TWI839140B - 隨動式多功能地面步行復健裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種隨動式多功能地面步行復健裝置，其包含：一載具本體，其係於中間處形成一活動空間，並設置有一動態減重系統；動態減重系統係用以支撐患者之身體，以提升下肢運動能力與身體的平衡功能，並可透過運動意圖辨識系統以辨識患者之步態意圖，進而於跟隨患者之步態時，對應感測其運動行為，使控制系統可依據患者之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測患者步態意圖以回饋補償動態減重系統之升降裝置及驅動裝置之驅動量，進而可實現患者站立及行走復健過程之輔助支撐或主動式之帶動；此外，本發明係可整合基於有限時間收斂之擴張狀態觀測器（Finite-time Extended State Observer, FESO）及自調整代理滑模控制（Proxy-based Self-tuning Sliding Mode Control, PSSMC）與自適應參數整技術，以透過FESO-PSSMC耦合並實現對於患者協同運動的精確控制策略，並可確實降低人體運動意圖感知之時間延遲；並可透過投影步態引導系統將訓練軌跡進行之投影，以利引導患者進行正確之步態；同時，本發明係可透過骨盆輔助調整系統或下肢外骨骼裝置之設置，使輔助進行患者下肢步態之整合及輔助引導，藉以令本發明可隨動於患者進行步態訓練，並具有可操作性、有效性、協調控制的安全性及穩定性之功效者。

Description

隨動式多功能地面步行復健裝置

本發明係提供一種隨動式多功能地面步行復健裝置，尤指一種可支撐，以提升其下肢與身體之平衡，並可據以辨識患者之步態意圖，進而可被動或主動式回饋，以輔助患者進行下肢之復健者。

按，人體在神經系統控制下各個系統協調配合相互聯繫，從而實現各種複雜的生命活動，行走是人類最基本的活動方式，也是保證獨立自主生活的必備條件；步行為神經及運動系統共同作用下達到的協調自主活動，需具備負重、邁步及平衡三個條件，當神經或運動系統出現問題會導致行走障礙甚至失去步行能力而影響正常生活；根據國際知名期刊Lancet Neurology的研究指出，中風是全球人類的第二大死因也是導致殘疾的主要因素，中風發病率隨年齡增長而升高其風險在55歲後增加一倍，終身的發生率高達六分之一；而我國因工時較長，過去幾年排名皆在全球前5名，過勞讓45歲以下的『年輕型中風』比例攀升至總中風人數的10％左右，依據衛福部統計國內每年約有一萬七千人因中風導致生活失能，平均每44分鐘就有一人死於中風，多數倖存者也都留有癱瘓、偏癱、運動控制能力降低、平衡功能下降、關節僵直及步行能力受限等後遺症，嚴重影響患者的日常生活；此外，我國將於2025年進入了超高齡社會，由神經損傷引起的老年運動障礙問題也將日益嚴重，上述問題都會給家庭和社會帶來巨大的經濟負擔與壓力。

而依據臨床數據顯示，下肢功能弱化及中風導致的肢體功能障礙患者，透過早期步行訓練可恢復其行走能力，但對偏癱等運動功能受損患者進行獨立行走訓練是非常困難的；其中，身體減重（body weight support, BWS）復健訓練系統可有效改善患者運動功能、下肢平衡及日常生活能力，提高患者的生活品質；其能夠為患者提供安全感，消除患者在步行訓練時的緊張和恐懼感，目前市面上已投入使用的BWS系統通常是搭配跑步機與下肢外骨骼的固定式步態復健系統，該類系統是基於力量的閉迴路控制達到主動BWS的目的；惟此，現有之BWS系統，其體積龐大無法以自然行走方式進行地面步態訓練（例如：起步，轉彎，停下，避障），僅能基於跑步機的相對運動進行重複的步態運動。

因此，持續觸發患者載具本體感覺神經的可塑性和潛能恢復的成效無法有效提昇，移動式下肢復健機器人可以解决上述問題，該類系統能幫助患者以自然行走方式讓BWS及載具隨患者移動，進行隨動式的地面行走復健訓練，但該類系統沒有下肢外骨骼及骨盆輔助調整功能，無法適用於不同復健階段的患者；

而研究顯示，軀幹與骨盆控制能力是身體平衡及步行能力的綜合表現，骨盆及周圍肌群屬於人體核心部位可以為肢體動作提供支持，確保上下軀幹傳導動作的發揮；因此，軀幹和骨盆的穩定與否與下肢協調運動和步行穩定息息相關，中風造成的神經損傷會影響患者的感覺整合與運動能力，進而降低骨盆及周圍肌群的運動回饋，導致患者身體的穩定性及協調能力喪失，無法維持步行過程的正常姿勢與身體重心；傳統人工復健方式是改善神經與下肢功能障礙的常用方法之一，即透過指導患者進行平衡和步態訓練避免代償姿勢產生，可以為患者提供正確的協調與平衡感覺輸入，進而糾正患者下肢的錯誤運動模式，但是這種方式需要多名治療師及依賴其臨床經驗，而且存在訓練效率低、體力負擔大、人工成本高及訓練效果不一致的問題。

此外，臨床訓練常因注重下肢運動功能的訓練而忽略骨盆的訓練，從而導致患者復健後步態的改善成效不彰；由於人體步行過程是由骨盆連接上下軀幹，在協調人體運動中具有非常重要的作用，且會影響人體重心的平衡與協調；但目前國內外研發的步行復健機器人在結構上多以外骨骼為主，在步態上大多關注於患者的關節軌跡追蹤控制，而對骨盆的關注較少；在復健策略上缺少大腦重塑的針對性干預；在控制策略與方法上，忽略運動速度的重要性及存在無法同時兼具安全柔順與追蹤性能的問題。

是以，研發符合人體運動規律、具備骨盆輔助調整及促進大腦重塑的地面步行復健機器人，對提高骨盆控制能力及下肢運動功能恢復有著很大的促進作用，且對填補國內地面步行復健機器人的不足，解决國內老齡化所帶來的問題具有重要意義。國內老人照護與復健中心越來越多，但其所配置的簡易設備多數都達不到復健訓練的要求，而且治療師的聘僱成本也逐漸增加，導致老人和肢體損傷患者得不到有效的復健訓練；故急需功能完整及模式多元的先進系統替代傳統的復健訓練設備。

儘管目前世界各國都已開發出各種不同的移動式步行復健機器人，但是在功能完整性、人機協調性、患者運動意圖辨識、控制器需具備的安全與追蹤性能等方面也還達不到實際應用的要求，同時地面步行復健訓練機器人應用在臨床復健尚需進行深入研究與探索；因此，結合隨動載具、骨盆輔助調整、動態減重、運動意圖辨識及投影步態引導等功能，開發一種可幫助患者恢復行走能力的隨動式多功能步行復健訓練機器人，對不同復健階段患者皆能實現行走的全功能訓練，既可使肢體損傷患者恢復肌肉功能，又可刺激老人的大腦神經運動中樞及神經感知系統，恢復其行走功能與自理能力，對減輕家庭與社會負擔具有重要的意義。

而現有之步態訓練機器人，經醫院復健部醫師、治療師、護理師與患者的回饋意見顯示，該雖可解決基於跑步機的固定式步態訓練機器人與直立行走型下肢外骨骼的部分問題與不足，但其結構不利於治療師對患者下肢姿態的觀察及存在阻擋患者前方與下方視線的問題，而且患者穿戴減重吊帶不便，若吊帶位置太低易導致患者重心不穩，無法完全保證患者行走復健過程的絕對安全，更重要的是該系統無骨盆輔助調整結構，對於站立平衡能力較低的患者並不適用；此外，現有之步態訓練機器人之系統缺乏人體運動意圖辨識功能，無法將骨盆運動控制、平衡調整與動態減重步行訓練結合在一起，因此也存在人機耦合運動的不協調問題；另一方面，實際走訪各級醫院復健科訪談醫師、治療師及護理師後發現，目前對中風偏癱與行走功能障礙患者，醫院及復健機構主要還是以單雙槓、站立平衡床及電動腳踏車等簡單設備的訓練為主；單雙槓訓練是透過治療師攙扶與單雙槓輔助患者保持平衡對步態進行糾正，但一對一訓練對治療師的勞動強度大，且會有攙扶姿勢不利於治療師對患者下肢姿態的觀察問題；站立平衡床可進行站立鍛鍊刺激下肢肌肉能力恢復，但因無法進行地面行走的復健訓練，主要用於復健初期下肢力量不足無法站立的情況；電動踏車主要透過往復運動對肌肉進行刺激，但仍然無法讓患者擁有真正的行走體驗；因此，中風偏癱與下肢行走功能障礙患者對不同復健階段的多元訓練需求，並解決目前多數醫院復健訓練設備簡單、治療師與患者配比不足及前述下肢復健訓練機器人目前存在的關鍵問題，惟現行亟待解決之重要問題。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究隨動式之步行復健，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種隨動式多功能地面步行復健裝置，其包含：一載具本體，其係於中間處形成一活動空間，並於兩側分別設有一立架；所述立架分別有一動態減重系統；所述動態減重系統分別設置有一升降裝置，其係升降驅動一略呈水平設置之懸臂，所述懸臂分別配置有一驅動裝置，該驅動裝置係朝該載具本體之前後方向對應驅動一滑移部件，所述滑移部件配置有一荷重感測單元；且所述滑移部件係用以懸吊一承載部件；至少一運動意圖辨識系統，其係配置於所述驅動裝置，並對應偵測所述滑移部件之移動位置；以及一控制系統，其係對應連結於所述升降裝置、所述驅動裝置、所述荷重感測單元及所述運動意圖辨識系統，並依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，並據以回饋補償所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一骨盆輔助調整系統，其係對應設置於該載具本體之該活動空間處，並對應連結於該控制系統，該骨盆輔助調整系統係設有一座體，並於一端配置有一第一驅動機構，該第一驅動機構係對應連結並沿一水平之軸向旋轉傳動一旋動座，該旋動座設有一第二驅動機構，該第二驅動機構係沿一垂直於地面之方向對應連結並旋轉傳動一承接座；該承接座設有一承接桿，該承接桿之兩側分別樞設有一傳動臂及一搖臂，所述搖臂相對於該承接桿一端樞設有一旋動臂，且所述旋動臂係樞接於其對應側之所述傳動臂；所述傳動臂配置有一微動調節裝置，且該微動調節裝置係前後傳動設置一驅動座，而所述驅動座於其相對應之方向處設置有一調接部件；該承接桿配置有一第三驅動機構，其係對應傳動於所述旋動臂，以令所述傳動臂沿水平面之方向開合傳動者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該座體更設有一驅動模組，其係對應升降驅動一升降座，且該第一驅動機構係對應配置於該升降座者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體於其前端處更分別配置有至少一支撐部件，且所述支撐部件頂端分別設有一扶持部件，而至少其一所述扶持部件係設有一操作單元，其係對應連接於該控制系統，該操作單元係用以傳輸一停止命令予該控制系統，令該控制系統控制所述升降裝置及所述驅動裝置停止作動者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體更設有一攝影裝置，其係對應連接於該控制系統，該攝影裝置係對應朝該活動空間攝影，並且該控制系統係據以分析一步態，並依據該步態以回饋補償所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含至少一下肢外骨骼裝置，其係對應連接於該控制系統，所述下肢外骨骼裝置分別配置有至少一關節裝置，且該控制系統係被動或依據該步態以主動式對應回饋控制所述關節裝置之驅動者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該控制系統係透過基於有限時間收斂之擴張狀態觀測器及自調整代理滑模控制，以對應回饋所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量，或所述關節裝置之驅動者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一投影步態引導系統，其係連接於該控制系統，且該控制系統係依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，以分析一訓練軌跡，並透過該投影步態引導系統對應投影至該活動空間處者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體底端更設有複數驅動輪，且至少其一所述驅動輪係對應連接於該控制系統，且該依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，並據以回饋補償所述驅動輪對該載具本體之傳動者。

據上所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一步態裝置，其係配置於該載具本體之該活動空間之底端處者。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明之載具本體係可透過動態減重系統，以支撐患者身體提高下肢運動能力與身體的平衡功能，藉可降低醫護人員的工作負擔，而且可以提高復健訓練效果和效率確保患者的訓練安全；並可進行地面移動式之人機跟隨，亦可透過步態裝置（如：跑步機）之配置，以進行固定式訓練配置，並可依據訓練需求，而可選擇性的適用配置骨盆輔助調整系統、下肢外骨骼裝置或投影步態引導系統，藉可依據患者不同之復健期的訓練需求，而選擇不同模組進行搭配使用，使提升本發明之適用性者。

2.本發明係透過基於有限時間收斂之擴張狀態觀測器（Finite-time Extended State Observer, FESO）及自調整代理滑模控制（Proxy-based Self-tuning Sliding Mode Control, PSSMC）與自適應參數整技術，使進行基於FESO的PSSMC（即FESO-PSSMC），以對於動態減重系統、骨盆輔助調整系統、下肢外骨骼裝置進行補償控制，藉可在確保安全之情形下提升其控制性能，藉以提升本發明於運作時之有效性、協調性、安全性及穩定性者。

3.本發明透過骨盆輔助調整系統之配置，藉可將人體骨盆運動與下肢運動進行整合，為地面步行復健訓練的穩定性提供保證，使配合載具本體，以令復健訓練可更接近健康人的自然步態。

4.本發明係可適配下肢外骨骼裝置，使可進行地面步行復健訓練的情境，並可進行主動與被動模式之操作，藉可因應於偏癱或下肢弱化在復健初期採用正常步態引導患者進行地面或基於跑步機之步行訓練幫助患者活化下肢肌肉，並可針對中後期的復健讓外骨骼跟隨患者運動意圖進行輔助，以利於建立神經反饋提高復健效果。

5.本發明可進一步配置投影式步態引導系統，藉可投影訓練軌跡，使於復健訓練時，係可要求患者踩踏投影腳印之訓練方式，使得患者較容實施正確的步態，進而有助於進行步行之復健訓練。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1圖至第3圖所示，本發明係一種隨動式多功能地面步行復健裝置，其包含：

一載具本體1，其係呈龍門式載具之設置，使整體略呈ㄇ字型，其在一實施例中，係可依據我國成年人身體尺寸的統計資料，整體尺寸可配置為100cm×100cm×195cm，而載具本體1係於中間處形成一活動空間A，其寬度係可配置為80cm，並可適用於身高155-185cm之患者使用之，故該載具本體1係於活動空間A兩側分別設有一立架11；所述立架11分別有一動態減重系統2；由於中風偏癱患者因神經與運動功能受損，難以依靠下肢支撐身體重量完成站立行走及控制肢體的平衡，故透過動態減重（body weight support, BWS）系統之設置，可支撐患者身體提高下肢運動能力與身體的平衡功能，不僅可以降低醫護人員的工作負擔，而且可以提高復健訓練效果和效率確保患者的訓練安全；

而就所述動態減重系統2之配置而言，其分別設置有一升降裝置21，其係可為伺服馬達，藉以升降驅動一略呈水平設置之懸臂22，所述懸臂22分別配置有一驅動裝置23，該驅動裝置23係朝該載具本體1之前後方向對應驅動一滑移部件24，所述滑移部件24配置有一荷重感測單元241；且所述滑移部件24係用以懸吊一承載部件25，該承載部件25係可為醫療級背帶，藉可用以綁束於患者之身上，如：腰部，藉以對應乘載患者，以解決傳統復健過程需多位醫護人員協同及耗費大量體力攙扶患者站立的問題；而當承載部件25輔助支撐患者時，由於承載部件25係懸掛於滑移部件24上，故荷重感測單元241係可對應感測承載部件25支撐患者之乘載重量，故透過荷重感測單元241搭配升降裝置21及驅動裝置23，即可進行回授以實現步行過程中，施加動態減重承載力之閉迴路控制，是知，在其他實施例中，若患者僅需單側之輔助支撐時，係可令承載部件25僅吊掛於單一側之滑移部件24，以透過單側之懸臂22獨立控制給予單側的靜態減重；此外，當患者站立且能保持身體平衡後，再依據患者之減重需求，進而於步行過程精確調整維持減重之目標。

而為令本發明可進行人機之跟隨，且人類行走之模式主要分為前進、左轉、右轉及停止等四種主要運動，為獲得準確的行走運動資訊並正確辨識人體行為，故本發明透過配置至少一運動意圖辨識系統3，如第3、4圖所示，令本發明可於跟隨患者時，能夠具體感知人體運動行為，實現人體運動的行為趨勢跟隨；故本發明在一實施例中，係將運動意圖辨識系統3配置為位移感測器，並對應偵測所述滑移部件24之移動位置，藉以令患者因應行走使身體扭轉或傾斜時，透過對滑移部件24進行位移，藉使運動意圖辨識系統3可據以感知其位置而實現人體運動的行為意圖，並可據以偵測出患者欲步行移動之方向，再一具體之實施例中，本發明係透過患者於行走時，依據左右肩位部分之滑移部件24移動之距離dl、dr來描述患者的運動意圖，運用dl、dr之差值描述人體的偏轉程度，並定義左右同步狀態為A、左側偏轉為B、右側偏轉為C，以初始值及dl、dr之差值來表示人體運動的趨向，右側大幅度運動D、左側大幅度運動E、右側小幅度運動F、左側小幅度運動G；依據前述定義，可將人體運動行為特徵的閥值描述為：

A：-3≦dr-dl≦3；

B：dr-dl＞3；

C：dr-dl＜-3；

D：dr＞3；

E：dl＞3；

F：0≦dr≦3；

G：0≦dl≦3。

其中前進行為與特徵ADE有關，左轉行為與特徵DBG有關，右轉行為與數據特徵CEF有關，停止與特徵AFG有關，並可據以達致行走意圖之辨識；以及

一控制系統4，其係對應連結於所述升降裝置21、所述驅動裝置23、所述荷重感測單元241及所述運動意圖辨識系統3，並依據所述荷重感測單元241感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統3所感測所述滑移部件24之移動位置，並如前述者，據以回饋補償所述升降裝置21及所述驅動裝置23之驅動量，以實現對於患者步行之輔助支撐與減重回饋之調整。

就載具本體1本身之功能性控制而言，該載具本體1於其前端處更分別配置有至少一支撐部件12，且所述支撐部件12頂端分別設有一扶持部件121，藉以供患者扶持並進行本發明之操作，而至少其一所述扶持部件121係設有一操作單元13，其係對應連接於該控制系統4，該操作單元13係用以傳輸一停止命令予該控制系統4，令該控制系統4控制所述升降裝置21及所述驅動裝置23停止作動，藉以令其可透過緊急停止，以達致其安全性之配置。

而對於本發明之載具本體1對患者移動進行跟隨之控制而言，在一實施例中，該載具本體1底端更設有複數驅動輪14，且至少其一所述驅動輪14係對應連接於該控制系統4，且該依據所述荷重感測單元241感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統3所感測所述滑移部件24之移動位置，並據以回饋補償所述驅動輪14對該載具本體1之傳動；而由於其迴轉半徑的大小會限制其使用場所，故本發明為減少轉彎半徑減小使用場所限制為出發點，故係透過配置二驅動輪14，並另配置四從動輪，以實現原地之轉向；並且在復健訓練過程中，患者係站在所述驅動輪14軸線之中心位置，而運動意圖辨識系統3將隨著前進趨勢越大而增加，電壓變化越大，則驅動輪14之轉速越快。

而在一較佳之實施例中，該載具本體1更設有一攝影裝置15，其係對應連接於該控制系統4，該攝影裝置15係對應朝該活動空間A攝影，並且該控制系統4係據以分析一步態，並依據該步態以回饋補償所述升降裝置21及所述驅動裝置23之驅動量；由於隨動式多功能地面步行復健訓練機器人用於人機耦合協同的復健訓練任務時，所有功能模組的觸發與運作均以患者的運動意圖為基準，而運動意圖又以下肢動作為核心；因此，考量環境複雜性、患者安全性與個體差異性等問題，故可透過令患者穿戴下肢外骨骼裝置5，使可進行地面步行復健訓練的情境，而對下肢外骨骼裝置5控制的動態性能與人機交互安全都有較高要求；而下肢外骨骼裝置5控制可分為主動與被動模式，被動控制是下肢外骨骼裝置5追蹤根據任務需求所設定的步態軌跡進行運動，藉以令偏癱或下肢弱化在復健初期採用正常步態引導患者進行地面或基於跑步機之步行訓練幫助患者活化下肢肌肉；主動控制是下肢外骨骼裝置5依據患者即時的運動意圖進行輔助，故下肢外骨骼裝置5係對應連接於該控制系統4，所述下肢外骨骼裝置5分別配置有至少一關節裝置51，且該控制系統4係被動或依據該步態以主動式對應回饋控制所述關節裝置51之驅動，主要係針對中後期的復健讓外骨骼跟隨患者運動意圖進行輔助，以利於建立神經反饋提高復健效果；

針對前述兩種控制模式，無論是主動還是被動模式都對下肢外骨骼裝置5之位置控制性能有較高的控制精度要求，故在一具體之實施例中，如第5圖所示，控制系統4係透過整合基於有限時間收斂之擴張狀態觀測器（Finite-time Extended State Observer, FESO）及自調整代理滑模控制（Proxy-based Self-tuning Sliding Mode Control, PSSMC）與自適應參數整技術，使進行基於FESO的PSSMC（即FESO-PSSMC），以對應回饋所述升降裝置21及所述驅動裝置23之驅動量，或所述關節裝置51之驅動；其中，就關節裝置51之驅動而言，係基於加入關節裝置51及人體關節位置約束條件，透過具有輸出約束的FESO-PSSMC，在保證關節角度被約束在合理範圍的同時能確保狀態估測效率，實現被動模式的人機交互安全控制；而主動控制模式則係基於患者即時步頻的變導納控制方法，以確保患者穿戴的舒適度和人機耦合控制的安全性；如第5圖所示，被動模式由運動意圖辨識系統3及攝影裝置15追蹤設定的步態軌跡θ _d(t)；主動模式可視為一種雙迴路的控制架構，外圈是基於導納控制器的力位混合控制迴路，主要是讓軌跡追蹤誤差與耦合力符合設定的導納模型，確保人機交互的柔順性；內圈是使下肢外骨骼裝置5能追蹤外圈輸出參考軌跡θ _r(t)的位置控制迴路；為了進一步提升患者穿戴下肢外骨骼裝置5的舒適度及人機耦合性能，本發明係透過基於患者即時步頻f _step之變導納參數演算法，即時調整導納控制器的參數α；此外，下肢外骨骼裝置5在主動模式控制的導納參數應儘量與人機耦合模型相匹配，因為個體患者不同肌群在不同運動狀態下的活化程度都不盡相同，故進行其測量、估測或辨識人機耦合模型參數是非常困難的，是以，當導納參數過大會降低人機耦合的靈活性並出現劇烈的人機對抗，即過大的人機耦合作用會導致患者疲勞而使舒適度下降，但也因導納參數設定較保守，所以人機耦合運動的穩定性較好可確保患者的安全性；相反的，當導納參數過小，人機耦合運動的穩定性會降低，即人機之間可能會出現高頻振盪導致患者摔倒，但是較小的導納參數會使患者有更好的靈活性和更小的人機耦合作用；當導納參數與人機耦合模型參數相匹配時，由於內圈之位置控制器會因存在時間延遲而無法實現快速且準確的軌跡追蹤，在時間t ₀時可依據測量的人機耦合力矩τ _ext獲得關節位置θ _human，內圈之控制器將輸出控制命令驅動下肢外骨骼裝置5運動；在時間t ₁時，當下肢外骨骼裝置5尚在收斂過程時，患者又産生新的動作移動至t ₁的θ _human，為使t ₁時之下肢外骨骼裝置5之角度θ _exo與θ _human更加貼近，可以適當减小導納參數使參考軌迹θ _r，使相較於θ _human，存在一定程度的超前，具體减小程度應與患者步速有關，由於平均步頻可被視為步速的一種衡量指標。因此，本發明在一實施例中，係依據患者步頻設計變導納之參數演算法，並即時調整導納參數，以確保人機耦合性能、穿戴舒適度及使用安全。

考慮到人體步態運動的隨機性與不確定性，本發明係透過貝氏理論的高斯過程（Gaussian process, GP）模型學習步態規律，並將其應用在下肢外骨骼裝置5之控制中；對於很多應用情境來說，單層高斯分佈由於具有非參數性和分析計算的特性，因此其具有優良的強健性在少樣本下一樣可以保持高性能，但是針對特定情境單層高斯過程的性能同樣會依賴於特定的核函數類型與核函數的超參數取值；類似於深度神經網路的概念，深度高斯過程（deep gaussian process, DGP）模型為多層GP模型層疊結構，由於輸入空間由隱藏層進行扭曲與拉伸，因此協方差函數可以依據資訊可自我調整而不需要額外的干預；因此，針對於下肢姿態的測量時之延問題，本發明係以DGP之即時步態預測模型進行測量時延的補償，並將依據預測不確定性指標進行變導納控制策略的設計，以確保人機耦合交互的安全性能；

此外，在日常的步行中為了確保行走的協調性、平衡性和高效性，人的雙腳雙關節（膝與髖關節）運動狀態存在很強的關連性及耦合關係，因髖關節位置較靠近中樞神經，因此，髖關節的即時運動軌跡可直觀反映出人體真實的運動意圖，而膝關節則是根據運動意圖與髖關節進行協調運動；針對此耦合關係，本發明透過稀疏高斯過程（sparsegaussian process, SGP）建構雙腳雙關節的耦合機率模型，並依據即時髖關節位置估計膝關節的合理運動範圍，以設計輸出約束控制器，將膝關節約束在合理範圍內，其係運用機率模型之即時信賴區間估計，從而確保人機耦合機器人在復健訓練過程的安全性與協調性。

考量下肢外骨骼裝置5之復健應用為本發明人機耦合任務的執行，且人體下肢運動也具有一定的生理及步態軌跡的約束條件，故本發明係可透過輸出通用壁壘函數（output-dependent universal barrier function, ODUBF）與FESO-PSSMC，設計基於輸出約束之FESO-PSSMC，以實現不可測狀態和集總不確定性的有限時間估測和補償，同時將系統輸出約束在設定好的輸出範圍內，各關節裝置51的輸出約束將依據SGP雙腳雙關節耦合機率模型輸出的信賴區間進行，在一實施例中，本發明對於下肢外骨骼裝置5之位置控制，分別是FESO-PSSMC和基於輸出約束的ESO-PSSMC，其中，FESO-PSSMC是考慮下肢外骨骼裝置5的不可測狀態與集總不確定性對於控制性能的影響，結合自適應控制、LESO與PSMC控制提出PSSMC的設計，故FESO-PSSMC是在PSSMC的基礎上進一步確保不可測狀態與集總不確定性估測的快速性；而基於輸出約束的FESO-PSSMC則是在FESO-PSSMC的基礎上考量人機耦合的安全性加入輸出約束的限制條件，進一步保證下肢外骨骼裝置5符合設定的輸出約束條件。

為利於透過影像之投影，以引導患者進行其步態，故在一實施例中，本發明係更一步包含一投影步態引導系統6，其係可為一投影裝置，連接於該控制系統4，且該控制系統4係依據所述荷重感測單元241感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統3所感測所述滑移部件24之移動位置，以分析一訓練軌跡，並透過該投影步態引導系統6對應投影至該活動空間A處；而投影式步態引導系統6係採用Unity 3D生成腳印動畫，以透過短焦投影機將腳印投影在活動空間A處之地面或其他物件上，在一實施例中，亦可於載具本體1之該活動空間A之底端處設置一步態裝置16（如：跑步機），故透過可分別透過地面步行，或搭配步態裝置16之固定式模式使用之；因此，在固定模式復健訓練時，係可要求患者踩踏投影腳印的訓練方式，透過設計動態的腳印及使用視覺感測器換算踩踏腳印的重合率及重心位置的偏移，當重合率、步態參數及重心位置偏移超出設定值，控制系統4可自動降低步態裝置16的速度，使得患者較容易恢復正確的步態；此外，在地面步行復健訓練中，也可透過投影式步態引導系統6，使用地面腳印投影來引導患者踩踏投影腳印進行步行之復健訓練。

此外，針對臨床復健醫師提出在下肢行走障礙患者復健訓練過程，身體重心缺乏在左右雙腳之間的橫向移動能力，影響患者行走的問題，本發明透過健康人行走過程骨盆和下肢的運動規律，對骨盆運動學和運動軌跡進行分析，充分考慮到骨盆和下肢在空間內各個自由度的運動特徵，提出可以模擬人體骨盆和輔助運動規律的骨盆輔助調整系統7，以配合載具本體1進行在地面行走的復健訓練，使復健訓練更接近健康人的自然步態；就骨盆輔助調整系統7之設置而言，如第6圖至第9圖所示，其係設有一座體71，並於一端配置有一第一驅動機構72，該第一驅動機構72係對應連結並沿一水平之軸向（X軸）旋轉傳動一旋動座721，該旋動座721設有一第二驅動機構73，該第二驅動機構73係沿一垂直於地面之方向（Z軸）對應連結並旋轉傳動一承接座731；該承接座731設有一承接桿732，該承接桿732之兩側分別樞設有一傳動臂733及一搖臂734，所述搖臂734相對於該承接桿732一端樞設有一旋動臂735，且所述旋動臂735係樞接於其對應側之所述傳動臂733；所述傳動臂733配置有一微動調節裝置74，且該微動調節裝置74係前後傳動設置一驅動座741，而所述驅動座741於其相對應之方向處設置有一調接部件742；該承接桿732配置有一第三驅動機構75，其係對應傳動於所述旋動臂735，以令所述傳動臂733沿水平面（XY平面）之方向開合傳動；而為利於因應患者之身高以進行高度之調整，並在步行復健訓練期間跟隨人體重心高度實現骨盆高度的追蹤控制，故在一實施例中，該座體71更設有一驅動模組711，其係對應升降驅動一升降座712，且該第一驅動機構72係對應配置於該升降座712。

藉此，骨盆輔助調整系統7係可如第7圖至第9圖所示，第三驅動機構75係可透過傳動於所述搖臂734以帶動旋動臂735，進而傳動於所述傳動臂733，使帶動調接部件742透過自動預緊之開合以自動夾緊患者之骨盆位置；而對於左右擺動姿態調整而言，係藉由第二驅動機構73傳動承接座731整體，使其可進行於XY平面之左右姿態擺動，而第一驅動機構72透過帶動旋動座721整體沿X軸之旋轉傳動，可透過調接部件742實現對髖部之左右抬舉，並藉由微動調節裝置74對於驅動座741之前後傳動以進行對調接部件742前後位置之微調；藉此，由於骨盆運動與下肢運動相互關聯是人體正常行走的必要條件，因此骨盆輔助調整系統7可將人體骨盆運動與下肢運動進行整合，為地面步行復健訓練的穩定性提供保證；故透過前述之第一驅動機構72、第二驅動機構73、第三驅動機構75及微動調節裝置74之整合傳動，使可靈活的根據患者習慣及復健訓練需求而單獨或同時進行驅動，並可如前述者，可據以實現人機耦合交互安全控制的FESO-PSSMC進行補償，並可以分散式控制架構，進行第一驅動機構72、第二驅動機構73、第三驅動機構75及微動調節裝置74之位置伺服控制。

就控制系統4之整合性配置而言，由於其係實現肢體協調復健訓練控制之關鍵，為保證運動控制系統4的穩定性與可靠度，故本發明之控制系統4在一實施例中係可為一體式觸控工業電腦，攝影裝置15係可直接連接至控制系統4，並藉由PCIe多功能資料擷取卡連接荷重感測單元241、運動意圖辨識系統3、操作單元13及投影步態引導系統6，並透過PCIe介面以連接於控制系統4，而載具本體1之驅動輪14、動態減重系統2之升降裝置21及驅動裝置23、骨盆輔助調整系統7之第一至第三驅動機構75及微動調節裝置74，以及下肢外骨骼裝置5之關節裝置51，則係透過CANopen控制器區域網路架構，並透過USB轉CAN介面卡以連接至控制系統4。

藉此，本發明整體系統採用模組化設計，故可依據患者不同之復健期的訓練需求，而選擇不同模組進行搭配使用，其使用狀態示意如第10至13圖所示，而本發明之組合性配置如下表1所示：

【表1】

模組 模式	載具本體	動態減重系統	骨盆輔助調整系統	下肢外骨骼裝置	投影步態引導系統
固定式 （搭配步態裝置）	O （固定驅動輪）	O	O	X	O
O	X	O（被動）	X
O	X	O（主動）	X
地面移動式	O	O	O	X	O
O	X	O（被動）	X
O	X	O（主動）	X

舉例而言，可選擇性穿戴下肢外骨骼裝置5進行主被動復健訓練，或不穿戴下肢外骨骼裝置5。而係以骨盆輔助調整系統7進行步行訓練時之骨盆姿態輔助調整；亦可選擇兩者都不使用，而僅以載具本體1搭配運動意圖辨識系統3及動態減重系統2進行地面自然步行復健；而在一具體之實施例中，本發明係可因應復健訓練之種類，藉可將其模式配置為：

1.醫師手動遙控模式：此時，係可透過載具本體1如前所述進行人機跟隨，並對應使用動態減重系統2，且穿戴下肢外骨骼裝置5，並由醫師對下肢外骨骼裝置5進行遙控。

2.被動式外骨骼訓練模式：透過載具本體1進行人機跟隨，配合動態減重系統2，並穿戴下肢外骨骼裝置5進行被動式之控制。

3.主動式外骨骼步態訓練模式：透過載具本體1進行人機跟隨，配合動態減重系統2，並穿戴下肢外骨骼裝置5進行主動式之控制，而在下肢已具備部分支撐力不需穿戴下肢外骨骼裝置5時，可配置投影步態引導系統6進行步態之引導。

4.自主移動訓練模式：僅透過載具本體1進行人機跟隨，配合動態減重系統2，以自行進行步態之自主訓練。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:載具本體 11:立架 12:支撐部件 121:扶持部件 13:操作單元 14:驅動輪 15:攝影裝置 16:步態裝置 2:動態減重系統 21:升降裝置 22:懸臂 23:驅動裝置 24:滑移部件 241:荷重感測單元 25:承載部件 3:運動意圖辨識系統 4:控制系統 5:下肢外骨骼裝置 51:關節裝置 6:投影步態引導系統 7:骨盆輔助調整系統 71:座體 711:驅動模組 712:升降座 72:第一驅動機構 721:旋動座 73:第二驅動機構 731:承接座 732:承接桿 733:傳動臂 734:搖臂 735:旋動臂 74:微動調節裝置 741:驅動座 742:調接部件 75:第三驅動機構 A:活動空間

第1圖係本發明之立體示意圖。 第2圖係本發明之系統架構圖。 第3圖係本發明於使用時之側視示意圖。 第4圖係本發明運動意圖辨識系統感測運度意圖之配置示意圖。 第5圖係本發明控制下肢外骨骼裝置之流程圖。 第6圖係本發明骨盆輔助調整系統之立體示意圖。 第7圖係本發明骨盆輔助調整系統於第三驅動機構控制傳動臂開合之示意圖。 第8圖係本發明骨盆輔助調整系統於XY平面左右姿態擺動之示意圖。 第9圖係本發明骨盆輔助調整系統沿X軸旋轉傳動之示意圖。 第10圖係本發明於固定式配置時，使用骨盆輔助調整系統之使用狀態示意圖。 第11圖係本發明於固定式配置時，使用下肢外骨骼裝置之使用狀態示意圖。 第12圖係本發明於地面移動式配置時，使用骨盆輔助調整系統之使用狀態示意圖。 第13圖係本發明於地面移動式配置時，使用下肢外骨骼裝置之使用狀態示意圖。

1:載具本體

11:立架

12:支撐部件

121:扶持部件

13:操作單元

14:驅動輪

15:攝影裝置

2:動態減重系統

21:升降裝置

22:懸臂

23:驅動裝置

24:滑移部件

241:荷重感測單元

3:運動意圖辨識系統

6:投影步態引導系統

A:活動空間

Claims (10)

1. 一種隨動式多功能地面步行復健裝置，其包含： 一載具本體，其係於中間處形成一活動空間，並於兩側分別設有一立架；所述立架分別有一動態減重系統； 所述動態減重系統分別設置有一升降裝置，其係升降驅動一略呈水平設置之懸臂，所述懸臂分別配置有一驅動裝置，該驅動裝置係朝該載具本體之前後方向對應驅動一滑移部件，所述滑移部件配置有一荷重感測單元；且所述滑移部件係用以懸吊一承載部件； 至少一運動意圖辨識系統，其係配置於所述驅動裝置，並對應偵測所述滑移部件之移動位置；以及 一控制系統，其係對應連結於所述升降裝置、所述驅動裝置、所述荷重感測單元及所述運動意圖辨識系統，並依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，並據以回饋補償所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量者。
2. 如請求項1所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一骨盆輔助調整系統，其係對應設置於該載具本體之該活動空間處，並對應連結於該控制系統，該骨盆輔助調整系統係設有一座體，並於一端配置有一第一驅動機構，該第一驅動機構係對應連結並沿一水平之軸向旋轉傳動一旋動座，該旋動座設有一第二驅動機構，該第二驅動機構係沿一垂直於地面之方向對應連結並旋轉傳動一承接座；該承接座設有一承接桿，該承接桿之兩側分別樞設有一傳動臂及一搖臂，所述搖臂相對於該承接桿一端樞設有一旋動臂，且所述旋動臂係樞接於其對應側之所述傳動臂；所述傳動臂配置有一微動調節裝置，且該微動調節裝置係前後傳動設置一驅動座，而所述驅動座於其相對應之方向處設置有一調接部件；該承接桿配置有一第三驅動機構，其係對應傳動於所述旋動臂，以令所述傳動臂沿水平面之方向開合傳動者。
3. 如請求項2所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該座體更設有一驅動模組，其係對應升降驅動一升降座，且該第一驅動機構係對應配置於該升降座者。
4. 如請求項1至請求項3中任一項所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體於其前端處更分別配置有至少一支撐部件，且所述支撐部件頂端分別設有一扶持部件，而至少其一所述扶持部件係設有一操作單元，其係對應連接於該控制系統，該操作單元係用以傳輸一停止命令予該控制系統，令該控制系統控制所述升降裝置及所述驅動裝置停止作動者。
5. 如請求項1至請求項3中任一項所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體更設有一攝影裝置，其係對應連接於該控制系統，該攝影裝置係對應朝該活動空間攝影，並且該控制系統係據以分析一步態，並依據該步態以回饋補償所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量者。
6. 如請求項5所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含至少一下肢外骨骼裝置，其係對應連接於該控制系統，所述下肢外骨骼裝置分別配置有至少一關節裝置，且該控制系統係被動或依據該步態以主動式對應回饋控制所述關節裝置之驅動者。
7. 如請求項6所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該控制系統係透過基於有限時間收斂之擴張狀態觀測器及自調整代理滑模控制，以對應回饋所述升降裝置及所述驅動裝置之驅動量，或所述關節裝置之驅動者。
8. 如請求項1至請求項3中任一項所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一投影步態引導系統，其係連接於該控制系統，且該控制系統係依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，以分析一訓練軌跡，並透過該投影步態引導系統對應投影至該活動空間處者。
9. 如請求項1至請求項3中任一項所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，其中，該載具本體底端更設有複數驅動輪，且至少其一所述驅動輪係對應連接於該控制系統，且該依據所述荷重感測單元感測之荷重量及所述運動意圖辨識系統所感測所述滑移部件之移動位置，並據以回饋補償所述驅動輪對該載具本體之傳動者。
10. 如請求項1至請求項3中任一項所述之隨動式多功能地面步行復健裝置，更包含一步態裝置，其係配置於該載具本體之該活動空間之底端處者。