TWI704910B - 平衡輔助系統及穿戴式裝置 - Google Patents

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Abstract

一種平衡輔助系統，包含一轉動件、一第一驅動單元、一感測模組以及一處理單元。第一驅動單元連接於轉動件。第一驅動單元用以驅動轉動件轉動。處理單元電性連接於第一驅動單元與感測模組。處理單元自感測模組接收一感測訊號。處理單元根據感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式。處理單元根據目前行為模式控制第一驅動單元調整轉動件之轉速。

Description

平衡輔助系統及穿戴式裝置
本發明關於一種平衡輔助系統及穿戴式裝置，尤指一種可輔助使用者平衡，以防止使用者跌倒之平衡輔助系統及安裝有此平衡輔助系統之穿戴式裝置。
隨著老年人口的增加與醫療資源的不足，外骨骼機器人(exoskeleton)已逐漸成為國內外學者研究的目標。現有外骨骼機器人的架構是由多個馬達與減速機組成，由各種不同的感測器來偵測使用者動作，以控制相對應的馬達來調整使用者的關節角度與姿態。由於現有的外骨骼機器人無平衡裝置，因此，使用者必須自行平衡或仰賴柺杖進行平衡。當使用者重心不穩或遭受碰撞時，使用者便有可能跌倒而受傷。
本發明提供一種可輔助使用者平衡，以防止使用者跌倒之平衡輔助系統及安裝有此平衡輔助系統之穿戴式裝置，以解決上述之問題。
根據一實施例，本發明之平衡輔助系統包含一轉動件、一第一驅動單元、一感測模組以及一處理單元。第一驅動單元連接於轉動件。第一驅動單元用以驅動轉動件轉動。處理單元電性連接於第一驅動單元與感測模組。處理單元自感測模組接收一感測訊號。處理單元根據感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式。處理單元根據目前行為模式控制第一驅動單元調整轉動件之轉速。
根據另一實施例，本發明之穿戴式裝置包含一穿戴式物件以及一平 衡輔助系統。平衡輔助系統設置於穿戴式物件上。平衡輔助系統包含一轉動件、一第一驅動單元、一感測模組以及一處理單元。第一驅動單元連接於轉動件。第一驅動單元用以驅動轉動件轉動。處理單元電性連接於第一驅動單元與感測模組。處理單元自感測模組接收一感測訊號。處理單元根據感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式。處理單元根據目前行為模式控制第一驅動單元調整轉動件之轉速。
綜上所述，本發明之平衡輔助系統可設置於穿戴式物件(例如，外骨骼機器人)上。當穿戴式物件穿戴於使用者身上，且平衡輔助系統啟動時，第一驅動單元即會驅動轉動件轉動，而產生慣性力矩。轉動件所產生之慣性力矩即可輔助使用者平衡，以防止使用者跌倒。此外，感測模組會隨著使用者的動作而產生感測訊號。本發明之平衡輔助系統可根據感測訊號決定使用者之目前行為模式，且根據使用者之目前行為模式調整轉動件之轉速。藉此，本發明之平衡輔助系統即可根據使用者之不同行為模式更靈活地調整轉動件所產生之慣性力矩，以適時輔助使用者平衡且避免影響使用者之正常動作。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
1、1':穿戴式裝置
10:穿戴式物件
12、12':平衡輔助系統
120:殼體
122:轉動件
124:第一驅動單元
126:感測模組
128:處理單元
130:第二驅動單元
132:支架
134:第三驅動單元
1260:慣性測量單元
A1:第一軸向
A2:第二軸向
M:慣性力矩
S10-S22、S180-S186、S200-S202、S220-S224:步驟
第1圖為根據本發明一實施例之穿戴式裝置的立體圖。
第2圖為第1圖中的穿戴式裝置於另一視角的立體圖。
第3圖為第1圖中的平衡輔助系統的功能方塊圖。
第4圖為第3圖中的平衡輔助系統的控制流程圖。
第5圖為根據本發明另一實施例之穿戴式裝置的前視圖。
第6圖為第5圖中的平衡輔助系統轉動後的立體圖。
第7圖為第5圖中的平衡輔助系統的功能方塊圖。
如第1圖至第3圖所示，穿戴式裝置1包含一穿戴式物件10以及一平衡輔助系統12，其中平衡輔助系統12設置於穿戴式物件10上。需說明的是，平衡輔助系統12可根據實際應用而設置於穿戴式物件10上的任意位置(例如，腰部、腳底等)，不以圖中所繪示的實施例為限。於此實施例中，穿戴式物件10可為一外骨骼機器人，但不以此為限。此外，此實施例係將平衡輔助系統12設置於穿戴式物件10上來舉例說明。然而，於另一實施例中，平衡輔助系統12亦可設置於移動式機器人或其它移動式物體上，視實際應用而定。
穿戴式物件10可穿戴於使用者身上，且平衡輔助系統12可輔助使用者平衡，以防止使用者跌倒。平衡輔助系統12包含一殼體120、一轉動件122、一第一驅動單元124、一感測模組126以及一處理單元128。轉動件122設置於殼體120上，其中轉動件122之轉軸可平行或垂直所欲平衡之方向設置，視實際應用而定。第一驅動單元124設置於殼體120中且連接於轉動件122。第一驅動單元124用以驅動轉動件122轉動。處理單元128電性連接於第一驅動單元124與感測模組126。於此實施例中，轉動件122可為飛輪或其它類似元件；第一驅動單元124可為馬達；處理單元128可為具有訊號處理功能之處理器或控制器。
於此實施例中，在平衡輔助系統12啟動時(第4圖中的步驟S10)，處理單元128可控制第一驅動單元124以一預定初始轉速驅動轉動件122轉動(第4圖中的步驟S12)，以提升轉動件122對於使用者後續動作的反應，減少轉動件122的反應時間。當轉動件122轉動時，轉動件122即會產生慣性力矩M。上述之預定初始轉速係可根據實際應用而決定。需說明的是，於另一實施例中，第4圖中的步驟S12亦可省略，視實際應用而定。
接著，處理單元128會自感測模組126接收一感測訊號(第4圖中的步 驟S14)。接著，處理單元128會根據感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式(第4圖中的步驟S16)。於此實施例中，複數個行為模式可包含一行進模式、一坐姿轉換站姿模式以及一站姿轉換坐姿模式，但不以此為限。行為模式係可根據實際應用而有不同之設定。此外，感測模組126可包含一慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)1260，其中慣性測量單元1260係用以感測使用者之傾斜角度。
於本發明的一實施例中，感測模組126亦可包含對應複數個行為模式之複數個按鈕(未繪示於圖中)。當使用者按壓複數個按鈕的其中之一時，此按鈕即會輸出上述之感測訊號。此時，使用者即可根據感測訊號自複數個行為模式中決定對應此按鈕之目前行為模式。
於另一實施例中，感測模組126亦可包含使用膚電感測器、力量感測器或位移感測器(未繪示於圖中)。此時，處理單元128可根據膚電感測器、力量感測器或位移感測器之感測訊號決定使用者之目前行為模式。需說明的是，膚電感測器、力量感測器或位移感測器之作用原理係為習知技藝之人所熟知，在此不再贅述。
在決定目前行為模式後，處理單元128即會根據目前行為模式控制第一驅動單元124調整轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S18、S20、S22)。
當目前行為模式為行進模式時(第4圖中的步驟S18)，使用者之身體會自然地前後晃動，使得慣性測量單元1260感測到使用者之傾斜角度。此時，處理單元128會進一步判斷慣性測量單元1260所感測之傾斜角度是否超出一預定範圍(第4圖中的步驟S180)。當處理單元128判斷使用者之傾斜角度超出預定範圍時，處理單元128即會根據使用者之傾斜角度之變化控制第一驅動單元124調整轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S182)。於此實施例中，使用者之傾斜角度可包含前傾角度與後傾角度，因此，上述之預定範圍可由前傾角度θ 1與後傾角度θ 2來界定。需說明的是，上述之行進模式可包含於平面上行進、上下樓梯之行進或上下坡之行進。此外，上述之前傾角度θ 1與後傾角度θ 2可根據不同的使用者與不同的行進方式而決定，其中前傾角度θ 1與後傾角度θ 2可相同或不同。例如，在上下樓梯之行進或上下坡之行進時的前傾角度和後傾角度分別大於平面上行進時的前傾角度和後傾角度。藉此，當處理單元128判斷使用者之傾斜角度超出前傾角度θ 1與後傾角度θ 2所界定之預定範圍且傾斜角度愈大時，表示使用者愈有可能跌倒。此時，處理單元128可隨著使用者之傾斜角度的增加控制第一驅動單元124增加轉動件122之轉速，以增加轉動件122所產生之慣性力矩M。反之，當傾斜角度超出前傾角度θ 1與後傾角度θ 2所界定之預定範圍但傾斜角度愈小時，表示使用者跌倒風險降低。此時，處理單元128可隨著使用者之傾斜角度的減小控制第一驅動單元124降低轉動件122之轉速，以降低轉動件122所產生之慣性力矩M。此外，當處理單元128判斷使用者之傾斜角度未超出預定範圍時，處理單元128便不調整轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S184)。需要說明的是，在本發明的一實施例中，當使用者之傾斜角度超出前傾角度θ 1與後傾角度θ 2所界定之預定範圍時，轉動件122之轉速可隨著使用者之傾斜角度成線性變化，即傾斜角度越大，轉動件122之轉速越快；傾斜角度越小，轉動件122之轉速越慢。
在調整或不調整轉動件122之轉速後，處理單元128會進一步判斷目前行為模式是否已轉換為站姿(第4圖中的步驟S186)。例如，在本發明的一實施例中，可利用穿戴式裝置1的髖關節及膝關節之角度是否為站姿的預設角度來判斷行為模式是否已轉換為站姿。當處理單元128判斷目前行為模式已轉換為站姿時，處理單元128即會再次根據感測訊號自複數個行為模式中決定目前行為模式(第4圖中的步驟S16)。反之，當處理單元128判斷目前行為模式尚未轉換為站姿時，處理單元128即會再次判斷慣性測量單元1260所感測之傾斜角度是否超出預 定範圍(第4圖中的步驟S180)，以決定是否調整轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S182、S184)。
當目前行為模式為坐姿轉換站姿模式時(第4圖中的步驟S20)，使用者之身體需要有大幅度地向前移動才能站立。此時，處理單元128會控制第一驅動單元124調整轉動件122之轉速至一預定值(第4圖中的步驟S200)。於此實施例中，此預定值係小於上述之預定初始轉速，且此預定值可根據實際應用而設定。換言之，當目前行為模式為坐姿轉換站姿模式時，處理單元128會控制第一驅動單元124將轉動件122之轉速自預定初始轉速降低至預定值，以降低轉動件122所產生之慣性力矩M。藉此，即可避免轉動件122所產生之慣性力矩M過大而影響使用者執行站立之動作。
在調整轉動件122之轉速至預定值後，處理單元128會進一步判斷目前行為模式是否已轉換為站姿(第4圖中的步驟S202)。當處理單元128判斷目前行為模式已轉換為站姿時，處理單元128即會再次根據感測訊號自複數個行為模式中決定目前行為模式(第4圖中的步驟S16)。反之，當處理單元128判斷目前行為模式尚未轉換為站姿時，處理單元128會維持控制第一驅動單元124調整轉動件122之轉速至預定值(第4圖中的步驟S200)。
當目前行為模式為站姿轉換坐姿模式時(第4圖中的步驟S22)，使用者比較不會跌倒，亦即，使用者在坐下的過程中比較不需要平衡輔助系統12的輔助。此時，處理單元128會控制第一驅動單元124逐漸降低轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S220)，以節省電力。
在逐漸降低轉動件122之轉速期間，處理單元128會不斷地判斷目前行為模式是否已轉換為坐姿(第4圖中的步驟S222)。例如，在本發明的一實施例中，可利用穿戴式裝置1的髖關節及膝關節之角度是否為坐姿的預設角度來判斷行為模式是否已轉換為坐姿。當處理單元128判斷目前行為模式已轉換為坐姿 時，處理單元128可關閉第一驅動單元124(第4圖中的步驟S224)，以節省電力。接著，處理單元128會再次根據感測訊號自複數個行為模式中決定目前行為模式(第4圖中的步驟S16)。反之，當處理單元128判斷目前行為模式尚未轉換為坐姿時，處理單元128會持續控制第一驅動單元124逐漸降低轉動件122之轉速(第4圖中的步驟S220)。
如第5圖至第7圖所示，另一實施例之穿戴式裝置1'之平衡輔助系統12'可另包含一第二驅動單元130、一支架132以及一第三驅動單元134。殼體120可樞接於支架132。第二驅動單元130可設置於支架132上且連接於殼體120。第二驅動單元130用以驅動殼體120轉動。第三驅動單元134可設置於穿戴式物件10上且連接於支架132。第三驅動單元134用以驅動支架132轉動。此外，處理單元128亦分別電性連接於第二驅動單元130與第三驅動單元134。於此實施例中，第二驅動單元130與第三驅動單元134可為馬達。
如第6圖所示，第二驅動單元130可驅動殼體120相對一第一軸向A1轉動，且第三驅動單元134可驅動支架132相對一第二軸向A2轉動，其中第一軸向A1垂直第二軸向A2。藉此，穿戴式裝置1'之平衡輔助系統12'可改變轉動件122所產生之慣性力矩M之方向，以提供使用者於任意方向輔助平衡之需求。例如，當使用者快要跌倒時，第二驅動單元130可驅動殼體120轉動，且第三驅動單元134可驅動支架132轉動，使轉動件122的轉軸方向平行於使用者跌倒的方向，以更準確地提供使用者慣性力矩M。
綜上所述，本發明之平衡輔助系統可設置於穿戴式物件(例如，外骨骼機器人)上。當穿戴式物件穿戴於使用者身上，且平衡輔助系統啟動時，第一驅動單元即會驅動轉動件轉動，而產生慣性力矩。轉動件所產生之慣性力矩即可輔助使用者平衡，以防止使用者跌倒。此外，感測模組會隨著使用者的動作而產生感測訊號。本發明之平衡輔助系統可根據感測訊號決定使用者之目 前行為模式，且根據使用者之目前行為模式調整轉動件之轉速。藉此，本發明之平衡輔助系統即可根據使用者之不同行為模式更靈活地調整轉動件所產生之慣性力矩，以適時輔助使用者平衡且避免影響使用者之正常動作。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:穿戴式裝置
10:穿戴式物件
12:平衡輔助系統
120:殼體
122:轉動件
M:慣性力矩

Claims (20)

  1. 一種平衡輔助系統，包含：一轉動件；一第一驅動單元，連接於該轉動件，該第一驅動單元用以驅動該轉動件轉動；一感測模組；以及一處理單元，電性連接於該第一驅動單元與該感測模組，該處理單元自該感測模組接收一感測訊號，該處理單元根據該感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式，該複數個行為模式包含一行進模式、一坐姿轉換站姿模式以及一站姿轉換坐姿模式，該處理單元根據該目前行為模式控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速。
  2. 如請求項1所述之平衡輔助系統，其中該感測模組包含一慣性測量單元；當該目前行為模式為該行進模式時，該處理單元判斷該慣性測量單元所感測之一傾斜角度是否超出一預定範圍；當該處理單元判斷該傾斜角度超出該預定範圍時，該處理單元根據該傾斜角度之變化控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速。
  3. 如請求項2所述之平衡輔助系統，其中在調整該轉動件之轉速後，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為站姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為站姿時，該處理單元再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  4. 如請求項1所述之平衡輔助系統，其中當該目前行為模式為該坐姿轉換站姿模式時，該處理單元控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速至一預定值。
  5. 如請求項4所述之平衡輔助系統，其中在調整該轉動件之轉速至該 預定值後，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為站姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為站姿時，該處理單元再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  6. 如請求項1所述之平衡輔助系統，其中當該目前行為模式為該站姿轉換坐姿模式時，該處理單元控制該第一驅動單元逐漸降低該轉動件之轉速。
  7. 如請求項6所述之平衡輔助系統，其中在逐漸降低該轉動件之轉速期間，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為坐姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為坐姿時，該處理單元關閉該第一驅動單元且再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  8. 如請求項1所述之平衡輔助系統，其中在該平衡輔助系統啟動時，該處理單元控制該第一驅動單元以一預定初始轉速驅動該轉動件轉動。
  9. 如請求項1所述之平衡輔助系統，另包含一殼體以及一第二驅動單元，該轉動件設置於該殼體上，該第一驅動單元設置於該殼體中，該第二驅動單元連接於該殼體，該處理單元電性連接於該第二驅動單元，該第二驅動單元用以驅動該殼體相對一第一軸向轉動。
  10. 如請求項9所述之平衡輔助系統，另包含一支架以及一第三驅動單元，該殼體樞接於該支架，該第三驅動單元連接於該支架，該處理單元電性連接於該第三驅動單元，該第三驅動單元用以驅動該支架相對一第二軸向轉動，且該第一軸向垂直該第二軸向。
  11. 一種穿戴式裝置，包含：一穿戴式物件；以及一平衡輔助系統，設置於該穿戴式物件上，該平衡輔助系統包含：一轉動件； 一第一驅動單元，連接於該轉動件，該第一驅動單元用以驅動該轉動件轉動；一感測模組；以及一處理單元，電性連接於該第一驅動單元與該感測模組，該處理單元自該感測模組接收一感測訊號，該處理單元根據該感測訊號自複數個行為模式中決定一目前行為模式，該複數個行為模式包含一行進模式、一坐姿轉換站姿模式以及一站姿轉換坐姿模式，該處理單元根據該目前行為模式控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速。
  12. 如請求項11所述之穿戴式裝置，其中該感測模組包含一慣性測量單元；當該目前行為模式為該行進模式時，該處理單元判斷該慣性測量單元所感測之一傾斜角度是否超出一預定範圍；當該處理單元判斷該傾斜角度超出該預定範圍時，該處理單元根據該傾斜角度之變化控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速。
  13. 如請求項12所述之穿戴式裝置，其中在調整該轉動件之轉速後，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為站姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為站姿時，該處理單元再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  14. 如請求項11所述之穿戴式裝置，其中當該目前行為模式為該坐姿轉換站姿模式時，該處理單元控制該第一驅動單元調整該轉動件之轉速至一預定值。
  15. 如請求項14所述之穿戴式裝置，其中在調整該轉動件之轉速至該預定值後，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為站姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為站姿時，該處理單元再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  16. 如請求項11所述之穿戴式裝置，其中當該目前行為模式為該站姿轉換坐姿模式時，該處理單元控制該第一驅動單元逐漸降低該轉動件之轉速。
  17. 如請求項16所述之穿戴式裝置，其中在逐漸降低該轉動件之轉速期間，該處理單元判斷該目前行為模式是否已轉換為坐姿；當該處理單元判斷該目前行為模式已轉換為坐姿時，該處理單元關閉該第一驅動單元且再次根據該感測訊號自該複數個行為模式中決定該目前行為模式。
  18. 如請求項11所述之穿戴式裝置，其中在該平衡輔助系統啟動時，該處理單元控制該第一驅動單元以一預定初始轉速驅動該轉動件轉動。
  19. 如請求項11所述之穿戴式裝置，其中該平衡輔助系統另包含一殼體以及一第二驅動單元，該轉動件設置於該殼體上，該第一驅動單元設置於該殼體中，該第二驅動單元連接於該殼體，該處理單元電性連接於該第二驅動單元，該第二驅動單元用以驅動該殼體相對一第一軸向轉動。
  20. 如請求項19所述之穿戴式裝置，其中該平衡輔助系統另包含一支架以及一第三驅動單元，該殼體樞接於該支架，該第三驅動單元連接於該支架，該處理單元電性連接於該第三驅動單元，該第三驅動單元用以驅動該支架相對一第二軸向轉動，且該第一軸向垂直該第二軸向。
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