例中的一个或多个特征可与来自本文中描述的任何其他实施例的一个或多个特征组合。

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