TWI702977B - 行走復健機器人系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種行走復健機器人系統，可以供使用者穿戴。行走復健機器人系統包含二機器足，任一機器足先藉由使用者移動產生複數移動偵測訊號，以使另一機器足學習移動，一控制裝置電性連接每一機器足，控制裝置接收先移動的機器足所傳輸之移動偵測訊號，以計算出第一移動軌跡，並根據第一移動軌跡及移動偵測訊號計算出另一機器足之各軸馬達力矩，以控制機器足產生與第一移動軌跡對稱之第二移動軌跡。本發明主要是針對半側身癱瘓或行動不便之使用者所設計，使用者利用一半側身正常的移動，以使另一隻機器足即時帶動復健的部位移動。

Description

行走復健機器人系統
本發明係關於一種機器人系統，特別係關於醫療復健體中，藉由學習方式產生的一種行走復健機器人系統。
根據世界衛生組織(WHO)的資料顯示，自1990年以來，中風這項疾病為已開發國家的前三大死因。現今，在台灣每年約有一萬七千人會因為中風導致日常生活失能，是成人殘障的第一要因。罹患中風後的病患，許多人會引起身體左右某一側的運動麻痺，例如當右側腦半球發生腦溢血時，左半側身則引起感覺麻痺，變成肌肉無法依照自身意志活動，這種運動麻痺稱之為單邊麻痺，由於運動麻痺是腦中的神經已經斷裂，因此百分之八十的中風患者會出現皮膚觸覺或肌肉方面的運動變得遲鈍。
除此之外，隨著車禍等意外事故日益增加，這些車禍傷害都有可能導致傷者單邊殘疾，進而使其行動力下降並減少身體活動力，使得傷者的身體及精神狀況慢慢變差，後續依賴輪椅容易造成骨質疏鬆、關節攣縮等，陷入惡性循環，並讓各種疾病發生的機率上升。
在這些情況下，病患本身與照顧親屬的生活品質皆會受到影響，導致社會及政府需要消耗非常多的醫療、人力資源因應各種疾病之治療與提升病患的生活品質。因此，如何利用科技輔助行動力下降的病患，增加活動量並能在人體與機械合作中達成復健的效果，並進而達到運動保健的目的，是一項有前瞻性的目標。
許多的先前技術，曾提出人體的外骨骼架構，可以輔助病患產生腿部移動，只是此一設計是針對機器的移動，並未了解是否符合使用者步態或是否為使用者的習慣動作。或是有些技術可以針對使用者進行調整，可是因為不同使用者產生不同的狀態，需要長時間的調整，或是無法偵測使用者的意圖，導致無法得知使用者復健狀況。另外，也有些可以推估使用者移動意圖的前案，又因為系統龐大，容易造成使用者移動負擔。
因此，本發明提出一種行走復健機器人系統，可以即時針對使用者的正常半側邊移動進行分析，並帶動不正常半側身的移動，並使得兩邊的移動得以協調。
本發明的主要目的係在提供一種行走復健機器人系統，主要是針對半側身癱瘓或行動不便者，例如中風引起，提供一種下肢外骨骼機器人協助使用者進行醫療復健，並且利用分析正常步伐，對於使用者不方便行走之一側提供步伐對稱性，藉此提升並控制復健時的成效指標。
本發明的另一目的係在提供一種行走復健機器人系統，可以將此一系統提供至各地的醫療中心或復健診所，以降低護理人力資源或是職業傷害，以使醫療資源可以有效提升病患的治療結果或是復健成效。
為了達成上述的目的，本發明提供一種行走復健機器人系統，可供使用者穿戴，行走復健機器人控制系統包含二機器足，任一機器足先藉由移動，產生複數移動偵測訊號，以使另一機器足學習移動，一控制裝置電性連接每一機器足，控制裝置接收先移動的機器足所傳輸之移動偵測訊號，藉此計算出第一移動軌跡，並根據第一移動軌跡及偵測訊號計算出另一機器足之各軸馬達力矩，控制機器足產生與第一移動軌跡對稱之第二移動軌跡。
在本發明中，每一機器足還包含有一第一軸桿裝置電性連接控制裝置，第一軸桿裝置移動時會傳輸第一力量訊號至控制裝置；一第一轉動裝置設置在第一軸桿裝置一端，並電性連接控制裝置，藉由使用者動作轉動，產生第一轉動訊號傳輸至控制裝置；或是第一轉動裝置經由控制裝置控制進行轉動，當第一轉動裝置轉動同時帶動第一軸桿裝置移動。一第二轉動裝置設置在第一軸桿裝置另一端，並電性連接控制裝置，藉由使用者的動作進行轉動，並產生第二轉動訊號傳輸至控制裝置，或是第二轉動裝置經由控制裝置控制進行轉動；一第二軸桿裝置一端設有該第二轉動裝置，並電性連接控制裝置，第二軸桿裝置藉由第二轉動裝置進行移動時，會產生第二力量訊號至控制裝置。一底部承載裝置設置在第二軸桿裝置的另一端，並電性連接控制裝置，底部承載裝置用於承載使用者腳底，當使用者移動任一腳底，底部承載裝置傳送壓力感測訊號至控制裝置，以使控制裝置得知底部承載裝置的移動。控制裝置並藉由第一力量訊號、第二力量訊號、第一轉動訊號、第二轉動訊號及壓力訊號之變化，計算出第一移動軌跡。
在本發明中，第一軸桿裝置包含有一第一力感應器，可藉由電阻值變化偵測第一軸桿裝置移動時的第一力量訊號。第二軸桿裝置也包含有一第二力感應器，可藉由電阻值變化偵測第二軸桿裝置移動時的第二力量訊號。
在本發明中，底部承載裝置包含有複數壓力感測器，可偵測使用者腳底不同位置的施力大小，以得知壓力訊號，並藉由壓力訊號變化得知底部承載裝置的移動，並計算腳底之壓力中心點。
在本發明中，控制裝置係為電腦、馬達驅動器、微控制器及電源供應器之組成。
在本發明中，還包含有一腰帶組，可以環設在使用者腰部位置，腰帶組可承載控制裝置及連接二機器足。
在本發明中，二機器足各自包含有一重力補償器電性連接控制器，可以補償機器足移動時的重力影響。
在本發明中，第一移動軌跡計算出第二移動軌跡所需之馬達力矩係利用逆向強化學習方法結合增強式學習方法計算。
在本發明中，控制裝置利用逆向強化學習方法分析第一移動軌跡中的平移量、旋轉量及作用力，再利用增強式學習方法對應平移量、旋轉量及作用力取得最佳動作輸入，以使控制裝置計算出第二移動軌跡所需之馬達力矩。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
對於半側身身體不適或半側身癱瘓的使用者而言，自身意圖會與身體復健活動間有相關聯性，並且對於康復會有極大的影響，因此，本發明利用計算半側身正常的步伐，控制行動不便的另一半側身，並給予對稱性的協調步伐，以提高使用者復健成效。
首先，請參照本發明第一圖及第二圖所示，一種行走復健機器人系統10，包含二機器足12a、12b及一控制裝置14，控制裝置14電性連接二機器足12a、12b，本實施例中的控制裝置14係可為電腦、馬達驅動器、微控制器及電源供應器之組成，在本實施例中還包含有一腰帶組16，利用此一腰帶組16環設在使用者的腰部位置，腰帶組16可以承載控制裝置14及連接二機器足12a、12b，使得控制裝置14可以位在使用者的背部。
承接上段，每一機器足12a、12b還包含有一第一軸桿裝置121、一第一轉動裝置122、一第二軸桿裝置123、一第二轉動裝置124、一底部承載裝置125及一重力補償器126，在本實施例中第一轉動裝置122及第二轉動裝置124係可為轉動馬達。控制裝置14電性連接第一軸桿裝置121、第一轉動裝置122、第二軸桿裝置123、第二轉動裝置124、底部承載裝置125及重力補償器126，第一轉動裝置122設置於第一軸桿裝置121的一端，第二轉動裝置124則設置在第一軸桿裝置121的另一端，至於第二轉動裝置124還可連接第二軸桿裝置123的一端，底部承載裝置125則設置於第二軸桿裝置123的另一端。接著，請同時參照本發明第三圖所示，底部承載裝置125包含有複數壓力感測器129，本發明不限制底部承載裝置125的外觀，也可以做為一般鞋子的設計，主要是在底部承載裝置125的底部設有複數壓力感測器129，也不限制重力補償器126應該設在何處，主要揭露重力補償器126與控制裝置14具有電性連接關係。
接著說明使用者穿戴行走復健機器人系統的作動方法，並請續參本發明第一圖及第二圖所示，腰帶組16上還可以設置伸縮元件162，可以依照使用者的腰圍進行調整，以方便使用者穿戴。第一軸桿裝置121及第二軸桿裝置123可以是伸縮的，以使第一轉動裝置122能夠調整到使用者髖關節高度的位置，及第二轉動裝置124也能夠調整到使用者膝關節高度的位置，在穿戴上，可以在第一軸桿裝置121及第二軸桿裝置123上設置有束帶或是魔鬼氈的固定元件(圖中未示)，以將使用者的腿部與第一軸桿裝置121及第二軸桿裝置123相固定。
請參照本發明第四圖所示，並請續參第二圖，當具有半側身行動不便的使用者穿戴本發明的行走復健機器人系統10後，利用自身可以移動的腳帶動一機器足12a移動，使得機器足12a先移動，並使機器足12a產生複數移動偵測訊號，例如，當使用者於提起正常的腳時，腳底會逐漸脫離底部承載裝置125，也會與其上的壓力感測器129逐漸分離，此時壓力感測器129可以偵測出使用者腳底的壓力變化，主要是利用分壓原理透過電阻值的變化以得到壓力量，當壓力越大的時候所輸出的電壓值也會越大，本發明可藉由公式(1)以得知壓力中心點變化：
Figure 02_image001
(1) 其中公式(1)的參數CoP是壓力感測器129的壓力中心點(Center of Pressure, CoP)，參數N係為壓力感測器129的數量，參數m係為每一壓力感測器129所取得的電壓值，參數x係為壓力感測器129黏貼相對於底部承載裝置125尾端(使用者的腳根位置)的距離，壓力感測器129再將上述的壓力訊號，例如公式(1)中的各參數變化量傳輸至控制裝置14中，利用控制裝置14進行計算，以取得腳底的壓力中心點；同時，使用者腳底抬起時，會逐漸彎曲膝蓋，並帶動第二轉動裝置124轉動，第二轉動裝置124係利用NI CAN BUS以與控制裝置14進行資訊傳送，以產生第二轉動訊號以傳輸至控制裝置14，第二轉動訊號例如使馬達角度、角速度或電流等資訊，此時第二軸桿裝置123會因為第二轉動裝置124的轉動進行移動，第二軸桿裝置123並因此產生第二力量訊號，例如第二軸桿裝置123上可以設有一第二力感應器(Force Sensor)127，其設置在第二軸桿裝置123上並位於第二轉動裝置124下方，藉此形成惠斯頓電橋，第二力感應器127中的獨立電阻值約為350歐姆，本發明不以此為限制，第二軸桿裝置123藉由移動會使第二力感應器127產生電阻值變化，例如電阻值會隨著力量越大而變小，以藉此得知第二力量訊號，第二軸桿裝置123再將第二力量訊號傳輸至控制裝置14中；使用者移動時，除了腳底要抬起及膝關節的變化外，還有髖關節的變化，以使大腿進行移動，此時會使第一轉動裝置122依照使用者動作進行轉動，第一轉動裝置122亦係利用NI CAN BUS以與控制裝置14進行資訊傳送，並產生一第一轉動訊號以傳輸至控制裝置14，當第一轉動裝置122轉動時會帶動第一軸桿裝置121移動，第一軸桿裝置121上也可以設有一第一力感應器128，其設置在第一軸桿裝置121上並位於第一轉動裝置122下方，作動原理同上述的第二力感應器127，當第一軸桿裝置121移動時會使第一力感應器128產生電阻值的變化，並得知第一力量訊號，第一軸桿裝置121再將第一力量訊號傳輸至控制裝置14中。當使用者利用正常半側身的下肢進行移動時，重力補償器126會即時將機器足12a移動時所產生的重力補償，以使使用者在移動正常半側身下肢時，不會感受機器足12a的重量，使得使用者移動時所產生的移動偵測訊號與平時正常走路時相同。本發明不限制先移動的機器足12a、12b，主要依照使用者可移動的半側身下肢為主，帶動任一機器足12a、12b移動，控制裝置14就可以學習使用者的腳步，控制另一機器足12a、12b進行移動。
當使用者的正常腳從靜止到移動，跨出一步後停止，以到靜止狀態後，控制裝置14會得到如壓力訊號、第一轉動訊號、第一力量訊號、第二轉動訊號及第二力量訊號等移動偵測訊號的變化量，並計算出第一移動軌跡，例如本發明係藉由公式(2)及公式(3)使用者可移動的半側身之髖關節及膝關節的動態方程式，公式(2)及公式(3)如下所示：
Figure 02_image003
(2)
Figure 02_image005
(3) 其中，使用者大腿、小腿末端質點的質量分別為m1、m2，使用者的腿長(小腿及大腿)係為L2、L3，參數g係為重力加速度值，參數θ2及θ3分別為髖關節及膝關節的轉動角座標，接著再加入公式(4)帶入不同的變數(Xi)，例如角度、角速度、角加速度得到公式(5)，並可以用變數項表示成公式(6)，公式(4)、公式(5)及公式(6)如下所示：
Figure 02_image007
(4)
Figure 02_image009
(5)
Figure 02_image011
= [1
Figure 02_image013
Figure 02_image015
Figure 02_image017
Figure 02_image019
-
Figure 02_image021
-
Figure 02_image023
Figure 02_image025
Figure 02_image027
Figure 02_image029
Sign(
Figure 02_image031
)] (6) 其中參數Text 係為使用者施加的外力矩，參數Tm 係為第一、第二轉動裝置的轉動力矩，參數DD 係為阻尼係數，參數f係為第一轉動裝置122、第二轉動裝置124轉動時的磨擦力矩。如此，提供輔助力矩前希望外骨骼本身能補償重力，所以在算重力補償時先不考慮使用者施加的外力，只有馬達給予的轉動力矩，因此令使用者所施的外力矩Text 為0。 控制裝置14可依據第一移動軌跡及移動偵測訊號計算出另一機器足的馬達力矩，例如機器足12a動作則計算機器足12b之各軸馬達力矩，並可以控制另一機器足12b產生與第一移動軌跡對稱之第二移動軌跡，並依照第二移動軌跡移動，以產生對應的轉動角度、施力等，控制裝置14會控制機器足12b的第一轉動裝置122轉動並同時帶動第一軸桿裝置121移動，以及控制第二轉動裝置124轉動並帶動第二軸桿裝置123移動。同時，藉由機器足12b的移動，帶動使用者無法正常活動或癱瘓的半側身下肢，進行與正常半側身下肢的協調性移動。
當控制裝置接收到腳底壓力訊號、第一轉動訊號、第一力量訊號、第二轉動訊號及第二力量訊號等移動偵測訊號的變化量以計算出第一移動軌跡後，也就是推敲出使用者正常半側身下肢的行走模式，接著計算另一機器足之各軸馬達力矩，控制機器足產生與第一移動軌跡對稱之第二移動軌跡。第二移動軌跡則係利用逆向強化學習(Inverse Reinforcement Learning，IRL)方法結合增強式學習(Q-learning)方法，根據第一移動軌跡及移動偵測訊號產生對應之第二移動軌跡，例如控制裝置利用逆向強化學習方法分析第一移動軌跡中的平移量、旋轉量等轉動角度及施力所產生的作用力，接著利用增強式學習方法對應這些平移量、旋轉量及作用力取得最佳動作輸入，以使控制裝置計算出第二移動軌跡所需之馬達力矩。
本發明之演算法主要分為逆向強化學習方法及增強式學習方法兩個區塊，分別是學習使用者習慣和執行預期決策的輔助力矩，透過學習到的行為讓使用者不方便移動的半側身可以實現步行期望的動作，而逆向強化學習方法廣義指學習專家示範偏好來描述觀察到的行為，可利用使用者的健康半側腿部之施力及姿態作為輸入狀態，首先定義狀態和狀態間執行動作，例如施力後的流動情形，並將得到的資訊數據分成複數個狀態，經過步伐軌跡示範得到獎懲函數表示的行為習慣，在不同狀態下依據獎懲值判斷下一歩的決策動作，讓使用者癱瘓之半側腿部可以得到適合的輔助力矩，並將此力矩轉換至馬達輸出電流，以控制使用者癱瘓之半側腿部所倚靠的機器足移動。
本發明依據多位身高體重皆不相同的使用者，利用這些使用者的穿戴測試，進行一隻腳帶動另一隻腳的模擬實驗，進而得知本發明進行復健時，正常腳提供移動偵測訊號，以使另一隻機器足帶動另一隻腳所產生的相似度，可以達到百分之八十以上，未來足夠能讓半側身行動不便、中風或癱瘓的使用者得到有效的復健結果。請參照本發明第五圖、第六圖及第七a圖~第七f圖所示，第五圖係使用者髖關節移動時，第一轉動裝置因此對應移動所產生的訊號變化示意圖，第六圖係使用者膝關節移動時，第二轉動裝置因此對應移動所產生的訊號變化示意圖，第七a圖~第七f圖係使用者移動踝關節時，第七a圖代表上述第五圖及第六圖中(a)的部分、第七b圖代表上述第五圖及第六圖中(b) 的部分、第七c圖代表上述第五圖及第六圖中(c) 的部分、第七d圖代表上述第五圖及第六圖中(d) 的部分、第七e圖代表上述第五圖及第六圖中(e) 的部分、第七f圖代表上述第五圖及第六圖中(f) 的部分，底部承載裝置所產生的訊號變化示意圖，當使用者腳離地抬起時值為0，移動期間關節角度隨使用者姿態變化，當使用者一隻腳往前跨步，另一隻腳往後支撐時，所得到兩個髖關節角度的正、負號相同，而膝關節在動作相同的情況下，編碼器得到角度的正、負號也相反，每一圖中的(a)、(b)、(c)是健康半側身的移動軌跡，(d)、(e)、(f)則是癱瘓半側身的移動軌跡，可以發現每個循環癱瘓半側身的(e)跟(f)輔助力會跟隨健康半側身所踏出的步伐(b)及(c)的施力狀態近似，而(a)跟(d)所表示的是站立時的移動軌跡，同樣髖關節在的輔助力矩跟隨上一歩施力量，且在不同姿態時會更新目前的施力決策來改變輔助力矩的大小，當使用者癱瘓半側身奮力堅持在某個角度時會持續提供此輔助扭力，當膝關節站立支撐時，顯示角度在(d)時和前一歩站立(a)時角度相近(可以設定容許偏差±10°)，以藉此支撐身體重量。
本發明經由實驗可證明，即便用在不同身高體重的使用者上，仍然可以帶有對稱的移動步伐，提高使用者的復健成效，並且也適用在各種復健中心或診所中，不再需要多餘人力扶持復健病患，可以減省護理人力資源，並減少職業傷害。
以上所述之實施例，僅係為說明本發明之技術思想及特點，目的在使熟習此項技藝之人士足以瞭解本發明之內容，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。
10:行走復健機器人系統12a、12b:機器足121:第一軸桿裝置122:第一轉動裝置123:第二軸桿裝置124:第二轉動裝置125:底部承載裝置126:重力補償器127:第二力感應器128:第一力感應器129:壓力感測器14:控制裝置16:腰帶組162:伸縮元件
第一圖為本發明的立體示意圖。 第二圖為本發明的方塊示意圖。 第三圖為本發明中底部承載裝置及壓力感測器的示意圖。 第四圖為本發明作動時的示意圖。 第五圖為本發明中使用者移動髖關節時第一轉動裝置所產生的訊號示意圖。 第六圖為本發明中使用者移動膝關節時第二轉動裝置所產生的訊號示意圖。 第七a圖~第七f圖為本發明中使用者移動踝關節時底部承載裝置所產生的訊號示意圖。
10:行走復健機器人系統
12a、12b:機器足
121:第一軸桿裝置
122:第一轉動裝置
123:第二軸桿裝置
124:第二轉動裝置
125:底部承載裝置
127:第二力感應器
128:第一力感應器
14:控制裝置
16:腰帶組
162:伸縮元件

Claims (9)

  1. 一種行走復健機器人系統，其係可供使用者穿戴，該行走復健機器人系統包含：二機器足，任一該機器足係先藉由移動，以產生複數移動偵測訊號，以使另一該機器足學習移動；以及一控制裝置，其係電性連接每一該機器足，該控制裝置係接收先移動之該機器足所傳輸之該等移動偵測訊號，以計算出第一移動軌跡，並根據該第一移動軌跡及該等移動偵測訊號計算出另一該機器足之各軸馬達力矩，以控制另一該機器足產生與該第一移動軌跡對稱之第二移動軌跡；其中，每一該機器足更包含：一第一軸桿裝置，其係電性連接該控制裝置，該第一軸桿裝置移動時會傳輸第一力量訊號至該控制裝置；一第一轉動裝置，其係設置於該第一軸桿裝置之一端，並電性連接該控制裝置，藉由該使用者的動作進行轉動，並產生第一轉動訊號以傳輸至該控制裝置，或是該第一轉動裝置可經由該控制裝置的控制進行轉動，當該第一轉動裝置轉動會同時帶動該第一軸桿裝置移動；一第二轉動裝置，其係設置於該第一軸桿裝置之另一端，並電性連接該控制裝置，藉由該使用者的動作進行轉動，並產生第二轉動訊號以傳輸至該控制裝置，或是該第二轉動裝置可經由該控制裝置的控制進行轉動；一第二軸桿裝置，其一端設置有該第二轉動裝置，並電性連接該控制裝置，該第二軸桿裝置藉由該第二轉動裝置的轉動進行移 動時，會產生第二力量訊號至該控制裝置；及一底部承載裝置，其係設置於該第二軸桿裝置的另一端，並電性連接該控制裝置，該底部承載裝置係用於承載該使用者的腳底，當該使用者移動任一該腳底，該底部承載裝置傳送壓力感測訊號至該控制裝置，以使該控制裝置得知該底部承載裝置的移動，該控制裝置並藉由該第一力量訊號、該第二力量訊號、該第一轉動訊號、該第二轉動訊號及該壓力訊號之變化，以計算出該第一移動軌跡。
  2. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，其中該第一軸桿裝置更包含一第一力感應器，其係可藉由電阻值變化，以偵測該第一軸桿裝置移動時的該第一力量訊號。
  3. 如請求項2所述之行走復健機器人系統，其中該第二軸桿裝置更包含一第二力感應器，其係可藉由電阻值變化，以偵測該第二軸桿裝置移動時的該第二力量訊號。
  4. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，其中該底部承載裝置更包含複數壓力感測器，其係可偵測該使用者之該腳底不同位置的施力大小，以得知該壓力訊號，並藉由該壓力訊號的變化得知該底部承載裝置的移動，並計算該腳底之壓力中心點。
  5. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，其中該控制裝置係為電腦、馬達驅動器、微控制器及電源供應器之組成。
  6. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，更包含一腰帶組，其係可環設在該使用者的腰部位置，該腰帶組可承載該控制裝置及連接該二機器足。
  7. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，其中該二機器足各自更包含 一重力補償器，其係電性連接該控制裝置，該重力補償器可補償該機器足移動時的重力影響。
  8. 如請求項1所述之行走復健機器人系統，其中該第一移動軌跡及該等移動偵測訊號計算出對應該第一移動軌跡之該第二移動軌跡係利用逆向強化學習(Inverse Reinforcement Learning，IRL)方法結合增強式學習(Q-learning)方法計算。
  9. 如請求項8所述之行走復健機器人系統，其中該控制裝置係利用該逆向強化學習方法分析該第一移動軌跡中的平移量、旋轉量及作用力，再利用該增強式學習方法對應該平移量、該旋轉量及該作用力取得最佳動作輸入，以使該控制裝置計算出該第二移動軌跡所需之該馬達力矩，以控制另一該機器足產生與該第一移動軌跡對稱之該第二移動軌跡。
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