1364277 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係、有關於紐助行機胃人，制是_種獅被軸力且利用 握力方向與大小判斷使用者意圖，進而補償使用者施力之力感決策之互動 式照護機器人，且並增設有避障判斷。 【先前技術】 顧名思義，行動輔具係用在幫助老人、中風者或腦性麻痺兒童等肢體 障礙或無力者移動或復健的一種輔助器具，屬於居家照顧中使用比例極高 的一種。惟，輪椅、拐杖或助行器等傳統行動輔具使用時，對於感知與運 動協調能力稍靴的老人與摘^便者都有許乡雜難不便利之處， 有感於此，為了幫助行動不便者也能像常人般具有移動能力，因此居家照 護機器人的觀念逐被正視以及提出討論。 現有的照護機器人大致可以分為主動式以及被動式二種。如第一圖先 刖技術所示’MIT實驗室Dubowsky等人提出一種個人援助調動監視(PAMM)
系統[“PAMM _ A Robotic Aid to the Elderly for Mobility Assistance and Monitoring: A “Helping-Hand” for the Elderly,” Proceedings of IEEE
International Conference on Robotics and Automation, San Francisco, CA, April 2000,PP. 570-576]，其以拐杖作為機器人原型丨，利用超音波感測器u以及 電荷叙合元件(CCD)12判斷障礙物位置，並經由一六軸的力感器(圖中未示） 設於電荷编合元件(CCD)12上辨識使用者意圖，根據使用者施力方向，牵 引使用者前進。另外’如第二圖所示，Hirata等人再提出另一種“RTWalker，’ 照護機器人系統[Passive-Type Intelligent Walking Support System “RT 3 1364277
Walker , IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp. 3871-3876, 超音波感測器作為避障偵測’其具有優於Dub〇wsky等人 的避障功能，惟，不同狀RT_A2為—種被動式機器人，其不具有主 動式動力源’而是藉由阻尼系統改善沈重架體所需要的推移力讓使用者 容易駕馭，藉此統合感知與運動協調能力再者，後來M〇rrfs等人另提出 種藉由二段式把手切換线、獅或強迫赋之居家照護齡人(圖未 不），其在主誠式巾’糊獅纽校正㈣者行走祕；在被動模式中， 使用者可以自φ控制行走方向；另在強迫模式巾，職迫者完全行走 於預設路徑上，不得有偏移[“A Robotic Walker That Pr〇vides Guidance,，，pn)e of IEEE international Conference on Robotics and Automation, 2003, pp25-30] 〇 則述照護機器人各具有其優勢，是以，本發明再提出一種互動式照護 機器人，以結合主動模式與被動模式照護機器人之優點，發展出另一種更 適合行動不便者之居家照護機器人。 【發明内容】 本發明之主要目的係提供一種具避障以及力感決策之互動式照護機器 人，其感知使用者身體語言所發出的意圖以及推動力，從而產生動力輔助 使用者前進，並當使用者身體語言所發出意圖改變時，適時減緩前進速度 或煞車’藉以協調統整使用者官感協調能力’並訓練其肌肉強化及其神經 傳導系統傳導力》 本發明之次要目的係提供一種具避障以及力感決策之互動式照護機器 人’其具有良好的支撐性以及穩定度，且設置有避障控制、速度控制以及 地面傾斜時的動力補償機制，以讓使用者順利通過斜坡與障礙路面。 4 1364277 本發明之再一目的係提供一種具避障以及力感決策之互動式照護機器 人，其具有操作容易及自由度高之優點。 為達上述目的’本發明揭露一種具避障以及力感決策之互動式照護機 器人’其包括：一架體、複數輪子、至少二被動馬達、至少一握力感測器、 至少一測距感測器以及一中控器。且二被動馬達各別驅動左右一輪子轉 速，並取得一反作用力值；而握力感測器可以感受使用者施力大小與方向， 進而判斷使用者意圖發出一控制訊號；此測距感測器則裝設於架體前方， 並在前方有障礙物時發送一閃避訊號；中控器電性耦接被動馬達、握力感 測器以i測距感測器，用以整合所有訊息判斷機器人進行動作；當無反作 用力時(表示未施力狀況），被動馬達阻尼值將為最大，輪子鎖死，機器人靜 止；當偵測到反作用力，且控制訊號反應使用者意圖前進，中控器命令馬 達降低阻尼值’輪子定速旋轉，此中間過程，若有接收到閃避訊號，優先 進行閃避在繼續前行；倘若前行狀態中’接收到異常握力值，表示使用者 正處於緊張情緒’適時降低被動馬達阻尼值，以維護使用者安全。 底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加説明，便於審查委員更容易 瞭解辨別本創作之目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 本發明係在考量到使用者不同於常人的身體狀況與環境障礙所產生的 問題’而設計之具避障以及力感決策之互動式照護機器人。 請同時參閱第三圖以及第四圖所示之本發明結構示意圖。本發明互動 式照護機器人100係包括有：一架體110、複數輪子120、二被動式馬達 130R、130L、二握力感測器140R、140L、複數測距感測器150a〜150i、二 5 1364277 人距感測器160a、160b、一加速度計170、一傾斜感測器（圖中未示）、一中 控器180以及一殼體190。 其中，架體11〇其由一底架ill、一底端連接該底架U1之支架113， 以及一橫接於該支架113頂端之手扶架115共構組成；其中，底架1U呈一 U字型’用以包覆使用者腳步免於碰撞；支架113係由一外管117以及一 内管119套接組合’用意在配合使用者身高改變手扶架115高度，且外管 117底端係採用樞接方式連結底座m，内管119頂端係與手扶架115中心 樞接連接，藉此’可以前後微調支架113相對使用者的距離，以及上下微 調手扶架115相對使用者的角度；另外，手扶架115亦概呈u字型，其開 口左右二外端形成二橫向握桿112。該等輪子120包括有二轉向輪12ι，分 別設置在底架111底端的左前方以及右前方，係可自轉改變前進方向，以 及二辅助輪123R、123L，分別設置在底架111底端的左後方以及右後方， 藉此提供四個穩定支撐點。被動式馬達130R、130L設於該底架hi二側， 在考慮到裝配位置與成本下，本實施採用小體積之順應性伺服馬達，並配 合利用皮帶131R、131L連結其傳動軸與一輔助輪123R、123L輪軸，達到 動力傳遞之效，在無外力影響下，此被動式馬達130R、130L阻尼值將最大， 無法驅轉辅助輪123R、123L轉動，架體110將呈靜止狀態，又，被動馬達 130R、130L中設有編碼器可以取得傳動軸一反作用力值。 配合第五圖，如圖所示，為握力感測器140R、140L實際貼附於握桿上 之實況’係由一上測片141、一前測片142以及一後測片143所組成之多方 向性感測器；上測片141對應於使用者虎口位置，前後測片142、143位在 上測片141旁，用以感受手指施力；且透過實驗發現，當使用者起身或左 1364277 下時係可以感受到-下壓力，當使用者意欲前進時前測片i42得到施力 值大於_ 143測得施力值；當使用者意欲停止時，_ 142測得施 力值小於後測請測得施力值，不管為何狀態，握力感測器職、 係都會產生-表達使用者狀態之控制訊號。其次，握力感測㈣為一多方 向性力感測器’其片數組合並非本發明重點，市面尚有多種類似型式之感 測片可以達_同目的’因此相似結構之置換應都包涵在本發明之實施精 神中。 • 接續’配合第六圖’與第七⑻圖以及第七⑼圖，本發明共使用九支測 距感測器15Ga〜15〇i，實物為超音波、雷射或紅外線感測器等反射式感測器， 係以22.5度的_環繞設於絲⑴’輝體11()前方丨⑽度的偵測範 圍’又’所有測距感測器150a〜150i係都朝前方地面投射，並將其投射距離 設為標準投射長度dH，經由反射波回傳時間可以判斷前方障礙物距離得到 一閃避訊號。再者，回到第三圖以及第四圖所示，於本實施中係裝置二人 距感測器160a、160b於支架113上，且人距感測器16〇a、16〇b朝向使用者， # 一樣屬於反射式感測器一種，如雷射、紅外線或超音波感測器等，直人距 感測器160a可以偵測使用者上半身’人距感測器16〇b可以偵測使用者下 半身距離，根據上下距離差以及時間發出一狀態訊號，係關於使用者是坐 下、站立或是走動等狀態。特別說明的是，感測器不同，其感測特性、距 離、範圍也將不同，故測距感測器以及人距感測器設置位置並不在本發明 限定之中’是以依需要與要求而作適當設置。 另外，關於此加速度計170，其電性耦接一輔助輪123R轉軸，可以計 數輔助輪123R之轉速取得機器人1〇〇加速度發出一速度訊號，實際係採用 7 1364277 轴編碼器，當然亦可為其他相同功能產品；而傾斜感測器（圖未示)係裝設在 架體110之底架111上，以用來偵測機器人1〇〇行走路面的傾斜度，主要可 以利用陀螺儀或者二軸加速度器等產品達到，假設地面為水平，當機器人 100位在斜坡路段時，即發出一傾斜訊號表達目前位置與水平面間之夹角。 其次’中控器180在本實施中係包括設置在架體11〇底端之二電路板181R、 181L以及二控制盒182R、182L，且依其左右位置，二電路板181R、181L 分別電性耦接握力感測器140R、140L、測距感測器15〇a〜15〇i、人距感測 器160a、160b、加速度計no、傾斜感測器，以及二被動馬達13〇R、13〇L 之編碼器，用以瀆取所有訊號作邏輯判斷與運算，而此二控制盒182r、 電性耦接二被動馬達130R、13〇L，係可以控制電流大小改變被動馬達 130R、130L阻尼值。而殼體19〇係為美觀設計用，且更具有保護結構之效 益，其係將所有架體以及感測器外露容易受損之部份包覆，另一目的也可 以保護使用者操作時的不舒適感。 經由上述本發明一實施例結構說明，係可瞭解本發明大致架構，再說 明本發明之動作前，係如第八圖所示，先假設電路板181R、18比之邏輯電
路以及控制盒182R、182L形成-主控單元2〇〇，握力感測器14〇R、14〇L
之控制訊號、人距感測器160a、160b之狀態訊號以及被動馬達、130L 的阻尼值回饋構成意圖判斷單元300，測距感測器15〇a〜15〇i之閃避訊號、 加速度計170之速度域以及傾佩顚之傾斜訊娜成障礙物感測單元 400 〇 係配合第二圖以及第四圖之結構’如下，進一步解釋意圓判斷單元3〇〇 如何影響主控單元2〇0判斷齡卜配合參考第九_、第九(b)圓以及第十 1364277 圖’標準狀態下’主控單元200内設定各數值之初始狀態，比對接收訊號 數據與初始狀態設定數值，可以將機器人100動作分析如下； 靜止：如第九⑻圖所示，在機器人1〇〇之馬達13〇R、l3〇L反作用力值為零， 阻尼值最大，辅助輪123L、123R被鎖死，架體no呈靜止，此時不 管控制訊號回傳握力值大小如何’以及狀態訊號為何，皆不影響架 體110靜止狀態。 起身：搭配第十圖，當狀態訊號反應使用者未坐下狀態，且上測片141感 II 受到一下壓力，雖然馬達130R、130L之反作用力值增加，但此條件 k表使用者準備起身，最需要穩定支撐力確保安全，因此加大馬達 130R、130L阻尼值，鎖死輔助輪U3L、123R ,讓系統呈現穩定的 靜止狀態，使用者可以借力使力起身。 前進瞬間：當狀態訊號顯示站立狀態，反作用力值一直增加，亦表示機器 人100党到的推力持續加大，當推力超過一標準值％，且就如第 九(a)圖’主控單元200會判斷是否同時接收到控制訊號，再如 # 第九(b)圖所示，且控制訊號顯示前測片142測得一大於標準值 P〇之力’後測片143所測得之力會比標準值p。（未施力時所測得 之力)小’又，二感應器H2、143之差值大於零，即表示使用者 欲前行，令馬達130R、130L降低阻尼值，讓使用者可以輕易推 動機器人100前進。 走動.狀態訊麵讀肖料走她g，且㈣滅之握力值轉在設定 值P,到設定值1>2之間’即維持定阻尼，被動馬達丨观、13GL控制補 助輪123L、123R定速帶動機器人1〇〇前進。 9 1364277 停止瞬間：裝態訊號顯示使用者為走動狀態，但反作用力值漸減，表示推 力減小，又，控制訊號測得後測片143之握力大於標準值p。， 前測片142測得之握力小於標準值p。，且前後測片142、143彼 此握力之差值小於0 ’表示使用者準備停止步伐，此時主控單元 200命令馬達130R、130L逐漸增加阻尼值，直到鎖死輔助輪 123R、123L 為止。 緊急狀態：當遇到突發狀況時，人體自然會因為緊張身體前傾並加大握持 力，^偵測狀態afl號為緊張狀態時，且握力大於&，表示有不 明狀況讓使用者緊張，為了避免危險，此時一樣加大阻尼值， 鎖死輔助輪123R、123L。 左右轉.當狀態訊號為行走狀態’使用者左手施壓於左側握力感測器14〇L 的握力值大過施壓於右側握力感測器14〇R的握力值，表示使用者 欲左轉’由中控單元200送出使用者左轉訊號，將左側馬達13〇l 加大阻尼’迫使左侧輔助輪123L停止，因為右側輔助輪123R仍 舊在轉動的關係，所以機器人100將順勢左轉。反之，右轉時， 係以相同道理迫使右側辅助輪123R停止，由左側輔助輪123L帶 動機器人順勢右轉。 由上述策略，可發現本發明雖未提供主動式動力導引，但考慮到使用 者身體狀況’貼心以輔助動力補助施加推力的不足，讓使用者可以更輕鬆 的操作機器人。如下，一樣配合第三圖以及第四圖之結構，接著進一步說 明障礙物感測單元4〇〇與主控單元2〇〇控制關係。 遇到障礙物：配合第七(a)圖’主控單元2〇〇將測距感測器15〇a〜15〇i分區偵 1364277 測，設測距感測器150a及測距感測器150b設有一偵測區域 S1，測距感測器150c設有一偵測區域S2，測距感測器150d 及測距感測器150f設有一偵測區域S3，測距感測器150g設 有一偵測區域S4，測距感測器150h及測距感測器150i設有 一偵測區域S5 ;又，本實施例中並内建最常見之六種障礙模 式’如第十一(a)圖〜第Η•—(f)圖所示，用以簡化主控單元200 的處理方式’藉此，當一彳貞測區域S1〜S5回傳閃避訊號時， 依據訊號發生區域S1〜S5得知障礙物在機器人1〇〇左側之角 度或右側之角度，且依據反射時間計算障礙物距離，判斷適 用哪種障礙模式，進而由主控單元200命令優先處理閃避訊 號，控制被動馬達130R、130L停止障礙物所在側之輔助輪 123R、123L來改變機器人100前進方向，且機器人1〇〇轉向 係與偵測距離有關，當距離越短，改變阻尼值的速度亦越快， 加快機器人100轉彎，避免碰撞，反之亦然。 前方有斜坡她^參考第十二⑻圖以及第十二(_，舰合第七_， 將地面也視為障礙之一種，在設置測距感測器 150a〜150i時’即已經設定平地無障礙時的一標準投射 長度dH，倘若回傳的閃避訊號，其時間經換算後得到 之距離dl大於標準距離dH，亦既dl>dH，如第十二⑻ 圖’表示遇到障礙物或者下坡，可以警示使用者注意。 反之’如第十二(b)圖，側得距離d2小於標準距離，即 表不有障礙物或者為上坡狀態。 11 斜坡路端：當真為上下坡路段時，可以轉由加速度計170回饋的速度訊號 控制被動馬達130R、130L阻尼值變化，補償使用者施力，避免 上坡時供給機器人100的推力不足，以及下坡時機器人1〇〇因 為重量與加速度之關係，拉扯使用者而發生危險》 綜合以上關於本發明機器人之決策方式以及動作模式，本發明考慮到 一般使用者係為老人或者行動不便者的關係，為避免主動式導引方式在長 期使用下’容易造成使用者運動協調力退化，因此係以使用者的推動力作 為前進的動力，以兼具復健之效，維持使用者肌力並防止官能退化；同時， 本發明考慮到傳統被動式機器人又無法如主動式般可以讓使用者輕鬆駕 取’因此採用被動式馬達依照得到的資訊調整出符合需求的補償力，以彌 補協調力不夠與力氣不足使用者之需求；再者，其感知使用者身體語言所 發出的補償力機制’可以減輕使用者操作負擔，其具有良好的支撐性以及 穩定度，並配合增設避障控制增進使用安全。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使 熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内容並據以實施，當不能以之限定 本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修 飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第一圖為習知由Dubowsky等人提出之一種主動式照護機器人結構示意圖。 第二圖為習知由Hirata等人提出之一種被動式照護機器人結構示意圖。 第三圖為本發明實施例之立體組合圖。 第四圖為本發明實施例之立體分解圖。 12 1364277 第五圊為本發明機器人之握力感測器示意圖β 第六圖為本發明機器人底架之下視圖。 第七(a)圖及第七(b)圖為本發明機器人之測距感測器裝設位置示意圖。 第八圖為本發明之控制方塊圖。 第九(a)圖為本發明反作用力與加速度關係示意圖。 第九(b)圖為本發明阻尼值與握力關係示意圖。 第十圖為本發明狀態訊號之狀態關係示意圖.。 第十一(a)圖〜第十一⑺圖為本發明假設障礙物模式示意圖。 第十二(Θ圖為本發明之下坡地面狀態偵測示意圖。 第十二(b)圖為本發明之上坡地面狀態偵測示意圖。 【主要元件符號說明】 1 PAMM機器人原型 12 電荷叙合元件 II 超音波感測器 13 電荷耦合元件(CCD) 2 RT機器人 100互動式照護機器人 110 架體 112握桿 115手扶架 119 内管 123R、123L輔助輪 III 底架 113 支架 117 外管 120輪子 121轉向輪 13 1364277 142 前測片 S1〜S5 偵測區域 130R ' 130L 被動式馬達 131R' 131L 皮帶 140R ' 140L 握力感測器 141上測片 143後測片 150a~i 測距感測器 160a、160b 人距感測器 170 加速度計 180中控器 181R' 181L 電路板 182R' 182L 控制盒