TWI628524B - Somatosensory control system and method thereof - Google Patents

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TWI628524B
TWI628524B TW105141002A TW105141002A TWI628524B TW I628524 B TWI628524 B TW I628524B TW 105141002 A TW105141002 A TW 105141002A TW 105141002 A TW105141002 A TW 105141002A TW I628524 B TWI628524 B TW I628524B
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廖駿偉
陳鴻彬
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Abstract

本發明揭露一種體感控制系統與其方法。該體感控制系統，包括有：一感測模組，以及一電路模組。該感測模組包括有複數個感測單元，用以產生相對應的感測信號。該電路模組電耦接該感測模組，且接收來自該複數個感測單元的該複數個感測信號，並依據來自該複數個感測單元的該複數個感測信號來產生一重心變化信號，且依據該重心變化信號來輸出一指示信號，該指示信號係指示一預期性姿勢調整(APA)是否存在，以及依據該指示信號來產生一控制訊號；其中，該控制訊號的決定係與該預期性姿勢調整(APA)是否存在有關。

Description

體感控制系統及其方法
本發明是有關於一種控制系統及其方法，特別是指一種能偵測預期性姿勢調整(anticipatory postural adjustment,APA)的體感控制系統及其方法。
復健成功關鍵，在於重心的轉移能力及平衡能力，不僅要讓患者從靜態的「站」，學習到如何動態的「走」，更要能正確學習骨盆的重心轉移，才能讓後續的行走復健事半功倍。但在臨床上重心轉移訓練困難，且當矯正患者的姿勢及動作時，患者也因害怕跌倒，不敢將重量轉移至患側，因而出現許多代償動作，如：甩腳、身體歪斜、聳肩、腳畫圈等動作，造成許多不正確姿態、或不良步態，傳統復健設備並無法區別出上述的代償動作，故無法引導患者使用正確(非代償)動作，進而影響復健訓練效果。另一方面，在復健治療時，患者需要長時間反覆做復健動作。由於復建動作缺乏趣味性，患者在長時間反覆做復健動作時容易因無趣或疲累而產生注意力不集中的情況，導致復健效果受限。本案發明人遂思及，若能發展出一種新的體感控制系統搭配重心移轉訓練及復健治療，來提醒患者是否有使用代償動作、進而引導患者使用正確的動作、或在患者使用正確動作時，有效增進使用者的投入程度，以進一步提升復健的效果。
因此，本發明之眾多目的其一，即在提供一種體感控制系統及體感控制方法，可解決上述的問題。
本發明之眾多目的其一，即在提供一種能偵測預期性姿勢調整(anticipatory postural adjustment,APA)的體感控制系統及體感控制方法。
於是，本發明提供一種體感控制系統，該體感控制系統，包括有：一感測模組，以及一電路模組。該感測模組包括有複數個感測單元，用以產生相對應的感測信號。該電路模組電耦接該感測模組，且接收來自該複數個感測單元的該複數個感測信號，並依據來自該複數個感測單元的該複數個感測信號來產生一重心變化信號，且依據該重心變化信號來輸出一指示信號，該指示信號係指示一預期性姿勢調整(APA)是否存在，以及依據該指示信號來產生一控制訊號；其中，該控制訊號的決定係與該預期性姿勢調整(APA)是否存在有關。
在一些實施態樣中，當該預期性姿勢調整是不存在時，該體感控制系統調整一臨界值，其中，該臨界值係與該體感控制系統的一作動方式有關。
在一些實施態樣中，當該預期性姿勢調整是不存在時，該體感控制系統停止輸出該控制訊號。
在一些實施態樣中，該電路模組依據該重心變化信號是否存在一轉折點來決定出該指示信號。
在一些實施態樣中，該電路模組依據一預設演算法來判斷該轉折 點是否存在，該預設演算法係與該重心變化信號的一轉折夾角、一轉折量及一轉折比例的至少其一有關。
在一些實施態樣中，該電路模組具有至少一臨界值，該至少一臨界值用以調整該控制訊號。
在一些實施態樣中，該電路模組依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來決定該體感控制系統的一操作模式。
本發明提供一種體感控制方法，係應用於一體感控制系統，該體感控制方法包括：利用複數個感測單元來產生複數個感測信號；依據該複數個感測信號，來產生一重心變化信號；依據該重心變化信號來決定出一預期性姿勢調整(APA)是否存在；以及依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來產生一控制信號。
在一些實施態樣中，依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來決定該體感控制系統的一操作模式。
在一些實施態樣中，該重心變化信號是否存在一轉折點來決定出該預期性姿勢調整(APA)是否存在。
在一些實施態樣中，依據一預設演算法來判斷該轉折點是否存在，該預設演算法係與該重心變化信號的一轉折夾角、一轉折量及一轉折比例的至少其一有關。
藉由偵測預期性姿勢調整(APA)而決定一作動方式，能促使該使用者在復健過程中持續維持重心位置正確地行進，從而提升復健的效果。
100‧‧‧體感控制系統
110‧‧‧平台
112‧‧‧感應模組
114a~114d‧‧‧感應元件
120‧‧‧電路模組
122‧‧‧處理單元
124‧‧‧記憶單元
126‧‧‧輸出單元
S412~S418‧‧‧步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明之體感控制系統的一實施例的示意圖。
圖2是該實施例的該感應元件設置於一供使用者承載之一平台內的示意圖。
圖3係為一健康人使用該實施例而得出的重心移動軌跡圖。
圖4係為本發明之體感控制方法的一實施例的流程圖。
以下說明內容之技術用語是參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋是以本說明書之說明或定義為準。另外，在實施為可能的前提下，本說明書所描述之物件或事件間的相對關係，其涵義可包含直接或間接的關係，所謂「間接」是指物件間尚有中間物或物理空間之存在，或指事件間尚有中間事件或時間間隔之存在。再者，以下內容是關於控制系統，對於本領域習見的技術或原理，若不涉及或無甚相關於本發明之技術特徵，本說明書將不予贅述。此外，圖示中元件之形狀、尺寸、比例以及流程之步驟順序等僅為示意，是供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，而非對本發明之實施範圍加以限制。
預期性姿勢調整(anticipatory postural adjustment,APA)是姿勢 控制(postural control)中重要的一環，其功能在於降低因自主動作所伴隨而來的姿勢干擾，增加姿勢穩定度或協助自主動作的產生，是一種可以經由學習而習得的姿態調整能力。本發明的至少一實施態樣係藉由偵測預期性姿勢調整(APA)是否存在，來決定使用者是否有發生代償動作。此外、當本發明的至少一實施態樣發現有代償動作的產生，便代表本發明的至少一實施態樣發現使用者的訓綀動作、復健動作是不正確。例如：使用者的預期動作控制模式係為把重心從一隻腳轉移到另一隻腳；然而使用者採用非預期動作控制模式(如：透過彎腰、伸手、旁人協助)來改變重心的改變。換言之，本發明的至少一實施態樣可以判別出使用者是否採用預期動作控制模式來進行訓綀、復健。再者，本發明的至少一實施態樣可以依據使用者是否採用預期動作控制模式來決定後續的控制訊號(例如：通知使用者、變更後續操作模式來引導用者等)。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，是本發明體感控制系統100之一實施例，其適於一使用者使用。該體感控制系統100包含一感應模組112及一電路模組120。如圖2所示，該感應模組112包括有多個感應元件114a~114d。該多個感應元件114a~114d係用於產生相對應的感測信號，該相對應的感測信號的變化係相對應於該使用者的重心變化。在一實施例中，該感應元件114a~114d可以是一壓電片(piezoelectric plate)、應變規(Strain gage)、荷重元(load cell)、磁力計(Magnetometer)等現有的感應元件。也可以是採用上述類似或相同感應原理的 未來的感應元件。參閱圖2，在一實施例中，該複數個感應元件114a~114d設置於一供使用者承載之平台110內，但不以此為限。另一實施例，該感應模組112分別設置於供使用者承載之二個平台110(例如設置於二隻鞋子)內。
該電路模組120包括一處理單元122、一輸出單元126及一記憶單元124。該處理單元122連接於該感應模組112，該處理單元122接收來自該等感應元件114a~114d所產生相對應的感測信號，並執行一應用程式以根據該相對應的感測信號而計算出該使用者的重心偏移變化量。該記憶單元124用以記錄該使用者的重心偏移變化量，該些重心偏移變化量可形成該使用者的一重心移動軌跡(如圖3所示)。
此外，該電路模組120是透過無線或有線方式與該感應模組112相連接，由於無線或有線傳輸已是本領域人士所熟知，故省略其詳細說明。在一實施態樣中，該電路模組120可以是為一筆記型電腦、一平板電腦、一智慧型手機，或一客製化電路，但不以此為限。在其他實施態樣中，該電路模組120可以設置於該平台110內或位於該平台110外。
圖3係為一健康人使用本發明的體感控制系統的一實施例而得出的重心移動軌跡。其中，圖3中的每個小圖點係為在不同時間的該重心偏移變化量。圖3的A點(座標約(0,10)處)係為重心移動軌跡的起始點；圖3的B點(座標約(44,47)處)係為重心移動軌跡的終點；圖3的C點(座標約(-30,-2)處)、D點(座標約(-2,12)處)與E點(座標約(78,47)處)係為重心移動軌跡過程的三個點；圖3的該重心移動軌跡係為由A點開始，經由C點、D點、E點後，才至B點。圖3的重心 移動軌跡與相對應使用者的狀態的說明：由A點經由C點、D點至E點係為使用者的重心轉移過程，而由E點至B點係為使用者在重心轉移後的重心保持平衝過程。
參閱圖3，可發現圖3具有一明顯轉折點，而帕金森病患者使用本發明的體感控制系統的一實施例而得出的重心移動軌跡並無存在一明顯轉折點。換言之，圖3中具有一明顯轉折點，該明顯轉折點的出現代表著使用者的重心移動軌跡係存在著該預期性姿勢調整(APA)。
參閱圖3以便說明該轉折點。參閱圖3的A點-C點-E點軌跡，其具有一轉折點(就是C點)。在圖3中，A點-C點的向量與C點-E點(或C點-D點)的向量的方向是相反，A-C-D點的夾角小，(小於45度，接近於0度)；A點-C點與C點-E點的距離分別約為31與117；換言之，A點-C點的向量值(距離)係小於C點-E點的向量值(距離)，A點-C點的向量值是C點-E點的向量值的約1/4倍。在本發明之實施例中發現若使用者的該重心移動軌跡中具有一個轉折點(如圖3的C點)，則表示該使用者的重心轉移具有該預期性姿勢調整(APA)的特徵，也就是該使用者的重心改變並沒有使用代償動作(即，該使用者採用預期動作控制模式，而沒有使用非預期動作控制模式)。換言之，本發明之實施例便可藉由偵測該轉折點是否存在來判斷出該使用者係使用該預期動作控制模式或該非預期動作控制模式來進行重力轉移。
為了偵測該轉折點是否存在係可利用該轉折點的至少一特徵是否存在來藉以判斷出該轉折點是否存在。該轉折點的至少一特徵可以包括有： 轉折夾角(也就是ACD點的夾角)、轉折量的大小(也就是AC點的距離)、轉折的比例(也就是AC點距離與CE點距離的比例)…等特徵。當然，上述的轉折點特徵可同時被利用。理論上而言，愈多轉折點特徵被採用，則可愈正確地判別出該轉折點；多個上述的轉折點特徵可利用不同權重來加以判斷。實務上，一個非常明確的轉折點特徵即可正確地被判別出。
一實施例，例如：當具有該轉折點，且轉折比例大於0.15(可為其他值)，便可判定該重心移動軌跡中具有該預期性姿勢調整(APA)。
另一實施例，例如：當轉折夾角小於15度且轉折量(也就是AC距離)的數值大於5，或是當轉折夾角小於30度且轉折量的數值大於10，皆可判定該重心移動軌跡中具有該預期性姿勢調整(APA)；又一實施例，例如：當轉折夾角小於15度且轉折比例大於5%、或是當轉折夾角小於30度且轉折量的數值大於10%，皆可判定該重心移動軌跡中具有該預期性姿勢調整(APA)；該處理單元122依據一預設演算法(例如：上述任何一實施例)，以及該重心偏移變化量而產生一指示信號，該指示信號係用以代表該預期性姿勢調整(APA)是否存在。再參閱圖1，該處理單元122執行該應用程式，並根據該重心偏移變化的方向而決定出一相對應的作動方式(控制訊號)，且經由該輸出單元126輸出一作動方式(控制訊號)。該作動方式(控制訊號)可以是模擬出鍵盤(或滑鼠、或其他類型輸入裝置)的上、下、左、右、兩兩間等不同方向輸出。也就是說，該作動方式的方向係相應於該重心偏移變化的方向。一實施例，該 處理單元122依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來決定該作動方式的產生頻率。一實施例，該處理單元122發現該預期性姿勢調整(APA)不存在時，該處理單元122指示該預期性姿勢調整(APA)不存在；且該處理單元122重置該復健程式以重新引導該使用者採用預期動作控制模式進行復健動作。
參閱圖1與圖4，圖4係為本發明之體感控制系統100的一實施例所進行的操作步驟的說明，該體感控制方法包括有下列步驟：步驟S412：利用複數個感測單元來產生複數個感測信號；步驟S414：依據該複數個感測信號，來產生一重心變化信號；步驟S416：依據該重心變化信號來決定出一預期性姿勢調整(APA)是否存在；以及步驟S418：依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來產生一控制信號。
如前述的說明，在步驟S418所產生的該控制信號可依據不同的應用，進而進行控制不同的操作模式。一實施例，可依據該預期性姿勢調整(APA)是否存在來決定該體感控制系統100的一操作模式。
在另一實施態樣中，處理單元122於執行該復健程式時，能產生一個相當於該使用者之角色，並依據復健項目提供多個課題。例如：復健程式的一實施例係為一行走程式(但本發明不以所揭露的行走程式態樣為限)，復健畫面包含一代表使用者之角色、一路線及多個設置於該路線上之障礙物，且該作動方式至少包含前、後、左、右、右斜前、左斜前、右斜後及左斜後等不同方向移動及兩兩間之變化。針對各課題，處理單元122先判斷在一預定時間 長度(例如3秒)內，感應模組112是否偵測到該使用者的重心變化。使用者需在一第一預定時間長度內透過重心變化所達成之作動方式讓該角色沿路線移動並繞過障礙物。當使用者在該第一預定時間長度內完成前述動作，則代表完成該課題，若使用者沒有在該第一預定時間長度內完成，則沒有通過該課題。該課題還包含一持續性作動方式，於該課題，處理單元122接著判斷在一第二預定時間長度(例如10秒)內，感應模組112持續偵測到該使用者的重心變化所得之重心偏移軌跡是否符合該持續性作動方式，並藉此了解該使用者的重心轉移是否需進行調整。
一實施例，當該處理單元122發現該預期性姿勢調整(APA)不存在時，該處理單元122暫停輸出該作動方式，並顯示該預期性姿勢調整(APA)不存在的訊息，以引導使用者使用預期動作控制模式進行方向的控制。
在一些實施態樣中，該電路模組120具有至少一臨界值，該至少一臨界值用以調整該控制訊號，且該至少一臨界值係為可調的，此外，當該預期性姿勢調整是不存在時，該至少一臨界值會被調整。例如：本發明該處理單元122還包括一上限值與一下限值(即所謂的臨界值)。當該使用者之重心偏移變化量未超過該下限值時，該輸出單元126不輸出(被禁能)；而當該使用者之重心偏移變化量超過該下限值時，則該輸出單元126輸出該作動方式；當該使用者之重心偏移變化量逐漸趨近該上限值時，該輸出單元126加速輸出該作動方式。在本實施例中，該上限值與該下限值是針對使用者的個人狀態進行個人化設定而得，取得兩者範圍的方式可以是處理單元122先執行一前測程式，讓使 用者嘗試進行各方向之重心偏移，並儲存、記錄使用者的表現，以根據使用者的表現決定該上限值與該下限值的範圍。
藉由處理單元122的處理可以讓該復健程式至少有兩種不同變化，其一為加速該復健程式進行，由於該使用者的重心變化已可控制於不同方向前進，當越接近該上限值時，則該輸出單元126越加速輸出該作動方式，如此一來，該使用者可以加快達成此課題之時間，達到自我挑戰之目的。其二為難易度之調整，處理單元122能根據前一個課題的成績來決定下一次要產生的課題，當使用者於前一課題表現良好時，該處理單元122將該下限值調高，讓使用者需透過更多重心偏移變化量來使該角色移動，藉此能讓使用者逐步地訓練及挑戰個人之上限值，進而增進復健的效果，同時，難易度的變化能引發使用者的興趣而繼續進行下一課題，如此一來，使用者對於持續進行復健的意願將會大幅提升。
由於本發明體感控制系統100是透過類比轉數位的方式進行操作，因此，在電子裝置端執行各項復建程式時，無需特別修改程式內容即可透過使用者的重心偏移量進行操作，而無需如過去配合不同的復健系統開發對應的控制系統，甚至針對已開發使用之復健程式亦可直接使用，當然並不限於復健使用，亦可視使用者的需求而對應不同程式使用，例如一般性的電腦操作等。
綜上所述，本發明體感控制系統100藉由偵測預期性姿勢控制(APA)以及根據該重心偏移變化量來決定使用者於該復健程式中的作動方式，從而提升復健的效果，此外，藉由體感控制系統100內建的上、下限值的設定 與調整，故能無需修改程式本身的內容，且讓使用者逐步地訓練及挑戰自我，進而提升復健的效果，同時，更能引發使用者的興趣而繼續進行下一課題，如此將大幅提高使用者持續進行復健的意願，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (11)

  1. 一種體感控制系統，包括：一感測模組，包括有複數個感測單元，用以產生相對應的感測信號；以及一電路模組，電耦接該感測模組，且接收來自該複數個感測單元的該感測信號，並依據來自該複數個感測單元的該複數個感測信號來產生一重心變化信號，且依據該重心變化信號來輸出一指示信號，該指示信號係指示一預期性姿勢調整(APA)是否存在，以及依據該指示信號來產生一控制訊號；其中，該控制訊號的決定係與該預期性姿勢調整是否存在有關；其中，該電路模組是依據一預設演算法來判斷該重心變化信號是否存在一轉折點來決定出該指示信號，該預設演算法係與該重心變化信號的一轉折夾角、一轉折量及一轉折比例的至少其一有關。
  2. 如請求項1所述的體感控制系統，其中，當該預期性姿勢調整是不存在時，該體感控制系統調整一臨界值，其中，該臨界值係與該體感控制系統的一作動方式有關。
  3. 如請求項1所述的體感控制系統，其中，該感測模組係分別設於二平台。
  4. 如請求項1所述的體感控制系統，其中，該電路模組具有至少一臨界值，該至少一臨界值用以調整該控制訊號。
  5. 如請求項1所述的體感控制系統，其中，該電路模組依據該預期性姿勢調整是否存在來決定該體感控制系統的一操作模式。
  6. 一種體感控制方法，係應用於一體感控制系統，該體感控制方法包括： 利用複數個感測單元來產生複數個感測信號；依據該複數個感測信號，來產生一重心變化信號；依據該重心變化信號來決定出一預期性姿勢調整(APA)是否存在；以及依據該預期性姿勢調整是否存在來產生一控制信號；其中，依據一預設演算法來判斷該重心變化信號是否存在一轉折點來決定出該預期性姿勢調整是否存在，該預設演算法係與該重心變化信號的一轉折夾角、一轉折量及一轉折比例的至少其一有關。
  7. 如請求項6所述的體感控制方法，其中，依據該預期性姿勢調整是否存在來決定該體感控制系統的一操作模式。
  8. 如請求項6所述的體感控制方法，其中，該複數個感測單元係分別設於二平台。
  9. 如請求項6所述的體感控制方法，其中，當該預期性姿勢調整是不存在時，該體感控制系統調整一臨界值，其中，該臨界值係與該體感控制系統的一作動方式有關。
  10. 一種體感控制方法，係應用於一體感控制系統，該體感控制方法包括：利用複數個感測單元來產生複數個感測信號；依據該複數個感測信號，來產生一重心變化信號；依據該重心變化信號來決定一代償動作是否存在；以及依據該代償動作是否存在來產生一控制信號；其中，依據一預設演算法來判斷該重心變化信號是否存在一轉折點來決定出該代償動作是否存在，該預設演算法係與該重心變化信號的一轉折夾角、一轉折量及一轉折比例的至少其一有關。
  11. 如請求項10所述的體感控制方法，其中，依據該控制信號來決定該體感控制系統的一操作模式。
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