CN112137843A - 平衡辅助系统及穿戴式装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种平衡辅助系统及穿戴式装置，其中该系统包括：一转动件、一第一驱动单元、一感测模组以及一处理单元。第一驱动单元连接于转动件。第一驱动单元用以驱动转动件转动。处理单元电连接于第一驱动单元与感测模组。处理单元自感测模组接收一感测信号。处理单元根据感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式。处理单元根据目前行为模式控制第一驱动单元调整转动件的转速。本发明的平衡辅助系统可根据使用者的不同行为模式更灵活地调整转动件所产生的惯性力矩，以适时辅助使用者平衡且避免影响使用者的正常动作。

Description

平衡辅助系统及穿戴式装置
技术领域
本发明关于一种平衡辅助系统及穿戴式装置，尤指一种可辅助使用者平衡，以防止使用者跌倒的平衡辅助系统及安装有此平衡辅助系统的穿戴式装置。
背景技术
随着老年人口的增加与医疗资源的不足，外骨骼机器人(exoskeleton)已逐渐成为国内外学者研究的目标。现有外骨骼机器人的架构是由多个马达与减速机组成，由各种不同的感测器来检测使用者动作，以控制相对应的马达来调整使用者的关节角度与姿态。由于现有的外骨骼机器人无平衡装置，因此，使用者必须自行平衡或仰赖拐杖进行平衡。当使用者重心不稳或遭受碰撞时，使用者便有可能跌倒而受伤。
发明内容
本发明提供一种可辅助使用者平衡，以防止使用者跌倒的平衡辅助系统及安装有此平衡辅助系统的穿戴式装置，以解决上述问题。
根据一实施例，本发明的平衡辅助系统包含一转动件、一第一驱动单元、一感测模组以及一处理单元。第一驱动单元连接于转动件。第一驱动单元用以驱动转动件转动。处理单元电连接于第一驱动单元与感测模组。处理单元自感测模组接收一感测信号。处理单元根据感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式。处理单元根据目前行为模式控制第一驱动单元调整转动件的转速。
根据另一实施例，本发明的穿戴式装置包含一穿戴式物件以及一平衡辅助系统。平衡辅助系统设置于穿戴式物件上。平衡辅助系统包含一转动件、一第一驱动单元、一感测模组以及一处理单元。第一驱动单元连接于转动件。第一驱动单元用以驱动转动件转动。处理单元电连接于第一驱动单元与感测模组。处理单元自感测模组接收一感测信号。处理单元根据感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式。处理单元根据目前行为模式控制第一驱动单元调整转动件的转速。
综上所述，本发明的平衡辅助系统可设置于穿戴式物件(例如，外骨骼机器人)上。当穿戴式物件穿戴于使用者身上，且平衡辅助系统启动时，第一驱动单元即会驱动转动件转动，而产生惯性力矩。转动件所产生的惯性力矩即可辅助使用者平衡，以防止使用者跌倒。此外，感测模组会随着使用者的动作而产生感测信号。本发明的平衡辅助系统可根据感测信号决定使用者的目前行为模式，且根据使用者的目前行为模式调整转动件的转速。藉此，本发明的平衡辅助系统即可根据使用者的不同行为模式更灵活地调整转动件所产生的惯性力矩，以适时辅助使用者平衡且避免影响使用者的正常动作。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为根据本发明一实施例的穿戴式装置的立体图。
图2为图1中的穿戴式装置于另一视角的立体图。
图3为图1中的平衡辅助系统的功能方块图。
图4为图3中的平衡辅助系统的控制流程图。
图5为根据本发明另一实施例的穿戴式装置的前视图。
图6为图5中的平衡辅助系统转动后的立体图。
图7为图5中的平衡辅助系统的功能方块图。
附图标记：
1、1' 穿戴式装置
10 穿戴式物件
12、12' 平衡辅助系统
120 壳体
122 转动件
124 第一驱动单元
126 感测模组
128 处理单元
130 第二驱动单元
132 支架
134 第三驱动单元
1260 惯性测量单元
A1 第一轴向
A2 第二轴向
M 惯性力矩
S10-S22、S180-S186、S200-S202、S220-S224 步骤
具体实施方式
如图1至图3所示，穿戴式装置1包含一穿戴式物件10以及一平衡辅助系统12，其中平衡辅助系统12设置于穿戴式物件10上。需说明的是，平衡辅助系统12可根据实际应用而设置于穿戴式物件10上的任意位置(例如，腰部、脚底等)，不以图中所绘示的实施例为限。于此实施例中，穿戴式物件10可为一外骨骼机器人，但不以此为限。此外，此实施例系将平衡辅助系统12设置于穿戴式物件10上来举例说明。然而，于另一实施例中，平衡辅助系统12亦可设置于移动式机器人或其它移动式物体上，视实际应用而定。
穿戴式物件10可穿戴于使用者身上，且平衡辅助系统12可辅助使用者平衡，以防止使用者跌倒。平衡辅助系统12包含一壳体120、一转动件122、一第一驱动单元124、一感测模组126以及一处理单元128。转动件122设置于壳体120上，其中转动件122的转轴可平行或垂直所欲平衡的方向设置，视实际应用而定。第一驱动单元124设置于壳体120中且连接于转动件122。第一驱动单元124用以驱动转动件122转动。处理单元128电连接于第一驱动单元124与感测模组126。于此实施例中，转动件122可为飞轮或其它类似元件；第一驱动单元124可为马达；处理单元128可为具有信号处理功能的处理器或控制器。
于此实施例中，在平衡辅助系统12启动时(图4中的步骤S10)，处理单元128可控制第一驱动单元124以一预定初始转速驱动转动件122转动(图4中的步骤S12)，以提升转动件122对于使用者后续动作的反应，减少转动件122的反应时间。当转动件122转动时，转动件122即会产生惯性力矩M。上述预定初始转速可根据实际应用而决定。需说明的是，于另一实施例中，图4中的步骤S12亦可省略，视实际应用而定。
接着，处理单元128会自感测模组126接收一感测信号(图4中的步骤S14)。接着，处理单元128会根据感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式(图4中的步骤S16)。于此实施例中，多个行为模式可包含一行进模式、一坐姿转换站姿模式以及一站姿转换坐姿模式，但不以此为限。行为模式是可根据实际应用而有不同的设定。此外，感测模组126可包含一惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)1260，其中惯性测量单元1260是用以感测使用者的倾斜角度。
于本发明的一实施例中，感测模组126亦可包含对应多个行为模式的多个按钮(未绘示于图中)。当使用者按压多个按钮的其中之一时，此按钮即会输出上述的感测信号。此时，使用者即可根据感测信号自多个行为模式中决定对应此按钮的目前行为模式。
于另一实施例中，感测模组126亦可包含使用肤电感测器、力量感测器或位移感测器(未绘示于图中)。此时，处理单元128可根据肤电感测器、力量感测器或位移感测器的感测信号决定使用者的目前行为模式。需说明的是，肤电感测器、力量感测器或位移感测器的作用原理为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
在决定目前行为模式后，处理单元128即会根据目前行为模式控制第一驱动单元124调整转动件122的转速(图4中的步骤S18、S20、S22)。
当目前行为模式为行进模式时(图4中的步骤S18)，使用者的身体会自然地前后晃动，使得惯性测量单元1260感测到使用者的倾斜角度。此时，处理单元128会进一步判断惯性测量单元1260所感测的倾斜角度是否超出一预定范围(图4中的步骤S180)。当处理单元128判断使用者的倾斜角度超出预定范围时，处理单元128即会根据使用者的倾斜角度的变化控制第一驱动单元124调整转动件122的转速(图4中的步骤S182)。于此实施例中，使用者的倾斜角度可包含前倾角度与后倾角度，因此，上述预定范围可由前倾角度θ1与后倾角度θ2来界定。需说明的是，上述的行进模式可包含于平面上行进、上下楼梯的行进或上下坡的行进。此外，上述的前倾角度θ1与后倾角度θ2可根据不同的使用者与不同的行进方式而决定，其中前倾角度θ1与后倾角度θ2可相同或不同。例如，在上下楼梯的行进或上下坡的行进时的前倾角度和后倾角度分别大于平面上行进时的前倾角度和后倾角度。藉此，当处理单元128判断使用者的倾斜角度超出前倾角度θ1与后倾角度θ2所界定的预定范围且倾斜角度愈大时，表示使用者愈有可能跌倒。此时，处理单元128可随着使用者的倾斜角度的增加控制第一驱动单元124增加转动件122的转速，以增加转动件122所产生的惯性力矩M。反之，当倾斜角度超出前倾角度θ1与后倾角度θ2所界定的预定范围但倾斜角度愈小时，表示使用者跌倒风险降低。此时，处理单元128可随着使用者的倾斜角度的减小控制第一驱动单元124降低转动件122的转速，以降低转动件122所产生的惯性力矩M。此外，当处理单元128判断使用者的倾斜角度未超出预定范围时，处理单元128便不调整转动件122的转速(图4中的步骤S184)。需要说明的是，在本发明的一实施例中，当使用者的倾斜角度超出前倾角度θ1与后倾角度θ2所界定的预定范围时，转动件122的转速可随着使用者的倾斜角度成线性变化，即倾斜角度越大，转动件122的转速越快；倾斜角度越小，转动件122的转速越慢。
在调整或不调整转动件122的转速后，处理单元128会进一步判断目前行为模式是否已转换为站姿(图4中的步骤S186)。例如，在本发明的一实施例中，可利用穿戴式装置1的髋关节及膝关节的角度是否为站姿的预设角度来判断行为模式是否已转换为站姿。当处理单元128判断目前行为模式已转换为站姿时，处理单元128即会再次根据感测信号自多个行为模式中决定目前行为模式(图4中的步骤S16)。反之，当处理单元128判断目前行为模式尚未转换为站姿时，处理单元128即会再次判断惯性测量单元1260所感测的倾斜角度是否超出预定范围(图4中的步骤S180)，以决定是否调整转动件122的转速(图4中的步骤S182、S184)。
当目前行为模式为坐姿转换站姿模式时(图4中的步骤S20)，使用者的身体需要有大幅度地向前移动才能站立。此时，处理单元128会控制第一驱动单元124调整转动件122的转速至一预定值(图4中的步骤S200)。于此实施例中，此预定值小于上述的预定初始转速，且此预定值可根据实际应用而设定。换言之，当目前行为模式为坐姿转换站姿模式时，处理单元128会控制第一驱动单元124将转动件122的转速自预定初始转速降低至预定值，以降低转动件122所产生的惯性力矩M。藉此，即可避免转动件122所产生的惯性力矩M过大而影响使用者执行站立的动作。
在调整转动件122的转速至预定值后，处理单元128会进一步判断目前行为模式是否已转换为站姿(图4中的步骤S202)。当处理单元128判断目前行为模式已转换为站姿时，处理单元128即会再次根据感测信号自多个行为模式中决定目前行为模式(图4中的步骤S16)。反之，当处理单元128判断目前行为模式尚未转换为站姿时，处理单元128会维持控制第一驱动单元124调整转动件122的转速至预定值(图4中的步骤S200)。
当目前行为模式为站姿转换坐姿模式时(图4中的步骤S22)，使用者比较不会跌倒，亦即，使用者在坐下的过程中比较不需要平衡辅助系统12的辅助。此时，处理单元128会控制第一驱动单元124逐渐降低转动件122的转速(图4中的步骤S220)，以节省电力。
在逐渐降低转动件122的转速期间，处理单元128会不断地判断目前行为模式是否已转换为坐姿(图4中的步骤S222)。例如，在本发明的一实施例中，可利用穿戴式装置1的髋关节及膝关节的角度是否为坐姿的预设角度来判断行为模式是否已转换为坐姿。当处理单元128判断目前行为模式已转换为坐姿时，处理单元128可关闭第一驱动单元124(图4中的步骤S224)，以节省电力。接着，处理单元128会再次根据感测信号自多个行为模式中决定目前行为模式(图4中的步骤S16)。反之，当处理单元128判断目前行为模式尚未转换为坐姿时，处理单元128会持续控制第一驱动单元124逐渐降低转动件122的转速(图4中的步骤S220)。
如图5至图7所示，另一实施例的穿戴式装置1'的平衡辅助系统12'可另包含一第二驱动单元130、一支架132以及一第三驱动单元134。壳体120可枢接于支架132。第二驱动单元130可设置于支架132上且连接于壳体120。第二驱动单元130用以驱动壳体120转动。第三驱动单元134可设置于穿戴式物件10上且连接于支架132。第三驱动单元134用以驱动支架132转动。此外，处理单元128亦分别电连接于第二驱动单元130与第三驱动单元134。于此实施例中，第二驱动单元130与第三驱动单元134可为马达。
如图6所示，第二驱动单元130可驱动壳体120相对一第一轴向A1转动，且第三驱动单元134可驱动支架132相对一第二轴向A2转动，其中第一轴向A1垂直第二轴向A2。藉此，穿戴式装置1'的平衡辅助系统12'可改变转动件122所产生的惯性力矩M的方向，以提供使用者于任意方向辅助平衡的需求。例如，当使用者快要跌倒时，第二驱动单元130可驱动壳体120转动，且第三驱动单元134可驱动支架132转动，使转动件122的转轴方向平行于使用者跌倒的方向，以更准确地提供使用者惯性力矩M。
综上所述，本发明的平衡辅助系统可设置于穿戴式物件(例如，外骨骼机器人)上。当穿戴式物件穿戴于使用者身上，且平衡辅助系统启动时，第一驱动单元即会驱动转动件转动，而产生惯性力矩。转动件所产生的惯性力矩即可辅助使用者平衡，以防止使用者跌倒。此外，感测模组会随着使用者的动作而产生感测信号。本发明的平衡辅助系统可根据感测信号决定使用者的目前行为模式，且根据使用者的目前行为模式调整转动件的转速。藉此，本发明的平衡辅助系统即可根据使用者的不同行为模式更灵活地调整转动件所产生的惯性力矩，以适时辅助使用者平衡且避免影响使用者的正常动作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种平衡辅助系统，其特征在于，包含：
一转动件；
一第一驱动单元，连接于该转动件，该第一驱动单元用以驱动该转动件转动；
一感测模组；以及
一处理单元，电连接于该第一驱动单元与该感测模组，该处理单元自该感测模组接收一感测信号，该处理单元根据该感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式，该处理单元根据该目前行为模式控制该第一驱动单元调整该转动件的转速。
2.如权利要求1所述的平衡辅助系统，其特征在于，该感测模组包含一惯性测量单元；当该目前行为模式为一行进模式时，该处理单元判断该惯性测量单元所感测的一倾斜角度是否超出一预定范围；当该处理单元判断该倾斜角度超出该预定范围时，该处理单元根据该倾斜角度的变化控制该第一驱动单元调整该转动件的转速。
3.如权利要求2所述的平衡辅助系统，其特征在于，在调整该转动件的转速后，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为站姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为站姿时，该处理单元再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
4.如权利要求1所述的平衡辅助系统，其特征在于，当该目前行为模式为一坐姿转换站姿模式时，该处理单元控制该第一驱动单元调整该转动件的转速至一预定值。
5.如权利要求4所述的平衡辅助系统，其特征在于，在调整该转动件的转速至该预定值后，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为站姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为站姿时，该处理单元再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
6.如权利要求1所述的平衡辅助系统，其特征在于，当该目前行为模式为一站姿转换坐姿模式时，该处理单元控制该第一驱动单元逐渐降低该转动件的转速。
7.如权利要求6所述的平衡辅助系统，其特征在于，在逐渐降低该转动件的转速期间，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为坐姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为坐姿时，该处理单元关闭该第一驱动单元且再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
8.如权利要求1所述的平衡辅助系统，其特征在于，在该平衡辅助系统启动时，该处理单元控制该第一驱动单元以一预定初始转速驱动该转动件转动。
9.如权利要求1所述的平衡辅助系统，其特征在于，另包含一壳体以及一第二驱动单元，该转动件设置于该壳体上，该第一驱动单元设置于该壳体中，该第二驱动单元连接于该壳体，该处理单元电连接于该第二驱动单元，该第二驱动单元用以驱动该壳体相对一第一轴向转动。
10.如权利要求9所述的平衡辅助系统，其特征在于，另包含一支架以及一第三驱动单元，该壳体枢接于该支架，该第三驱动单元连接于该支架，该处理单元电连接于该第三驱动单元，该第三驱动单元用以驱动该支架相对一第二轴向转动，且该第一轴向垂直该第二轴向。
11.一种穿戴式装置，其特征在于，包含：
一穿戴式物件；以及
一平衡辅助系统，设置于该穿戴式物件上，该平衡辅助系统包含：
一转动件；
一第一驱动单元，连接于该转动件，该第一驱动单元用以驱动该转动件转动；
一感测模组；以及
一处理单元，电连接于该第一驱动单元与该感测模组，该处理单元自该感测模组接收一感测信号，该处理单元根据该感测信号自多个行为模式中决定一目前行为模式，该处理单元根据该目前行为模式控制该第一驱动单元调整该转动件的转速。
12.如权利要求11所述的穿戴式装置，其特征在于，该感测模组包含一惯性测量单元；当该目前行为模式为一行进模式时，该处理单元判断该惯性测量单元所感测的一倾斜角度是否超出一预定范围；当该处理单元判断该倾斜角度超出该预定范围时，该处理单元根据该倾斜角度的变化控制该第一驱动单元调整该转动件的转速。
13.如权利要求12所述的穿戴式装置，其特征在于，在调整该转动件的转速后，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为站姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为站姿时，该处理单元再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
14.如权利要求11所述的穿戴式装置，其特征在于，当该目前行为模式为一坐姿转换站姿模式时，该处理单元控制该第一驱动单元调整该转动件的转速至一预定值。
15.如权利要求14所述的穿戴式装置，其特征在于，在调整该转动件的转速至该预定值后，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为站姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为站姿时，该处理单元再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
16.如权利要求11所述的穿戴式装置，其特征在于，当该目前行为模式为一站姿转换坐姿模式时，该处理单元控制该第一驱动单元逐渐降低该转动件的转速。
17.如权利要求16所述的穿戴式装置，其特征在于，在逐渐降低该转动件的转速期间，该处理单元判断该目前行为模式是否已转换为坐姿；当该处理单元判断该目前行为模式已转换为坐姿时，该处理单元关闭该第一驱动单元且再次根据该感测信号自该多个行为模式中决定该目前行为模式。
18.如权利要求11所述的穿戴式装置，其特征在于，在该平衡辅助系统启动时，该处理单元控制该第一驱动单元以一预定初始转速驱动该转动件转动。
19.如权利要求11所述的穿戴式装置，其特征在于，该平衡辅助系统另包含一壳体以及一第二驱动单元，该转动件设置于该壳体上，该第一驱动单元设置于该壳体中，该第二驱动单元连接于该壳体，该处理单元电连接于该第二驱动单元，该第二驱动单元用以驱动该壳体相对一第一轴向转动。
20.如权利要求19所述的穿戴式装置，其特征在于，该平衡辅助系统另包含一支架以及一第三驱动单元，该壳体枢接于该支架，该第三驱动单元连接于该支架，该处理单元电连接于该第三驱动单元，该第三驱动单元用以驱动该支架相对一第二轴向转动，且该第一轴向垂直该第二轴向。
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