KR20180065827A - Handheld tool for leveling uncoordinated motion - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시 내용은 일반적으로 근육 운동을 레벨링하거나 안정화시키기 위한 도구에 관한 것이다. The present disclosure generally relates to a tool for leveling or stabilizing muscle motion.
운동 장애는 신체 부위, 일반적으로 사지 기능의 부분적 또는 전체적 손실을 말한다. 이것은 종종 근육 약화, 체력 저하, 또는 운동 조절 부족으로 인해 발생한다. 이것은 종종 파킨슨씨 병, ALS, 뇌졸중, 다발성 경화증, 또는 뇌성 마비와 같은 신경학적 질환의 증상이다. 운동 장애 및 운동 한계를 극복하기 위해 사용할 수 있는 효과적인 기술은 거의 없다. 결과적으로 많은 사람들은 스스로 먹거나 하는 것과 같은 간단한 작업을 수행할 수 없기 때문에 간병인에게 의존해야만 한다.Movement disorders refer to partial or total loss of body parts, usually limb function. This often occurs due to muscle weakness, poor physical fitness, or lack of exercise control. It is often a symptom of neurological disorders such as Parkinson's disease, ALS, stroke, multiple sclerosis, or cerebral palsy. There are few effective techniques that can be used to overcome movement disorders and exercise limits. As a result, many people have to rely on caregivers because they can not perform simple tasks such as eating themselves.
제한적이지 않고 총망라되는 것도 아닌 본 발명의 실시예들이 이하의 도면들을 참조하여 설명되는데, 도면들에서는 유사한 참조 번호들은 다르게 명시되지 않는 한 다양한 뷰들 전체에 걸쳐 유사한 부분들을 가리킨다. 도면들은 반드시 일정한 비례로 작성된 것은 아니며, 그 대신에 설명되는 원리들을 도해하는 데 역점을 두고 있다.
도 1a는 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 사용자-보조 장치에게 제공하는 핸드헬드 도구의 투시도 도해이다.
도 1b는 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 사용자-보조 장치에게 제공하는 핸드헬드 도구의 절개 투시도 도해이다.
도 1c는 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 사용자-보조 장치에게 제공하는 핸드헬드 도구의 평면도 도해이다.
도 1d는 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 사용자-보조 장치에게 제공하는 핸드헬드 도구의 측면도 도해이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 사용자-보조 장치에게 제공하는 핸드헬드 도구의 시스템 회로의 컴포넌트들을 도해하는 기능 블록도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따라 자동-레벨링을 핸드헬드 도구의 사용자-보조 장치에게 제공하기 위한 움직임 제어 시스템의 컴포넌트들을 도해하는 기능 블록도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따라 음용 컵을 잡도록 구성된 사용자-보조 장치를 가진 핸드헬드 도구의 투시도 도해이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Embodiments of the invention, which are not intended to be limiting, are described with reference to the following drawings, wherein like reference numerals designate like parts throughout the various views unless otherwise indicated. The drawings are not necessarily drawn to scale, emphasis instead being placed upon illustrating the principles illustrated.
Figure 1A is a perspective view of a handheld tool that provides auto-leveling to a user-assisted device in accordance with an embodiment of the present disclosure.
1B is an exploded perspective view of a handheld tool that provides auto-leveling to a user-assisted device in accordance with an embodiment of the present disclosure.
1C is a top view illustration of a handheld tool that provides auto-leveling to a user-assisted device in accordance with an embodiment of the present disclosure.
1D is a side view illustration of a handheld tool that provides auto-leveling to a user-assisted device in accordance with an embodiment of the present disclosure.
2 is a functional block diagram illustrating components of a system circuit of a handheld tool that provides auto-leveling to a user-assisted device in accordance with an embodiment of the present disclosure.
3 is a functional block diagram illustrating components of a motion control system for providing a user-assisted device of a handheld tool with auto-leveling in accordance with an embodiment of the present disclosure.
Figure 4 is a perspective view of a handheld tool having a user-assisted device configured to hold a drinking cup according to an embodiment of the present disclosure.
핸드헬드 도구의 사용자-보조 장치의 자동-레벨링을 제공하기 위한 장치, 시스템, 및 방법의 실시예가 본 명세서에서 설명된다. 이하의 설명에서, 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 세부 사항들이 설명된다. 그러나, 통상의 기술자는 본 명세서에 기술된 기술이 하나 이상의 특정 세부 사항 없이도, 또는 다른 방법, 컴포넌트, 재료 등에 의해 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다른 사례들에서, 공지된 구조, 재료, 또는 동작들은 소정 양태들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 보여지거나 기술되지 않는다.Embodiments of devices, systems, and methods for providing auto-leveling of a user-assisted device of a handheld tool are described herein. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the embodiments. However, one of ordinary skill in the art will recognize that the techniques described herein may be practiced without one or more of the specific details, or with other methods, components, materials, and so on. In other instances, well-known structures, materials, or operations are not shown or described in detail to avoid obscuring certain aspects.
본 명세서 전체에 걸쳐서 "일 실시예" 또는 "실시예"를 참조하는 것은, 실시예와 결합되어 설명되는 특정의 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에 걸쳐서 다양한 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 표현들의 출현들은 반드시 모두가 동일 실시예를 가리키지는 않는다. 더욱이, 특정한 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. Reference throughout this specification to "one embodiment" or "an embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Thus, appearances of the phrases "in one embodiment" or "in an embodiment" in various places throughout this specification are not necessarily all referring to the same embodiment. Moreover, the particular features, structures, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.
인간 떨림을 극복하는데 도움을 주기 위한 기술이 개발되었지만, 그러나 이들은 인간 떨림이 그 크기에 있어서 매우 과도하거나, 또는 운동 장애가 근육 조절의 결여 때문에 기울어지거나 엎질러지는 결과를 낳는 다양한 상황들에 대해 부적합할 수 있다. 관성 측정 유닛(IMU: inertial measurement unit)을 이용한 안정화된 플랫폼들이 군사 응용 분야에서와 애호가들 모두를 위해 카메라를 위해 개발되었다(예를 들어, 브러시리스 짐벌 제어기(brushless gimbal controller)). 안정화된 비행 제어기는 유사하게 3차원 공간에서 움직이는 플랫폼을 안정화시킨다. 그러나, 이러한 해결책들이, 근육 강도 또는 근육 조절 제한들을 가진 사람들이 먹거나, 마시거나, 또는 기타의 것과 같은 일상적인 작업들을 수행하는 것을 돕기 위한 소형 경량의 핸드헬드 도구에 통합되는 것은 실현 가능하지 않다. 게다가, 소정 업무(예를 들어, 외과 수술 분야)는 수술실 또는 심지어 야전 병원과 같은 스트레스가 큰 특정 환경에서 도구 레벨링 및/또는 안정화로부터 이점을 누릴 수 있다. Techniques have been developed to help overcome human tremor, but they may be unsuitable for a variety of situations where human tremors are either too extreme in their size, or in which movement disorders result in skewing or spill due to lack of muscle control have. Stabilized platforms using an inertial measurement unit (IMU) have been developed for cameras (eg, brushless gimbal controllers) in both military applications and for the hobbyists. A stabilized flight controller similarly stabilizes the moving platform in three-dimensional space. However, it is not feasible to integrate these solutions into small, lightweight handheld tools to help people with muscle strength or muscle control restrictions perform routine tasks such as eating, drinking, or otherwise. In addition, certain tasks (e. G., The surgical field) can benefit from tool leveling and / or stabilization in certain stressful environments such as operating rooms or even field hospitals.
도 1a-d는 본 개시내용의 실시예에 따라서 핸드헬드 도구(100)의 단부에 연결되는 사용자-보조 장치(105)를 자동-레벨링하고, 및 일부 실시예들에서는 안정화하는 것이 가능한 핸드헬드 도구(100)를 도해한다. 도 1a는 핸드헬드 도구(100)의 투시도 도해인 한편, 도 1b는 절개 투시도 도해이고, 도 1c는 평면도 도해이고, 및 도 1d는 측면도 도해인데, 이 모든 것은 핸드헬드 도구(100)의 동일 실시예이다. 핸드헬드 도구(100)의 예시된 실시예는 사용자-보조 장치(105), 부착 암(110), 액츄에이터 어셈블리(115), 핸들(120), 및 시스템 회로를 포함한다. 액츄에이터 어셈블리(115)의 도해된 실시예는 액츄에이터(125), 액츄에이터(130), 링크 장치(135), 및 링크 장치(140)를 포함한다. 시스템 회로는 레벨링 IMU(145), 움직임 제어 시스템(150), 전원(155), (도 1a-1d에 도해되지 않은) 위치 센서들, 시스템 제어기(160), 시스템 메모리(165), 및 통신 인터페이스(170)를 포함한다. 일 실시예에서, 핸드헬드 도구(100)는 또한 떨림(tremor) IMU(175)를 포함할 수 있다. Figures la-d illustrate a hand-held tool 105 that is capable of auto-leveling and, in some embodiments, stabilizing a user-assisted device 105 that is connected to an end of the
핸드헬드 도구(100)는 다양하고 상이한 사용자-보조 장치(105)를 잡도록 구성될 수 있는 자동-레벨링 (및 일부 실시예에서는 떨림 안정화) 플랫폼이다. 핸드헬드 도구(100)는 전자식 액츄에이터들 및 피드백 제어 시스템을 이용하는 능동 레벨링을 제공한다. 도 1a-d는 스푼으로서의 사용자-보조 장치(105)를 도해한다; 그러나, 사용자-보조 장치(105)는 다양한 식사 도구, 음용 도구(예로, 도4에서의 컵꽂이 디바이스(400)를 참조), 화장용 기구, 포인팅 디바이스, 다양한 직업상 도구(예로, 외과 수술 도구), 또는 기타의 것으로서 구현될 수 있다. The
핸드헬드 도구(100)의 도해된 실시예는 부착 암(145)상에 배치되는 레벨링 IMU(145)를 포함하는데, 이것은 사용자-보조 장치(105)의 움직임 및 배향을 측정하기 위해 사용자-보조 장치(105)에 강체적으로 연결된다. 레벨링 IMU(145)는 움직임 제어 시스템(150)에게 측정된 움직임 및 배향을 나타내는 피드백 데이터를 출력한다. 레벨링 IMU(145)는 자이로스코프 및 가속도계에 의해 구현될 수 있거나, 또는 심지어 추가적으로 자력계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 레벨링 IMU(145)는 고체 상태 장치이다. An illustrated embodiment of the
일 실시예에서, 움직임 제어 시스템(150)은 주어진 순간에서의 사용자-보조 장치(105)의 기준 프레임(예를 들어, 중력 벡터)에 상대적인 선형 가속도들, 각속도, 및 배향에 대해 레벨링 IMU(145)를 폴링한다. 움직임 제어 시스템(150)은 이후 기준 프레임에 상대적인 3차원("3D") 공간에서의 사용자-보조 장치(105)의 배향을 추정하기 위한 알고리즘을 실행한다. 레벨링 IMU (및 사용자-보조 장치(105))의 보디-프레임에 상대적인 중력의 이 추정 또는 추정 벡터는 계속해서 실시간으로 갱신되고 또한 액츄에이터 어셈블리(115)를 실시간으로 구동하고 제어하기 위한 커맨드 신호를 발생하기 위해 이용된다. 일 실시예에서, 커맨드 신호는 롤 커맨드 및 피치 커맨드를 포함한다. In one embodiment, the
액츄에이터 어셈블리(115)는 적어도 2개의 직교 차원에서 사용자-보조 장치(105)를 조작하기 위해 사용자-보조 장치(105)에 연결된다. 예시된 실시예에서, 2 개의 직교 차원은 피치 축(180) 주위의 회전 및 롤 축(185) 주위의 회전을 포함한다. 피치 축(180)은 핸들(120)을 종 방향으로 통과하며 뻗어가는 롤 축(185)에 직교한다. 다른 실시예들에서, 2개의 움직임 차원은 직교할 필요가 없다. 게다가, 다른 실시예들에서, 선형 움직임들 또는 심지어 요 회전(yaw rotation)과 같은 추가적 자유도가 액츄에이터 어셈블리(115)에 추가될 수 있다. The actuator assembly 115 is connected to the user-assist device 105 for operating the user-assist device 105 in at least two orthogonal dimensions. In the illustrated embodiment, the two orthogonal dimensions include a rotation around the
액츄에이터 어셈블리(115)는 자동-레벨링을 위해 및 일부 실시예들에서는 떨림 안정화를 위해 핸들(120)에 상대적으로 부착 암(110)을 움직이기 위해 그리고 더 나아가 사용자-보조 장치(105)를 움직이기 위해 핸드헬드 도구(100)에 존재한다. 사용자-보조 장치(105)가 고정된 기준 프레임(예를 들어, 중력 벡터)에 상대적으로 피칭되거나 롤링된다면, 움직임 제어 시스템(150)은 액츄에이터 어셈블리(115)에게 커맨드를 내려서 레벨 배향을 보상하고 유지하거나 또는 심지어 떨림에 대항하기 위해 상쇄용 배향을 제공하도록 사용자-보조 장치(105)가 반대 방향들로 움직이게 할 것이다. 전체 효과는, 핸들이 액츄에이터 어셈블리(115)의 물리적 한계 내에서 배향되는 방식에 관계없이 사용자-보조 장치(105)가 배향에 있어서 고정된 (또는 심지어 안정화된) 상태로 유지된다는 것이다. Actuator assembly 115 may be used to move
액츄에이터 어셈블리(115)의 도해된 실시예는 롤 축(185) 주위의 회전 움직임 출력을 제공하는 액츄에이터(125)를 포함한다. 이런 롤 움직임은 링크 장치(135)를 경유해 액츄에이터(130)에 결합되어 액츄에이터(125)가 롤 축(185) 주위로 액츄에이터(130)를 물리적으로 회전시키도록 한다. 액츄에이터(130)의 도해된 실시예는 피치 축(180) 주위의 회전 움직임 출력을 제공한다. 피치 및 롤 움직임들은 링크 장치(140)를 경유해 부착 암 및 더 나아가 사용자-보조 장치(105)에 결합되어 액츄에이터(125)가 사용자-보조 장치(105)를 롤링하는 동안 액츄에이터(130)가 사용자-보조 장치(105)를 피칭하도록 한다. 이러한 직교하는 회전 움직임들은 독립적으로 제어된다. An illustrated embodiment of the actuator assembly 115 includes an
일 실시예에서, 핸드헬드 도구(100)는, 핸들(120)에 상대적인 액츄에이터들(125 및 130)의 출력들의 회전 위치들을 나타내는 위치 정보 피드백을 움직임 제어 시스템(150)에게 제공하는 2개의 위치 센서를 추가로 포함한다. 다시 말해서, 위치 센서들은 핸들(120)에 상대적인 링크 장치들(135 및 140)의 위치들을 나타낸다. 일 실시예에서, 각각의 위치 센서는 그 제각기 링크 장치 (135) 또는 (140)의 위치들을 모니터링하는 홀-효과 센서이다. 전위차계들, 인코더들, 기타 등등을 포함하는 기타 위치 센서들이 구현될 수 있다. In one embodiment, the
종래의 안정화 장치들은 중량 진자(weighted pendulum)를 이용하여 안정화를 제공하려고 시도하였다. 그러나, 플랫폼이 레벨링 상태에 머물도록 강제하기 위해서는 큰 질량이 요구된다. 그와 같은 구현에서의 단점은 필요한 부피 및 질량과 그 고유 주파수에서의 진자의 흔들림 및 진동의 가능성을 포함한다. 사용자-보조 장치의 설정 값(안정화된 위치)은 기계적인 어셈블리에 의해 또한 제한되고 쉽게 조절될 수 없다. 게다가, 사용자에 관한 데이터는 이러한 순수하게 기계적인 수단으로는 수집될 수 없다. 대조적으로, 핸드헬드 도구(100)에 사용되는 피드백 제어 시스템은 현저하게 더 작은 폼-팩터로 훨씬 큰 성능을 달성할 수 있다. 무거운 중량은 요구되지 않고, 움직임 제어 시스템(150)은 다양한 의도치 않은 움직임에 대처하도록 특별히 튜닝될 수 있다(예를 들어, 떨림 안정화). 실제로, 움직임 제어 시스템(150)은 자동-레벨링을 위해 미조정 움직임들(uncoordinated movements)(저주파수)에 응답하고 또한 인간 떨림들의 안정화를 위해 의도치 않은 움직임들(고주파수)에 응답하는 것 모두를 하도록 프로그래밍될 수 있다. Conventional stabilization devices have attempted to provide stabilization using a weighted pendulum. However, a large mass is required to force the platform to remain in the leveling state. Disadvantages of such an implementation include the required volume and mass and the possibility of vibration and vibration of the pendulum at its natural frequency. The set-point (stabilized position) of the user-assisted device is also limited by the mechanical assembly and can not be easily adjusted. In addition, data about the user can not be collected by such purely mechanical means. In contrast, the feedback control system used in the
덧붙여, 시스템 제어기(160)는 사용자의 상태의 심각성(예를 들어, 레벨 배향을 유지하기 위한 능력, 필요한 피드백 제어 보조의 양, 의도치 않은 떨림 움직임들의 양, 기타 등등)에 관한 데이터를 모니터링하고 수집하고 및 통신 인터페이스(170)를 경유한 최후 출력을 위해 이 데이터를 시스템 메모리(165) 내의 로그에 저장한다. 사용자/환자의 상태를 진단하고 처치하기 위해 로그는 분석되어 의료 인력에게 제공될 수 있다. 움직임 제어 시스템(150)에 의해 제공되는 능동 제어는 치료 계획의 일환으로서 시간 경과에 따라 작은 증분들로 자동으로 조절하도록 추가로 프로그래밍될 수 있다. 치료 계획은 로그를 이용하여 모니터링될 수 있고 또한 로그를 참조함으로써 환자당 기준으로 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 능동 레벨링/안정화의 양은 일종의 치료 또는 훈련으로서 규정 비율로 증분적으로 감소될 수 있고, 그 결과들은 로그를 참조하여 주기적으로 모니터링될 수 있다. In addition, the
일 실시예에서, 부착 암(110)은 단일 사용자-보조 장치(105)에의 영구적인 고정 연결로서 구현이다. 다른 실시예들에서, 부착 암(110)은 사용자-보조 장치(105)를 제거하거나 대체하기 위해 비영구적 부착을 용이하게 할 수 있다. 비영구적 부착을 이용하는 것은 사용자로 하여금 핸드헬드 도구(100)에 상이한 유형들의 사용자-보조 장치들(105)을 삽입하거나 부착하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 사용자-보조 장치(105)는 다양하고 상이한 식사 도구 또는 음용 도구(예를 들어, 스푼, 칼, 포크, 컵꽂이), 개인 위생 도구(예를 들어, 칫솔, 치실), 치장 도구(예를 들어, 화장용 기구, 빗), 직업상 도구(예를 들어, 외과 수술 도구), 포인팅 디바이스(예를 들어, 레이저 포인터 또는 스틱 포인터), 또는 그 밖의 것으로서 구현될 수 있다. 자동-레벨링(및 선택적 떨림 안정화) 기능성은 미조정된(및/또는 의도치 않은) 근육 운동을 갖는 사용자로 하여금 더 큰 독립성 및 일상적 작업들에 대한 자체-제어를 제공함으로써 개선된 삶의 질을 갖는 것을 도울 수 있다. 게다가, 핸드헬드 도구(100)는 미조정되고/의도치 않은 근육 운동으로 시달리지 않는 자들을 조력하는 직업적 용도를 가질 수 있다. In one embodiment, the
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따라서, 시스템 회로(200)의 기능 컴포넌트들을 도해하는 기능 블록도이다. 시스템 회로(200)는 핸드헬드 도구(100)의 작동을 위한 예시적 기능 제어 컴포넌트들을 설명한다. 시스템 회로(200)의 도해된 실시예는 움직임 제어 시스템(205), 시스템 메모리(210), 시스템 제어기(215), 통신 인터페이스(220), 전원(225), 레벨링 IMU(230), 위치 센서들(235), 및 떨림 IMU(240)를 포함한다. 2 is a functional block diagram illustrating functional components of the system circuit 200, in accordance with an embodiment of the present disclosure. The system circuit 200 describes exemplary functional control components for operation of the
상술한 바와 같이, 움직임 제어 시스템(205)은 사용자-보조 장치(105)의 배향 및 움직임을 결정하기 위해 레벨링 IMU(230)로부터 피드백 데이터를 수신한다(예를 들어, 폴링한다). 이 피드백 데이터는 액츄에이터 어셈블리(115)를 조작하기 위해 커맨드들을 발생하기 위해 제어 알고리즘을 이용하여 분석된다. 일 실시예에서, 움직임 제어 시스템(205)은 디지털 신호 처리("DSP") 회로로서 구현된다. 또 다른 실시예에서, 움직임 제어 시스템(205)은 시스템 메모리(210)에 저장되고 시스템 제어기(215)상에서 실행되는 소프트웨어/펌웨어 로직이다. 일 실시예에서, 시스템 제어기(215)는 마이크로프로세서로서 구현되고 시스템 메모리(210)는 비휘발성 메모리(예를 들어, 플래시 메모리)이다. 다른 유형의 메모리 및 제어기가 이용될 수 있다. The
일 실시예에서, 통신 인터페이스(220)는 시스템 메모리(210)에 저장되는 데이터(예를 들어, 사용 로그)를 출력하기 위해 시스템 제어기(215)에 통신 가능하게 결합된다. 통신 인터페이스(220)는, USB(universal serial port), 무선 블루투스 인터페이스, 와이파이 인터페이스, 셀 방식 인터페이스, 또는 그 밖의 것과 같은 유선 또는 무선 인터페이스로서 구현될 수 있다. In one embodiment,
앞서 언급한 것처럼, 레벨링 IMU(230)는 사용자-보조 장치(105)의 배향 및 움직임을 모니터링하도록 배치된다. 도 1a-d의 도해된 실시예에서, 레벨링 IMU(145)는 부착 암(145)상에 배치된다. 사용자-보조 장치(105)가 영구히 핸드헬드 도구(100)에 고정되는 실시예에 있어서, 레벨링 IMU(230)는 사용자-보조 장치(105) 자체에 강체적으로 또한 장착될 수 있거나 또는 부착 암(110)을 사용자-보조 장치(105)의 연장 부분이라고 간주할 수 있다. 레벨링 IMU(230)는 가속도계, 자이로스코프, 또는 자력계 중 하나 이상을 포함하는 고체-상태 센서로서 구현될 수 있다. As previously mentioned, the leveling IMU 230 is arranged to monitor the orientation and movement of the user-assist device 105. In the illustrated embodiment of Figs. La-d, the leveling
위치 센서들(235)은 핸들(120)에 대한 액츄에이터 어셈블리(115)의 출력들의 상대적 위치들을 측정하는 상대적 센서들이다. 일 실시예에서, 위치 센서들(235)은 링크 장치들(135 및 140)의 위치들을 측정함으로써 액츄에이터들(125 및 130)의 출력들의 위치를 모니터링하는 홀-효과 센서들이다. 위치 센서들(235)에 의해 출력되는 상대적 위치 정보는, 사용자가 얼마나 많은 자동-레벨링을 필요로 하는지를 결정하고 그에 의해 주어진 사용자의 심각도 및 진행도를 진단하기 위해서 시스템 메모리(210) 내의 로그에 기록될 수 있다.The position sensors 235 are relative sensors that measure the relative positions of the outputs of the actuator assembly 115 with respect to the
일 실시예에서, 핸드헬드 도구(100)는 핸들(120)에 강체적으로 탑재되어 핸들(100)의 움직임/배향을 측정하기 위한 떨림 IMU(240)를 추가로 포함할 수 있다. 떨림 IMU(240)에 의해 획득되는 떨림 피드백 정보는 사용자의 상태의 진단 및 처치를 용이하게 하기 위해 시스템 메모리(210) 내의 로그 파일에 또한 기록될 수 있다. 일부 실시예들에서, 레벨링 IMU(230)로부터의 피드백 데이터가 사용자-보조 장치(100)의 자동-레벨링 및 안정화의 양쪽을 위해 충분하고도 심지어 바람직할 수 있지만, 떨림 IMU(240)로부터의 피드백 데이터가 피드백 안정화를 위해 또한 사용될 수 있다. In one embodiment, the
도해된 실시예에서, 시스템 회로(200)의 기능적 컴포넌트들은 전원(225)에 의해 전력이 공급된다. 일 실시예에서, 전원(225)은 핸드헬드 도구(100)의 핸들(120) 내에 배치되는 2차 전지(예를 들어, 리튬 이온 배터리)이다. 시스템 회로(200)의 그 외의 기능적 컴포넌트들의 대다수가 조밀하고 사용자 친화적 폼 팩터를 제공하기 위해 핸들(120) 내에 또한 배치될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예들에서, 움직임 제어 시스템(205), 시스템 메모리(210), 시스템 제어기(215), 통신 인터페이스(220), 전원(225), 및 떨림 IMU(240) 중 일부 또는 전부가 핸들(120) 내에 배치된다. 도 1a-d에 도해된 것과 같이, 액츄에이터(125) 및 링크 장치(135)는 적어도 부분적으로 핸들(120) 내에 배치된다. In the illustrated embodiment, the functional components of the system circuit 200 are powered by a power supply 225. In one embodiment, the power source 225 is a secondary battery (e.g., a lithium ion battery) disposed within the
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따라서, 자동-레벨링을 핸드헬드 도구(100)의 사용자-보조 장치(105)에게 제공하기 위한 움직임 제어 시스템(300)의 기능적 컴포넌트들을 도해하는 기능 블록도이다. 움직임 제어 시스템(300)은 움직임 제어 시스템(150 또는 205)의 하나의 가능한 구현이다. 움직임 제어 시스템(300)은 소프트웨어 로직/명령어들로서, 펌웨어 로직/명령어들로서, 하드웨어 로직, 또는 이것들의 조합으로서 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 움직임 제어 시스템(300)은 DSP 회로이다. 3 is a functional block diagram illustrating the functional components of motion control system 300 for providing auto-leveling to user-assisted device 105 of
움직임 제어 시스템(300)의 예시된 실시예는 회전 벡터 모듈(305), 저역통과필터("LPF")(310), 상보 필터 모듈(315), 추정 벡터 모듈(320), 역 운동학 모듈(325), 및 움직임 제어기(330)를 포함한다. 움직임 제어 시스템(300)은 레벨링 IMU(335) 및 위치 센서들(340)로부터 피드백 데이터를 수신하도록 결합된다. 레벨링 IMU(335)의 예시된 실시예는 자이로스코프(345) 및 가속도계(350)를 포함한다. The illustrated embodiment of the motion control system 300 includes a rotation vector module 305, a low pass filter (LPF) 310, a
동작 동안, 자이로스코프(345)는 자이로 데이터 ΔG 를 출력하는 한편, 가속도계(350)는 가속도계 데이터 ΔA를 출력한다. 자이로 데이터 ΔG는 이전 에러 벡터 Sn -1을 조절하기 위해 회전 벡터 모듈(305)에 의해 이용되어 현재 에러 벡터 Sn을 발생하게 된다. 현재 에러 벡터 Sn은 그리고 나서 상보 필터 모듈(315)에게 제공된다. 상보 필터 모듈(315)은 가속도계 데이터 ΔA의 저역 통과 필터링된 버전 Δ'A 에 의해 현재 에러 벡터 Sn 을 조절하여 조절된 에러 벡터 S'n을 발생하게 된다. 조절 에러 벡터 S'n은 추정 벡터 모듈(320)에게 루프 백되는데, 여기서 이것은 래치되거나 일시적으로 저장되고, 다음 동작 주기를 위해 이전 에러 벡터 Sn -1로서 회전된 벡터 모듈(305)에게 제공된다. During operation, the gyroscope 345 is for outputting the gyro data G Δ On the other hand, the accelerometer 350 outputs the accelerometer data Δ A. The gyro data? G is used by the rotation vector module 305 to adjust the previous error vector S n -1 to generate the current error vector S n . The current error vector S n is then provided to the
조절된 에러 벡터 S'n은 기준 프레임(예를 들어, 중력 벡터)과 사용자-보조 장치(105)의 현재 위치를 나타내는 벡터 사이의 차이 벡터를 나타낸다. 예를 들어, 사용자-보조 장치(105)의 현재 위치를 나타내는 벡터는 레벨링 IMU(145)가 그 상에 배치되는 표면으로부터 연장되는 법선 벡터일 수 있다. 물론, 사용자-보조 장치(105)를 기술하기 위한 다른 벡터 배향들이 이용될 수 있다. The adjusted error vector S ' n represents the difference vector between the reference frame (e.g., gravity vector) and the vector representing the current position of the user-assisted device 105. For example, the vector representing the current position of the user-assist device 105 may be a normal vector extending from the surface on which the leveling
자이로스코프(345)는 각속도 데이터를 신속히 출력하는 고속 동작 센서이지만, 드리프트 초과 시간으로 피해를 입는다. 대조적으로, 가속도계(350)는 상보 필터(315)에 의해 이용되는 정확한 판독들을 출력하여 현재 에러 벡터 Sn을 갱신하고 어떠한 드리프트도 상쇄하여 없애 버리는 저속 센서이다. 가속도계 데이터 ΔA는 떨림 움직임들과 같은 갑작스러운 움직임으로 인한 고주파 변동들을 제거하기 위해 저역 통과 필터링되는데, 이 갑작스러운 움직임들은 저주파수 자동-레벨링 기능에 대해 덜 유용하다. The gyroscope 345 is a high-speed motion sensor that outputs angular velocity data quickly, but it suffers from excessive drift time. In contrast, accelerometer 350 is a slow sensor that outputs accurate readings used by
조절된 에러 벡터 S'n은 그리고 나서 역 운동학 모듈(325)에게 제공된다. 역 운동학 모듈(325)은 액츄에이터 어셈블리(115)의 현재 위치 정보와 함께 조절된 에러 벡터 S'n을 취하여 액츄에이터들(125 및 130)의 위치 파라미터들을 정의하는 에러 신호들(예를 들어, 피치 에러 및 롤 에러)을 발생하여 사용자-보조 장치(105)의 요망된 위치를 획득하게 된다. 운동학 방정식의 사용은 로봇 제어 시스템 분야에 알려져 있다. The adjusted error vector S ' n is then provided to the
에러 신호들은 그리고 나서 움직임 제어기(330)에 입력되고, 이것은 액츄에이터 어셈블리(115)를 제어하기 위한 실제 커맨드들(예를 들어, 피치 커맨드 및 롤 커맨드)을 구현하는 방식을 결정한다. 일 실시예에서, 움직임 제어기(330)는 PID(proportional-integral-derivative) 제어기로서 구현된다. 움직임 제어기(330)는 에러 신호들(예를 들어, 피치 에러 및 롤 에러)을 감소시키는 한편 또한 정정 오버슈트 및 진동을 감소시키고자 시도한다. The error signals are then input to the
예시된 실시예에서, 움직임 제어 시스템(300)은 가속도계 데이터 ΔA가 움직임 제어기(330)에 도달하기 위한 고주파 경로(360)를 또한 포함한다. 고주파 경로(360)는 필터링되지 않은 고주파 가속도계 데이터 ΔA가 움직임 제어기(330)에 의해 분석되는 것을 허용하여 떨림 안정성 제어를 구현시키게 된다. In the illustrated embodiment, the motion control system 300 also includes a
상기 설명된 일부 기능적 로직/소프트웨어는 컴퓨터 소프트웨어 및 하드웨어의 면에서 설명된다. 설명된 기법들은 유형의 또는 비일시적 머신(예컨대, 컴퓨터) 판독가능 저장 매체 내에 구체화되는 머신-실행가능 명령어들을 구성할 수 있으며, 이 명령어들은 머신에 의해 실행될 때 머신으로 하여금 설명된 동작들을 수행하게 야기할 것이다. 게다가, 프로세스들은 ASIC(specific integrated circuit) 또는 다른 것과 같은 하드웨어 내에서 구체화될 수 있다. Some of the functional logic / software described above is described in terms of computer software and hardware. The described techniques may constitute machine-executable instructions embodied in a tangible or non-volatile machine (e.g., computer) readable storage medium, which, when executed by the machine, cause the machine to perform the described operations It will cause. In addition, the processes may be embodied in hardware such as a specific integrated circuit (ASIC) or the like.
유형의 머신-판독 가능 저장 매체는 머신(예를 들어, 컴퓨터, 네트워크 디바이스, 개인 휴대 정보 단말기(personal digital assistant), 제조 도구, 또는 하나 이상의 프로세서를 가진 임의의 디바이스, 기타 등등)에 의해 접근가능한 비 일시적 형태로 정보를 제공(즉, 저장)하는 임의의 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 머신 판독 가능 저장 매체는 기록 가능/비 기록 가능 매체(예를 들어, 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시 메모리 디바이스 등)를 포함한다.Type of machine-readable storage medium can be accessed by a machine (e.g., a computer, a network device, a personal digital assistant, a manufacturing tool, or any device with one or more processors, etc.) And includes any mechanism for providing (i.e., storing) information in non-transitory forms. For example, a machine-readable storage medium may be any type of storage medium such as a recordable / non-recordable medium (e.g., read only memory (ROM), random access memory (RAM), magnetic disk storage medium, optical storage medium, flash memory device, .
요약서에 기술된 것을 포함하여 본 발명의 예시된 실시예에 대한 상기 설명은 망라적인 것이 되려 하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로만 한정하려고 의도하지 않는다. 본 발명의 특정 실시예들 및 본 발명을 위한 예들은 설명의 목적으로 본 명세서에 기술되었지만, 관련 분야의 통상의 기술자가 인식할 수 있는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형들이 가능하다.The foregoing description of the illustrated embodiments of the invention including those described in the abstract is intended to be exhaustive or is not intended to limit the invention to the precise forms disclosed. While specific embodiments of the invention and examples for the invention have been described herein for purposes of illustration, various modifications are possible within the scope of the invention as recognized by those skilled in the art.
상기 상세한 설명에 비추어 볼 때 본 발명에 대해 이러한 변형들이 이루어질 수 있다. 다음의 청구범위에서 사용되는 용어들은 본 발명을 명세서에 개시된 특정 실시예로만 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다. 그보다는, 본 발명의 범위는 청구 범위 해석의 확립된 원칙에 따라 해석되어야 하는 다음의 청구 범위에 의해 전적으로 결정되어야 한다.These modifications may be made to the invention in light of the above detailed description. The terms used in the following claims should not be construed as limiting the invention to the specific embodiments disclosed in the specification. Rather, the scope of the present invention should be determined entirely by the following claims, which are to be construed in accordance with established principles of claim interpretation.
Claims (21)
상기 핸드헬드 도구의 사용자가 잡기 위한 핸들;
상기 핸들로부터 연장되는 부착 암 - 상기 부착 암은 사용자-보조 장치에 연결되도록 구성됨-;
상기 부착 암에 장착되어, 상기 사용자-보조 장치의 움직임 또는 배향 중 하나 이상의 측정들을 획득하고 및 상기 측정들을 나타내는 피드백 데이터를 발생하기 위한 제1 IMU(inertial measurement unit);
적어도 2개의 차원으로 상기 부착 암을 통해 상기 사용자-보조 장치를 조작하도록 결합되는 액츄에이터 어셈블리; 및
상기 제1 IMU로부터 상기 피드백 데이터를 수신하도록 결합되고 또한 상기 사용자가 상기 핸드헬드 도구를 조작하는 동안 기준 프레임에 대한 상기 사용자-보조 장치의 자동-레벨링을 제공하라는 커맨드들을 상기 액츄에이터 어셈블리에게 제공하도록 결합되는 움직임 제어 시스템
을 포함하는 핸드헬드 도구.As a handheld tool:
A handle for a user to hold the handheld tool;
An attachment arm extending from said handle, said attachment arm being configured to be connected to a user-assist device;
A first inertial measurement unit (IMU) mounted to the attachment arm for obtaining one or more measurements of movement or orientation of the user-assisted device and generating feedback data indicative of the measurements;
An actuator assembly coupled to manipulate the user-assist device through the attachment arm in at least two dimensions; And
And to provide the actuator assembly with commands to receive the feedback data from the first IMU and to provide auto-leveling of the user-assisted device to a reference frame while the user is manipulating the handheld tool Motion control system
/ RTI >
상기 부착 암의 롤링(rolling) 움직임을 제어하는 제1 액츄에이터; 및
상기 부착 암의 피칭(pitching) 움직임을 제어하는 제2 액츄에이터를 포함하는
핸드헬드 도구. The actuator assembly of claim 2, wherein the actuator assembly comprises:
A first actuator for controlling the rolling motion of the attachment arm; And
And a second actuator for controlling a pitching motion of the attachment arm
Handheld tools.
상기 제1 액츄에이터로부터 출력되는 상기 롤링 움직임을 상기 제2 액츄에이터에 기계적으로 결합하는 제1 링크 장치 - 상기 제1 액츄에이터는 상기 제1 링크 장치를 통해 상기 제2 액츄에이터를 롤링함으로써 상기 부착 암을 롤링하도록 결합됨 -; 및
상기 제2 액츄에이터로부터 출력되는 상기 피칭 움직임을 상기 부착 암에 기계적으로 결합하는 제2 링크 장치를 추가로 포함하는
핸드헬드 도구.4. The actuator assembly of claim 3, wherein the actuator assembly comprises:
A first link device for mechanically coupling the rolling motion output from the first actuator to the second actuator, the first actuator for rolling the attachment arm by rolling the second actuator through the first link device Combined; And
Further comprising a second link device mechanically coupling the pitching motion output from the second actuator to the attachment arm
Handheld tools.
상기 제1 액츄에이터의 제1 출력의 제1 상대적 위치를 모니터링하도록 결합된 제1 위치 센서; 및
상기 제2 액츄에이터의 제2 출력의 제2 상대적 위치를 모니터링하도록 결합된 제2 위치 센서
를 추가로 포함하고,
상기 제1 및 제2 위치 센서들은 상기 움직임 제어 시스템에게 위치 정보를 피드백하도록 결합되는
핸드헬드 도구. The method of claim 3,
A first position sensor coupled to monitor a first relative position of a first output of the first actuator; And
A second position sensor coupled to monitor a second relative position of a second output of the second actuator,
, ≪ / RTI >
The first and second position sensors are coupled to feedback the position information to the motion control system
Handheld tools.
상기 핸들 내에 배치되고 또한 상기 제1 및 제2 위치 센서들로부터 위치 정보를 수집하고 상기 위치 정보를 로그에 기록하도록 결합된 시스템 제어기; 및
상기 시스템 제어기에 결합되어 상기 핸드헬드 도구로부터 상기 로그를 출력하기 위한 통신 인터페이스
를 추가로 포함하는 핸드헬드 도구. 6. The method of claim 5,
A system controller disposed within the handle and coupled to collect position information from the first and second position sensors and to log the position information; And
A communication interface coupled to the system controller for outputting the log from the handheld tool;
The handheld device further comprising:
상기 사용자가 상기 핸드헬드 도구를 잡고 사용하는 동안 인간 떨림을 측정하기 위해 상기 핸들에 강체적으로 연결되는 제2 IMU
를 추가로 포함하는 핸드헬드 도구.The method according to claim 1,
A second IMU connected rigidly to the handle for measuring human tremor while the user is holding and using the handheld tool,
The handheld device further comprising:
상기 명령어들은, 핸드헬드 도구에 의해 실행될 때, 상기 핸드헬드 도구로 하여금:
IMU에 의해 상기 핸드헬드 도구의 말단부에 장착된 사용자-보조 장치의 움직임 또는 배향 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
상기 측정에 기초하여 상기 IMU로부터 피드백 데이터를 출력하는 단계;
상기 핸드헬드 도구의 핸들 내에 적어도 부분적으로 배치된 움직임 제어 시스템에 의해 상기 피드백 데이터를 실시간으로 모니터링하는 단계; 및
상기 움직임 제어 시스템에 의해 액츄에이터 어셈블리를 제어하는 단계 - 상기 액츄에이터 어셈블리는 사용자가 상기 핸드헬드 도구를 조작하는 동안 기준 프레임에 대한 상기 사용자-보조 장치의 자동-레벨링을 제공하기 위해 적어도 2개의 직교 차원으로 상기 사용자-보조 장치를 조작하도록 결합됨 - 를 포함하는 동작들을 수행하도록 야기하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. At least one machine-accessible storage medium for providing instructions,
Wherein the instructions, when executed by a handheld tool, cause the handheld tool to:
Measuring at least one of the movement or orientation of the user-assisted device mounted at the distal end of the hand held tool by the IMU;
Outputting feedback data from the IMU based on the measurement;
Monitoring the feedback data in real time by a motion control system at least partially disposed within a handle of the handheld tool; And
Controlling the actuator assembly by the motion control system, wherein the actuator assembly includes at least two orthogonal dimensions to provide auto-leveling of the user-assisted device relative to a reference frame while the user is manipulating the handheld tool Assisted device to perform operations comprising: < RTI ID = 0.0 >
At least one machine-accessible storage medium.
상기 기준 프레임에 기초하여 상기 사용자-보조 장치의 기준 벡터로부터의 위치 편차를 나타내는 에러 벡터를 발생하는 단계;
상기 IMU로부터 출력된 상기 피드백 데이터에 기초하여 상기 에러 벡터를 갱신하는 단계; 및
상기 에러 벡터에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 피치 축 주위로 상기 액츄에이터 어셈블리를 조작하기 위한 피치 커맨드 및 상기 롤 축 주위로 상기 액츄에이터 어셈블리를 조작하기 위한 롤 커맨드를 발생하는 단계를 포함하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. 14. The method of claim 13, wherein controlling the actuator assembly by the motion control system to provide auto-
Generating an error vector representing a position deviation from the reference vector of the user-assisted device based on the reference frame;
Updating the error vector based on the feedback data output from the IMU; And
Generating a pitch command for manipulating the actuator assembly about the pitch axis based at least in part on the error vector and a roll command for manipulating the actuator assembly about the roll axis
At least one machine-accessible storage medium.
상기 자이로스코프 피드백 데이터에 의해 상기 에러 벡터를 갱신하는 단계; 및
상기 가속도계 피드백 데이터에 의해 상기 에러 벡터를 갱신하기 전에 상기 가속도계 피드백 데이터를 저역 통과 필터링하는 단계를 추가로 포함하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. 15. The system of claim 14, wherein the IMU comprises a gyroscope and an accelerometer, the feedback data comprising gyroscope feedback data and accelerometer feedback data, and wherein the actuator assembly is controlled by the motion control system to provide the auto- The controlling step is:
Updating the error vector by the gyroscope feedback data; And
Further comprising low pass filtering the accelerometer feedback data prior to updating the error vector with the accelerometer feedback data
At least one machine-accessible storage medium.
상기 사용자-보조 장치의 인간 떨림 안정화를 제공하기 위해 상기 두 개의 회전축 주위로 상기 움직임 제어 시스템에 의해 상기 액츄에이터 어셈블리를 제어하는 단계를 포함하는 추가 동작들을 수행하도록 야기하는 명령어들을 추가로 제공하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. 14. The method of claim 13, further comprising: when executed by the handheld tool,
Further comprising instructions for causing the motion assembly to perform additional operations including controlling the actuator assembly by the motion control system about the two rotation axes to provide human vibration stabilization of the user-assisted device
At least one machine-accessible storage medium.
상기 인간 떨림 안정화를 위한 피드백 제어를 제공하기 위해 상기 가속도계 피드백 데이터를 저역 통과 필터링하지 않고서 상기 IMU의 가속도계로부터 출력된 가속도계 피드백 데이터를 이용하는 단계를 포함하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. 17. The method of claim 16, wherein controlling the actuator assembly by the motion control system about the two rotational axes to provide human tremor stabilization comprises:
And using accelerometer feedback data output from the accelerometer of the IMU without low pass filtering the accelerometer feedback data to provide feedback control for human tremor stabilization
At least one machine-accessible storage medium.
상기 두 개의 회전 축에 대한 상기 액츄에이터 어셈블리의 위치들을 모니터링하도록 결합된 하나 이상의 위치 센서로부터 위치 정보를 수집하는 단계;
상기 위치 정보를 로그에 기록하는 단계; 및
통신 인터페이스를 통해 상기 핸드헬드 도구로부터 상기 로그를 통신하는 단계를 포함하는 추가 동작들을 수행하도록 야기하는 명령어들을 추가로 제공하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체. 14. The method of claim 13, further comprising: when executed by the handheld tool,
Collecting position information from one or more position sensors coupled to monitor positions of the actuator assembly relative to the two rotational axes;
Recording the location information in a log; And
Further comprising instructions for causing the computer to perform additional operations including communicating the log from the handheld tool via a communication interface
At least one machine-accessible storage medium.
상기 사용자를 처치(treat)하기 위한 훈련 계획 또는 치료 계획의 일부로서 시간 경과에 따라 상기 액츄에이터 어셈블리에 의해 제공되는 상기 사용자-보조 장치의 상기 자동-레벨링의 양을 조절하는 단계를 포함하는 추가 동작들을 수행하도록 야기하는 명령어들을 추가로 제공하는
적어도 하나의 머신-접근가능 저장 매체.13. The method of claim 12, further comprising: when executed by the handheld tool,
Adjusting the amount of auto-leveling of the user-assisted device provided by the actuator assembly over time as part of a training plan or treatment plan to treat the user, To provide additional instructions to cause
At least one machine-accessible storage medium.
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