1.至少一个示例实施例涉及穿戴在用户身体上以提供锻炼功能的可穿戴装置和/或可穿戴装置的操作方法。
背景技术：2.通常，行走辅助装置是指帮助由于各种疾病、事故等而不能自主行走的患者进行用于康复治疗的行走锻炼的机构或装置。随着最近日益加剧的老龄化社会，越来越多的人由于关节功能障碍问题而在行走中经历不便或在正常行走中存在困难，并且对行走辅助装置的兴趣日益增加。行走辅助装置被穿戴在用户的身体上，以通过提供期望的(或可选地，必要的)肌肉力量来辅助用户行走，并且诱导用户以正常行走模式行走。
技术实现要素：3.一些示例实施例涉及一种用于当被穿戴在用户身体上时向用户提供锻炼负荷的可穿戴装置。
4.在一些示例实施例中，可穿戴装置包括：框架，被配置为穿戴在用户的身体上以支撑所述身体；电机，被配置为附接到所述框架；电机驱动器电路，连接到所述电机；传感器，被配置为感测所述用户的身体运动；以及处理器，被配置为生成用于控制所述电机驱动器电路中的电连接的控制信号，以通过基于所述身体运动的速度控制在第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，来根据所述身体运动的速度通过所述框架提供所述锻炼负荷，其中，第一控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是闭环的状态，并且第二控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是开环的状态。
5.在一些示例实施例中，所述处理器还被配置为基于所述每次变化比率周期性地和交替地重复在第一控制状态与第二控制状态之间的切换。
6.在一些示例实施例中，处理器还被配置为基于身体运动确定身体运动的速度，并且基于所确定的速度调整在第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的所述每次变化比率。
7.在一些示例实施例中，处理器还被配置为如果身体运动的速度从第一速度改变为第二速度，则将所述每次变化比率调整为与第二速度相应。
8.在一些示例性实施例中，所述处理器还被配置为：如果第二速度大于第一速度，则通过减少第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间来调整所述每次变化比率。
9.在一些示例性实施例中，所述处理器还被配置为：如果第二速度小于第一速度，则通过增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间来调整所述每次变化比率。
10.在一些示例实施例中，处理器还被配置为基于所述目标锻炼负荷和所述身体运动的速度来调整所述每次变化比率。
11.在一些示例实施例中，处理器被配置为从用户接收目标锻炼负荷的输入。
12.在一些示例实施例中，所述处理器还被配置为通过在第一控制状态下形成闭环而不使用电池的电力驱动所述电机来生成所述锻炼负荷。
13.在一些示例实施例中，所述处理器还被配置为通过向所述电机供应电池的电力来控制所述电机在阻碍所述身体运动的方向上生成扭矩，并且通过控制第一控制状态和第二控制状态之间的变化来生成所述锻炼负荷。
14.在一些实例实施例中，所述电机驱动器电路包括：多个开关，被配置为基于从所述处理器输出的所述控制信号控制所述电机驱动器电路中的电连接。
15.在一些示例实施例中，可穿戴装置被配置为穿戴在用户的下身上，以向用户的下身提供阻力。
16.其他示例实施方式涉及一种可穿戴装置的操作方法，所述可穿戴装置用于当被穿戴在用户身体上时向用户提供锻炼负荷。
17.在一些示例实施例中，该方法可包括：经由传感器感测所述用户的身体运动；以及基于所述身体运动的速度生成用于控制所述可穿戴装置的电机驱动器电路中的电连接的控制信号，以通过基于所述控制信号控制在第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，来根据所述身体运动的速度通过所述框架提供所述锻炼负荷，其中，第一控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是闭环的状态，并且第二控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是开环的状态。
18.在一些实例实施例中，所述生成所述控制信号的步骤包括：生成用于周期性地且交替地重复在第一控制状态与第二控制状态之间切换的控制信号。
19.在一些示例实施例中，所述生成控制信号的步骤包括：基于所述身体运动确定所述身体运动的速度；以及基于所述身体运动的速度生成用于调整在第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的所述每次变化比率的控制信号。
20.在一些示例实施例中，生成控制信号的步骤包括：响应于所述身体运动的速度从第一速度改变为第二速度，生成引用将所述每次变化比率调整为于第二速度相应的控制信号。
21.在一些示例实施例中，所述生成控制信号的步骤包括：响应于第二速度大于第一速度，生成用于通过减小第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间来调整所述每次变化比率的控制信号。
22.在一些示例性实施例中，所述生成控制信号的步骤包括：响应于第二速度小于第一速度，生成用于通过增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间来调整所述每次变化比率的控制信号。
23.一些示例实施方式涉及一种存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行可穿戴装置的操作方法，所述可穿戴装置用于当被穿戴在用户身体上时向用户提供锻炼负荷。
24.示例实施例的附加方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可通过本公开的实践来学习。
附图说明
25.从以下结合附图对示例实施例的描述中，这些和/或其他方面将变得显而易见并且更容易理解，在附图中：
26.图1示出了根据示例实施例的穿戴在用户身上的可穿戴装置；
27.图2示出了根据示例实施例的可穿戴装置的外部结构；
28.图3示出了根据示例实施例的可穿戴装置的配置；
29.图4示出了根据示例实施例的电机驱动器电路的操作；
30.图5示出了根据示例实施例的处理器的控制操作；
31.图6a、图6b和图6c示出了根据示例实施例的根据用户的腿部运动的处理器的控制操作；
32.图7和图8示出了根据示例实施例的可穿戴装置的控制操作根据腿部运动速度的变化的变化；以及
33.图9是示出根据示例实施例的可穿戴装置的操作方法的流程图。
具体实施方式
34.以下详细的结构或功能描述仅作为示例提供，并且可对示例实施例进行各种改变和修改。因此，示例实施例不被解释为限于本公开，并且应当被理解为包括在本公开的技术范围内的所有改变、等同物和替换。
35.本文可使用诸如第一、第二等的术语来描述组件。这些术语中的每一个不用于定义相应组件的本质、顺序或序列，而是仅用于将相应组件与其他组件区分开。应当注意，如果描述了一个组件“连接”、“联接”或“接合”到另一个组件，则尽管第一组件可直接连接、联接或接合到第二组件，但是第三组件可在第一组件和第二组件之间“连接”、“联接”和“接合”。
36.除非上下文另有明确说明，否则单数形式也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在或添加。
37.除非本文另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。术语(诸如在通用词典中定义的那些术语)应被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确地如此定义，否则不应以理想化或过于正式的意义来解释。
38.在下文中，将参照附图详细描述示例实施例。当参照附图描述示例实施例时，相似的附图标记表示相似的组件，并且将省略与其相关的重复描述。
39.图1示出了根据示例实施例的穿戴在用户身上的可穿戴装置。
40.参照图1，可穿戴装置110是穿戴在用户100的身体上以辅助用户100进行锻炼的装置。可穿戴装置110可穿戴在用户100的下身(腿、脚踝、膝盖等)、上身(躯干、手臂、手腕等)或腰部上，以向用户100的身体运动提供阻力，从而增强用户100的锻炼效果。提供阻力以阻碍用户100的运动或提供对用户110的运动的抗力，并且阻力可以是在用户100移动时在与用户100的运动方向相反的方向上作用的力。在下文中，阻力也可被称为“锻炼负荷”。可穿
戴装置110可通过当被穿戴在腿上时向用户100的身体提供锻炼负荷来进一步增强用户100的锻炼效果。用户100可在穿戴可穿戴装置110进行锻炼时执行行走运动。在这种情况下，可穿戴装置110可在用户100的行走运动期间向用户100的腿施加锻炼负荷。在下文中，将描述穿戴在下身(腿)上的可穿戴装置110作为示例。然而，如上所述，可穿戴装置110可穿戴在除下身之外的身体部位上，并且其形状和配置可根据穿戴可穿戴装置110的身体部位而变化。在下面的描述中，“腿”可用另一身体部位代替。
41.除了如上所述辅助用户100进行锻炼之外，可穿戴装置110还可用于辅助用户100行走。例如，可穿戴装置110可通过辅助用户100的一条腿或每条腿来帮助用户100行走。可穿戴装置110可通过提供用户100行走所需的力来使用户100能够独立行走或长时间行走，从而延伸用户100的行走能力。为辅助用户行走而提供的力可在与为阻碍用户100的运动而提供的阻力相反的方向上。可选地，可穿戴装置110可改善用户的异常行走习惯或行走姿势。
42.图2示出了根据示例实施例的可穿戴装置的外部结构。
43.参照图2，可穿戴装置110包括框架，该框架被配置为当可穿戴装置110穿戴在用户100的身体上时将可穿戴装置110固定到用户100的身体并且支撑身体。框架可包括例如腰戴式框架和腿戴式框架，其中，腰戴式框架被配置为将可穿戴装置110固定到用户100的腰部，腿戴式框架穿戴在用户100的腿上以将可穿戴装置110的一部分固定到用户100的腿上。根据可穿戴装置110的实现形式，可修改框架的形状或构造以适合该实现形式。
44.在示例实施例中，主电路(或可选地，控制器)230可被放置在用户100的下背部后面，其中，处理器、存储器等被设置在主电路230中以用于控制可穿戴装置110的操作。在用户100的左髋关节220l和右髋关节220r中的每一个的附近，可设置由处理器控制的电机和被配置为感测用户100的身体运动的传感器。
45.当向左髋关节220l和右髋关节220r中的每一个附近的电机供电时，电机运行。在这种情况下，从电机输出的力通过左传输部240l和右传输部240r中的每一个传递到每个腿戴式框架，并且传递到腿戴式框架的力施加到用户100的腿。如果用户移动左腿，则穿戴在左腿上的腿戴式框架一起移动，并且腿戴式框架的移动可由设置在左髋关节220l附近的传感器通过左传输部240l感测。例如，编码器可设置在左髋关节220l附近，以测量与左腿的运动相应的左传输部240l的运动的旋转位置或旋转速度。如果用户移动右腿，则穿戴在右腿上的腿戴式框架一起移动，并且腿戴式框架的移动可由设置在右髋关节220r附近的传感器(诸如编码器)通过右传输部240r感测。编码器可测量与右腿的移动相应的右传输部240r的移动的旋转位置或旋转速度。
46.当可穿戴装置110在锻炼模式下操作时，可穿戴装置110可通过控制电机驱动器电路中的电连接来生成目标锻炼负荷，而无需通过向电机供电来驱动包括在可穿戴装置110中的电机。在这种情况下，在用户100的身体运动的相反方向上作用的锻炼负荷由可穿戴装置110的电机生成，并且通过左传输部220l和右传输部220r中的每一个通过腿戴式框架传递到用户100的身体。同时，可穿戴装置110可控制电机驱动器电路中的电连接以适应用户100的身体运动速度，从而即使用户100的身体运动速度改变也稳定地生成目标锻炼负荷。在下文中，将参照附图进一步描述可穿戴装置110的配置和操作。
47.图3示出了根据示例实施例的可穿戴装置的配置。
48.参照图3，可穿戴装置300可以是包括在可穿戴装置100中的电子元件的框图。可穿戴装置300可通过重复地控制电机驱动器电路320中的开关连接来生成锻炼负荷，而无需通过向电机310供电来驱动电机310。通过该控制，可在不向电机310提供向可穿戴装置300供电的电池的电力的情况下生成锻炼负荷。因此，电池的功耗可相对降低，这可导致可穿戴装置300的运行时间的增加。此外，由于电机310不是通过接收电力直接驱动的，因此与驱动电机310的情况相比，可针对锻炼负荷生成相对较少的噪声。另外，可穿戴装置300可通过监测用户的运动并根据用户的运动自适应地控制电机驱动器电路320中的开关连接来向用户提供期望或预定大小(或强度)的锻炼负荷。在下文中，将基于可穿戴装置300的组件更详细地描述可穿戴装置300的操作。
49.可穿戴装置300包括电机310、电机驱动器电路320、传感器330、处理器340和存储器350。此外，如图4所示，可穿戴装置300还可包括电池450。
50.在一些示例实施例中，电池450可以是可再充电电池，诸如锂离子电池，例如磷酸铁锂(lifepo4)电池，并且可穿戴装置300可包括电池管理系统(bms)，电池管理系统向用户显示剩余电池电量以智能地控制可穿戴装置300来节省和/或产生电力。
51.当通过接收电力来驱动电机310时，电机310可提供力以帮助用户进行腿部运动或阻碍腿部运动。电机310可包括至少两个电机，并且当用户穿戴可穿戴装置300时，电机可位于用户的髋关节中的各个髋关节附近。在这种情况下，位于右髋关节附近的电机可提供力以辅助和/或阻碍右腿的运动，并且位于左髋关节附近的电机可提供力以辅助和/或阻碍左腿的运动。
52.在一些示例实施例中，处理器340可基于剩余电池电量来确定是否驱动电力以提供帮助用户进行腿部运动和/或阻碍腿部运动的力。例如，当剩余电池电量低于阈值时，处理器340可尝试节省电池电力并且不提供额外的力来阻碍用户的腿部运动。
53.可穿戴装置300可在用于帮助用户行走的行走辅助模式下操作，或者在用于阻碍用户的腿部运动以增加用户的锻炼效果的锻炼模式下操作。在行走辅助模式下，电机310可输出辅助力以帮助用户行走。在锻炼模式下，如上所述，在不向电机310供电时，电机310可通过控制电机驱动器电路320中的开关连接来生成锻炼负荷。可选地，电机310可基于供应给电机310的电力以及电机驱动器电路320中的开关连接的控制来生成阻碍用户的腿部运动的人造力。例如，当难以仅通过控制电机驱动器电路320中的开关连接来生成目标锻炼负荷时，可另外驱动电机310以生成阻碍用户的身体运动的力。
54.电机驱动器电路320是在处理器340的控制下控制电机310的操作的电路，并且可控制电流供应到电机310的路径或电机310周围的电连接。电机驱动器电路320可基于从处理器340接收的控制信号来驱动电机310或停止驱动电机310。电机驱动器电路320可包括用于控制电机310周围的电连接的多个开关，并且可基于从处理器340接收的控制信号来控制电机驱动器电路320的开关。电机驱动器电路320可包括被配置为控制开关的单独的内部处理器。在这种情况下，内部处理器可从处理器340接收控制信号，并基于接收到的控制信号来控制开关。
55.在示例实施例中，电机驱动器电路320可包括用于控制电机310周围的电连接的控制电路，例如h桥电路。h桥电路是能够切换施加到负载(诸如电机310)的电压的极性的电路。图4中示出了h桥电路的示例。
56.图4示出了根据示例实施例的电机驱动器电路的操作。
57.参照图4，h桥电路通过多个开关410、420、430和440控制电机310周围的电连接。开关410、420、430和440可被实现为半导体器件，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。当在处理器340的控制下第一开关410和第四开关440接通(或短路)并且第二开关420和第三开关430关断(或断开)时，可从电池450向电机310供电。可选地，当在处理器340的控制下第二开关420和第三开关430接通并且第一开关410和第四开关440关断时，可从电池450向电机310供电。当第三开关430和第四开关440都关断时，不从电池450向电机310供电。
58.再次参照图3，传感器330可感测作为用户的身体运动的腿部运动，并且将关于感测到的腿部运动的信息发送到处理器340。传感器330可包括被配置为感测用户的髋关节角度、腿部运动速度或加速度以及腿部运动方向的一个或更多个传感器，例如，编码器、加速度传感器、惯性传感器、陀螺仪传感器等。当传感器330包括编码器时，编码器可根据用户的腿部运动来检测编码器轴的旋转速度和旋转位置。编码器轴的旋转角度可与用户的关节角度相应。编码器可将与轴的旋转位置相应的比特值发送到处理器340，并且处理器340可基于所接收的比特值来计算轴的旋转角度。处理器340可基于在不同时间接收的比特值之间的差来计算在相应的时间段期间轴的旋转速度(角速度)或旋转角度的变化。在本文中，“身体运动的速度”可指这样的旋转速度(角速度)或旋转角度的变化。
59.处理器340控制可穿戴装置300的全部操作。处理器340可以是控制器的一部分，该控制器可包括处理电路(诸如包括逻辑电路的硬件)；硬件/软件组合(诸如执行软件的处理器)；或它们的组合。例如，处理电路可包括但不限于中央处理单元(cpu)、算术逻辑单元(alu)、数字信号处理器、微计算机、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑单元、微处理器、专用集成电路(asic)等。
60.处理器350可包括一个或更多个专用处理器，该一个或更多个专用处理器通过基于用户100的身体运动速度控制电机驱动器电路320中的电连接来稳定地生成目标锻炼模式。
61.存储器350存储处理器340执行处理操作所需的信息或数据。例如，存储器350可存储要由处理器340执行的指令。存储器350可包括随机存取存储器(ram)、动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)或本领域已知的另一种类型的非易失性存储器。
62.可穿戴装置300的控制操作可通过从处理器340输出的控制信号来实现。处理器340可生成用于控制电机驱动器电路320中的电连接的控制信号。当可穿戴装置300在锻炼模式下操作时，处理器340可基于由传感器330感测到的用户的腿部运动的速度来控制电机驱动器电路320中的开关连接，以向用户提供锻炼负荷。
63.电机驱动器电路320中的开关连接的控制状态可包括电机驱动器电路320中的电连接是闭环的第一控制状态和电机驱动器电路320中的电连接是开环的第二控制状态。处理器340可通过控制第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，根据用户的腿部运动的速度通过可穿戴装置300的框架提供锻炼负荷。为了形成锻炼负荷，处理器340可控制电机驱动器电路320的控制状态，使得第一控制状态与第二控制状态周期性地且交替地重复。第一控制状态是电机310未连接到电池450并且包括电机310、开关410和开关420的电路形成电闭环的状态。在第一控制状态下，电机310的两个端子彼此连接，使得包括电机
310、开关410和开关420的闭环中的电阻非常低。(由于电机310的两个端子处的电压相同，因此根据欧姆定律，闭环中的电阻理论上可以是“0”。)在该电路状态下，在闭环中保持非常低的电阻的特性在即使电动势小时也不在生成电动势的方向上感应出力。这里，电动势是当电机310旋转时在电机310中生成的电压。因此，可能生成大的旋转阻力以阻碍电机310的旋转。当可穿戴装置300的框架通过穿戴可穿戴装置300的用户的身体运动而移动时，框架的移动被传递到电机310，并且在电机310中生成电动势。在该示例中，电机驱动器电路320处于闭环状态，使得生成旋转阻力，该旋转阻力是抵消来自电机310的电动势的电阻或阻力。
64.可穿戴装置300的外框架穿戴在用户的身体(例如，腿)上并且在与用户的身体相同的方向上移动，并且外框架为用户的身体提供从电机310接收的旋转阻力。如上所述，在第一控制状态下，响应于用户的身体运动而生成极大的旋转阻力。当用户试图在这种情况下移动穿戴外框架的身体时，旋转阻力通过外框架作用在身体上，并且用户感觉到强的阻力。第二控制状态是包括电机310的电路中的连接断开的状态，因此不存在用于电机310的电连接。在第二控制状态下，不生成电力或旋转阻力，因此用户感觉到最小的阻力。
65.处理器340可在不使用电池的电力驱动电机310的情况下，通过控制第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率来生成锻炼负荷。在另一示例实施例中，除了通过控制第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率来生成锻炼负荷之外，处理器340还可通过向电机310供应电池的电力来控制电机310在阻碍用户的腿部运动的方向上生成扭矩。响应于通过控制电机驱动器电路320中的电连接而引起的旋转阻力确定难以实现目标锻炼负荷，处理器340可驱动电机310以生成扭矩来阻碍腿部运动。
66.处理器340可通过在一个重复周期内调整第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的控制比率来控制锻炼负荷的大小。用于调节控制比率的控制信号可例如以脉冲宽度调制(pwm)信号的形式实现，该脉冲宽度调制(pwm)信号是可根据信号脉冲宽度的占空比来确定控制状态的信号。在这种情况下，pwm信号的高电平值可与第一控制状态相应，并且pwm信号的低电平值可与第二控制状态相应。通常，施加到用户的锻炼负荷随着第一控制状态在单个周期中相对于第二控制状态的比例增加而增加。此外，锻炼负荷随着用户的腿部运动速度的增加而增加。
67.当用户在移动他的腿的同时锻炼时，用户的腿部运动速度可随时间改变。即使不考虑电机驱动器电路320中的电连接，当腿部运动速度随时间变化时，用户也可根据腿部运动速度感觉到不同的锻炼负荷。例如，在第一控制状态与第二控制状态之间的比率固定的情况下，当用户的腿部运动速度增加时，用户可能感觉到相对大的锻炼负荷。腿部运动速度的大的变化可能导致锻炼负荷的急剧变化，这可能给用户带来不适。在控制电机驱动器电路320(其中，电机驱动器电路320控制电机310周围的电连接)时，处理器340可通过考虑到用户的腿部运动而调节第一控制状态的持续时间与第二状态的持续时间之间的比率，来抑制(或可选地，防止)根据上述腿部运动速度生成非预期大小的锻炼负荷。
68.在示例实施例中，处理器340可基于从传感器330接收的腿部运动的角速度信息来确定用户的腿部运动的速度，并且基于要提供给用户的目标锻炼负荷和所确定的腿部运动的速度来控制电机驱动器电路320。可根据腿部运动的速度随时间的变化来调节电机驱动器电路320中的电连接。为了向用户提供相同的锻炼负荷，可根据腿部运动速度来调整控制
比率，其中，控制比率是第一控制状态的持续时间与第一控制状态之后的第二控制状态的持续时间之间的比率。例如，如果用户的腿部运动的速度从第一速度改变为第二速度，则处理器340可将第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的比率调整为与第二速度相应。如果第二速度大于第一速度(即，如果腿部运动的速度比之前快)，则处理器340可通过减少第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间来调节控制比率。相反，如果第二速度小于第一速度(即，如果腿部运动的速度比之前慢)，则处理器340可通过增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间来调节控制比率。
69.假设控制信号以pwm信号的形式实现，并且可穿戴装置330旨在随时间向用户的身体施加相同大小的锻炼负荷，如果用户的腿部运动的速度比之前快，则处理器340可在pwm信号的每个周期内减小保持高电平值的比率并增加保持低电平值的比率。相反，如果用户的腿部运动的速度比之前慢，则处理器340可在pwm信号的每个周期内增加保持高电平值的比率并减小保持低电平值的比率。
70.用户的腿部运动速度、第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的控制比率以及锻炼负荷的大小(或强度)之间的关系可通过控制模型来确定(或可选地，预定)。关于控制模型的信息可存储在存储器350中。
71.预先，可通过扭矩传感器来测量与锻炼负荷相应的扭矩值，其中，扭矩传感器被配置为在给定施加到电机驱动器电路320的期望(或可选地，预定)的控制比率和与用户的各种腿部运动速度相应的期望(或可选地，预定)的旋转速度时测量扭矩。通过对各种旋转速度和各种控制比率执行该测量过程，可收集关于每个旋转速度和控制比率的锻炼负荷电平的数据。可基于所收集的数据生成用于限定腿部运动速度、控制比率和锻炼负荷的大小之间的关系的控制模型，并且控制模型可输出在给定当前腿部运动的速度时需要被设置用于生成目标锻炼负荷的控制比率的值。可根据输出值来确定第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的比率。控制模型可由例如映射表或关系表达式来定义。例如，可预先确定并以映射表的形式定义根据每个限定的腿部运动速度和锻炼负荷的大小(或强度)来设置控制比率的值。腿部运动速度、控制比率和目标锻炼负荷的相应期望(或可选地，预定)值之间的关系可由映射表限定，并且其他值可通过比例表达式来确定。例如，可如下表1所示定义映射表。
72.[表1]
[0073][0074][0075]
在表1中，v1、v2、
…
、vn与不同的腿部运动速度相应，并且t1、t2、
…
、tn与不同的目
标锻炼负荷相应。p1、p2、...、pn是当给定腿部运动速度和目标锻炼负荷时为用户设置以感觉到目标锻炼负荷的控制比率(第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的比率)的值。
[0076]
作为另一示例，可预先定义其中腿部运动速度和锻炼负荷的大小(或力量)是自变量并且控制比率的值是因变量的关系表达式。当目标锻炼负荷和腿部运动速度被输入到关系表达式时，关系表达式可提供需要为用户设置以感觉到目标锻炼负荷的控制比率(第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的比率)的值。
[0077]
处理器340可基于上述控制模型，基于要提供给用户的目标锻炼负荷和用户的腿部运动速度来确定要施加到电机驱动器电路320的第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间的比率。目标锻炼负荷的大小(或强度)可由用户设置，或者可在锻炼中间根据用户的锻炼状态或由执行被配置为管理用于辅助用户进行锻炼的锻炼程序(被配置为根据锻炼的类型和时间来调整锻炼强度的程序)的软件的处理器340确定(或可选地，预定)的时间来实时设置。处理器340可基于所确定的控制比率来控制电机驱动器电路320中的电连接，从而为用户提供原始预期大小的目标锻炼负荷，而与用户的当前腿部运动速度无关。
[0078]
图5示出了根据示例实施例的处理器的控制操作。
[0079]
参照图5，处理器340可基于控制信号来控制电机驱动器电路320。在该示例中，假设电机驱动器电路320包括h桥电路，该h桥电路被配置为通过多个开关410、420、430和440控制电连接。处理器340可分别基于第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号来控制第一开关410、第二开关420、第三开关430和第四开关440的状态(接通或关断)。
[0080]
处理器340可通过控制电机驱动器电路320中的电连接来生成锻炼负荷，而无需从电池450向电机310供电。处理器340可通过经由第三控制信号和第四控制信号关断第三开关430和第四开关440来断开电池450与电机310之间的电连接，并且连续保持断开状态。在通过关断第三开关430和第四开关440而断开电池450与电机310之间的电连接的状态下，处理器340可通过控制第一控制状态510与第二控制状态520交替地重复用于电机驱动器电路320来生成锻炼负荷。在第一控制状态510下，第一开关410和第二开关420由第一控制信号和第二控制信号接通，由此电机驱动器电路320中的电连接形成闭环。在第二控制状态510下，第一开关410和第二开关420由第一控制信号和第二控制信号关断，由此电机驱动器电路320中的电连接形成开环。如上所述，在第一控制状态510下，在电机310中生成大的旋转阻力，使得用户在与腿的方向相反的方向上感觉到大的阻力。在第二控制状态520下，不生成电力或旋转阻力，使得用户感觉到最小阻力。
[0081]
处理器340可通过调节第一控制状态510的持续时间与第二控制状态520的持续时间之间的比率来调节阻力的大小。例如，用户感觉到的阻力的大小可随着每个重复时间周期内的第一控制状态510的持续时间的比例增加而增加。相反，用户感觉到的阻力的大小可随着第二控制状态520的持续时间的比例增加而减小。
[0082]
图6a、图6b和图6c示出了根据示例实施例的根据用户的腿部运动的处理器的控制操作。
[0083]
处理器340可对穿戴可穿戴装置600的用户的腿部运动自适应地执行参照图5描述的控制操作。图6a和图6b是用于左腿610的可穿戴装置600的控制的示例，并且图6c是用于
右腿650的可穿戴装置600的控制的示例。为了便于描述，假设在图6a和图6c的示例中用户的腿部运动速度相对较快，并且在图6b的示例中用户的腿部运动速度相对较慢。另外，在图6a和图6b的示例中，假设可穿戴装置600旨在向用户提供相同大小的目标锻炼负荷。
[0084]
在图6a的示例中，处理器340可基于pwm信号形式的控制信号620来控制包括在电机驱动器电路320中的开关410和开关420。具有相同信号波形的控制信号620可被提供给开关410和开关420。开关410和开关420在控制信号620的高电平值622处接通，并且在控制信号620的低电平值624处关断。在该控制操作期间，开关430和开关440保持断开。当控制信号620具有高电平值622时，电机驱动器电路320中的电连接形成闭环的第一控制状态510被激活。当控制信号620具有低电平值624时，电机驱动器电路320中的电连接形成开环的第二控制状态520被激活。控制信号620的值周期性地且重复地改变。因此，第一控制状态510与第二控制状态520以期望(或可选地，预定)的间隔交替地重复。pwm信号形式的控制信号620具有以赫兹(hz)为单位重复的周期。作为示例，控制信号620可以以40khz的频率控制第一控制状态510与第二控制状态620之间的改变。
[0085]
在图6b的示例中，处理器340可基于控制信号640来控制包括在电机驱动器电路320中的开关410和开关420。具有相同信号波形的控制信号640被提供给开关410和开关420。开关410和开关420在控制信号640的高电平值642处接通，并且在控制信号640的低电平值644处关断。类似于图6a的示例，控制信号620的值周期性地且重复地改变，使得第一控制状态510与第二控制状态520以期望(或可选地，预定)的间隔交替地重复。
[0086]
如上所述，如果用户的腿部运动的速度变得相对较慢，则用户感觉到相对较小的锻炼负荷。因此，为了将锻炼负荷维持在预期大小，需要增加图6a中所示的第一控制状态510与第二控制状态520的持续时间的比例，使得用户可感觉到相对大的锻炼负荷。考虑到用户感觉到的锻炼负荷的大小根据第一控制状态510与第二控制状态520中的每一个的持续时间的比例而变化的关系，通过根据用户的腿部运动的速度适当地调节第一控制状态510与第二控制状态520中的每一个的持续时间，可向用户提供期望(或可选地，预定)大小的锻炼负荷。
[0087]
假设被配置为感测可穿戴装置600中的腿部运动的传感器330是编码器，传感器330可感测腿部的旋转角度随时间的变化，并将感测到的信息作为比特值发送到处理器340。处理器340可基于所接收的比特值来估计腿部运动的旋转角度，并且基于旋转角度随时间的变化来估计腿部运动的速度。处理器340可通过基于腿部运动的估计速度调整第一控制状态510的持续时间的比例来向用户提供期望(或可选地，预定)大小的锻炼负荷。例如，假设用户的腿部运动的速度在开始时相对较快，如图6a的示例所示，然后变得较慢，如图6b的示例所示。处理器340可将控制信号从如第一控制信号620中的信号波形调整为如第二控制信号640中的信号波形，使得第一控制状态510与第二控制状态520的持续时间的比例可相对增加。如果当用户的腿部运动的速度减小时不执行期望(或可选地，预定)的控制操作，则用户感觉到的锻炼负荷的大小可能减小。然而，在这种情况下，处理器340可通过控制第一控制状态510的持续时间的比例增加来补偿用户可能感觉到的锻炼负荷的大小的减小，使得用户可感觉到期望(或可选地，预定)大小的锻炼负荷。
[0088]
作为另一示例，当用户的腿部运动的速度在开始时如图6b的示例中那样相对较慢，然后如图6a的示例中那样变得更快时(如果用户针对图6b的腿部运动预设与前述示例
不同的适当大小的锻炼负荷)，处理器340可将控制信号从如第二控制信号640中的信号波形调整为如第一控制信号620中的信号波形，使得第一控制状态510的持续时间与第二控制状态520的持续时间的比例可相对减小。如果当用户的腿部运动的速度增加时不执行期望的(或可选地，预定的)控制操作，则用户感觉到的锻炼负荷的大小可能无意地增加。然而，在这种情况下，处理器340可通过控制第一控制状态510的持续时间的比例减小来补偿用户可能感觉到的锻炼负荷的大小的增加，使得用户可感觉到预定大小的锻炼负荷。
[0089]
参照图6c的示例，可针对用户的左腿610和右腿650单独地执行用于提供锻炼负荷的处理器340的控制。因此，施加到右腿650的锻炼负荷的大小和控制信号可分别不同于施加到左腿610的锻炼负荷的大小和控制信号(第一控制信号620)。在用于向右腿650提供锻炼负荷的第三控制信号660中，具有高电平值662的状态的持续时间与具有低电平值664的状态的持续时间之间的比率可与用于向左腿610提供锻炼负荷的控制信号(第一控制信号620)中的比率不同。
[0090]
图7和图8示出了根据示例实施例的根据腿部运动速度的变化的可穿戴装置的控制操作的变化。
[0091]
图7描述了根据用户的腿部运动速度和控制比率的锻炼负荷的大小的变化，其中，控制比率是第一控制状态510的持续时间与第二控制状态520的持续时间之间的比率。波形710、波形720、波形730和波形740分别与作为固定值的不同腿部运动速度相应。腿部运动速度按第一波形710、第二波形720、第三波形730和第四波形740的顺序增加。
[0092]
控制比率的值可以以百分比表示。例如，70％的控制比率的值可指示电机驱动器电路320中的电连接在一个周期内形成闭环的第一控制状态510的持续时间的比例为70％，并且电机驱动器电路320中的电连接形成开环的第二控制状态520的持续时间的比例为30％。
[0093]
假设控制比率的值保持相同，例如，假设控制比率的值为“a”，可看出锻炼负荷的大小随着腿部运动的速度增加而增加。因此，如果用户在穿戴可穿戴装置行走时在具有固定控制比率的环境中增加行走速度，则用户感觉到的锻炼负荷的大小增加。相反，如果用户在具有固定控制比率的环境中降低行走速度，则用户感觉到的锻炼负荷的大小降低。在用户期望固定的目标锻炼负荷的情况下，用户的行走速度的变化可能导致锻炼负荷的变化，这可能导致用户感觉不舒服。
[0094]
参照图8，处理器340可根据用户的腿部运动速度的变化适当地调节控制比率。可穿戴装置110的传感器330可测量用户的腿部运动，并且处理器340可基于所测量的腿部运动来估计腿部运动的速度(例如，关节运动的旋转速度或角速度)。处理器340可根据腿部运动的估计速度的变化使用存储在存储器350中的控制模型来确定如何调节控制比率以提供目标锻炼负荷。当给定目标锻炼负荷并且将腿部运动的速度输入到控制模型中时，控制模型可为电机驱动器电路320提供控制比率以实现目标锻炼负荷。
[0095]
假设当用户在先前时间点的腿部运动的速度是与第四波形740相应的速度810时，用于提供目标锻炼负荷的控制比率的值是“b”。之后，如果用户的腿部运动的速度减小到与第三波形730相应的速度820，则电机310的电动势响应于速度820而减小，并且旋转阻力也减小，使得用户感觉到小于先前为速度810设置的目标锻炼负荷的锻炼负荷。为了向用户提供与之前相同的目标锻炼负荷，控制比率的值应当增加到“c”。处理器340可根据腿部运动
的减小的速度来自动地增大控制比率，从而将目标锻炼负荷保持在期望(或可选地，预定)的大小。例如，在图6a的示例中，假设用户的腿部运动的速度与速度810相应，并且处理器340基于控制信号620控制电机驱动器电路320。之后，如果用户的腿部运动的速度减小到比先前速度810慢的速度820，则处理器340可通过增加先前控制信号620中的第一控制状态510与第二控制状态520的持续时间的比例来将用于电机驱动器电路320的控制信号改变为控制信号640。通过控制信号的这种改变，即使当用户的腿部运动的速度降低时，用户也可感觉到相同大小的锻炼负荷。
[0096]
图9是示出根据示例实施例的可穿戴装置的操作方法的流程图。
[0097]
参照图9，在操作910，传感器330感测用户的身体运动。关于由传感器330感测到的身体运动的信息可被发送到处理器340，并且处理器340可基于关于身体运动的信息来确定身体运动的速度。例如，与根据用户的腿部运动的旋转位置和旋转角度的变化有关的信息可从传感器330发送到处理器340，并且处理器340可通过处理从传感器330接收的信息来计算身体运动的速度。
[0098]
在操作920，处理器340设置要提供给用户的目标锻炼负荷。目标锻炼负荷可具有固定的或随时间变化的值。目标锻炼负荷可例如基于由用户选择的锻炼强度来确定，或者可通过处理器340执行被配置为通过算法随时间调整锻炼负荷的大小的软件来确定。操作910和920可并行执行，或者可以以任何顺序来顺序地执行。
[0099]
在一些示例实施例中，可穿戴装置300还可包括被配置为与外部装置(例如，遥控器)通信的通信器。遥控器可提供使得能够操作或操纵可穿戴装置300的用户界面(ui)，并且用户可通过ui控制可穿戴装置300的功能和操作。遥控器可由用户控制，其中，用户可以是可穿戴装置300的穿戴者或第三方，诸如治疗师或医生。用户可通过遥控器设置或调整目标锻炼负荷。
[0100]
在操作930，处理器340可基于感测到的身体运动的速度来生成用于控制可穿戴装置的电机驱动器电路320的控制信号。处理器340可基于感测到的身体运动来确定身体运动的速度，并且生成用于基于所确定的速度来调整控制比率的控制信号，其中，该控制比率是电机驱动器电路320中的电连接是闭环的第一控制状态的持续时间与电机驱动器电路320中的电连接是开环的第二控制状态的持续时间之间的比率。控制比率可与第一控制状态和第二控制状态之间的每次变化比率相应。当身体运动的速度改变时，处理器340可生成用于将控制比率调整为与身体运动的改变后的速度相应的控制信号，以提供预期的目标锻炼负荷。
[0101]
当身体运动的速度增加时，处理器340可生成用于通过减少第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间来调节控制比率的控制信号。相反，当身体运动的速度减小时，处理器340可生成用于通过增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间来调节控制比率的控制信号。
[0102]
在操作940，处理器340可基于控制信号来控制电机驱动器电路320中的电连接。处理器340可控制第一控制状态与第二控制状态之间的改变，其中，在第一控制状态，电机驱动器电路320中的电连接是闭环，在第二控制状态，电机驱动器电路320中的电连接是开环。处理器340可控制电机驱动器电路320中的电连接，使得第一控制状态与第二控制状态可周期性地和交替地重复，从而通过连接到电机310的框架根据用户的身体运动的速度提供锻
炼负荷。
[0103]
在一些示例实施例中，可穿戴装置300可以以混合模式操作，其中，可穿戴装置300在控制电机310提供阻力(如上所述)和提供辅助力以辅助用户行走之间自动切换。例如，在一些示例性实施例中，用户可进入用户希望关注的特定肌肉或锻炼，并且处理器340可在步态周期的与期望锻炼的肌肉相应的特定部分期间选择性地提供锻炼负荷进行锻炼以增加肌肉力量或恢复期望的肌肉，并且可在步态周期的其他部分期间选择性地提供辅助力以辅助用户。例如，可基于步态阶段不同地激活用户膝盖后面的髋部肌肉和腿筋肌肉以及膝盖前面的股四头肌，并且可穿戴装置300可在步态阶段的与期望肌肉相应的部分期间提供锻炼负荷。
[0104]
本文中所描述的单元可使用硬件组件、软件组件及/或它们的组合来实施。处理装置可使用一个或更多个通用或专用计算机来实现，诸如例如处理器、控制器和算术逻辑单元(alu)、dsp、微计算机、fpga、可编程逻辑单元(plu)、微处理器或能够以定义的方式响应和执行指令的任何其他装置。处理装置可运行操作系统(os)和在os上运行的一个或更多个软件应用。处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操纵、处理和创建数据。为了简单起见，处理装置的描述被用作单数；然而，本领域技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或处理器和控制器。另外，不同的处理配置是可能的，诸如并行处理器。
[0105]
软件可包括计算机程序、一段代码、指令或它们的某种组合，以独立地或统一地指示或配置处理装置以根据需要进行操作。软件和数据可永久地或临时地实现在任何类型的机器、组件、物理或虚拟装置、计算机存储介质或装置中，或者实现在能够向处理装置提供指令或数据或由处理装置解释的传播信号波中。软件还可分布在网络联接的计算机系统上，使得软件以分布式方式存储和执行。软件和数据可由一个或更多个非暂时性计算机可读记录介质存储。
[0106]
根据上述示例实施例的方法可记录在非暂时性计算机可读介质中，该非暂时性计算机可读介质包括用于实现上述示例实施例的各种操作的程序指令。非暂时性计算机可读介质还可单独地或与程序指令组合地包括数据文件、数据结构等。记录在非暂时性计算机可读介质上的程序指令可以是为了示例实施例的目的而专门设计和构造的程序指令，或者它们可以是计算机软件领域的技术人员公知和可用的类型。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cd-rom盘、dvd和/或蓝光盘)；磁光介质(诸如光盘)；以及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(例如，usb闪存驱动器、存储卡、记忆棒等)等)。程序指令的示例包括诸如由编译器生成的机器代码和包含可由计算机使用解释器执行的更高级代码的文件。上述装置可被配置为用作一个或更多个软件模块，以便执行上述示例的操作，反之亦然。
[0107]
上面已经描述了多个示例实施例。然而，应当理解，可对这些示例实施例进行各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式组合和/或由其他组件或其等同物替换或补充，则可实现合适的结果。
[0108]
因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。
技术特征：1.一种可穿戴装置，被配置为在被穿戴在用户的身体上时向所述用户提供锻炼负荷，所述可穿戴装置包括：框架，被配置为穿戴在所述用户的身体上以支撑所述身体；电机，被配置为附接到所述框架；电机驱动器电路，连接到所述电机；传感器，被配置为感测所述用户的身体运动；以及处理器，被配置为生成用于控制所述电机驱动器电路中的电连接的控制信号，以通过基于所述身体运动的速度控制在第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，来根据所述身体运动的速度通过所述框架提供所述锻炼负荷，其中，第一控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是闭环的状态，并且第二控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是开环的状态。2.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为基于所述每次变化比率来周期性地和交替地重复在第一控制状态与第二控制状态之间的切换。3.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为，基于所述身体运动来确定所述身体运动的速度，以及如果所述身体运动的速度从第一速度改变为第二速度，则通过将在第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的所述每次变化比率调整为与第二速度相应，来基于所述身体运动的速度调整所述每次变化比率。4.如权利要求3所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为通过以下操作来调整所述每次变化比率：如果第二速度大于第一速度，则减少第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间，以及如果第二速度小于第一速度，则增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间。5.如权利要求3所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为，从所述用户接收目标锻炼负荷的输入，以及基于所述目标锻炼负荷和所述身体运动的速度来调整所述每次变化比率。6.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为通过在第一控制状态下形成闭环而不使用电池的电力驱动所述电机来生成所述锻炼负荷。7.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述处理器还被配置为通过向所述电机供应电池的电力来控制所述电机在阻碍所述身体运动的方向上生成扭矩，并且通过控制第一控制状态与第二控制状态之间的改变来生成所述锻炼负荷。8.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述电机驱动器电路包括：多个开关，被配置为基于所述控制信号来控制所述电机驱动器电路中的电连接。9.如权利要求1所述的可穿戴装置，其中，所述可穿戴装置被配置为穿戴在所述用户的下身上，以向所述用户的下身提供阻力。10.一种操作可穿戴装置的方法，所述可穿戴装置被配置为当被穿戴在用户的身体上时向所述用户提供锻炼负荷，所述可穿戴装置包括被配置为穿戴在所述用户的身体上的框架和被配置为附接到所述框架的电机，所述方法包括：
经由传感器感测所述用户的身体运动；以及基于所述身体运动的速度生成用于控制所述可穿戴装置的电机驱动器电路中的电连接的控制信号，以通过基于所述控制信号控制在第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，来根据所述身体运动的速度通过所述框架提供所述锻炼负荷，其中，第一控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是闭环的状态，并且第二控制状态是所述电机驱动器电路中的所述电连接是开环的状态。11.如权利要求10所述的方法，其中，所述生成控制信号的步骤包括：生成用于周期性地且交替地重复在第一控制状态与第二控制状态之间的切换的控制信号。12.如权利要求10所述的方法，其中，所述生成控制信号的步骤包括：基于所述身体运动确定所述身体运动的速度；以及响应于所述身体运动的速度从第一速度改变为第二速度，通过将在第一控制状态的持续时间与第二控制状态的持续时间之间的所述每次变化比率调整为与第二速度相应，生成用于基于所述身体运动的速度调整所述每次变化比率的控制信号。13.如权利要求12所述的方法，其中，所述生成控制信号的步骤包括：响应于第二速度大于第一速度，生成用于通过减小第一控制状态的持续时间并增加第二控制状态的持续时间来调整每次变化比率的控制信号。14.如权利要求12所述的方法，其中，所述生成控制信号的步骤包括：响应于第二速度小于第一速度，生成用于通过增加第一控制状态的持续时间并减少第二控制状态的持续时间来调整每次变化比率的控制信号。15.一种存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求10所述的方法。
技术总结一种可穿戴装置可包括电机、电机驱动器电路、连接到电机的框架、处理器和传感器，其中，框架被穿戴在用户的身体上以支撑身体，处理器被配置为生成用于控制电机驱动器电路中的电连接的控制信号，传感器被配置为感测用户的身体运动。处理器还被配置为通过基于身体运动的速度控制在第一控制状态与第二控制状态之间的每次变化比率，来根据感测到的身体运动的速度通过框架提供锻炼负荷，其中，在第一控制状态中电机驱动器电路中的电连接是闭环，在第二控制状态中电机驱动器电路中的电连接是开环。控制状态中电机驱动器电路中的电连接是开环。控制状态中电机驱动器电路中的电连接是开环。
技术研发人员：卢昌贤
受保护的技术使用者：三星电子株式会社
技术研发日：2021.03.08
技术公布日：2022/12/1
