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可穿戴式外骨骼的制作方法

可穿戴式外骨骼
1.相关申请的引用
2.本技术要求2020年4月13日提交的题为“wearable exoskeleton”的美国专利申请no.16/847,380的优先权，该专利申请的公开内容通过引用整体明确地并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及一种用于防止跌倒时受伤的系统和方法，更具体地，涉及一种可以防止跌倒或减少穿戴者的潜在伤害的可穿戴式外骨骼。

背景技术：

4.归因于人的支撑自己防止跌倒的本能动作，跌伤通常发生在跌倒者的四肢，比如手和手腕。当向后或向前跌倒时，人会不自觉地伸展他们的手臂，希望减小地面的冲击，从而防止对他们的面部、头部或其他身体部位的伤害。不幸的是，在这样的情况下，这些四肢容易受到严重伤害，甚至可能比跌倒者跌倒时他们的胸部、背部或臀部着地伤害更大。与手或手腕相比，胸部、背部和臀部可能能够吸收更多的跌倒冲击力，结果受伤的可能性更小。
5.动力外骨骼本质上是一种可穿戴式机器人，它帮助老年人移动，使他们能够提起物品、爬楼梯、防止受伤，以及在尽量减小对他们的关节的冲击力和拉伤的情况下四处走动。动力外骨骼也可以用作仓库、工厂和建筑工人的增强设备，其中一些赋予人类轻松举起200磅重量的能力。无论是老年人还是建筑工人穿戴外骨骼，都对安全性有重要的需求。
6.外骨骼可以为保护人们的安全提供独特的机会。“安全”可以包括防止跌倒、保持穿戴者的稳定性、限制关节负荷等。在这个方向上已经进行了许多工作，其中大部分集中在性能增强上。

技术实现要素：

7.本公开的各个方面提供了用于用户的肢体和身体的动力外骨骼或外服的系统和方法。所述外服(exosuit)还可以配备有安装在所述外服上的各个位置的气囊设备。所述外服可以包括机载计算设备，所述机载计算设备能够感测，实时计算控制命令，并致动肢体和气囊以恢复稳定(跌倒预防)，以及使由跌倒引起的伤害降到最小，如果发生跌倒的话(跌倒保护)。
8.按照一个方面，提供一种可穿戴式设备，所述可穿戴式设备可以包括框架和可操作地耦接到所述框架的至少一个机器人关节。至少一个传感器可以耦接到所述框架。所述传感器可被配置为感测所述框架的运动。控制器可以耦接到所述至少一个机器人关节和所述至少一个传感器。所述控制器可被配置为从所述框架的运动检测事件，并响应于所述事件致动所述至少一个机器人关节。
9.按照本公开的另一个方面，提供一种对抗用户跌倒的方法。可以加载包含一个或多个用户偏好的用户简档。运动事件可以由耦接到框架的传感器感测。可以按照从传感器获得的数据对运动事件进行分类。可以基于所述分类和所述用户简档，响应于所述事件致
动耦接到所述框架的机器人关节。
10.这相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解接下来的详细说明。下面将说明本公开的其他特征和优点。本领域技术人员应意识到的是，本公开可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到的是，此类等效结构并不脱离如在所附权利要求书陈述的本公开的教导。当结合附图考虑时，根据以下的说明将更好地理解就其组织和操作方法而言被认为是本公开所特有的新颖特征，以及另外的目的和优点。然而，应当明确地理解的是，各个附图只是出于举例说明的目的而提供的，而不打算作为本公开的限制的定义。
附图说明
11.根据下面结合附图陈述的详细说明，本公开的特征、性质和优点将变得明显，附图中，相同的附图标记始终识别对应的元件。
12.图1是按照本公开的一个方面的跌倒者的示例。
13.图2是按照本公开的一个方面的穿戴外服的用户的概念示例。
14.图3a是按照本公开的一个方面的跌倒用户的概念示例。
15.图3b是按照本公开的一个方面的跌倒用户的概念示例。
16.图3c是按照本公开的一个方面的跌倒序列的概念示例。
17.图4是按照本公开的一个方面的可穿戴式外服的硬件实现。
18.图5是按照本公开的一个方面的跌倒预防/保护操作的流程图。
19.图6是按照本公开的一个方面的用于防止伤害的方法的流程图。
具体实施方式
20.下面结合附图陈述的详细说明旨在作为各种构成的说明，而不是用来表示其中可以实践本文中所述的概念的唯一构成。详细说明包括用于透彻理解各种概念的具体细节。然而，对于本领域的技术人员来说，显然可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，为了避免模糊这些概念，以框图的形式示出了众所周知的结构和组件。
21.本公开的各个方面提供一种适合于和配置为保护穿戴者或用户的安全的外服。在本公开的上下文中，“安全”可以包括但不限于防止跌倒，保持穿戴者的稳定性，限制关节负荷等。虽然这个方向的许多工作都集中于性能增强，但是本公开的各个方面包括一种用于防止用户跌倒或因跌倒而受伤的系统和方法。
22.如本文中所述，用户，可能是老年人，可以装备适于贴合用户的肢体的动力外服。按照一个方面，所述外服可以配备有安装在所述外服上的各个位置的气囊设备。本文中所述的外服可以包括机载计算设备，所述机载计算设备能够感测，实时计算控制命令，并致动肢体和气囊以恢复稳定，即，跌倒预防，以及使由跌倒引起的伤害降到最小，如果发生跌倒的话，即，跌倒保护。
23.例如，如果用户在湿地板上绊倒或打滑，导致他们向前跌倒，则系统可以试图通过致动腿部或向后调节重心让人站起来。如果这失败了，则胸部的气囊可以展开，并且可以使前臂移出跌倒的路线之外。作用于人的肢体的力的大小将按照人的年龄、身体状况等来调整。所述外服还能够展开小型气囊，将手臂放置在将保护用户的位置，并帮助用户，特别是
老年人，在无人帮助下的情况下站起来。所述外服还可以包括能够与医疗保健提供者通信，以向所述提供者通知跌倒或可能的伤害的软件和硬件。
24.图1描述了按照本公开的一个方面的跌倒者102的概念示例100。当人102由于失去平衡，在冰上或某种其他表面上打滑而向前跌倒时，人102会本能地、不由自主地伸展他们的手臂和手106，以支撑他们自己免受地面105或某种其他表面的冲击。人102可能会本能地采取行动，用他们的手臂、手腕和手106来吸收冲击，以减小或防止人的头部104撞击地面105。类似地，如果人102向后跌倒，则人102会将手臂、手腕和手106向后伸展，以支撑他们自己并吸收与地面105的冲击，也许是为了避免地面105冲击他们的头部、背部或臀部。
25.不幸的是，手臂、手腕和手，尤其是老年人的手臂、手腕和手，吸收冲击力的能力很差，经常会严重受伤，常常会使跌倒者在跌倒后无法站起来。本公开的各个方面提供一种可穿戴式外服，所述外服理想地首先可以防止跌倒，而且可以将穿戴者的身体(包括诸如手臂、手腕、手、颈部之类的肢体)铰接(articulate)成可以使跌倒造成的伤害最小化的姿势(position)。
26.图2是按照本公开的一个方面的穿戴外服202的人102的概念示例200。按照一个方面，外服202可以包括具有铰接的上肢205和铰接的下肢207的可穿戴式套装或设备。铰接的上肢205可以包括可操作地耦接到核心单元210和腰部单元212的肩关节208、肘关节209和腕关节206。铰接的下肢207可以包括可操作地耦接到核心单元210和腰部单元212的膝关节211和踝关节213。外服202的每个关节可被配置为与用户的对应关节大体对齐。每个关节可以包括多达6个自由度，以允许与对应用户的关节相似的旋转和运动。外服202还可以包括可操作地耦接到核心单元210的头部/颈部单元204。
27.按照一个方面，本领域已知外服202可以包括附加的机器人结构和操作组件，包括但不限于电机、伺服机构、支柱、支架等。这样的结构和操作组件用于按照本文中讨论的参数和架构物理地铰接外服。例如，外服可以包括配置为移动、旋转和以其他方式定位用户身体的部位，以实现本公开中所述的跌倒预防和保护架构的结构和操作组件。
28.图3a描述了按照本公开的一个方面的跌倒者102的概念示例300a。按照一个方面，例如，老年人102可以出于辅助目的(包括增强移动能力、防止跌倒或防止受伤)而穿戴外服202。如图3a中所示，人102已经开始向后倒向地面105。人102会本能地将他们的手臂向后和向下伸向地面105，以努力支撑他们自己或缓冲他们自己免受跌倒的冲击。然而，这种运动可能对人102的手、手腕、肘部或肩部造成更大的受伤风险。
29.按照一个方面，并如在图3b的概念示例中所示，在感测和检测到跌倒时，外服202可以使人102处于设计成使伤害最小化的姿势。例如，外服202可以致动核心单元210和腰部单元212，以使用户转动他们的髋部，使得用户的臀部直接撞击地面105，而不是髋部。另外，外服202可以向上或向外铰接用户的手臂，防止将手臂用作支撑，从而防止对手、手腕、肘部或肩部的伤害性冲击。头部/颈部单元204也可以致动以抬高用户的头部和颈部，防止或者使与地面105的撞击最小化。
30.在外服202已经使用户处于使得用户的臀部将承受大部分的跌倒冲击力的姿势时，更脆弱且易于受伤的身体部位已经被移出了冲击区域。用户的臀部可能包括围绕骨头和关节的更多脂肪和肌肉组织，使之成为身体的更适合与地面碰撞的部位。
31.按照一个方面，外服可以配备一个或多个气囊214，所述气囊214在感测到跌倒时
被展开，从而在用户的身体和地面105之间提供缓冲。虽然图3b的示例描述了向后跌倒在用户的臀部，于是描述了气囊214在臀部和地面105之间的展开，但是气囊可以布置在外服的任何部分和用户身体的任何部分周围，以按照感测到的跌倒方向和用户身体可能受冲击的部位有选择地展开。例如，如果人102从楼梯上摔下来，则外服可以通过在撞击之前展开一个或多个气囊来减轻碰撞，防止由于跌倒而造成的严重伤害。按照一个方面，并且如本文中所述，外服还可以在跌倒期间及时地致动用户的手臂和腿的运动，以减缓跌倒的速度，并且防止对头部、脊柱、手腕等的伤害。
32.此外，虽然图3a和图3b的外服202描述了控制人102的上身的外服，但是本领域的技术人员会意识到，外服可以扩展到包括用户的腿部。外服的尺寸和覆盖范围可以取决于用户、他们的特定身体或健康素质以及其他问题。本文中所述的外服202可以被改造、最大化或最小化以覆盖和控制用户的任何数量的关节、四肢或其他身体部位。
33.按照一个方面，外服可被配置为有助于防止跌倒，从而消除跌倒造成的潜在伤害。图3c描述了随着时间t的跌倒序列300c，其中人102开始跌倒，并且在外服感测到可能的跌倒时，外服以对抗跌倒并恢复人的平衡的方式帮助人102移动其身体。如图3c中所示，在时间(a)，用户可能正站着、行走或以其他方式正常移动。在时间(b)，用户可能滑到、失去平衡或者以其他方式开始向前跌倒。在时间(c)，当人102跌倒时，外服可以做出反应，试图纠正跌倒并从跌倒中拉回。外服202可以使手臂、髋部、头部或其他可操作地耦接的身体部位逆着跌倒的方向移位。在时间(d)，外服可以通过致动肢体、核心单元、腰部单元和/或头部/颈部单元，使人102恢复到更直立的姿势。在时间(e)，外服可以继续致动用户的身体来对抗跌倒动作，或者初始的对抗跌倒动作，以重新建立用户的平衡和移动性，如在时间(f)所示。因此，外服可以防止人102摔倒，从而防止任何伤害。
34.图4是图解说明按照本公开的各个方面的跌倒预防/保护系统400的硬件实现的例子的示图。跌倒预防/保护系统400可以是外骨骼、外服、服装、机器人设备或其他设备的组件。例如，如图4中所示，跌倒预防/保护系统400可以是可穿戴式外服428的组件。本公开的各个方面不限于作为外服428的组件的跌倒预防/保护系统400，因为也考虑了其他设备，包括服装和其他设备使用跌倒预防/保护系统400。
35.跌倒预防/保护系统400可以用通常由总线430表示的总线架构来实现。总线430可以包括任意数量的互连总线和桥接器，取决于跌倒预防/保护系统400的具体应用和总体设计约束。总线430可以将包括由处理器420、通信模块422、位置模块418、传感器模块402、致动模块426、规划模块424和计算机可读介质414表示的一个或多个处理器和/或硬件模块的各种电路链接在一起。总线430还可以链接各种其他电路，比如定时源、外围设备、稳压器和电源管理电路，这些电路在本领域中是众所周知的，于是不再进一步说明。
36.跌倒预防/保护系统400可以包括耦接到处理器420、传感器模块402、外服控制系统模块408、通信模块422、位置模块418、致动模块426、规划模块424和计算机可读介质414的收发器416。收发器416耦接到天线434。收发器416通过传输介质与各种其他设备通信。例如，收发器416可以经由往来于服务器或远程设备，比如监控设备的传输来发送和接收命令。作为另一个例子，收发器416可以将状态、数据、统计信息和其他信息从外服控制系统模块308发送到服务器(未示出)。
37.外服控制系统模块408可以包括耦接到计算机可读介质414的处理器420。处理器
420可以进行处理，包括存储在计算机可读介质414上的提供按照本公开的功能的软件的执行。所述软件当由处理器420执行时，使跌倒预防/保护系统400执行针对特定设备，比如外服428，或模块402、408、414、416、418、420、422、424、426中的任意一个所说明的各种功能。计算机可读介质414也可用于存储处理器420在执行软件时所操作的数据。
38.传感器模块402可以用于经由不同的传感器，比如第一传感器406、第二传感器404和第三传感器410获得测量结果。第一传感器406可以是运动传感器，比如加速度计、陀螺仪，惯性测量单元等。第二传感器可以包括视觉传感器，比如立体相机、红绿蓝(rgb)相机、激光雷达或雷达。第三传感器404可以是健康传感器，比如心率监测器，血氧传感器等。健康传感器可被配置为经由收发器416或通信模块422，将用户跌倒后的健康信息提供给门诊或医疗保健提供者。当然，本公开的各个方面不限于上述传感器，因为其他类型的传感器，例如热、声纳和/或激光也被考虑用于传感器404、406、410中的任何一个。传感器404、406、410、406的测量结果可以由处理器420、传感器模块402、对象跟踪模块408、通信模块422、位置模块418、致动模块426、规划模块424中的一个或多个与计算机可读介质414配合进行处理，以实现本文中所述的功能。在一种配置中，由第一传感器406、第二传感器304和第三传感器406捕获的数据可以经由收发器416发送到外部设备。传感器404、406、410可以耦接到外服428或者可以与汽车428通信。
39.位置模块418可以用于确定外服428的位置。例如，位置模块418可以使用全球定位系统(gps)来确定外服428的位置。例如，跌倒预防/保护系统400可能能够与远程监控服务，比如门诊服务或其他医疗服务提供者进行通信。如果检测到或触发了跌倒，则跌倒预防/保护系统400可以发送外服428的位置，从而使服务可以容易地定位用户并向用户发送帮助。
40.通信模块422可以用于便利经由收发器416的通信。例如，通信模块422可被配置为经由不同的无线协议，比如蓝牙、wi-fi、长期演进(lte)、3g、5g等提供通信能力。通信模块还可被配置为在用户和诸如医生、急诊室或911接线员之类的医疗保健提供者之间建立通信通道。在检测到严重受伤或生命体征缺失时，通信模块可以通过与用户的电话、机载通信设备等的连接与医疗保健提供者建立通信。通信模块422还可以用于与外服428的不是外服控制系统模块408的模块的其他组件通信。
41.致动模块426可以用于便利和控制外服428的致动。例如，致动模块426可以控制外服428的肢体、核心单元、腰部单元，头部/颈部单元和/或其他可移动组件的运动。作为另一个例子，致动模块426可以与外服428的电源(比如电池)通信。
42.跌倒预防/保护系统400还可以包括规划模块424，用于规划对检测到的或可能的跌倒的响应，并经由致动模块426控制外服428的致动。规划模块424可以包括规定外服428在被激活时如何进行响应的一组指令或设定。例如，取决于来自传感器404、406、410任意之一的详细说明用户运动的方向、速度和取向的信号，规划模块可以响应以纠正或预防动作，以防止跌倒或在跌倒期间保护用户。
43.在一种配置中，规划模块424可以依据用户偏好的简档或集合，包括或提供对跌倒的预测响应，所述用户偏好的简档或集合是按照健康素质定义或设定的。例如，在跌倒之后或跌倒期间，外服202可以考虑到特别指出的简档，使用户处于让他们可以容易地站起来的姿势，比如由于早已存在的背伤，因此侧身着地或以坐姿着地可能比背部着地更可取。类似地，如果用户的髋部有问题或以前髋部受过伤，则规划模块可以定义配置为在跌倒期间或
跌倒之后，使用户处于尽量避免对髋部的冲击的姿势(比如坐姿或臀部着地)的简档。规划模块424以及本文中所述的其他模块可以是驻留/存储在计算机可读介质414中，在处理器420中运行的软件模块，耦接到处理器420的一个或多个硬件模块，或者它们的某种组合。
44.外服控制系统模块408可以与传感器模块402、收发器416、处理器420、通信模块422、位置模块418、致动模块426、规划模块424和计算机可读介质414通信。在一种配置中，外服控制系统模块408可以从传感器模块402接收传感器数据。传感器模块402可以从传感器404、406、410接收传感器数据。按照本公开的各个方面，传感器模块402可以过滤数据以去除噪声，编码数据，解码数据，合并数据或进行其他功能。在备选配置中，外服控制系统模块408可以直接从传感器404、406、410接收传感器数据。
45.如图4中所示，外服控制系统模块408可以与规划模块424和致动模块426通信，以按照感知的用户的运动来检测、分析和操作外服428。如本文中所述，外服控制系统模块408可以分析来自传感器模块402和其他模块的数据，以检测跌倒、可能的跌倒、跌倒前或跌倒后用户的姿势，或用户的健康状况，如本文中所述。
46.图5描述按照本公开的一个方面的跌倒保护/预防操作的流程图500。按照一个方面，系统可以定义一组高度个性化的用户偏好和健康素质，如在框510中所示。可以针对具有某些健康状况、年龄限制或移动能力限制的用户使系统个性化。这些限制可以包括在用户简档中，用户简档可以规定系统将如何响应可能的跌倒或实际的跌倒。例如，髋部有问题或受损的用户可以包括通知系统铰接用户的肢体和身体，以避免在跌倒期间该髋部撞击地面的简档。类似地，如果由于已知的情况，用户的一只手臂或一条腿力量更大，则系统可以依赖于该信息适当地铰接用户的肢体，以弥补力量的不足。
47.按照一个方面，控制系统和/或规划模块可以判定是否发起跌倒预防操作(如框505所示)或跌倒保护操作(如框520所示)。跌倒预防操作可以按照机载控制器对惯性加速度、关节位姿和任何外力(或力的估计)的感测来动态调整用户的肢体，以保持用户直立。控制系统可被设计成优化成本函数，所述成本函数考虑到施加的最大肢体力、最大肢体速度和关节限制以稳定用户。这可能需要粗略的用户模型，并且可以经由安装在外服本身上的每个肢体上的力传感器来考虑对外服的致动器的反阻力。按照一个方面，用户可以被视为未建模的干扰信号。这可能还需要测量关节角度的传感器和测量身体的加速度的惯性测量单元(imu)。这种控制可以使用模型预测控制(mpc)或类似的最优控制方法在线进行。
48.跌倒预防模块还可以包括稳定性包络估计。稳定性包络可以包括定义用户的稳定状态的条件和边界的基于模型的分析。例如，稳定性包络可以基于零力矩点的概念。零力矩点指定脚与地面接触处的动态反作用力在水平方向上不产生任何力矩的点。这是水平惯性力和重力之和等于零的点。按照一个方面，零力矩点可以用于基于脚部放置和其他参数将确定的质心保持在支撑多边形内。可以扩展零力矩点概念以考虑动态行走，但是代价是必须使用计算成本更高的方法。在例如利用零力矩点测量稳定性包络时，存在要估计的参数，包括用户的质量、重心、以及重心的加速度。某些参数可以完全或部分由用户确定，例如通过在应用中输入此类信息。其他参数可以在线估计。
49.系统可以驱动外服的致动，以试图将所述用户保持在稳定性包络内，从而防止跌倒。然而，如果系统检测到超过稳定性包络的边界的移动，则可以执行跌倒检测操作，如在框510中所示。超出偏离稳定性包络的跌倒的检测可以在来自传感器的信息(包括用户的加
速度、移动的角度和方向)的情况下由基于模型的估计来定义。这种确定也可以基于如上详细所述的零力矩点。
50.如果检测到跌倒，则系统进行在框515中所示的跌倒分类操作，可以按照多个预先定义的跌倒类别来确定发生的跌倒的类型，包括但不限于面部先跌倒、侧面先跌倒、背部先跌倒、头部先跌倒等。一旦跌倒被分类，规划模块就可以执行在框520中所示的跌倒保护操作。
51.按照一个方面，在跌倒保护操作期间，系统可以使用控制器来调整肢体，但是控制目标可能是优化身体各个部位的冲击强度，而不是优化稳定性。按照一个方面，该目标可以使成本最小化，所述成本是各项的加权和，其中每一项考虑身体的特定部位的冲击力。例如，外服的目的可能是使头部、手腕、膝盖、背部、胸部、臀部和肩部在撞击时的力最小化，其中臀部会被赋予较小的权重(从而优选承受更大的力)，而头部会被赋予较大的权重(因此优选承受较小的力或不受力)。跌倒保护可能需要人跌倒的模型，并且可以使用mpc来解决。
52.跌倒保护操作可以限定和控制肢体姿势，以使跌倒造成的任何伤害最小化。例如，如果感知到用户向后跌倒，则跌倒保护操作可以指令系统使手臂和头部处于向前的姿势。如果用户向前跌倒，则跌倒保护操作可以指令系统使手处于向前的姿势，并扭动用户的躯干，从而使肩膀着地。另外，按照一个实施例，可以展开一个或多个气囊以防止伤害。
53.按照本公开的一个方面，外服设备保护用户的方式可以经由电话机或计算机应用，针对特定人进行微调。用户可以输入他们的年龄、体重、性别、残疾、健康状况，包括是否怀孕。当用户跌倒或处于危险中时，外服可以以保护用户的安全，而不会使身体的敏感部位承受过大压力(这种过大压力要么来自外服导致的突然移动和推拉，要么来自跌倒本身的冲击力)的方式做出反应。例如，通过倾向于肢体着地而不是躯干着地，系统可以保护孕妇。对于患有骨质疏松症的老年人，外服可以有助于以减小对骨骼，特别是脊柱的压力的方式着地。系统还可以考虑特定年龄段的与跌倒所造成的伤害相关的统计数据，然后在跌倒保护成本函数中考虑预防使人最脆弱的伤害。
54.在进行跌倒预防/保护操作之后，系统可以执行跌倒后分类，如在框525中所示。按照一个方面，系统可以确定用户的取向，例如，面部朝下、侧面朝下、背部朝下。可以进行这样的分类，以试图帮助用户进行跌倒恢复操作，如在框530中所示。系统可以使用户的肢体处于最佳地帮助用户从跌倒中恢复的姿势，无论是恢复到站立姿势还是在进一步的帮助到来时转向安全的姿势。
55.按照跌倒恢复操作的另一个方面，系统可以执行一个或多个诊断过程。系统可以通过检查其自身状况来评估对外服的影响，并且还可以通过计算在跌倒期间施加在用户身上的力来评估对用户的可能伤害。另外，如果需要，系统可以建议用户就医，或者如果它识别到紧急情况，则直接呼叫91。按照另一个方面，系统可以联系制造商报告自身的损坏情况，以便进行维护。
56.按照本公开的另一方面，提供一种使用外服防止跌伤的方法。图6是按照本公开的一个方面的用于对抗跌倒的示例性方法的流程图600。如在框602中所示，外服可以加载用户简档。本文中所述的外服可以包括用于存储此类用户简档的存储器，以及加载用户简档的处理硬件和软件。按照一个方面，用户简档可以包括特定于用户的信息和参数，这些信息和参数将在对抗跌倒事件时，由外服用于保护用户。
57.如在框604中所示，外服可以通过耦接到外服的框架的一个或多个传感器来感测运动事件。如本文中所述，传感器和外服处理器可被配置为基于用户简档和定义用户的正常体位的稳定性包络来检测和确定运动事件。如果感测到的运动指示超出稳定性包络的运动，则外服可以按照一个或多个简档对运动事件进行分类，例如包括跌倒预防事件或跌倒保护事件，如在框606中所示。如果系统将该运动分类为跌倒预防事件，则系统可以发起跌倒预防运动来对抗该运动事件。例如，如果系统确定用户的运动指示跌倒的可能性高，但是可能是可以纠正的，则系统可以发起外服以及外服的一个或多个机器人关节的运动来对抗该运动，并帮助用户重新建立平衡和稳定的姿势。
58.如果系统将运动事件分类为跌倒保护事件，则系统可以发起跌倒保护运动，如在框610中所示。例如，如果运动事件超过稳定性包络，使得必须会发生跌倒，则系统可以发起跌倒保护运动。如本文中所述，跌倒保护运动可以包括外服致动外服的一个或多个机器人关节，以将用户的身体和肢体操纵为在跌倒期间可以使对用户的伤害最小化的姿势。这可以包括抬高用户的手臂以避免手腕的伤害性冲击，抬高和支撑用户的头部，或者本文中所述的其他此类运动。
59.在跌倒预防运动或跌倒保护运动之后，如在框612中所示，系统可以发起跌倒恢复操作。如在本文中所述，跌倒恢复操作可以包括使用户处于帮助用户站起来或等待进一步帮助的姿势。它还可以包括向医疗服务提供者或其他提供者，包括医生、医院、911接线员、现场急救员等发送请求和其他信息。诊断和分析信息可以被保存并发送到制造商或其他服务提供者。
60.虽然本公开的各个方面说明了一种由老年人或残疾用户穿戴的外服，但是本公开并不局限于此。例如，可以针对行人安全实现本文中所述的外服系统。如果穿戴者在穿过街道时有碰撞的危险，或者已经与车辆或其他道路发生碰撞，则外服可以如本文中所述作出响应，以使由撞击而造成的任何伤害最小化。
61.作为所公开的系统的实际应用的另一个例子，在建筑或工厂环境中，有机会使用外服的可展开气囊或策略性肢体致动来防止或减轻因跌倒或与移动部件或机器碰撞而造成的伤害。
62.基于上述教导，本领域的技术人员应意识到，本公开的范围意欲覆盖本公开的无论是独立于本公开的任何其他方面实现的，还是与本公开的任何其他方面结合地实现的任何方面。例如，可以使用所述的任意数量的方面来实现一种装置或实践一种方法。另外，本公开的范围意欲覆盖使用除了所述的本公开的各个方面之外或不同于所述的本公开的各个方面的其他结构、功能、或结构和功能来实践的此类装置或方法。应当理解的是，本公开的任何方面可以由权利要求的一个或多个要素来体现。
63.本文中，词语“示例性的”用来表示“作为例子、实例或示例”。本文中描述为“示例性的”的任何方面不一定被解释为比其他方面更可取或者优于其他方面。
64.尽管本文中说明了特定的方面，但是这些方面的许多变化和置换都落在本公开的范围之内。尽管提到了优选方面的一些好处和优点，但是本公开的范围并不意欲局限于特定的好处、用途或目标。相反，本公开的各个方面旨在广泛地适用于不同的技术、系统配置、网络和协议，其中的一些在附图中和在下面的优选方面的说明中通过例子加以说明。详细说明和附图仅仅是对本公开的举例说明，而不是限制性的，本公开的范围由所附权利要求
及其等同物限定。
65.本文中使用的术语“确定”包括各种各样的行动。例如，“确定”可以包括运算、计算、处理、导出、调查、查(例如，在表、数据库或其他数据结构中查)、查明等。另外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解析、挑选、选择、建立等。
66.本文中使用的涉及项目列表中的“至少一个”的短语指的是这些项目的任意组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在覆盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
67.结合本公开说明的各个例证性逻辑块、模块和电路可以由专门配置为进行本公开中讨论的功能的处理器来实现或进行。所述处理器可以是用来进行本文中讨论的功能的神经网络处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列信号(fpga)或其他可编程逻辑器件(pld)、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或它们的任何组合。或者，处理系统可以包括用于实现本文中所述的神经元模型和神经系统的模型的一个或多个神经形态处理器。处理器可以是如本文中所述特别配置的微处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心结合的一个或多个微处理器、或者此类其他特殊配置，如本文中所述。
68.结合本公开说明的方法或算法的步骤可以直接用硬件体现，用由处理器执行的软件模块体现，或者用两者的组合体现。软件模块可以驻留在存储装置或机器可读介质中，包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存、可擦可编程只读存储器(eprom)、电可擦可编程只读存储器(eeprom)、寄存器、硬盘，可移动盘、cd-rom或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储设备，或者可以用于以指令或数据结构的形式携带或存储所需程序代码，并且可以由计算机访问的任何其他介质。软件模块可以包含单个指令或多个指令，并且可以分布在几个不同的代码段，不同的程序以及多个存储介质上。存储介质可以耦接到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。或者，存储介质可以集成到处理器中。
69.本文中公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。所述方法步骤和/或动作可以彼此互换，而不脱离权利要求书的范围。换句话说，除非规定了步骤或动作的特定顺序，否则可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用，而不脱离权利要求书的范围。
70.所说明的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。如果用硬件来实现，则示例硬件构成可以包括设备中的处理系统。所述处理系统可以用总线架构来实现。总线可以包括任意数量的互连总线和桥接器，取决于处理系统的具体应用和总体设计约束。总线可以将包括处理器、机器可读介质和总线接口的各种电路链接在一起。总线接口可以用于经由总线将网络适配器等连接到处理系统。网络适配器可以用于实现信号处理功能。对于某些方面，用户接口(例如，小键盘、显示器、鼠标、操纵杆等)也可以连接到总线。总线还可以链接各种其他电路，比如定时源、外围设备、稳压器、电源管理电路等，这些电路在本领域中是众所周知的，于是不再进一步说明。
71.处理器可以负责管理总线和处理，包括存储在机器可读介质上的软件的执行。软件应被解释为意味着指令、数据或它们的任何组合，无论被称为软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其他。
72.在硬件实现中，机器可读介质可以是与处理器分离的处理系统的一部分。然而，正如本领域的技术人员易于意识到的那样，机器可读介质或其任何部分可以在处理系统的外部。例如，机器可读介质可以包括传输线、由数据调制的载波和/或与设备分离的计算机产品，所有这些都可以由处理器通过总线接口访问。可替选地或者另外，机器可读介质或其任何部分可以被集成到处理器中，比如可能带有高速缓存和/或专门的寄存器文件的情况。尽管所讨论的各个组件可能被描述为具有特定的位置，比如本地组件，但是它们也可以以各种方式配置，比如某些组件被配置为分布式计算系统的一部分。
73.机器可读介质可以包括若干软件模块。软件模块可以包括发送模块和接收模块。每个软件模块可以驻留在单个存储设备中或分布在多个存储设备上。例如，当触发事件发生时，软件模块可以从硬盘加载到ram中。在软件模块的执行期间，处理器可以将一些指令加载到高速缓存中以提高访问速度。然后可以将一个或多个高速缓存行加载到专用寄存器文件中，以供处理器执行。当下面提到软件模块的功能时，应理解的是，此类功能是由处理器在执行来自该软件模块的指令时实现的。此外，应意识到的是，本公开的各方面导致对实现这些方面的处理器、计算机、机器或其他系统的功能的改进。
74.如果用软件来实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码在计算机可读介质上存储或传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，通信介质包括便于将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何存储介质。
75.此外，应意识到的是，如果适用的话，用于进行本文中所述的方法和技术的模块和/或其他适当手段可以由用户终端和/或下载和/或以其他方式获得。例如，此类设备可以耦接到服务器，以便于传送用于进行本文中所述的方法的手段。或者，可以经由存储装置提供本文中所述的各种方法，使得在将存储装置耦接到设备或将存储装置提供给设备时，用户终端和/或可以获得各种方法。此外，可以利用任何其他合适的技术来向设备提供本文中所述的方法和技术。
76.应理解的是，权利要求不限于上面举例说明的精确构成和组件。在不脱离权利要求的范围的情况下，可以在上述方法和装置的布置、操作和细节方面进行各种修改、更改和变动。

技术特征：

1.一种可穿戴式设备，包括：框架；可操作地耦接到所述框架的至少一个机器人关节；耦接到所述框架的至少一个传感器，所述传感器被配置为感测所述框架的运动；耦接到所述至少一个机器人关节和所述至少一个传感器的控制器，所述控制器被配置为：从所述框架的运动检测事件；响应于所述事件致动所述至少一个机器人关节。2.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中致动所述至少一个机器人关节包括致动所述至少一个机器人关节以对抗所述框架的运动。3.按照权利要求2所述的可穿戴式设备，其中致动所述至少一个机器人关节包括使所述框架恢复稳定姿势。4.按照权利要求2所述的可穿戴式设备，其中所述事件包括所述框架的运动超过稳定性包络。5.按照权利要求4所述的可穿戴式设备，其中所述稳定性包络是通过基于模型的分析估计的。6.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中所述事件包括跌倒检测。7.按照权利要求6所述的可穿戴式设备，其中致动所述至少一个机器人关节包括使所述框架移动到受保护姿势。8.按照权利要求6所述的可穿戴式设备，还包括耦接到所述框架的气囊，所述控制器还被配置为在检测到所述事件时展开所述气囊。9.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中所述框架包括被配置为由用户穿戴的外骨骼。10.按照权利要求9所述的可穿戴式设备，还包括耦接到所述框架的多个机器人关节，每个机器人关节对应于所述外骨骼的关节。11.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中所述控制器还被配置为：从所述框架的运动的终止检测第二事件；响应于所述第二事件致动所述至少一个机器人关节。12.按照权利要求11所述的可穿戴式设备，其中响应于所述第二事件致动所述至少一个机器人关节包括将所述框架致动到恢复姿势。13.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，还包括被配置为在检测到所述事件时发送警报的通信设备。14.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中所述控制器还被配置为：检测所述事件，并按照用户简档，响应于所述第一事件致动所述至少一个机器人关节。15.按照权利要求14所述的可穿戴式设备，其中所述用户简档包括特定于用户的与身体素质相关的信息。16.按照权利要求15所述的可穿戴式设备，其中所述身体素质包括健康状况。17.按照权利要求1所述的可穿戴式设备，其中所述至少一个机器人关节包括肩关节、肘关节、腕关节、腰部单元、膝关节、踝关节和头部/颈部单元中的一个或多个。
18.一种对抗用户跌倒的方法，包括：加载包含一个或多个用户偏好的用户简档；通过耦接到框架的传感器感测运动事件；按照从所述传感器获得的数据对所述运动事件分类；基于所述分类和所述用户简档，响应于所述事件致动耦接到所述框架的机器人关节。19.按照权利要求18所述的方法，还包括：将所述运动事件分类为跌倒预防事件，所述跌倒预防事件由超过稳定性包络的运动事件定义；并且其中致动所述机器人关节包括对抗所述框架的运动，以使框架恢复稳定姿势。20.按照权利要求18所述的方法，还包括：将所述运动事件分类为跌倒事件；以及致动所述机器人关节以将所述框架移动到受保护姿势。

技术总结

提供用于用户的肢体和身体的动力机器人外骨骼或外服的系统和方法。所述外服可以配备有安装在所述外服上的各个位置处的气囊设备。所述外服可以包括机载计算设备，所述机载计算设备能够感测，实时计算控制命令，并致动肢体和气囊以恢复稳定(跌倒预防)，以及使由跌倒引起的伤害降到最小，如果发生跌倒的话(跌倒保护)。护)。护)。