TWI514335B - 一種防止輪椅向後翻倒之預警方法及裝置 - Google Patents

Description

一種防止輪椅向後翻倒之預警方法及裝置

本發明為一種防止輪椅向後翻倒之預警方法及裝置，尤指一種利用雷射光產生器及影像感應器進行掃描比對之防止輪椅向後翻倒的預警方法及裝置。

隨著科技進步、醫療工程與醫療器材的品質亦需不斷的提升，而對於有關健康照護之輪椅技術方面，如何以最低的成本追求進一步提升輪椅的使用者之安全性，當為各家廠商所樂於達成之目標。目前市面上針對行動障礙者所設計的輔具相當多，其中又以手動輪椅或電動輪椅此二者，最普遍被暫時失能或永久失能的行動障礙者所使用。但根據研究指出，輪椅意外事件有53.9%是輪椅翻倒，其中更有高達75.6%是向前或向後翻倒，造成了56.6%的使用者受傷(張展嘉，國立台灣大學職能治療研究所，2009)。

若檢視市面上各式各樣的輪椅，就可以發現有防後翻設計的輪椅價位都偏高，而一般的手動輪椅或低價位的電動輪椅，並沒有此項防後翻之安全保護的功能。請參閱第一圖，大部份的輪椅使用者，在遇到後方地面有高低差(例如：一個向下的階梯10)、一個障礙物或是視野的死角等，該使用者經常無法即時察覺，難免進而就會發生向後翻倒的意外，而對一個不方便轉頭看後面的身心障礙者而言，更需要一個偵測後方路況的裝置，是故該輪椅的安全性確實有相當大的改善空間。

為了提昇輪椅使用者的安全性，可以嘗試採用微軟所發表的XBOX 360 Kinect，其內含有一3D結構光深度感應器，並利用紅外線以感應物體的移動。首先將該Kinect感應器架設於輪椅後方以測試地形平坦程度，再搭配National Instrument美商國家儀器股份有限公司之LabView軟體以進行演算法之開發。除提高演算的效率以外，也使偵測程序較為單純，以利整體系統的穩定程度以及容易檢測修理。請參閱第二圖，顯示出利用Kinect擷取到的訊號，顏色表示深度距離，紅色圈標示部分即為障礙物。請參閱第三圖，顯示出利用中間值濾波方式取X座標軸的中間值，並比較不同的地形之後，所獲得的結果圖形，若為平地地形則為一條斜直線；若為障礙物地形則為折線或曲線；若為斜坡則為不同斜率的斜直線。

再比較各種量測的結果，決定採用線性回歸法作為判斷地形是否平坦的根據，對中間值濾波結果取線性回歸，若為平地則回歸線的誤差很小，若為障礙物則回歸線誤差大，另外以回歸線斜率作為斜坡的判斷依據，平地與斜坡的斜率是不同的。請參閱第四圖，顯示出實際上根據以上演算法進行實測可以得到最佳的效果，左方即為量測結果，對比右方攝影機拍攝的畫面，當遇上障礙物時白色中間值濾波線會改變，影響紅色線性回歸結果，改變斜率與誤差值，由誤差值即可判斷地形是否平坦。唯該Kinect感應器在大太陽底下就會受到來自太陽的紅外線之干擾，以致於無法使用，因此並不適合廣泛的運用在輪椅上。

若再嘗試採用另一種紅外線感應器(即SHARP GP2YOA 21)，其偵測距離的範圍是10~80公分。並於輪椅後車輪上方各裝一顆紅外線來掃描。該紅外線感應器和一般的雷射測距儀之不同的地方在於：紅外線感應器是利用幾何方式來計算偵測的距離，因此價格便宜且可以適應室內和室外的強光環境。紅外線可以掃描輪子後方50公分距離處，並提供2秒的反應時間。請參閱第五圖，顯示出對障礙物的偵測，藍色點是平地對照組，紅色則是箱子障礙物。可以看出對於障礙物，紅外線感應器的偵測是相當靈敏的。至於實際測試的照片，則如第六圖所示者。唯該紅外線感應器在大太陽底下亦會受到來自太陽的紅外線之干擾，以致於無法使用，因此同樣是不適合廣泛的運用在輪椅上。

因此，如何改善輪椅使用者對於後方路況難以即時察覺的問題，經發明人致於實驗、測試及研究後，終於獲得一種防止輪椅向後翻倒之預警方法及裝置，除了有效解決輪椅使用者無法時常注意到後方路況的缺點外，亦能提昇輪椅使用者之即時察覺後方路況的安全性。亦即本發明所欲解決的課題即為如何克服輪椅使用者需立即察覺後方路況的問題，而使得輪椅使用者可以即時停止具有危險性的移動，以及如何克服所掃描到的雷射光圖案需要再進行比對的問題，又如何克服需要將雷射光產生器及影像感測器固定於輪椅上的問題等。

本發明為一種防止輪椅向後翻倒之預警方法，其包括A)提供一雷射光產生器及一影像感應器，B)利用該雷射光產生器在一地面上投射出一雷射光圖案，C)利用該影像感測器以掃描該雷射光圖案，D)比對該雷射光圖案與一標準圖案，E)判斷該地面是否為一障礙地形，以及F)發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

又按照一主要技術的觀點來看，本發明可以涵蓋到一種輪椅向後翻倒之預警裝置，係用於判斷一地面是否為一障礙地形，其包括一雷射光產生器，係用以在該地面上投射出一雷射光圖案，一影像感應器，其用以掃描該雷射光圖案，以及一運算單元，係安裝有一比對軟體，該比對軟體用以比對該雷射光圖案與一標準圖案，俾判斷該地面是否為該障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

若是從另一個可行的角度來看，本發明即為一種具有預警功能之輪椅，其包括一輪椅本體，一雷射光產生器，係裝設於該輪椅上，用以在一地面上投射出一圖案，一影像感應器，其裝設於該輪椅上，用以掃描該圖案，以及一運算單元，係用以比對該圖案與一標準圖案，俾判斷該地面是否為一障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

若是從另一個可實施的模式來看，本發明即為一種輪椅，其包括一輪椅本體，係供一使用者乘坐並位在一地面上，以及一地形偵測器，係裝設於該輪椅本體上，並偵測 該地面是否為一障礙地形，倘該地面為該障礙地形，則對該使用者發出一提示。

若是從另一個可執行的型態來看，本發明即為一種輪椅，其包括一輪椅本體，係位在一地面上，以及一微型運算感知裝置，係裝設於該輪椅本體上，並感知該地面是否屬於一特定地形。

本發明經由上述構想的解說，即能看出所運用之防止輪椅向後翻倒之預警方法及裝置，果能利用一雷射光產生器及一影像感應器，而使該預警裝置能及時發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形，並具有利用軟體(APP)以比對該雷射光圖案與該標準圖案之特色。為了易於說明，本發明得藉由下述之較佳實施例及圖示而得到一更加瞭解。

請參閱第七圖，顯示出一防止輪椅70向後翻倒之預警方法，其包括A)提供一雷射光產生器71(圖中可以看到二個雷射光的發射孔)及一影像感應器72，而雷射光產生器71及影像感應器72皆是一預警裝置73的組成元件，B)利用雷射光產生器71在第八圖所示之一地面80上投射出一綠色的雷射光圖案81(詳右側圖，是一種特殊的圖案，左側圖為一綠色的雷射光圖案)，地面80上因具有一障礙物82而成為一障礙地形83，C)利用影像感測器72(亦稱為影像感應器，可利用智慧型手機的相機鏡頭)以掃描雷射光圖案81，D)比對雷射光圖案81與第九圖所示之一標準圖案90，此時即為啟動軟體APP程式之校正 平面，E)判斷地面80是否為障礙地形83，以及F)發出一預警響聲以避免誤入障礙地形83。

該方法更包括利用下載的一軟體(APP)以比對雷射光圖案81與標準圖案90，該方法又包括固定雷射光產生器及該影像感測器於該輪椅上。

又按照一主要技術的觀點來看，本發明可以涵蓋到一種輪椅70向後翻倒之預警裝置73，係用於判斷一地面80是否為一障礙地形83，其包括一雷射光產生器71，係用以在地面80上投射出一雷射光圖案81，一影像感應器72，其用以掃描雷射光圖案81，以及一運算單元(例如：一智慧手機內部所具有之裝置)，係安裝有一比對軟體APP，該比對軟體APP用以比對辨識雷射光圖案81與一標準圖案90，俾判斷地面80是否為障礙地形83，並發出一預警響聲(例如：手機的聲音，即可作為系統偵測到地形障礙的回饋)，用以提醒使用者注意後方，須調整輪椅方向，即能避免誤入障礙地形83，而減少意外的產生。

請參閱第十圖，預警裝置73的雷射光產生器71係發射出複數個光點101，用以偵測另一個障礙地形102。請參閱第十一圖，輪椅70具有一椅背111，預警裝置73更包括一夾子112的造型，用以夾住椅背111之一置物袋113(椅背111上的口袋)，且輪椅70及預警裝置73分別裝設有一磁鐵114及一鐵件115，並利用磁鐵114吸附鐵件115，進固定預警裝置73，而磁鐵114的位置係固定在椅背111的內側，影像感測器72係可以位於一智慧手機 (例如：iPhone或iPad)上。請參閱第十二圖，另一款預警裝置係具有一前置放槽121，用以放置該智慧手機，或改用第十三圖所示之其他款的預警裝置130，其具有一後置放槽131，亦可以放置該智慧手機，並利用該智慧手機以發出該預警聲響。

請參閱第十四圖，顯示預警裝置140(即第七圖中的預警裝置73)，其具有如第十五圖所示之一置放空間151，用以置放影像感測器72。此預警裝置140投射出的雷射光點打在障礙物的圖案，即如第十六圖所示者，其影像法即利用雷射光點打在目標地上，當出現不同地形時，比如凹洞、突起處、障礙物等，雷射光點在地面之影像將會產生變形，再觀察分析變形加以分類，找出對應的地形，即可作為判斷可否通行的依據。請參閱第十七圖，顯示出預警裝置140所偵測的各種地形(例如：地面上的盒子、向下的斜率11°、黑暗的向下斜率11°、下階梯、黑暗的下階梯、平面、淺盒、淺罐、黑暗的淺罐、向上的斜率45°、黑暗的向上斜率45°、地面等)之重心位置圖，經取用各種不同障礙物的雷射光點圖做比較後，決定採用重心法。

該重心法係計算各種障礙物的光點重心位置的方法，其演算法執行步驟如下：先拍攝平地的雷射光點，然後計算光點的重心位置並加以記錄，再拍攝倒車時的影像，計算此刻雷射光點的重心位置，並與平地的數值做比較，誤差超過即為一種有危險的地形。至於該比對軟體 APP的使用者介面，即如第十八圖所示者。本發明之預警裝置是一種輪椅後方障礙預警系統，亦可稱之為一種保庇(Botbeep)系統，是一種平價的輪椅後方安全之預警裝置。

若是從另一個可行的角度來看，本發明即為一種具有預警功能之輪椅70，其包括一輪椅本體，一雷射光產生器71，係裝設於輪椅70上，用以在一地面80上投射出一圖案81，一影像感應器72，其裝設於輪椅70上，用以掃描圖案81，以及一運算單元，係用以比對圖案81與一標準圖案90，俾判斷地面80是否為一障礙地形83，並發出一預警響聲以避免誤入障礙地形83。當然，此時的輪椅更可以包括利用一固定夾(例如：夾子112)以固定雷射光產生器71及影像感測器72，且該固定夾具有一容置凹槽(即置放空間151)及一蓋板152，影像感測器72係置放於該容置凹槽內，蓋板152即卡固於該容置凹槽上以固設影像感測器72。利用智慧型手機相機搭配App，使用上較為方便，且可降低產品的成本，無須另外加裝運算模組。且此模組化的產品，係夾在輪椅椅背後方，可適用各種類型之輪椅。於倒退時啟動雷射光點與拍照功能，若遇障礙物則會撥放音樂(即該預警聲響)，提醒使用者後方有障礙物，需要調整行進方向。前進時可關閉雷射光點與拍照功能，以減少耗電的情況產生。

若是從另一個可實施的模式來看，本發明即為一種輪椅70，其包括一輪椅本體，係供一使用者乘坐並位在一地面80上，以及一地形偵測器(例如：雷射光產生器71)， 係裝設於該輪椅本體上，並偵測地面80是否為一障礙地形83，倘地面80為障礙地形83，則對該使用者發出一提示(例如：該預警響聲)。

若是從另一個可執行的型態來看，本發明即為一種輪椅70，其包括一輪椅本體，係位在一地面80上，以及一微型運算感知裝置(例如：iPhone或iPad等)，係裝設於該輪椅本體上，並感知地面80是否屬於一特定地形(例如：障礙地形83)。

實施例

1.一種防止輪椅向後翻倒之預警方法，其包括A)提供一雷射光產生器及一影像感應器，B)利用該雷射光產生器在一地面上投射出一雷射光圖案，C)利用該影像感測器以掃描該雷射光圖案，D)比對該雷射光圖案與一標準圖案，E)判斷該地面是否為一障礙地形，以及F)發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

2.如實施例1中之方法，更包括利用一軟體(APP)以比對該雷射光圖案與該標準圖案。

3.如實施例1~2中之方法，更包括固定該雷射光產生器及該影像感測器於該輪椅上。

4.一種輪椅向後翻倒之預警裝置，係用於判斷一地面是否為一障礙地形，其包括一雷射光產生器，係用以在該地面上投射出一雷射光圖案，一影像感應器，其用以掃描該雷射光圖案，以及一運算單元，係安裝有一比對軟體，該比對軟體用以比對該雷射光圖案與一標準圖案，俾判斷 該地面是否為該障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

5.如實施例4中之裝置，其中該雷射光產生器係發射出複數個光點，用以偵測該障礙地形，而該輪椅具有一椅背，該裝置更包括一夾子，用以夾住該椅背之一置物袋，該輪椅及該裝置分別裝設有一磁鐵及一鐵件，並利用該磁鐵吸附該鐵件，而固定該裝置，且該影像感測器係位於一智慧手機上，該裝置更具有一前置放槽或一後置放槽，用以置放該智慧手機，並利用該智慧手機以發出該預警聲響。

6.如實施例4~5中之裝置，更具有一置放空間，用以置放該影像感測器。

7.一種具有預警功能之輪椅，其包括一輪椅本體，一雷射光產生器，係裝設於該輪椅上，用以在一地面上投射出一圖案，一影像感應器，其裝設於該輪椅上，用以掃描該圖案，以及一運算單元，係用以比對該圖案與一標準圖案，俾判斷該地面是否為一障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。

8.如實施例7中之輪椅，更包括利用一固定夾以固定該雷射光產生器及該影像感測器，且該固定夾具有一容置凹槽及一蓋板，該影像感測器係置放於該容置凹槽內，該蓋板即卡固於該容置凹槽上以固設該影像感測器。

9.一種輪椅，其包括一輪椅本體，係供一使用者乘坐並位在一地面上，以及一地形偵測器，係裝設於該輪椅本 體上，並偵測該地面是否為一障礙地形，倘該地面為該障礙地形，則對該使用者發出一提示。

10.一種輪椅，其包括一輪椅本體，係位在一地面上，以及一微型運算感知裝置，係裝設於該輪椅本體上，並感知該地面是否屬於一特定地形。

綜上所述，本發明確能以一新穎的設計，藉由利用雷射光產生器及影像感應器，而使該預警裝置能及時發出預警響聲以避免誤入該障礙地形，並且所運用之軟體APP，果能獲致比對該雷射光圖案與該標準圖案之功效。故凡熟習本技藝之人士，得任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

10‧‧‧向下的階梯

70‧‧‧輪椅

71‧‧‧雷射光產生器

72‧‧‧影像感應器

73‧‧‧預警裝置

80‧‧‧地面

81‧‧‧雷射光圖案

82‧‧‧障礙物

83‧‧‧障礙地形

90‧‧‧標準圖案

101‧‧‧光點

102‧‧‧障礙地形

111‧‧‧椅背

112‧‧‧夾子

113‧‧‧置物袋

114‧‧‧磁鐵

115‧‧‧鐵件

121‧‧‧前置放槽

130‧‧‧預警裝置

131‧‧‧後置放槽

140‧‧‧預警裝置

151‧‧‧置放空間

第一圖：是一個輪椅使用者在遇到後方地面有高低差的況狀之立體照片；第二圖：是利用Kinect所擷取到的訊號標示圖；第三圖：是利用中間值濾波方式取中間值並比較地形後所獲得的結果圖；第四圖：是根據演算法進行實測之量測結果及攝影畫面；第五圖：是對障礙物的偵測靈敏度之測試結果圖；第六圖：是第五圖之實際測試的現場照片；第七圖：是本發明之防止輪椅向後翻倒的預警方法及裝置之較佳實施例的立體照片；第八圖：是利用雷射光產生器在地面上投射出之一雷 射光圖案的照片；第九圖：是本發明之雷射光圖案的校正平面之照片；第十圖：是本發明利用雷射光圖案進行障礙物判斷的照片；第十一圖：是將預警裝置裝設於輪椅上之剖面示意圖；第十二圖：是本發明之防止輪椅向後翻倒的預警裝置之又一較佳實施例的立體照片；第十三圖：是本發明之防止輪椅向後翻倒的預警裝置之另一較佳實施例的立體照片；第十四圖：是第七圖中的預警裝置之側視照片；第十五圖：是第七圖中的預警裝置之置入手機的照片；第十六圖：是預警裝置投射出的雷射光點打在障礙物的圖案；第十七圖：是各種地形的重心位置圖；以及第十八圖：是比對軟體APP的使用者介面。

70‧‧‧輪椅

71‧‧‧雷射光產生器

72‧‧‧影像感應器

73‧‧‧預警裝置

Claims (9)

1. 一種防止輪椅向後翻倒之預警方法，其包括：A)在一輪椅上固定一雷射光產生器及一影像感應器；B)利用該雷射光產生器在一地面與一週邊環境上投射出一雷射光圖案；C)利用該影像感測器感測該雷射光圖案；D)將該雷射光圖案與一標準圖案相互比對，以判斷該地面與該週邊環境所構成之一週圍立體空間是否屬於一障礙地形；以及E)如果經判斷該週圍立體空間屬於該障礙地形，發出一預警響聲以提醒該輪椅的使用者避免誤入該障礙地形。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括利用一軟體(APP)以比對該雷射光圖案與該標準圖案。
3. 一種輪椅向後翻倒之預警裝置，係用於判斷一輪椅所在的一週圍立體空間是否為一障礙地形，該週圍立體空間由該地面與該週邊環境所構成，其包括：一雷射光產生器，係用以在該地面與該週邊環境上投射出一雷射光圖案；一影像感應器，其用以掃描該雷射光圖案；以及一運算單元，係安裝有一比對軟體，該比對軟體用以比對該雷射光圖案與一標準圖案，俾判斷該週圍立體空間是否為該障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。
4. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該雷射光產生器係發射出複數個光點，用以偵測該障礙地形，而該輪椅具有一椅背，該裝置更包括一 夾子，用以夾住該椅背之一置物袋，該輪椅及該裝置分別裝設有一磁鐵及一鐵件，並利用該磁鐵吸附該鐵件，而固定該裝置，且該影像感測器係位於一智慧手機上，該裝置更具有一前置放槽或一後置放槽，用以置放該智慧手機，並利用該智慧手機以發出該預警聲響。
5. 如申請專利範圍第3項所述之裝置，更具有一置放空間，用以置放該影像感測器。
6. 一種具有預警功能之輪椅，其包括：一輪椅本體；一雷射光產生器，係裝設於該輪椅上，用以在一地面與一週圍立體空間上投射出一圖案；一影像感應器，其裝設於該輪椅上，用以掃描該圖案；以及一運算單元，係用以比對該圖案與一標準圖案，俾判斷該地面與該週邊環境所構成之一週圍立體空間是否為一障礙地形，並發出一預警響聲以避免誤入該障礙地形。
7. 如申請專利範圍第6項所述之輪椅，更包括利用一固定夾以固定該雷射光產生器及該影像感測器，且該固定夾具有一容置凹槽及一蓋板，該影像感測器係置放於該容置凹槽內，該蓋板即卡固於該容置凹槽上以固設該影像感測器。
8. 一種輪椅，其包括：一輪椅本體，係供一使用者乘坐並位在一地面上與一週邊環境中；以及一地形偵測器，係裝設於該輪椅本體上，並對該地面與該週邊環境投射一雷射光圖案，借由感應並進一步辨識該雷射光圖案之形式變化，以偵測 由該地面與該週邊環境所構成之一週圍立體空間是否為一障礙地形，倘該週圍立體空間為該障礙地形，則對該使用者發出一提示。
9. 一種輪椅，其包括：一輪椅本體，係位在一地面與一週邊環境中上；一雷射光產生器，係裝設於該輪椅本體上，並對該地面與該週邊環境投射一雷射光圖案；以及一影像感應與運算裝置，係裝設於該輪椅本體上，透過擷取與辨識投射在由該地面與該週邊環境所構成之一週圍立體空間上的該雷射光圖案之形式變化，而判斷該週圍立體空間是否屬於一特定地形。