用于可穿戴系统的控制优化技术方案

可穿戴系统，包括：机械护甲或外骨骼；至少一个致动器，其在机械护甲或外骨骼中产生力；至少一个传感器，其测量用于评估与下列内容相关联的对象函数的信息：向穿戴者提供身体辅助、穿戴者跟机械护甲或外骨骼之间的相互作用、和/或机械护甲或外骨骼的操作；以及至少一个控制器，其被配置成：根据至少一个致动曲线致动至少一个致动器，基于由至少一个传感器测量的信息评估对象函数以确定对象函数的所得变化，基于对象函数的所得变化调整至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调整以优化用于使对象函数最大化或最小化的至少一个致动参数。可穿戴系统被配置为帮助或促进穿戴者步态的改善，并使用梯度下降或贝叶斯方法进行优化。

Control optimization for wearable systems

Wearable systems include: mechanical armor or exoskeleton; at least one actuator that generates force in mechanical armor or exoskeleton; at least one sensor that measures information for evaluating object functions associated with the following: providing physical assistance to the wearer, interaction between the wearer and mechanical armor or exoskeleton, and/or manipulation of mechanical armor or exoskeleton To perform; and at least one controller configured to actuate at least one actuator according to at least one actuation curve, to evaluate the object function based on the information measured by at least one sensor to determine the change of the object function, to adjust at least one parameter of the actuation curve based on the change of the object function, and to continue to actuate, evaluate and adjust to optimize. At least one actuation parameter for maximizing or minimizing the object function. Wearable systems are designed to help or facilitate the improvement of the wearer's gait and are optimized using gradient descent or Bayesian methods.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可穿戴系统的控制优化相关申请的交叉引用本申请要求2016年7月22日提交的美国临时专利申请第62/365,494号和2017年6月20日提交的美国临时专利申请第62/522,617号的优先权，因此将所有这些申请的全部内容以引用的方式并入本文中以用于所有目的。政府支持本专利技术是在美国国防部高级研究计划局(DARPA)授予的基金W911NF-14-C-0051和美国国家科学基金会(NSF)授予的奖项1446464的政府支持下做出的。政府拥有本专利技术中的某些权利。
技术介绍
软的机械护甲(exosuit)具有许多可能的应用。例如，健康的个体可以利用软的机械护甲来降低行走的能量成本，从而提高耐力并允许它们承载更重的负荷。作为另一示例，步态受损的个体(例如，中风患者、具有肌肉或神经发育问题或有障碍症的人)可以利用软的机械护甲来帮助恢复或改善病理步态模式。我们实验室在过去两年中进行的人体对象实验已经表明，软的机械护甲能够实现有负荷和无负荷行走的代谢值(metaboliccost)的显著降低，以及它们如何能够提高中风后个体的行走能力。这些研究不仅表明机械护甲对大量实验对象有效，而且还表明不同个体的机械护甲效力具有很大程度的可变性。这种可变性主要源于下列事实：每个个体(无论是健康的还是受损的步态)都需要来自个性化的辅助模式以使机械护甲的效果最大化。一刀切的方法当然会导致结果的大程度可变性。例如，如图1所示，虽然对于实验对象A，使行走代谢值最小化的最佳致动时机是AA，但是另一个实验对象B可能具有完全不同的代谢格局和在BB处的完全不同的最佳时机。在类似这样的情况下，本公开中呈现的控制器可以通过在与穿戴者一起行走的同时实时解决优化问题来自动地找到每个实验对象的最佳控制参数，从而使机械护甲的效果最大化。实验数据进一步说明了软机械护甲在不同实验对象上的有效性的可变性。例如，图2A和图2B显示了呈现出7个不同实验对象的代谢率变化的实验结果。在该研究中，对具有不同负功率辅助时机的四种不同控制器条件进行了测试，并在这两个图的X轴上给出了这四种不同控制器条件。图2A描绘了平均变化(灰色条)和相应的s.e.m.(误差条)。图2B描绘了单个实验对象数据(彩色线)和相应的框形图。如图2A所示，在该研究中，我们的软机械护甲使得在最佳状态下行走的净代谢值平均减少-15％(Max-Neg)。然而，如图2B所示，当考虑单个实验对象时，在相同的控制器条件下，代谢效益在-5％～-23％之间变化很大，与此同时，机械护甲是由相同的精确控制算法来控制的，并且所有实验对象以统一的方式得到辅助。可以看出，代谢节省过程中实验对象间的可变性非常显著，并且最重要的是，所有实验对象的最佳条件并不相同。实验对象间的可变性不仅是软机械护甲的问题，而且还在许多其他涉及使用外骨骼的研究中确实得到了证实。图3A和图3B示出了呈现出9个不同实验对象的代谢率变化的实验结果。对无动力外骨骼的5种不同弹簧条件进行了测试，并在这两个图的X轴上给出了这5种不同弹簧条件。图3A描绘了平均变化(灰色条)和相应的s.e.m.(误差条)。图3B描绘了单个实验对象数据(彩色线)和相应的框形图。如图3A所示，无动力外骨骼在最佳刚度条件下(182Nmrad-1)使平均代谢减少了-7％。然而，在相同条件下，个体减少量从+4％变化到-23％，并且对于所有的实验条件，实验对象间的可变性非常显著。因此，需要针对单个穿戴者来优化机械护甲控制参数，从而针对每个实验对象使所得的可变性最小化且使机械护甲的功效最大化。
技术实现思路
本专利技术提出了用于优化机械护甲或外骨骼的控制、以便将功效最大化并且使得其在不同穿戴者上的效果的可变性降低的系统和方法。在各种实施例中，可以调整辅助曲线的一个或多个致动参数(例如，与致动时机、致动幅度、致动速率、致动曲线形状或其组合相关联的那些参数)，以便最大化或最小化与下列中的一者或组合相关联的对象函数：(i)向穿戴者提供身体辅助，(ii)穿戴者跟机械护甲或外骨骼之间的相互作用，以及(iii)机械护甲或外骨骼的操作。本公开的系统和方法可以广泛应用于可穿戴系统，该可穿戴系统旨在既帮助健康的穿戴者也帮助身体/神经损伤的穿戴者。例如，可以根据本文描述的优化方法来调整致动时机(例如，起始、峰值、截止)、致动幅度(例如，最大值、最小值)、致动速率(例如，慢速、快速)、和/或致动曲线形状(例如，能够影响多项式形状、线性形状、指数形状、正弦形状或花键形状的致动曲线的函数系数)，以便优化与向穿戴者提供身体辅助相关联的对象函数，例如，机动经济性(例如，最小化机动的能量消耗)、机动输出(例如，最大化推进)、机动形式(例如，最大化步态对称性，最大化离地间隙)和稳定性(无论是静止的还是移动的)。同样地，可以调节各种致动参数，以便最大化或最小化与机械护甲或外骨骼跟穿戴者之间的相互作用相关联的对象函数，例如，机械护甲或外骨骼在穿戴者上的位移(例如，最小化位移)和穿戴者的舒适度(例如，最小化剪切力和/或压力点)。更进一步地，本公开的系统和方法还能用于优化一个或多个致动参数，以便最大化或最小化与机械护甲或外骨骼本身相关联的对象函数，例如电力消耗(例如，最小化电池功率消耗)、机械功率传输效率(例如，最大化通过致动器传递到机械护甲的力)、以及温度(例如，最小化机械护甲或外骨骼的一个或多个部件的温度)。在各种实施例中，对象函数可以用来：通过至少两个变量的加权平均或其他方法，组合期望优化的多个变量。在各种实施例中，可以使用一个或多个可穿戴传感器来评估对象函数，从而便于在实验室环境之外使用。在一些这样的实施例中，可穿戴传感器可以直接测量对象函数，而在其他实施例中，控制器可以使用来自可穿戴传感器的测量结果来计算或以其他方式估算对象函数(例如，测量得到力和旋转速度，以计算传递到穿戴者的功率)。示例性可穿戴传感器包括下列中的一者或组合：惯性测量单元(IMU：inertialmeasurementunit)、关节角度传感器、力或压力传感器、扭矩传感器、代谢能量测量装置、肌肉活动测量装置、地面反作用力传感器、心率传感器和鞋垫式(insole)力或压力传感器等。附加地或可选择地，本公开的系统和方法可以监视与对象函数具有相关关系的代理(proxy)，以便评估对象函数。例如，实验数据表明，机械护甲或外骨骼传递到穿戴者的平均正功率往往与穿戴者的机动效率和机动输出相关联；因此，平均正功率是作为对象函数的用于评估机动效率和机动输出的有用代理。在各种实施例中，优化方法通常可以包括：根据至少一个致动曲线致动机械护甲或外骨骼；基于由至少一个传感器测量的信息评估对象函数；基于对象函数的所得变化调整致动曲线的至少一个参数；以及继续致动、评估和调整以优化用于使所述对象函数最大化或最小化的致动参数。更具体地，在一些实施例中，可以使用梯度下降方法来优化用于使所述对象函数最大化或最小化的致动参数。梯度下降方法通常会导致收敛，并且它通常简单且计算负担低，因此非常适合在廉价处理器上运行或在共享硬件上运行其他计算繁重的进程时。在一个这样的实施例中，控制器可以被配置成判定对象函数是否从对象函数的先前评估的一个值或平均值增大或减小，并且作为响应，根据是想要使对象函数最大化还是最小化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴系统，包括：机械护甲或外骨骼，其被配置成跨越穿戴者的一个或多个关节；至少一个致动器，其被配置成在所述机械护甲或所述外骨骼中产生力；至少一个传感器，其被配置成测量用于评估与下列内容中的至少一者相关联的对象函数的信息：向所述穿戴者提供身体辅助，所述穿戴者跟所述机械护甲或所述外骨骼之间的相互作用，以及所述机械护甲或所述外骨骼的操作；和至少一个控制器，其被配置成：根据至少一个致动曲线来致动所述至少一个致动器，基于由所述至少一个传感器测量的信息来评估所述对象函数，以确定所述对象函数的所得变化，基于所述对象函数的所得变化来调整所述至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调整，以优化用于使所述对象函数最大化或最小化的至少一个致动参数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.22 US 62/365,494;2017.06.20 US 62/522,6171.一种可穿戴系统，包括：机械护甲或外骨骼，其被配置成跨越穿戴者的一个或多个关节；至少一个致动器，其被配置成在所述机械护甲或所述外骨骼中产生力；至少一个传感器，其被配置成测量用于评估与下列内容中的至少一者相关联的对象函数的信息：向所述穿戴者提供身体辅助，所述穿戴者跟所述机械护甲或所述外骨骼之间的相互作用，以及所述机械护甲或所述外骨骼的操作；和至少一个控制器，其被配置成：根据至少一个致动曲线来致动所述至少一个致动器，基于由所述至少一个传感器测量的信息来评估所述对象函数，以确定所述对象函数的所得变化，基于所述对象函数的所得变化来调整所述至少一个致动曲线的至少一个参数，并且继续致动、评估和调整，以优化用于使所述对象函数最大化或最小化的至少一个致动参数。2.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述至少一个致动曲线的所述至少一个参数选自由下列组成的群组：致动的起始时机、致动的截止时机、致动速率、达到致动的最大幅度的时机、致动的最大幅度、致动的最小幅度和所述致动曲线的整体形状。3.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，与向所述穿戴者提供身体辅助相关联的所述对象函数包括下列中的一者或组合：能量消耗、机动效率、机动输出、离地间隙、步态对称性、关节运动学与规范数据的相似性、肌肉活动的时间积分、推进冲量、峰值推进力、推进冲量与制动冲量的比率、推进冲量对称性、峰值推进对称性、从制动到推进的过渡时机、地面反作用力与规范数据的相似性、机动期间的稳定性、关节活动度、脚着落方式、步长、步宽、执行重复任务的时间、站立末期时的后肢角度、垂直质心行程、质心功率、脚的压力位置中心与规范数据的相似性、蹬离地面时脚的总压力、肌肉中的血液氧合、以及肌肉收缩或应变。4.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，与所述穿戴者跟所述机械护甲或所述外骨骼之间的相互作用相关联的所述对象函数包括下列中的一者或组合：所述机械护甲或所述外骨骼的位移、所述穿戴者的舒适性、在所述穿戴者跟所述机械护甲或所述外骨骼之间的界面处的压力、沿着所述穿戴者的负荷传递、以及致动器力。5.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，与所述机械护甲或所述外骨骼的操作相关联的所述对象函数包括下列中的一者或组合：电力消耗；辅助力的一致性；最大和平均致动器位置、速度、加速度或加加速度；以及温度。6.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，评估所述对象函数包括下列步骤中的一者或组合：使用一个或多个所述传感器来获得所述对象函数的直接测量；使用由一个或多个所述传感器测量的信息来计算或估算所述对象函数；以及使用由一个或多个所述传感器测量的信息来测量、计算或估算与所述对象函数相关联的代理。7.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述用于评估与向所述穿戴者提供身体辅助相关联的对象函数的信息包括下列中的一者或组合：一个或多个关节的角度、速度或加速度；由所述机械护甲或所述外骨骼施加的力、扭矩或功率；所述穿戴者参与的某类身体活动；所述穿戴者的姿势；所述穿戴者的能量消耗；以及所述穿戴者身体与周围物理环境的相互作用。8.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述用于评估与所述穿戴者跟所述机械护甲或所述外骨骼之间的相互作用相关联的对象函数的信息包括下列中的一者或组合：所述穿戴者与所述机械护甲或所述外骨骼之间产生的剪切力或压缩力；以及所述机械护甲或所述外骨骼在所述穿戴者上的位置。9.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述用于评估与所述机械护甲或所述外骨骼的操作相关联的对象函数的信息包括下列中的一者或组合：在所述机械护甲或所述外骨骼的致动期间使用的电流或电压；所述机械护甲或所述外骨骼的一个或多个部件的温度；所述至少一个致动器产生的力；传递到所述机械护甲或所述外骨骼的力；以及传递到穿戴着所述机械护甲或所述外骨骼的所述穿戴者的力、扭矩或功率。10.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述至少一个传感器包括下列中的一者或组合：惯性测量单元、关节角度传感器、力或压力传感器、扭矩传感器、代谢能量测量装置、肌肉活动测量装置、地面反作用力传感器、心率传感器、以及鞋垫力或压力传感器。11.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述至少一个控制器被配置成优化所述至少一个致动参数，直到所述对象函数达到最大值或最小值时，或者直到满足预定义的终止标准。12.根据权利要求11所述的可穿戴系统，其中，所述预定义的终止标准选自由下列组成的群组：(i)用于对所述至少一个致动曲线的至少一个参数的依次调整的所述对象函数的评估之间的差低于预定阈值，(ii)对所述至少一个致动曲线的至少一个参数的依次调整之间的差低于预定阈值，(iii)已经超出了自优化开始以来的预定义时间量，(iv)所述穿戴者超过了自优化开始以来的预定义步数，以及(v)所述穿戴者发出的终止命令。13.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，所述控制器被配置成：在致动、评估和调整以优化用于使所述对象函数最大化或最小化的所述至少一个致动参数时，使用梯度下降过程。14.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，在评估所述对象函数时，所述控制器被配置成判定该评估是否从所述对象函数的先前评估的一个值或平均值增大或减小，而且其中，在调整所述至少一个致动曲线的所述至少一个参数时，所述控制器被配置成：如果所述对象函数从先前评估的一个值或平均值增大，则继续在相同方向上调整所述至少一个参数，并且如果所述对象函数从先前评估的一个值或平均值减小，则在相反方向上调整所述至少一个参数。15.根据权利要求1所述的可穿戴系统，其中，致动步骤包括：根据第一组致动曲线致动所述至少一个致动器一个相应时段，所述第一组致动曲线具有至少一个致动参数的值的变化，其中，评估步骤包括：比较在每个所述相应时段期间由所述至...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁烨，伊格纳西奥·加利亚纳·布间达，金真秀，金明姬，斯科特·昆德尔斯玛，李尚俊，凯瑟琳·E·奥唐纳，克里斯多夫·J·斯威，康纳·J·沃尔什，
申请(专利权)人：哈佛大学校长及研究员协会，
类型：发明
国别省市：美国,US