TW202105127A - 穿戴式裝置以及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種穿戴式裝置以及操作方法。穿戴式裝置包含有一鞋組件、複數個壓力感測器、一處理電路以及一警示模組。複數個壓力感測器設置於鞋組件上，用來產生複數個壓力感測值。處理電路用來根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出一重心座標並且根據該重心座標產生一判斷結果。警示模組用來根據該判斷結果輸出一警示訊號以執行一警示功能。

Description

穿戴式裝置以及操作方法
本發明係關於一種穿戴式裝置以及操作方法，尤指一種設置有壓力感測器以及慣性感測器之穿戴式裝置以及操作方法。
現有外骨骼機器人可蒐集使用者的關節角度與姿態來判斷使用者的動作。但是由於現有的外骨骼機器人架構並無接觸在地面上且可準確預估重心的裝置，也因此無法確定使用者是否跌倒。此外，在日常生活中，較年老的人、較年幼的人或是病患很容易發生跌倒事件，一旦跌倒事件發生通常會引起骨折、頭部外傷，甚至死亡等問題。因此如何避免跌倒事件的發生是亟需解決之課題之一。
為了解決上述之問題，本發明提供一種設置有壓力感測器以及慣性感測器之穿戴式裝置以及操作方法，以解決上述問題。
本發明揭露一種穿戴式裝置，包含有︰一鞋組件；複數個壓力感測器，設置於該鞋組件上，用來產生複數個壓力感測值；一處理電路，用來根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出一重心座標並且根據該重心座標產生一判斷結果；以及一警示模組，用來根據該判斷結果輸出一警示訊號，以執行一警示功能。
本發明另揭露一種操作方法，用於一穿戴式裝置，該穿戴式裝置包含有一鞋組件、複數個壓力感測器，該複數個壓力感測器設置於該鞋組件上，該操作方法包含有︰利用該複數個壓力感測器產生複數個壓力感測值；根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出一重心座標並且根據該重心座標產生一判斷結果；以及 根據該判斷結果輸出一警示訊號，以執行一警示功能。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在通篇說明書及後續的申請專利範圍當中所提及的「包含」或「包括」係為一開放式的用語，故應解釋成「包括但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例之一穿戴式裝置1之示意圖。穿戴式裝置1可應用於鞋子、行動輔具、外骨骼機器人、襪子、服飾等，但不以此為限。穿戴式裝置1包含有一鞋組件10、一處理電路20、一警示模組 30、壓力感測器PS以及慣性感測器IS。鞋組件10可為鞋底、鞋墊，或者是外骨骼機器人之底部（接觸地面的部件）或其他可穿戴於足部的裝置。處理電路20可為微處理器控制單元（Microprocessor Control Unit，MCU）、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、微處理器（microprocessor），但不以此限。警示模組30用來輸出一警示訊號，以執行一警示功能。警示模組30包含但不限於一發光裝置（例如一發光二極體）、一揚聲器、一蜂鳴器或一震動器等，以產生警示訊號（透過各種方式，例如，聲音、燈光或震動）來通知使用者。
壓力感測器PS設置於鞋組件10上，其用來感測並產生壓力感測值。壓力感測器PS包含但不限於力敏電阻（Force Sensitive Resistor，FSR）、電容式壓力感測器、壓電式壓力感測器、應變式壓力感測器等。慣性感測器IS設置於鞋組件10上，其用來感測並產生位移量（例如包含一移動方向及一移動距離）以及傾斜角。慣性感測器IS可包含加速度計、陀螺儀以及磁力儀。慣性感測器IS可為一慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）。壓力感測器PS以及慣性感測器IS的數量可依不同之需要而設置。此外，穿戴式裝置1另包含一類比數位轉換器（未繪示於圖中），類比數位轉換器可將壓力感測器PS所感測到的類比壓力感測值轉換為數位壓力感測值以提供至處理電路20。類比數位轉換器亦可將慣性感測器IS所感測到的類比感測值轉換為數位感測值以提供至處理電路20。
舉例來說，請參考第2圖，第2圖為第1圖中之鞋組件10與壓力感測器PS之一實施例示意圖。如第2圖所示，鞋組件10包括一左腳鞋組件102以及一右腳鞋組件104。例如左腳鞋組件102為一左鞋墊，以及右腳鞋組件104為一右鞋墊。壓力感測器PS1～PS4設置於左腳鞋組件102上。壓力感測器PS5～PS8設置於右腳鞋組件104上。每一壓力感測器所感測到之壓力感測值可被傳送至處理電路20，以供後續判斷運作。其中，（x1, y1）、（x2, y2）、（x3, y3）、（x4, y4）分別為壓力感測器PS1～PS4之座標。（x5, y5）、（x6, y6）、（x7, y7）、（x8, y8）分別為壓力感測器PS5～PS8之座標。d1為左腳與y軸的初始距離，d2為右腳與y軸的初始距離使用者初始的雙腳距離為d1+d2，可作為初始設定值。
關於穿戴式裝置1之運作方式，請參考第3圖，第3圖為本發明實施例之一流程3之示意圖。第3圖所示流程主要是對應於第1圖及第2圖之穿戴式裝置1的操作。根據流程3，於步驟S302中，當使用者配戴穿戴式裝置1時，鞋組件10上之壓力感測器可受使用者的腳部施壓而感測到相應壓力感測值。各壓力感測器所感測到的壓力感測值可經由無線連結或是有線連結的方式被傳送至處理電路20。設置於鞋組件10上之慣性感測器可感測包含有移動方向及移動距離之位移量及傾斜角，所感測到的感測值可經由無線連結或是有線連結的方式被傳送至處理電路20。
於步驟S304中，處理電路20判斷目前使用者是雙腳站立或是單腳站立。舉例來說，可透過各壓力感測器所感測到壓力感測值來做判斷目前使用者是雙腳站立或是單腳站立。例如，當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4以及設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值皆大於或等於臨限值時，處理電路20判斷出目前使用者是雙腳站立。當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4（或是設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8）所感測到壓力感測值當中的壓力感測值皆小於臨限值時，處理電路20判斷出目前使用者是單腳站立。當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4所感測到壓力感測值當中有一第一比例（例如50%、75%，但不以此為限）的壓力感測值大於或等於臨限值以及設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值當中有第一比例的壓力感測值大於或等於臨限值時，處理電路20判斷目前使用者是雙腳站立。當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4（或是設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8）所感測到壓力感測值當中有第一比例的壓力感測值小於臨限值時，處理電路20判斷目前使用者是單腳站立。
當處理電路20於步驟S304中判斷出目前使用者是雙腳站立時，接著執行步驟S306。於步驟S306中，處理電路20依據左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4以及右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值來計算一重心（Center of Gravity，COG）座標。其中處理電路20可依據式（1）計算出重心座標：
Figure 02_image001
（1）
其中COG（XCOG , YCOG ）表示重心座標，XCOG 為重心座標之X軸的座標值，YCOG 為重心座標之Y軸的座標值，xi 為第i個壓力感測器之X軸的座標值，Pi 為第i個壓力感測器（例如壓力感測器PSi）之壓力感測值，yi 為第i個壓力感測器（例如壓力感測器PSi）之Y軸的座標值，以及n表示壓力感測器之數量。例如，當處理電路20依據左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4以及右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8來計算重心座標，此時n=8。
於步驟S308中，處理電路20依據所計算出之重心座標來判斷使用者是否處於一安全狀態，以產生一判斷結果。例如，處理電路20可判斷步驟S306所計算出之重心座標是否落於一安全範圍區域SA內。例如，所述安全範圍區域SA可以是介於左腳鞋組件102與右腳鞋組件104之間的區域。例如，所述安全範圍區域SA可以位於由設置於左腳鞋組件102之內側（靠近右腳鞋組件104之一側）之壓力感測器以及設置於右腳鞋組件10之內側（靠近左腳鞋組件102之一側）之壓力感測器所圍繞形成的區域之內。例如，如第4圖所示，壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7形成一區域402。安全範圍區域SA係位於由壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7所形成的區域402之範圍內。更詳細而言，安全範圍區域SA可以是由介於左腳鞋組件102與右腳鞋組件104之間的區域中之一基準點向外延伸而形成的區域。例如，如第4圖所示，若基準點404為壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7之一中心點。其中安全範圍區域SA可以是以基準點404為中心而向外延伸所形成的區域。此安全範圍區域SA可由使用者自行調整大小，根據不同需求藉由調整安全區域範圍SA來決定警示的安全等級。處理電路20可判斷步驟S306所計算出之重心座標是否落於安全範圍區域SA內。在一實施例中，若處理電路20依據壓力感測器PS1～PS8當前的座標值、壓力感測器PS1～PS8所感測到壓力感測值以及式（1）所計算出的重心座標為COG。在此情況下，由於重心座標COG係位於安全範圍區域SA內，這表示使用者目前步伐穩健，處理電路20據以判斷出使用者目前處於安全狀態下。處理電路20產生判斷結果以指示使用者目前處於安全狀態。接著，執行步驟S310。
請繼續參考第4圖，若處理電路20依據壓力感測器PS1～PS8當前的座標值、壓力感測器PS1～PS8所感測到壓力感測值以及式（1）所計算出的重心座標為COG’。由於重心座標COG’並非位於安全範圍區域SA之內，即重心座標COG’係位於安全範圍區域SA之外，這表示使用者目前可能重心不穩而存在著跌倒風險，處理電路20據以判斷出使用者目前處於不安全狀態下。處理電路20產生判斷結果以指示使用者目前處於不安全狀態。更具體而言，請參考第5圖，第5圖為本發明實施例之一重心座標之軌跡示意圖。如第5圖所示，安全範圍區域SA係位於由壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7所形成的區域502之範圍內。隨著使用者往前行走，重心座標之軌跡為TR。於一第一時間點，處理電路20依據壓力感測器PS1～PS8當前的座標值、壓力感測器PS1～PS8所感測到壓力感測值以及式（1）所計算出的重心座標為COG’。而重心座標COG’並非位於安全範圍區域SA之內，處理電路20便據以判斷出使用者目前處於不安全狀態下。處理電路20產生判斷結果以指示使用者目前處於不安全狀態。接著，執行步驟S312。換言之，處理電路20可於使用者運動的過程中即時偵測是否處於安全狀態。
此外，壓力感測器之座標可依據慣性感測器所感測到的水平方向（x-y平面）的位移量來做更新。舉例來說，請繼續參考第4圖，於一第一時間點，壓力感測器PS8之座標為（x8，y8）。若慣性感測器IS2感測出由第一時間點至一第二時間點之間的X軸方向的位移量為Δx以及由第一時間點至第二時間點之間的Y軸方向的位移量為Δy。在此情況下，壓力感測器PS8於第二時間點之座標為（x8+Δx，y8+Δy），依此類推。
另一方面，於步驟S308中，處理電路20可依據當前所計算出之重心座標與先前所計算出之重心座標計算出一預測重心座標，並且判斷預測重心座標是否落於安全範圍區域SA內。例如，處理電路20可依據由先前所計算出之重心座標至當前所計算出之重心座標之間的距離以及移動時間來計算出由先前所計算出之重心座標移動至當前所計算出之重心座標之一移動速度。處理電路20可根據所計算出的移動速度以及由先前所計算出之重心座標至當前所計算出之重心座標之一移動方向計算出下一時間點的預測重心座標。例如，處理電路20依據壓力感測器PS1～PS8於時間（t-1）的座標值、於時間（t-1）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t-1）之重心座標COG（t-1），並依據壓力感測器PS1～PS8於時間（t）的座標值、於時間（t）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t）之重心座標COG（t）。處理電路20計算出時間（t-1）之重心座標COG（t-1）與當前時間t之重心座標COG（t）之距離，再將所計算出之距離除以時間（t-1）與當前時間t之差值，以取得重心座標的移動速度。接著，處理電路20將所計算出重心座標的移動速度乘以時間（t+1）與當前時間t之差值，以取得一預測移動距離。處理電路20可根據所計算出之預測移動距離以及由時間（t-1）之重心座標COG（t-1）至當前時間t之重心座標COG（t）之移動方向來獲得時間（t+1）之預測重心座標。處理電路20可判斷所計算出之預測重心座標是否落於安全範圍區域SA內。當判斷出預測重心座標落於安全範圍區域SA內時，這表示使用者將要進入安全狀態。當判斷出預測重心座標落於安全範圍區域SA之外時，這表示使用者將要進入不安全狀態。處理電路20產生判斷結果以指示使用者將要進入不安全狀態。
例如，請參考第6圖，假設時間t與時間（t-1）的差值等於假設時間（t+1）與時間t的差值。處理電路20依據時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以及時間t之重心座標COG（t）計算出重心座標的移動速度以及移動方向。處理電路20將時間t之重心座標COG（t）減去時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以計算出向量MV1（包含時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以及時間t之重心座標COG（t）的距離以及移動方向）。接著，處理電路20將時間t之重心座標COG（t）與向量MV1相加，以得到預測重心座標COG（t+1）。如第6圖所示，安全範圍區域SA係位於由壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7所形成的區域602之範圍內。由於預測重心座標COG（t+1）係位於安全範圍區域SA內，這表示使用者下一步應處於安全狀態。接著，執行步驟S310。
例如，請參考第7圖，假設時間t與時間（t-1）的差值等於假設時間（t+1）與時間t的差值。處理電路20依據時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以及時間t之重心座標COG（t）計算出重心座標的移動速度以及移動方向。處理電路20將時間t之重心座標COG（t）減去時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以計算出向量MV2。接著，處理電路20將時間t之重心座標COG（t）與向量MV2相加，以得到預測重心座標COG（t+1）。如第7圖所示，安全範圍區域SA係位於由壓力感測器PS2、PS4、PS5及PS7所形成的區域702之範圍內。由於預測重心座標COG（t+1）係位於安全範圍區域SA之外，這表示使用者下一步可能將處於不安全狀態。處理電路20據以判斷出使用者將要進入不安全狀態。處理電路20產生判斷結果以指示使用者將要進入不安全狀態。接著，執行步驟S312。
於步驟S310中，各慣性感測器分別感測出相對於水平面之傾斜角。處理電路20將各慣性感測器所感測出之傾斜角與一第一臨限角度值進行比較，以判斷使用者目前所站立的地面是否坡度平緩。所述第一臨限角度值可以是一休止角（angle of repose）或一止傾角（critical angle of repose），但不以此為限。在一實施例中，利用第2圖中之慣性感測器IS1及IS2分別感測出相對於水平面之傾斜角。當慣性感測器IS1及IS2所感測出之傾斜角皆大於或等於一第一臨限角度值時，這表示使用者目前可能站立在一傾斜地面上。接著，執行步驟S312，警示模組30輸出警示訊號以來通知使用者目前係處於不安全狀態。當慣性感測器IS1或慣性感測器IS2所感測出之傾斜角小於第一臨限角度值時，這表示使用者目前站立在一平坦地面上。在另一實施例中，利用第2圖中之慣性感測器IS1及IS2分別感測出相對於水平面之傾斜角。當慣性感測器IS1所感測出之傾斜角大於或等於第一臨限角度值或是慣性感測器IS2所感測出之傾斜角大於或等於第一臨限角度值時，這表示使用者目前可能站立在傾斜地面上。接著，執行步驟S312，警示模組30輸出警示訊號以來通知使用者目前係處於不安全狀態。當慣性感測器IS1與IS2所感測出之傾斜角皆小於第一臨限角度值時，這表示使用者目前站立在一平坦地面上。換言之，由於慣性感測器IS1及IS2係設置於鞋組件10上而且使用者正佩戴著穿戴式裝置1，處理電路20可依據慣性感測器IS1及IS2所感測出之傾斜角來判斷使用者目前站立於平坦地面或傾斜地面，進而透過警示訊號的提示，讓使用者立即意會到可能有發生跌倒事件的可能，進而採行緊急避護的動作。
於步驟S312中，警示模組30根據步驟S308或步驟S310之判斷結果輸出一警示訊號，以執行一警示功能。於步驟S308或步驟S310之判斷結果顯示使用者目前處於不安全狀態或是將要進入不安全狀態，警示模組30輸出警示訊號來通知使用者目前係處於不安全狀態且有發生跌倒事件的可能，進而實現警示功能。如此一來，透過警示訊號的提示，使用者可立即意會到可能有發生跌倒事件的可能，進而採行緊急避護的動作。簡言之，透過警示模組30將可讓使用者可輕易且立即地得到跌倒預測警示進而避免跌倒事故發生。此外，於步驟S308、或S310之判斷結果顯示使用者目前處於不安全狀態時，處理電路20亦可傳送通知訊號至外部裝置，以透過外部裝置產生警示功能或是進行相關跌倒預防措施。
當處理電路20於步驟S304中判斷出目前使用者是單腳站立，接著執行步驟S314。於步驟S314中，處理電路20判斷目前使用者是左腳站立或是右腳站立。舉例來說，可透過各壓力感測器所感測到壓力感測值來做判斷目前使用者是左腳站立或是右腳站立。例如，當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4所感測到壓力感測值當中的壓力感測值皆小於臨限值時，處理電路20判斷出目前使用者是右腳站立。當設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8皆小於臨限值時，處理電路20判斷出目前使用者是左腳站立。例如當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4所感測到壓力感測值當中有第一比例的壓力感測值小於臨限值時，處理電路20判斷目前使用者是右腳站立。例如當設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值當中有第一比例的壓力感測值小於臨限值時，處理電路20判斷目前使用者是左腳站立。
當處理電路20於步驟S314中判斷目前使用者是左腳站立，接著執行步驟S316。於步驟S316中，處理電路20依據設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4所感測到壓力感測值來計算重心座標。在一實施例中，處理電路20將壓力感測器PS1～PS4分為第一群組之壓力感測器以及第二群組之壓力感測器。其中，相較於第二群組之壓力感測器，第一群組之壓力感測器具有較大壓力感測值。也就是說，第一群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值大於第二群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值。接著，處理電路20依據第一群組之壓力感測器的座標值、第一群組之壓力感測器所感測到壓力感測值以及式（1）來計算出第一群組之重心座標。處理電路20依據第二群組之壓力感測器的座標值、第二群組之壓力感測器所感測到壓力感測值以及式（1）來計算出第二群組之重心座標。處理電路20將第一群組之重心座標減去第二群組之重心座標以取得一重心傾向向量。此外，設置於右腳鞋組件104之慣性感測器IS2感測出在一水平面（x-y平面）上的移動方向。
例如，請參考第8圖，若壓力感測器PS1所感測到壓力感測值為P1，壓力感測器PS2所感測到壓力感測值為P2，壓力感測器PS3所感測到壓力感測值為P3，壓力感測器PS4所感測到壓力感測值為P4。該些壓力感測值的關係為：P2＞P1＞P4＞P3。處理電路20將壓力感測器PS1及PS2設為第一群組之壓力感測器，並將壓力感測器PS3以及PS4設為第二 群組之壓力感測器。如第8圖所示，處理電路20依據第一群組之壓力感測器PS1及PS2的座標值、壓力感測值以及式（1）計算出第一群組之重心座標COG1，並依據第二群組之壓力感測器PS3及PS4的座標值、壓力感測值以及式（1）計算出第二群組之重心座標COG2。重心傾向向量則以向量MV表示。右腳鞋組件104之慣性感測器IS2感測出一移動方向DR。
接著，於步驟S318中，處理電路20比較所計算出的重心傾向向量以及慣性感測器IS2所感測的移動方向。處理電路20判斷所計算出的重心傾向向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角是否大於或等於一第二臨限角度值。其中，重心傾向向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角可為一劣角（inferior angle），係介於0至180度之間。當重心傾向向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角大於或等於一第二臨限角度值時，這表示使用者左腳站立的重心傾向與右腳的移動方向差異大，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態，以產生判斷結果。如第8圖所示，當重心傾向向量MV的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向DR的夾角Θ大於或等於第二臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態。接著，執行步驟S322。當重心傾向向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角小於第二臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。如第8圖所示，當重心傾向向量MV的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向DR的夾角Θ小於第二臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。接著，執行步驟S320。
在一變化實施例中，於步驟S316中，處理電路20依據設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4所感測到壓力感測值來計算重心座標。處理電路20依據壓力感測器PS1～PS4於時間（t-1）的座標值、於時間（t-1）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t-1）之重心座標COG（t-1），並依據壓力感測器PS1～PS4於時間（t）的座標值、於時間（t）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t）之重心座標COG（t）。處理電路20將時間（t）之重心座標COG（t）減去時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以取得一重心移動向量。此外，設置於右腳鞋組件104之慣性感測器IS2感測出在水平面（x-y平面）上的移動方向。例如，請參考第9圖，COG（t-1）表示時間（t-1）之重心座標，COG（t）表示時間（t）之重心座標，MV3表示重心移動向量。DR表示右腳鞋組件104之慣性感測器IS2所感測出之移動方向。
接著，於步驟S318中，處理電路20比較所計算出的重心移動向量以及慣性感測器IS2所感測的移動方向。處理電路20判斷所計算出的重心移動向量的方向以及慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角是否大於或等於一第三臨限角度值。其中，重心移動向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角可為一劣角，其係介於0至180度之間。當重心移動向量的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角大於或等於第三臨限角度值時，這表示使用者左腳站立的重心變化與右腳的移動方向差異大，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態，以產生判斷結果。如第9圖所示，當重心移動向量MV3的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向DR的夾角Θ大於或等於第三臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態。接著，執行步驟S322。當重心移動向量MV3的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角小於第三臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。如第9圖所示，當重心移動向量MV3的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向DR的夾角Θ小於第三臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。接著，執行步驟S320。
於步驟S320中，設置於左腳鞋組件102之慣性感測器IS1感測出相對於水平面之傾斜角。處理電路20將慣性感測器IS1所感測出之傾斜角與一第一臨限角度值進行比較，以判斷使用者目前所站立的地面是否坡度平緩。所述第一臨限角度值可以是一休止角或一止傾角，但不以此為限。在一實施例中，當慣性感測器IS1所感測出之傾斜角大於或等於第一臨限角度值時，這表示使用者目前可能站立在一傾斜地面上。接著，於步驟S322中，警示模組30輸出警示訊號以來通知使用者目前係處於不安全狀態。當慣性感測器IS1所感測出之傾斜角小於第一臨限角度值時，這表示使用者目前站立在一平坦地面上。
當處理電路20於步驟S314中判斷目前使用者是右腳站立，接著執行步驟S324。類似於步驟S316，於步驟S324中，處理電路20依據設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值來計算重心座標。在一實施例中，處理電路20將壓力感測器PS5～PS8分為第一群組之壓力感測器以及第二群組之壓力感測器。其中，相較於第二群組之壓力感測器，第一群組之壓力感測器具有較大壓力感測值。也就是說，第一群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值大於第二群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值。接著，處理電路20依據第一群組之壓力感測器的座標值、第一群組之壓力感測器所感測到壓力感測值以及式（1）來計算出第一群組之重心座標。處理電路20依據第二群組之壓力感測器的座標值、第二群組之壓力感測器所感測到壓力感測值以及式（1）來計算出第二群組之重心座標。處理電路20將第一群組之重心座標減去第二群組之重心座標以取得一重心傾向向量。此外，設置於左腳鞋組件102之慣性感測器IS1感測出在水平面（x-y平面）上的移動方向。
接著，於步驟S326中，處理電路20比較所計算出的重心傾向向量以及慣性感測器IS1所感測的移動方向。處理電路20判斷所計算出的重心傾向向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角是否大於或等於一第二臨限角度值。其中，重心傾向向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角可為一劣角，係介於0至180度之間。當重心傾向向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角大於或等於第二臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態，以產生判斷結果。接著，執行步驟S322。當重心傾向向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角小於第二臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。接著，執行步驟S328。
在一變化實施例中，於步驟S324中，處理電路20依據設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值來計算重心座標。處理電路20依據壓力感測器PS5～PS8於時間（t-1）的座標值、於時間（t-1）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t-1）之重心座標COG（t-1），並依據壓力感測器PS5～PS8於時間（t）的座標值、於時間（t）所感測到的壓力感測值以及式（1）計算出時間（t）之重心座標COG（t）。處理電路20將時間（t）之重心座標COG（t）減去時間（t-1）之重心座標COG（t-1）以取得一重心移動向量。此外，設置於左腳鞋組件102之慣性感測器IS1感測出在水平面（x-y平面）上的移動方向。接著，於步驟S326中，處理電路20比較所計算出的重心移動向量以及慣性感測器IS1所感測的移動方向。處理電路20判斷所計算出的重心移動向量的方向以及慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角是否大於或等於一第三臨限角度值。其中，重心移動向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角可為一劣角，其係介於0至180度之間。當重心移動向量的方向與慣性感測器IS1所感測的移動方向的夾角大於或等於第三臨限角度值時，這表示使用者右腳站立的重心變化與左腳的移動方向差異大，處理電路20據以判斷出使用者處於不安全狀態，以產生判斷結果。接著，執行步驟S322。當重心移動向量MV3的方向與慣性感測器IS2所感測的移動方向的夾角小於第三臨限角度值時，處理電路20據以判斷出使用者處於安全狀態。接著，執行步驟S328。
於步驟S328中，設置於右腳鞋組件104之慣性感測器IS2感測出相對於水平面之傾斜角。處理電路20將慣性感測器IS2所感測出之傾斜角與一第一臨限角度值進行比較，以判斷使用者目前所站立的地面是否坡度平緩。所述第一臨限角度值可以是一休止角或一止傾角，但不以此為限。在一實施例中，當慣性感測器IS2所感測出之傾斜角大於或等於第一臨限角度值時，這表示使用者目前可能站立在一傾斜地面上。接著，執行步驟S322，警示模組30輸出警示訊號以來通知使用者目前係處於不安全狀態。當慣性感測器IS2所感測出之傾斜角小於第一臨限角度值時，這表示使用者目前站立在一平坦地面上。
於步驟S322中，警示模組30根據步驟S326、S328、S318或S320之判斷結果輸出警示訊號，以執行警示功能。於步驟S326、S328、S318或S320之判斷結果顯示使用者目前處於不安全狀態或是將要進入不安全狀態，警示模組30輸出警示訊號來通知使用者目前係處於不安全狀態且有發生跌倒事件的可能，進而實現警示功能。如此一來，透過警示訊號的提示，使用者可立即意會到可能有發生跌倒事件的可能，進而採行緊急避護的動作。簡言之，透過警示模組30將可讓使用者可輕易且立即地得到跌倒預測警示進而避免跌倒事故發生。此外，於步驟S326、S328、S318或S320之判斷結果顯示使用者目前處於不安全狀態時，處理電路20亦可傳送通知訊號至外部裝置，以透過外部裝置產生警示功能或是進行相關跌倒預防措施。
此外，於步驟S304中，當設置於左腳鞋組件102上之壓力感測器PS1～PS4以及設置於右腳鞋組件104上之壓力感測器PS5～PS8所感測到壓力感測值皆小於臨限值時，可直接執行步驟S310、S320或S328以透過傾斜角來判斷使用者目前站立於平坦地面或傾斜地面，進而判斷使用者目前是否有跌倒的危險。
值得注意的是，第1圖所示之穿戴式裝置1係用以說明本發明之精神，本領域具通常知識者當可根據系統需求，適當調整各元件的實現或運作方式。舉例來說，處理電路20可利用藍牙（Bluetooth）、Wi-Fi、行動通訊技術（3G、4G LTE、5G）、紅外線、近場通訊（NFC）或無線射頻（Radio Frequency Identification，RFID）標準所規範之無線傳輸技術來與各壓力感測器、各慣性感測器、警示模組30或外部裝置（例如外骨骼機器人、行動通訊裝置）進行通訊以傳輸資料，但本發明並不以此為限。處理電路20可利用通用非同步收發器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、積體電路匯流排（Inter-Integrated Circuit Bus，I2 C Bus）、通用序列匯流排（Universal Serial Bus，USB）或控制器區域網路匯流排（Controller Area Network bus，CAN bus）傳輸介面標準所規範之傳輸技術來與各壓力感測器、各慣性感測器、警示模組30或外部裝置進行通訊以傳輸資料，但本發明並不以此為限。請注意，假若可得到大致相同的結果，則下列步驟並非限定要依據第3圖所示之順序來執行。本領域具通常知識者應可了解，在不違背本發明之精神下，第3圖中的流程之步驟可再增加其他的中間的步驟、可將數個步驟合併成單一步驟或者省略部分步驟。例如，步驟S304及步驟S314 可被省略。例如，步驟S308、步驟S318及步驟S326可被省略。例如，步驟S310、步驟S320及步驟S328可被省略。以上的變化均應在本發明的範圍之內。
另一方面，關於壓力感測器之設置位置，如第2圖所示，鞋組件10係對應人體腳底形狀，左腳鞋組件102係對應人體左腳腳底形狀，右腳鞋組件104係對應人體右腳腳底形狀。壓力感測器可設置鞋組件10之一蹠骨（metatarsals）區，當使用者配戴穿戴式裝置1時，使用者之蹠骨會接觸並施加壓力至鞋組件10之蹠骨區。例如，如第2圖所示，壓力感測器PS1、PS2設置於左腳鞋組件102之蹠骨區。壓力感測器PS5、PS6設置於右腳鞋組件104之蹠骨區。壓力感測器亦可設置於左腳鞋組件102及右腳鞋組件104之腳掌區與腳跟區，不以此為限。關於慣性感測器之設置位置，慣性感測器可設置於多個壓力感測器之中心點或是重心處。例如，如第2圖所示，慣性感測器IS1係設置於左腳鞋組件102上且設置於壓力感測器PS1～PS4之中心點。慣性感測器IS2係設置於右腳鞋組件104上且設置於壓力感測器PS5～PS8之中心點。此外，處理電路20亦可設置於左腳鞋組件102或右腳鞋組件104上。
前述的步驟及/或流程（包含建議步驟）可透過裝置實現，裝置可為硬體、軟體、韌體（為硬體裝置與電腦指令與資料的結合，且電腦指令與資料屬於硬體裝置上的唯讀軟體）、電子系統、或上述穿戴式裝置的組合。上述流程及實施例可被編譯成程式代碼或指令並儲存於一儲存裝置。處理電路20可由儲存裝置讀取及執行程式代碼或指令來實現上述功能。
綜上所述，本實施例利用設置於鞋組件上的壓力感測器以及慣性感測器的感測值來預測人體重心趨勢以及量測鞋底姿態進而預測使用者是否有跌倒風險，並透過警示模組輸出警示訊號來通知使用者目前係處於不安全狀態且有發生跌倒事件的可能，進而實現警示功能。如此一來，將能有效提昇使用者在日常生活中的安全性。 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:鞋組件 102:左腳鞋組件 104:右腳鞋組件 20:處理電路 3:流程 402、502、602、702:區域 404:基準點 COG、COG’、COG1、COG2、COG（t-1）、COG（t）、COG（t+1）:重心座標 d1、d2:距離 DR:方向 IS、IS1、IS2:慣性感測器 MV、MV1～MV3:向量 PS、PS1～PS8:壓力感測器 S300、S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314、S316、S318、S320、S322、S324、S326、S328、S330:步驟 SA:安全範圍區域 TR:軌跡
第1圖為本發明實施例之一穿戴式裝置之示意圖。 第2圖為第1圖中之鞋組件與壓力感測器之一實施例示意圖。 第3圖為本發明實施例之一流程之示意圖。 第4為本發明實施例之重心座標與安全範圍區域之示意圖。 第5圖為本發明實施例之一重心座標之軌跡示意圖。 第6圖以及第7圖為本發明實施例之重心座標與安全範圍區域之變化實施例示意圖。 第8圖為本發明實施例之重心傾向向量與慣性感測器之移動方向之示意圖。 第9圖為本發明實施例之重心移動方向與慣性感測器之移動方向之示意圖。
3:流程
S300、S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314、S316、S318、S320、S322、S324、S326、S328、S330:步驟

Claims (18)

  1. 一種穿戴式裝置，包含有︰ 一鞋組件； 複數個壓力感測器，設置於該鞋組件上，用來產生複數個壓力感測值； 一處理電路，用來根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出一重心座標並且根據該重心座標產生一判斷結果；以及 一警示模組，用來根據該判斷結果輸出一警示訊號，以執行一警示功能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該處理電路判斷該重心座標是否位於一安全範圍區域內以產生該判斷結果以及於判斷結果顯示該重心座標沒有位於該安全範圍區域之內時，該警示模組輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之穿戴式裝置，其中該安全範圍區域位於由設置於該鞋組件之一第一組件內側之壓力感測器以及設置於該鞋組件之一第二組件內側之壓力感測器所圍繞形成的區域內。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之穿戴式裝置，其中該處理電路計算出由先前所計算出之重心座標移動至當前所計算出之重心座標之一移動速度，並根據所計算出的移動速度以及由先前所計算出之重心座標至當前所計算出之重心座標之一移動方向計算出一預測重心座標，以及該處理電路判斷該預測重心座標是否位於該安全範圍區域內以產生該判斷結果以及於判斷結果顯示該預測重心座標沒有位於該安全範圍區域之內時，該警示模組輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其另包含︰ 複數個慣性感測器，每一慣性感測器用來產生一傾斜角； 其中，該處理電路判斷該傾斜角是否大於或等於一臨限角度值以產生該判斷結果以及於判斷結果顯示該該傾斜角大於或等於該臨限角度值時，該警示模組輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該鞋組件包含有一第一組件以及一第二組件，該複數個壓力感測器包含複數個第一壓力感測器以及複數個第二壓力感測器，該複數個第一壓力感測器設置於該第一組件上，該複數個第二壓力感測器設置於該第二組件上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之穿戴式裝置，其中設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器被分為一第一群組之壓力感測器以及一第二群組之壓力感測器，其中該第一群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值大於該第二群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值，其中該處理電路計算出該第一群組之重心座標以及該第二群組之重心座標，並將第一群組之重心座標減去第二群組之重心座標以取得一重心傾向向量，該處理電路判斷所計算出的該重心傾向向量的方向與設置於該第二組件之一慣性感測器所感測出之一移動方向的一夾角是否大於或等於一第二臨限角度值以產生該判斷結果以及於判斷結果顯示該夾角大於或等於該第二臨限角度值時，該警示模組輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之穿戴式裝置，其中該處理電路依據設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器於一第一時間點之座標及所感測到壓力感測值計算出該第一時間點之重心座標，依據設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器於一第二時間點之座標及所感測到壓力感測值計算出該第二時間點之重心座標，以及將該第二時間點之重心座標減去該第一時間點之重心座標以取得一重心移動向量，該處理電路判斷所計算出的該重心移動向量的方向與設置於該第二組件之一慣性感測器所感測出之一移動方向的一夾角是否大於或等於一第三臨限角度值以產生該判斷結果以及於判斷結果顯示該夾角大於或等於該第三臨限角度值時，該警示模組輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之穿戴式裝置，其中該處理電路依據下式計算出該重心座標︰
    Figure 03_image001
    其中COG（XCOG , YCOG ）表示該重心座標，XCOG 為該重心座標之X軸的座標值，YCOG 為該重心座標之Y軸的座標值，xi 為第i個壓力感測器之X軸的座標值，Pi 為第i個壓力感測器之壓力感測值，yi 為第i個壓力感測器測器之Y軸的座標值，以及n表示該複數個壓力感測器之數量。
  10. 一種操作方法，用於一穿戴式裝置，該穿戴式裝置包含有一鞋組件、複數個壓力感測器，該複數個壓力感測器設置於該鞋組件上，該操作方法包含有︰ 利用該複數個壓力感測器產生複數個壓力感測值； 根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出一重心座標並且根據該重心座標產生一判斷結果；以及 根據該判斷結果輸出一警示訊號，以執行一警示功能。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中根據該重心座標產生該判斷結果以及根據該判斷結果輸出該警示訊號之步驟，包含有︰ 判斷該重心座標是否位於一安全範圍區域內以產生該判斷結果；以及 於判斷結果顯示該重心座標沒有位於該安全範圍區域之內時，輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之操作方法，其中該安全範圍區域位於由設置於該鞋組件之一第一組件內側之壓力感測器以及設置於該鞋組件之一第二組件內側之壓力感測器所圍繞形成的區域內。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之操作方法，其中根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出該重心座標，根據該重心座標產生該判斷結果以及根據該判斷結果輸出該警示訊號之步驟，包含有︰ 計算出由先前所計算出之重心座標移動至當前所計算出之重心座標之一移動速度，並根據所計算出的移動速度以及由先前所計算出之重心座標至當前所計算出之重心座標之一移動方向計算出一預測重心座標； 判斷該預測重心座標是否位於該安全範圍區域內以產生該判斷結果；以及 於判斷結果顯示該預測重心座標沒有位於該安全範圍區域之內時，輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其該穿戴式裝置包含複數個慣性感測器，每一慣性感測器用來產生一傾斜角，其中該操作方法另包含︰ 判斷該傾斜角是否大於或等於一臨限角度值以產生該判斷結果；以及 於判斷結果顯示複數慣性感測器當中之至少一者所產生之該傾斜角大於或等於該臨限角度值時，輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中該鞋組件包含有一第一組件以及一第二組件，該複數個壓力感測器包含複數個第一壓力感測器以及複數個第二壓力感測器，該複數個第一壓力感測器設置於該第一組件上，該複數個第二壓力感測器設置於該第二組件上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之操作方法，其中根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出該重心座標，根據該重心座標產生該判斷結果以及根據該判斷結果輸出該警示訊號之步驟，包含有︰ 將設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器分為一第一群組之壓力感測器以及一第二群組之壓力感測器，其中該第一群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值大於該第二群組之壓力感測器當中之每一壓力感測器所感測到壓力感測值； 計算出該第一群組之重心座標以及該第二群組之重心座標，並將第一群組之重心座標減去第二群組之重心座標以取得一重心傾向向量； 判斷所計算出的該重心傾向向量的方向與設置於該第二組件之一慣性感測器所感測出之一移動方向的一夾角是否大於或等於一第二臨限角度值以產生該判斷結果；以及 於判斷結果顯示該夾角大於或等於該第二臨限角度值時，輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之操作方法，其中根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出該重心座標，根據該重心座標產生該判斷結果以及根據該判斷結果輸出該警示訊號之步驟，包含有︰ 依據設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器於一第一時間點之座標及所感測到壓力感測值計算出該第一時間點之重心座標以及依據設置於該第一組件上之該複數個第一壓力感測器於一第二時間點之座標及所感測到壓力感測值計算出該第二時間點之重心座標； 將該第二時間點之重心座標減去該第一時間點之重心座標以取得一重心移動向量； 判斷所計算出的該重心移動向量的方向與設置於該第二組件之一慣性感測器所感測出之一移動方向的一夾角是否大於或等於一第三臨限角度值以產生該判斷結果；以及 於判斷結果顯示該夾角大於或等於該第三臨限角度值時，輸出該警示訊號以執行該警示功能。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之操作方法，其中根據該複數個壓力感測值以及該複數個壓力感測器之座標計算出該重心座標之步驟係根據下式計算該重心座標︰
    Figure 03_image001
    其中COG（XCOG , YCOG ）表示該重心座標，XCOG 為該重心座標之X軸的座標值，YCOG 為該重心座標之Y軸的座標值，xi 為第i個壓力感測器之X軸的座標值，Pi 為第i個壓力感測器之壓力感測值，yi 為第i個壓力感測器測器之Y軸的座標值，以及n表示該複數個壓力感測器之數量。
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