TWI676088B - 動力輔助裝置之偵測失效備援系統 - Google Patents

動力輔助裝置之偵測失效備援系統 Download PDF

Info

Publication number
TWI676088B
TWI676088B TW108101208A TW108101208A TWI676088B TW I676088 B TWI676088 B TW I676088B TW 108101208 A TW108101208 A TW 108101208A TW 108101208 A TW108101208 A TW 108101208A TW I676088 B TWI676088 B TW I676088B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
unit
output
power
working
backup
Prior art date
Application number
TW108101208A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202026782A (zh
Inventor
薛博文
Po-Wen Hsueh
姚武松
Wu-Sung Yao
慕劉婉君
Wan-Jun Mu-Liu
Original Assignee
國立高雄科技大學
National Kaohsiung University Of Science And Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立高雄科技大學, National Kaohsiung University Of Science And Technology filed Critical 國立高雄科技大學
Priority to TW108101208A priority Critical patent/TWI676088B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI676088B publication Critical patent/TWI676088B/zh
Publication of TW202026782A publication Critical patent/TW202026782A/zh

Links

Landscapes

  • Safety Devices In Control Systems (AREA)

Abstract

一種動力輔助裝置之偵測失效備援系統，用以解決習知動力輔助裝置無法因應突發故障而無預警停機或停止動力輔助輸出的問題。係包含：一感測單元，用以偵測一主動輸出；一處理模組，依據該主動輸出，產生一驅動訊號；一工作模組，依據該驅動訊號產生一輔助輸出，該主動輸出與該輔助輸出之合力形成一工作狀態；一虛擬模組，依據該驅動訊號產生形成一模擬狀態，該工作狀態減去該模擬狀態係一誤差值；及一補償單元，依據該誤差值模擬產生一回饋輸出，判斷該回饋輸出之一階導數之絕對值是否大於一故障閥值，當判斷結果為是，產生一備援訊號用以取代該驅動訊號。

Description

動力輔助裝置之偵測失效備援系統
本發明係關於一種動力裝置的安全防護機制，尤其是一種避免動力無預警消失的動力輔助裝置之偵測失效備援系統。
老人、脊髓損傷者及復健患者等行動不便者所使用的穿戴式外骨骼機器人，或者以人力驅動之器械，如：輪椅、推車、自行車等，係可以應用一動力輔助裝置與使用者互動，該動力輔助裝置係依據使用者的起始動作及後續趨勢，提供額外的動力協助使用者完成預想動作，係可以使喪失行動能力者重獲站立、行走、上下樓梯等能力，也可以在操作人力器械時達到省力、提高負重、克服斜坡等功效。
習知的動力輔助裝置，係由行動感測器偵測使用者的關節變化或器械的受力狀況，再經由處理器分析運算數據資料及下達控制指令，以啟動伺服馬達及減速器交替運作，係可以配合使用者的步調提供適當的輔助動力進行活動。因此，當行動感測器發生錯誤或失效時，將導致該動力輔助裝置產生偏移、喪失準度、施力過大或不足等異常狀況，甚至停機而完全失去動力，造成使用者的不便甚至安全遭受危害。
又，習知的動力輔助裝置可以安裝額外的感測模組，當主要偵測失效時能夠由備援之模組接替，以維持正常工作或進行維修處理前的緩衝 措施，惟，由裝置開始輸出錯誤的動力，到系統判斷原始模組失能並切換至備用模組實際接管運行之前，仍存在一小段空窗期，若使用者正好處於一不穩定的狀態或環境，例如：爬坡、搬運重物、位於馬路中央等，將有可能導致安全事故。
有鑑於此，習知的動力輔助裝置確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種動力輔助裝置之偵測失效備援系統，係可以即時發現偵測失效，並快速切換至備援狀態者。
本發明的次一目的是提供一種動力輔助裝置之偵測失效備援系統，不需要安裝額外的備用感測模組，係可以簡化安裝及降低設備成本者。
本發明的又一目的是提供一種動力輔助裝置之偵測失效備援系統，係可以避免輔助動力在備援切換過程發生震盪，可以維持系統穩定運作者。
本發明的動力輔助裝置之偵測失效備援系統，包含：一感測單元，用以偵測一主動輸出，並產生該主動輸出之數據資料；一處理模組，具有一運算單元及一偵錯單元，該運算單元耦合連接該感測單元，該運算單元依據該數據資料產生一驅動訊號；一工作模組，具有一動力單元及一工作單元，該動力單元分別耦合連接該運算單元及該偵錯單元，該動力單元依據該驅動訊號產生一輔助輸出，該主動輸出與該輔助輸出之合力帶動該工作單元運轉形成一工作狀態；一虛擬模組，具有一動力模型及一工作模型，該動力模型分別耦合連接該運算單元及該偵錯單元，該動力模型依據該驅動訊號產生一模擬輸出，該工作模型依據該模擬輸出形成一模擬狀態，該工作狀態減去該模擬狀態係一誤差值；及一補償單元，分別耦合連接該偵錯單元、該工作模 組及該虛擬模組，該補償單元依據該誤差值模擬產生一回饋輸出，該回饋輸出分別回饋至該工作模型及該偵錯單元，該工作模型依據該回饋輸出修正該模擬狀態，該偵錯單元判斷該回饋輸出之一階導數之絕對值是否大於一故障閥值，當判斷結果為是，該偵錯單元產生一備援訊號，該備援訊號用以取代該驅動訊號進入該動力單元及該動力模型。
據此，本發明的動力輔助裝置之偵測失效備援系統，係藉由該工作模組提供動力以輔助使用者工作，再藉由該虛擬模組計算模擬該工作模組的運作狀態，係可以比較實際與虛擬狀態之差異，即時發現偵測失效，並以模擬計算出的備援訊號維持動力輔助裝置之運作，而不需要安裝額外的備用感測模組，係可以達到簡化安裝、降低設備成本及快速反應異常等功效。
其中，當該偵錯單元判斷該一階導數之絕對值不大於該故障閥值時，該動力單元及該動力模型依據該驅動訊號運轉。如此，該偵錯單元可以判斷系統正常，具有維持穩定運作的功效。
另包含一柔性切換程序，由該備援訊號在一切換時間之內逐步取代該驅動訊號該柔性切換程序如下：
Figure TWI676088B_D0001
其中，Op係實際導入該動力單元之備援輸出，R係該備援訊號，T為該切換時間，t為取樣時間點。如此，該備援訊號係可以逐漸增強，以避免該輔助輸出發生震盪，具有維持輔助動力穩定的功效。
其中，該取樣時間點t=0係表示該偵錯單元判斷失效的時間點，該取樣時間點t=T係表示該備援訊號完全取代該驅動訊號之時間點。如此，該備援訊號可以在偵測完全失效前取代該驅動訊號，具有避免失去輔助動力的功效。
其中，該補償單元為模型誤差補償器。如此，該模型誤差補償器可以最佳化回饋訊號，具有提升失效判別準確性的功效。
其中，該工作模型同時接收該回饋輸出及該模擬輸出，形成該模擬狀態趨近於該工作狀態。如此，藉由降低該誤差值，係可以提高系統正常與失效間的差異，具有降低偵錯單元誤判的機率之功效。
其中，該一階導數係該回饋輸出對時間的一階微分。如此，該一階導數係可以表示系統隨時間變化的輻度，具有提升失效判別準確性的功效。
1‧‧‧感測單元
2‧‧‧處理模組
21‧‧‧運算單元
22‧‧‧偵錯單元
3‧‧‧工作模組
31‧‧‧動力單元
32‧‧‧工作單元
4‧‧‧虛擬模組
41‧‧‧動力模型
42‧‧‧工作模型
5‧‧‧補償單元
Um‧‧‧主動輸出
D‧‧‧驅動訊號
R‧‧‧備援訊號
Us‧‧‧輔助輸出
WU‧‧‧工作狀態
Vs‧‧‧模擬輸出
Wv‧‧‧模擬狀態
E‧‧‧誤差值
Vm‧‧‧回饋輸出
Figure TWI676088B_D0002
‧‧‧一階導數
H‧‧‧故障閥值
T‧‧‧切換時間
Op‧‧‧備援輸出
t‧‧‧取樣時間點
〔第1圖〕本發明一較佳實施例的系統方塊圖。
〔第2圖〕本發明正常運作時的回饋輸出一階導數-時間關係圖。
〔第3圖〕本發明偵測失效時的回饋輸出一階導數-時間關係圖。
〔第4圖〕本發明備援切換時的訊號輻度-時間關係圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明動力輔助裝置之偵測失效備援系統的較佳實施例，係包含一感測單元1、一處理模組2、一工作模組3、一虛擬模組4及一補償單元5，該感測單元1耦合連接該處理模組2，該處理模組2分別耦合連接該工作模組3及該虛擬模組4，該補償單元5分別耦合連接該處理模組2、該工作模組3及該虛擬模組4。
該感測單元1係用於偵測使用者之一主動輸出Um，該感測單元1可以是扭力感測器、壓力傳感器或位移計等不同測量工具，惟，本發明不以此為限，該感測單元1係可以將該主動輸出Um以扭矩、接觸力或移動量等形式數據化並記錄。
該處理模組2藉由一運算單元21耦合連接該感測單元1，係可以接收該主動輸出Um之數據資料，由該運算單元21分析運算該數據資料後，係可以產生一驅動訊號D。另外，該處理模組2還可以由一偵錯單元22接收並分析系統運作的回饋資訊，用以產生一備援訊號R。
該工作模組3係包含一動力單元31及一工作單元32，該動力單元31分別耦合連接該運算單元21及該偵錯單元22，該動力單元31接收並依據該驅動訊號D產生一輔助輸出Us，該工作單元32係由使用者直接施力操作，該工作單元32係可以由該主動輸出Um及該輔助輸出Us之合力帶動運轉，該工作單元32運轉形成一工作狀態WU，該工作狀態WU較佳是可以被偵測及數據化之物理量，如：位移速度、轉速、張力、加速度等，用以描述該工作單元32所進行的動作。
該虛擬模組4係包含一動力模型41及一工作模型42，該動力模型41分別耦合連接該運算單元21及該偵錯單元22，該動力模型41接收並依據該驅動訊號D產生一模擬輸出Vs，該工作模型42係可以依據該模擬輸出Vs形成一模擬狀態Wv，該模擬狀態Wv係與該工作狀態WU為相同之物理量，惟，該工作狀態WU係由實際測量所得，而該模擬狀態Wv係分析運算之結果。
該補償單元5係由該工作模組3及該虛擬模組4接收一誤差值E，該誤差值E係由該工作狀態WU減去該模擬狀態Wv，該補償單元5可以是模型誤差補償器(Model Error Compensator,MEC)，該補償單元5係可 以依據該誤差值E模擬產生一回饋輸出Vm，該回饋輸出Vm係可以分別回饋至該虛擬模組4之該工作模型42，及該處理模組2之該偵錯單元22。
據由前述系統架構，該工作模型42係可以同時接收該回饋輸出Vm及該模擬輸出Vs，而形成修正後的模擬狀態Wv，使該模擬狀態Wv在逐次修正後趨近於該工作狀態WU，而降低該誤差值E，如此，當使用者以穩定之該主動輸出Um操作該工作單元32，且該感測單元1正常運作時，該補償單元5係可以產生與該主動輸出Um同步變化之該回饋輸出Vm；反之，當該感測單元1故障失效時，該補償單元5將產生劇烈變化之回饋輸出Vm。
請參照第1、2及3圖所示，該處理模組2之該偵錯單元22係可以對該回饋輸出Vm做時間的一階微分，並判斷該回饋輸出Vm之一階導數
Figure TWI676088B_D0003
之絕對值是否大於一故障閥值H，如第2圖所示，當該回饋輸出Vm穩定而不隨時間劇烈變化時，該一階導數
Figure TWI676088B_D0004
係趨近於零，則該一階導數
Figure TWI676088B_D0005
之絕對值不大於該故障閥值H，使該偵錯單元22判斷該感測單元1正常運作而不需採取備援流程；如第3圖所示，當該回饋輸出Vm發生瞬間變化時，該一階導數
Figure TWI676088B_D0006
係呈倍數增加，則該一階導數
Figure TWI676088B_D0007
之絕對值大於該故障閥值H，使該偵錯單元22判斷該感測單元1失效，係由該偵錯單元22產生該備援訊號R。另外，該驅動訊號D係依據該感測單元1之數據資料而產生，因此，該感測單元1失效後，該備援訊號R係可以取代該驅動訊號D，用以驅動該動力單元31持續產生該輔助輸出Us，以維持該工作單元32運作，且該動力模型41係可以依據該備援訊號R繼續產生該模擬輸出Vs。
請參照第4圖所示，該備援訊號R還可以依據一柔性切換程序，在一切換時間T之內逐步取代該驅動訊號D，係可以避免該備援訊號R直接導入該動力單元31，導致產生之該輔助輸出Us發生震盪而影響該工作單元32的穩定，該柔性切換程序如下：
Figure TWI676088B_D0008
 其中，Op係實際導入該動力單元31之備援輸出，t為取樣時間點，t=0係表示該偵錯單元22判斷失效的時間點，t=T係表示該備援訊號R完全取代該驅動訊號D之時間點。
綜上所述，本發明的動力輔助裝置之偵測失效備援系統，係藉由該工作模組提供動力以輔助使用者工作，再藉由該虛擬模組計算模擬該工作模組的運作狀態，係可以比較實際與虛擬狀態之差異，即時發現偵測失效，並以模擬計算出的備援訊號維持動力輔助裝置之運作，而不需要安裝額外的備用感測模組，係可以達到簡化安裝、降低設備成本及快速反應異常等功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種動力輔助裝置之偵測失效備援系統，包含：一感測單元，用以偵測一主動輸出，並產生該主動輸出之數據資料；一處理模組，具有一運算單元及一偵錯單元，該運算單元耦合連接該感測單元，該運算單元依據該數據資料產生一驅動訊號；一工作模組，具有一動力單元及一工作單元，該動力單元分別耦合連接該運算單元及該偵錯單元，該動力單元依據該驅動訊號產生一輔助輸出，該主動輸出與該輔助輸出之合力帶動該工作單元運轉形成一工作狀態；一虛擬模組，具有一動力模型及一工作模型，該動力模型分別耦合連接該運算單元及該偵錯單元，該動力模型依據該驅動訊號產生一模擬輸出，該工作模型依據該模擬輸出形成一模擬狀態，該工作狀態減去該模擬狀態係一誤差值；及一補償單元，分別耦合連接該偵錯單元、該工作模組及該虛擬模組，該補償單元依據該誤差值模擬產生一回饋輸出，該回饋輸出分別回饋至該工作模型及該偵錯單元，該工作模型依據該回饋輸出修正該模擬狀態，該偵錯單元判斷該回饋輸出之一階導數之絕對值是否大於一故障閥值，當判斷結果為是，該偵錯單元產生一備援訊號，該備援訊號用以取代該驅動訊號進入該動力單元及該動力模型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，其中，當該偵錯單元判斷該一階導數之絕對值不大於該故障閥值時，該動力單元及該動力模型依據該驅動訊號運轉。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，另包含一柔性切換程序，由該備援訊號在一切換時間之內逐步取代該驅動訊號該柔性切換程序如下：
    Figure TWI676088B_C0001
    其中，Op係實際導入該動力單元之備援輸出，R係該備援訊號，T為該切換時間，t為取樣時間點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，其中，該取樣時間點t=0係表示該偵錯單元判斷失效的時間點，該取樣時間點t=T係表示該備援訊號完全取代該驅動訊號之時間點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，其中，該補償單元為模型誤差補償器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，其中，該工作模型同時接收該回饋輸出及該模擬輸出，形成該模擬狀態趨近於該工作狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助裝置之偵測失效備援系統，其中，該一階導數係該回饋輸出對時間的一階微分。
TW108101208A 2019-01-11 2019-01-11 動力輔助裝置之偵測失效備援系統 TWI676088B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW108101208A TWI676088B (zh) 2019-01-11 2019-01-11 動力輔助裝置之偵測失效備援系統

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW108101208A TWI676088B (zh) 2019-01-11 2019-01-11 動力輔助裝置之偵測失效備援系統

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI676088B true TWI676088B (zh) 2019-11-01
TW202026782A TW202026782A (zh) 2020-07-16

Family

ID=69189075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108101208A TWI676088B (zh) 2019-01-11 2019-01-11 動力輔助裝置之偵測失效備援系統

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI676088B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201104452A (en) * 2009-03-31 2011-02-01 Tokyo Electron Ltd Method and system for detection of tool performance degradation and mismatch
CN103064283A (zh) * 2012-12-14 2013-04-24 北京工业大学 一种基于人体重心变化的自学习轮椅控制方法
CN104817016A (zh) * 2014-01-30 2015-08-05 马尼托沃克起重机集团（法国）公司 可调整辅助悬挂负荷运输的防摇摆控制方法
CN105223809A (zh) * 2015-07-10 2016-01-06 沈阳工业大学 H型平台的模糊神经网络补偿器的同步控制系统及方法
CN105263448A (zh) * 2013-05-31 2016-01-20 哈佛大学校长及研究员协会 用于辅助人体运动的软机器护甲
TW201727439A (zh) * 2015-10-30 2017-08-01 傲思丹度科技公司 用於身體手勢介面及投影顯示器之系統及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201104452A (en) * 2009-03-31 2011-02-01 Tokyo Electron Ltd Method and system for detection of tool performance degradation and mismatch
CN103064283A (zh) * 2012-12-14 2013-04-24 北京工业大学 一种基于人体重心变化的自学习轮椅控制方法
CN105263448A (zh) * 2013-05-31 2016-01-20 哈佛大学校长及研究员协会 用于辅助人体运动的软机器护甲
CN104817016A (zh) * 2014-01-30 2015-08-05 马尼托沃克起重机集团（法国）公司 可调整辅助悬挂负荷运输的防摇摆控制方法
CN105223809A (zh) * 2015-07-10 2016-01-06 沈阳工业大学 H型平台的模糊神经网络补偿器的同步控制系统及方法
TW201727439A (zh) * 2015-10-30 2017-08-01 傲思丹度科技公司 用於身體手勢介面及投影顯示器之系統及方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW202026782A (zh) 2020-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7446496B2 (en) Abnormality detection system of mobile robot
TWI621004B (zh) Robot system monitoring device
US7348746B2 (en) Abnormality detection system of mobile robot
JP5586163B2 (ja) ロボット及びその制御方法
JP2012218094A (ja) ロボットの異常検出機能を有するロボットシステム及びその制御方法
JP2011183923A (ja) 電動パワーステアリング制御装置及び電動パワーステアリングシステム
CN114161481B (zh) 安全系统、关节组件及机器人
KR101329853B1 (ko) 머니퓰레이터 충돌 감지 장치와 이를 이용한 머니퓰레이터 제어 장치 및 제어 방법
JP2009040225A (ja) 電動パワーステアリング装置
TWI676088B (zh) 動力輔助裝置之偵測失效備援系統
Ranasinghe et al. Smart hoist: An assistive robot to aid carers
Vijayakumar et al. Sensors based automated wheelchair
JP3685649B2 (ja) 電動パワーステアリング制御装置
JPH07136957A (ja) インタフェイス装置
WO2022123618A1 (ja) 情報処理装置、システム、情報処理方法およびプログラム
JP4577607B2 (ja) ロボットの制御装置およびロボットシステム
JPH06329042A (ja) 後輪操舵装置
JP2006116635A5 (zh)
JP2015182622A (ja) 転舵制御装置
Zhang et al. Dynamic risk assessment and active response strategy of human-robot collaboration based on fuzzy comprehensive evaluation
WO2020250789A1 (ja) 直接教示装置及び直接教示方法
WO2022123617A1 (ja) 情報処理装置、情報処理方法およびプログラム
JP7140140B2 (ja) センサ装置及びセンシング方法
CN116276972A (zh) 机器人的安全保护方法、系统以及计算机可读存储介质
JP2008105109A (ja) 駆動制御装置、ロボットコントローラおよび自律移動装置

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees