TWI677337B - 拐杖助行器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種內嵌有監控系統的拐杖助行器，包括手柄、杖體及支撐在地面的多個支腳，所述助行器還包括：位於所述手柄或杖體中的第一感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第一運動參數；位於所述多個支腳中至少一個支腳中的至少一個第二感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第二運動參數；中央控制器，配置成基於所述第一運動參數與第二運動參數中的至少一個，確定使用者的運動狀態。按照本發明的方案，可以更及時、更準確地獲取使用者的康復水準資料、從而可以提供更具針對性、更及時的訓練計畫。

Description

拐杖助行器

本發明涉及拐杖，尤其是涉及帶有助行監控功能的拐杖助行器。

拐杖可以讓老人、病人等腿腳不靈活甚至失去行走能力的用戶能夠自理，保持一定的活動能力，並且也可以輔助老人或病人增強活動能力以達到康復的目的。

目前，對於需要康復訓練的病人或老人而言，通常是由康復醫師或康復工程人員對患者進行病理和生理學檢查，在康復醫師或康復工程人員指導下確定應選用的助行拐杖的種類，並確定輔助訓練方案。而病人則在康復師說明下進行部分助行拐杖的使用前訓練。同時，康復醫師還需要定期地隨訪，儘量準確地瞭解病人的恢復情況，從而進一步地改進訓練方案，以達到最佳的效果。

然而現實中，使用拐杖的用戶不能直觀地瞭解自己訓練的狀態及可能發生的危險；同時康復醫師也並不能一直與病人在一起，因此不可能即時地瞭解病人對拐杖的使用情況並康復水準，同時也不能及時地向病人提供建議，從而影響了康復的品質和進度。

本發明提出一種拐杖助行器，其不但可以為用戶提供常規的輔助支撐功能，而且還可以即時地監測使用者的使用情況並適時提出警告。而且進一步地，還可以根據使用者的康復情況適時地接受訓練計畫的更新並應用於用戶的訓練中。

根據本發明，提供一種拐杖助行器，包括手柄、杖體及支撐在地面的多個支腳，所述助行器還包括：位於所述手柄或杖體中的第一感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第一運動參數；位於所述多個支腳中至少一個支腳中的至少一個第二感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第二運動參數；中央控制器，配置成基於所述第一運動參數與第二運動參數中的至少一個，確定使用者的運動狀態。

優選地，其中所述中央控制器按照一預定的標準來確定所述運動狀態；所述中央控制器還配置成通過使用者終端從遠端伺服器接收訓練計畫，並根據該訓練計畫調整所述標準。

優選地，所述中央控制器根據所述第一運動參數與第二運動參數確定使用者行走的道路特徵，並基於該道路特徵及第一運動參數與第二運動參數，確定使用者的運動狀態是否正常。

優選地，所述使用者終端是行動終端，所述中央控制器通過無線或有線方式與該行動終端通信。

101‧‧‧手柄

102-1‧‧‧支腳

102-2‧‧‧支腳

102-3‧‧‧支腳

102-4‧‧‧支腳

103‧‧‧杖體

201‧‧‧第一感測器

202-1‧‧‧第二感測器

202-2‧‧‧第二感測器

202-3‧‧‧第二感測器

202-4‧‧‧第二感測器

203‧‧‧中央控制器

204‧‧‧警報器

205‧‧‧使用者終端

206‧‧‧遠端伺服器

F1‧‧‧壓力

F2‧‧‧壓力

F3‧‧‧壓力

F4‧‧‧壓力

Q‧‧‧質心

Q’‧‧‧質心

圖1示出了根據本發明一個實例的拐杖助行器示意圖；圖2示出了根據本發明的一個實例的拐杖助行器中的助行監控系統的示意圖； 圖3示出根據本發明的一個實例的壓力模式圖。

圖1示出了按照本發明一個實施例的拐杖100，其包括用於手握持的手柄101，支撐在地面上的四個支腳102-1、102-2、102-3、102-4，連接所述手柄101與支腳102的杖體103。

此外，在拐杖100中還安裝有助行監控系統。如圖2所示，按照本發明的一個實例，在所述手柄101中裝入一種或多種感測器，例如壓力感測器、加速度感測器、陀螺儀等，為方便起見，在本文中以下統一簡稱為第一感測器201。該第一感測器201可以檢測拐杖的運動並提供第一運動力學測量參數，例如採用陀螺儀來確定重力方向、或採用電子羅盤確定拐杖移動的東南西北的哪個方向，或採用多軸度加速度感測器測量多維度加速度資訊。在所述四個支腳102-1、102-2、102-3、102-4的每個支腳中分別安裝有一種或多種感測器，例如壓力感測器、加速度感測器等，為方便起見，在本文中以下統一簡稱為第二感測器202。採用第二感測器202可檢測拐杖的支腳由於跌落、傾斜、運動、衝擊產生的力的變化，並提供第二運動力學測量參數。需要指出的是，雖然這裡採用的四支腳的拐杖，但顯然本發明並不限於四支腳，且所設置的感測器也可以根據需要安裝在所有支腳中或至少其中的一些中，只要能達到測量用戶的運動力學參數即可。

此外，所述拐杖100中還包含有一個中央控制器203，其可以位於所述拐杖的手柄、杆體或支腳的任一部分中，該中央控制器203與第一感測器201、多個第二感測器203通信。該中央控制器203可分析第一與第二感測器提供的即時測量資料，從而確定使用者的運動狀態等，運動 狀態可以包括傾斜、摔倒、速度過快、過慢、行走步數等。此外，所述拐杖100還可以包括一個警報器204，例如一個揚聲器，中央控制器203可通過該警報器204向使用者報告運動資訊，也可以在確定使用者運動有異常情況例如有摔倒傾向時，輸出聲音提醒用戶。

此外，所述中央控制器內部具有存儲裝置(圖中未示出)，用於存儲系統應用資料、使用者資訊、來自第一、第二感測器的記錄資料等。所述應用資料包括例如與外部通信的參數設置、位址資訊，而使用者資訊可以包括使用者帳戶資訊、為該使用者定制的訓練計畫等。作為一個優選方案，控制器203根據該訓練計畫制訂使用者運動狀態的確定標準。例如，在腿傷康復初期，按照訓練計畫建議用戶以慢速行走，因此設定慢速閾值標準。但在過一段時間後，根據記載的感測器歷史資料確定達到預定效果後，則允許並指示使用者加快行走速度以達到更好的訓練步驟，因此應設定快速閾值標準。因此，在慢速時期，如果使用者的速度過快，大於慢速閾值，則中央控制器就會發出警告，通過警報器204提示用戶進行調整。同樣如果在應當在快速行走鍛煉時期，如果用戶步速過低，低於所述快速閾值標準，則同樣要發出警告，提示用戶應加快步速。

根據本發明的一個方面，中央控制器203可以與外部的使用者終端205進行通信，將其存儲的運動歷史資料上傳到該使用者終端，該使用者終端可以是使用者自己的手機、家人的手機、家用電腦等外部設備，該使用者終端進而可以與其它外部設備例如歸屬於醫療服務公司的遠端伺服器206進行通信，上傳使用者運動歷史資料到遠端伺服器。在本發明的一個實施例中，中央控制器203可以整合行動營運商的SIM卡，從而可以 通過行動通信網路如3G、4G網路與上述外部設備進行通信。由於行動通信網路的廣域特性，中央控制器203可以將使用者運動歷史資料即時地上傳到使用者終端或直接上傳到遠端伺服器206。中央控制器也可以整合藍牙模組或無線模組，從而通過藍牙或WiFi網路與使用者終端、路由器等外部設備進行通信。因此，中央控制器203可以將使用者運動歷史資料臨時地存儲在本機存放區裝置中，當使用者通過藍牙或WiFi網路可連接到外部設備例如家用路由器、用戶手機或電腦時，再通過這些設備將運動歷史資料上傳到遠端伺服器206中。在另一個實施例中，中央控制器203也可以通過有線方式例如USB標準與外部設備進行通信。利用拐杖上的USB埠，還可以對拐杖中的監控系統的內置電池進行充電。

醫療服務公司的康復師們在分析了上傳的使用者的運動歷史資料後，對原先的康復計畫進行調整，將更新的康復計畫發送給使用者的通信終端205，通信終端205再用該康復計畫更新拐杖的記憶體中預存的康復計畫。例如，在上述腿傷康復期間，如果康復師通過上傳的歷史資料發現使用者康復得比預想要好，需要提高使用者的步行速度，則修改使用者的康復計畫。中央控制器203在接收到該修改後的康復計畫後就可更新用於確定使用者運動狀態的標準，例如提高前面所述的快速閾值標準以加強訓練等。

[實例1]

在該實例中，在所述拐杖的手柄中安裝有現有技術已知的陀螺儀，用於提供重力方向參考G1；而在四個支腳中安裝有四個壓力感測器，用於檢測到作用到四個支腳上壓力F1，F2，F3，F4。如圖3所示，按照平 衡演算法可知，在拐杖正常使用的情況下，在四個支腳上檢測到的壓力是基本均勻分佈的，即F1，F2，F3，F4基本相等，由此中央控制器203可根據感測器資料建立一個感測器資料模式圖，如圖3A所示，該圖的質心Q基本位於中心，且與重力方向G1重合，或可在一預定的偏離範圍內，該感測器資料模式圖作為基準圖。

當用戶有要摔倒跡象時，拐杖的使用必然發生異常。因此在四個支腳上檢測到的壓力F1，F2，F3，F4就會出現明顯不同。以圖3B為例，當由於拐杖的前伸幅度過大時，使用者拄拐杖的力必然更多地集中於後二個支腳102-2、102-4上，因此導致在前二個支腳102-1、102-2上檢測到的力F1、F2小於後二個支腳的壓力F3、F4。由此，由中央控制器203合成的模式圖的質心Q必然向後二個支腳方向偏移即如Q’所示，根據偏移量Q-Q’可計算出該拐杖與原重力方向G的偏移角度。顯然，當偏移角度超一定界限後，必然導致摔倒。因此，在本例中，設置一個角度閾值和壓力差閾值，當偏移角度超出該角度閾值且同時前後壓力差(即F3-F1、F4-F2)大於該壓力差閾值時就可知發生了傾斜，則中央控制器203觸發警報器204輸出提示音，提示用戶正確使用拐杖，防止摔倒等。設置壓力差閾值的目的在於避免誤判。例如當行走在上坡路段或下坡路段時，偏移角度必然比平路時加大，因此單純地利用偏移角度則可能會誤判；但由於此時四個支腳上的壓力卻是基本均勻的，因此採用壓力差閾值可有效地避免這種誤判。利用即時監測的感測器壓力資料F1、F2、F3、F4，中央控制器還可以確定用戶的摔倒方向。例如，當F1、F3大於F2、F4時，質心Q向左偏移，此時用戶存在向左摔倒的可能；而當F1、F3小於F2、F4時，質心Q向右 偏移，此時用戶存在向右摔倒的可能。

同時控制器203將使用者行走過程中記錄的感測器壓力資料作為歷史資料匯總並存儲起來，然後定期地或根據外部指示提供給遠端伺服器206，供醫師或康復師監控用戶的康復程度。例如，如果醫師發現用戶經常性發生往一側摔倒的可能，則可能用戶的機能存在問題，因此可向用戶提供進一步就醫的建議。如果醫師發現使用者近一段時間使用拐杖情況良好，則認為有必要建議用戶增加活動強度或力度等，因此通過遠端伺服器將更新的康復計畫下發到中央控制器203的記憶體中。中央控制器收到該更新的康復計畫後，提示用戶改變活動的強度，例如增加行走距離，同時改變例如確定使用者運動狀態的基準，例如增大上述角度閾值、壓力差閾值，從而避免誤警報。

[實例2]

在該實例中，所述第一感測器或第二感測器還可以同時包括壓力感測器和加速度感測器或單獨的加速度感測器。現有技術的發展，使得可以利用加速度感測器實現精確的運動檢測，檢測由於跌落、傾斜、運動、位置、衝擊和振動產生的力的變化，並且可以實現計步功能。使用者在單位或一段時間內的步數對判斷用戶的健康狀況是非常有利的。而且利用加速度感測器來計算步數要比電子設備中通常使用的GPS成本低、且不受GPS精度的影響。當然本發明不限於加速度感測器，仍可以採用GPS來實現定位及路程計算等功能。例如，可以在拐杖中單獨設置像GPS接收器、北斗定位系統接收器這樣的定位裝置，其可以位於拐杖的任一位置。中央控制器203可以將該定位裝置提供的位置資訊即時地上傳到外部設備，例 如家人或護工的手機，從而可以方便家人、護工進行跟蹤並及時地瞭解用戶的位置。當然，中央控制器203也可以回應外部指令傳送該使用者的位置資訊。

作為一個實施例，可在拐杖中提供一個三軸加速度感測器，來檢測步行中拐杖三個方向上的加速度變化。該三軸加速度感測器既可以放置在手柄中、也可以放置在任一個支腳中。根據拐杖的使用特點可知，拐杖的抬起與落下過程可以相對地準確地反映使用者的步伐特徵。一般地，用戶在水平步行運動中，垂直與前進二個加速度會呈現週期性變化。例如在拐杖抬起的動作中，重心向上，垂直方向加速度是呈正向增加的趨勢，之後繼續向前，重心下移拐杖觸地，加速度相反。水平加速度在抬起拐杖至高點時是減小、在下落時是增加。由此可見，在步行運動中，垂直與前進的加速度相對於時間是波浪前進，在某個時間點出現一個峰值。其中垂直方向的加速度變化最大。因此通過對峰值的檢測計算並與設定的加速度閾值進行比較，就可以即時地計算出用戶步行的步數，同時根據系統計量的時間，就可估算用戶步行的距離和步速。而這裡的加速度閾值會因人而異，可設為實驗值，設立該閾值在於判斷運動是否有效，只有有效的運動才進行計步。對峰值的檢測可通過判斷測量到的加速度方向並與記錄的上一次加速度方向進行比較來實現，例如如果是二次記錄的方向是相反的，則表明剛過峰值狀態，則計步，否則繼續測量下一值，通過累積峰值的步伐就可以得到用戶的步數。

按照該實施例，在預存的訓練計畫中，康復師可為用戶預先設定訓練的標準步速或步數。在中央控制器確定實際步速過慢小於標準步 速時，則向使用者發出警報信號，提示使用者加快行走速度。同樣當用戶的實際步速過快不利於康復時，也向使用者發出減慢速度的警報信號。而當用戶的在某一時間段內的步數小於預設的步數時，則向用戶發出加強運動的警報信號。同樣，這些運動資料可以上傳到遠端伺服器206，康復師可以據此對訓練計畫做出調整並發送回用戶的拐杖的中央控制器中。此外，中央控制器203也可以將用戶的行走的步數通過警報器204播放給用戶，以便用戶能隨時瞭解自己的運動情況。

進一步地，通過判斷加速度的波浪曲線的變化也可以判斷使用者的摔倒狀態，可以據此向使用者提出警告。

進一步地，利用設置在手柄中的加速度感測器，可以測量與用戶的手密切相關的加速度變化，例如通過確定所測量的加速度方向的變化程度，中央控制器203可以確定用戶握持拐杖的穩定性，例如當方向變化過於頻繁超過某一閾值時則判定拐杖不穩定。另外，如果手柄中的加速度感測器測量到的加速度變化大，而位於支腳中的加速度感測器測量到的加速度變化不大則說明拐杖本身發生較大搖晃。而如果手柄與支腳中的加速度感測器感知的加速度數據相差不大，則說明拐杖本身比較穩定。當檢測到拐杖不穩定時，中央控制器203通過警報器204向用戶發出提醒。

在本發明的另一實施例中，利用拐杖中的第一與第二感測器，可以對路況進行判斷，從而為使用者的運動狀態的確定提供更好參考。如前所述，可以利用手柄或支腳中的加速度感測器判斷拐杖的上下移動方向或額外地判斷使用者或拐杖的移動速度，通過支腳中的壓力感測器判斷拐杖的落下與抬起的方向與節奏，通過手柄中的陀螺儀感測器判斷重力方 向。綜合以上傳感資料，可以判斷當前行走的路面是上坡或下坡。因此，中央控制器203可即時調整運動狀態判定中採用的各閾值標準。例如，如果通過分析手柄中的加速度感測器提供的資料確定拐杖的上移方向大於下移方向行程或時間和/或使用者的移動速度變慢、如前所述的支腳中的壓力感測器檢測到拐杖與重力方向形成較大偏移角，而且拐杖在移動方向後側的兩個支腳受力較大且均勻，則可判斷此時處於上坡。因此，中央控制器203可即時調整所述角度閾值，增大閾值以避免誤警報。同樣，在下坡時，可以允許拐杖落下的方向與重力方向發生較大偏離。另外在下坡情況下如果拐杖移動過快或者步速過快則將觸發警報；如果移動方向不穩定，頻繁發生變化也會觸發警報等。

由此可以看到，按照本發明的方案，可以不需要康復師上門來指導用戶訓練，節省了費用；同時利用內嵌有智慧系統的拐杖，康復師可以更及時、更準確地獲取使用者的康復水準資料、從而可以提供更具針對性、更及時的訓練計畫。

以上結合具體的實施例描述了本發明。需要指出的是，上面討論的實施例其目的僅僅是為了更好地闡述本發明。不難理解，本領域人員可對上述各方案進行任意組合、刪除或修改，均不超出由所附的申請專利範圍限定的本發明的保護範圍。

Claims (9)

1. 一種拐杖助行器，包括手柄、杖體及支撐在地面的多個支腳，所述助行器還包括：位於所述手柄或杖體中的第一感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第一運動參數，其中所述第一運動參數相關於所述拐杖運動的重力方向、所述拐杖移動的東南西北的方向或多維度加速度資訊；位於所述多個支腳中的至少一個支腳中的至少一個第二感測器，用於檢測拐杖的狀態以提供第二運動參數，其中所述第二運動參數相關於所述支腳由於跌落、傾斜、運動或衝擊產生的力的變化；中央控制器，配置成基於所述第二運動參數與所述第一運動參數中的至少一個，確定使用者的運動狀態，其中所述中央控制器根據所述第一運動參數與所述第二運動參數確定所述使用者行走的道路特徵，並基於所述道路特徵及所述第一運動參數與所述第二運動參數，確定所述使用者的所述運動狀態是否正常。
2. 如申請專利範圍第1項的拐杖助行器，其中所述中央控制器按照一預定的標準來確定所述運動狀態；所述中央控制器還配置成從遠端伺服器接收訓練計畫，並根據該訓練計畫調整所述標準。
3. 如申請專利範圍第1或2項的拐杖助行器，其中所述中央控制器通過有線傳輸或無線傳輸與外部設備通信，該外部設備包括使用者終端或所述遠端伺服器，其中無線傳輸包括行動通信網路、藍牙或WiFi網路。
4. 如申請專利範圍第3項的拐杖助行器，還包括一個警報器，其中如果確定所述使用者的所述運動狀態異常，則所述中央控制器通過所述警報器發出警報或將指示所述運動狀態異常的資訊發送給所述使用者終端或遠端伺服器。
5. 如申請專利範圍第4項的拐杖助行器，其中所述第一感測器提供重力方向資訊，所述第二感測器用於檢測所述支腳上承受的壓力，利用檢測到的壓力值之間的差異分佈，所述中央控制器確定所述杖體與所述重力方向的偏移程度，其中當所述偏移程度大於一偏移閾值時，所述中央控制器確定所述使用者的所述運動狀態異常。
6. 如申請專利範圍第1項的拐杖助行器，所述第一感測器包括加速度感測器，配置成檢測所述拐杖的上下移動方向作為所述第一運動參數，所述第二感測器包括至少一個壓力感測器，配置成檢測所述拐杖的落下與抬起方向作為所述第二運動參數，其中所述中央控制器基於所述拐杖的所述上下移動方向、所述落下與抬起方向與以及重力方向，確定所述道路是上坡還是下坡。
7. 如申請專利範圍第4項的拐杖助行器，其中所述第一感測器與所述第二感測器是多軸度加速度感測器，當作為所述第一感測器的加速度感測器測量到的加速度變化大於作為所述第二感測器的加速度感測器測量到的加速度時，所述中央控制器確定所述使用者的運動狀態異常。
8. 如申請專利範圍第1或2項的拐杖助行器，其中所述第二感測器包括多軸度加速度感測器，其中所述中央控制器根據第二感測器提供的加速度向量信號確定所述拐杖的抬起/落下次數，作為用戶的步數或用於計算用戶的步速。
9. 如申請專利範圍第3項的拐杖助行器，進一步包括定位裝置，其中所述中央控制器將所述定位裝置提供的位置資訊發送到外部設備，該定位裝置包括GPS接收器或北斗定位系統接收器。