以人機位置為基礎之電動步行輔具及該輔具之控制方法與流程

本發明涉及電動步行輔具之領域。

背景技術：

步行障礙是臨床常見的功能障礙之一，脊髓損傷、腦血管意外、腦外傷、或中樞神經系統疾病在發病后會遺留不同程度的截癱、偏癱、下肢骨關節和肌肉病變、關節功能活動障礙、關節穩定性破壞、肌力減退、肌群間力量失衡等影響患者的步行能力的問題。步行能力受損表現為不能行走、行走困難或步態異常，因此而影響患者日常生活中的活動能力，所以提高步行能力是步行能力受損之患者最迫切的需求。

電動步行輔具是提高步行能力的輔助工具，目前電動步行輔具只著重于如何讓患者跟著電動步行輔具移動，卻無法按照患者的個案狀況提供有效的支撐，以至于出現患者步行速度不及于電動步行輔具的移動速度，患者與電動步行輔具之間產生過大間距的不安全狀態。反之，也可能出現電動步行輔具的移動速度不及于患者步行速度，以至于患者與電動步行輔具之間呈距離不足狀態。前者過大間距的狀態，使患者產生不當前傾的姿勢，容易產生仆倒的意外。后者距離不足的狀態，使患者產生跨步距離不足，跨幅太小或碎步的情形，而一些有身軀后傾的患者更可能發生向后傾跌的意外。

因此，使電動步行輔具能按照患者的個案狀況自動調整與患者之間的距離，以提供患者有效支撐是非常重要的。所謂的有效支撐，是指患者需要時提供支撐，而非無時無刻的支撐使用者。有效支撐可以讓患者以己身之能力來進行步態控制和訓練，當患者的步態或姿態發生顯著的不當變化時則由輔具提供支撐，并進一步調整其步態和姿態。有效支撐一方面可以增加患者使用安全，一方面調整患者的姿態，并依照患者的狀態提供適當的跨步空間供其跨步行走。然而，現有電動步行輔具并不具有這樣的功能。

技術實現要素：

針對現有技術存在的缺陷和不足，本發明的目的在于提供一種以人機位置為基礎之電動步行輔具及該輔具之控制方法。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種以人機位置為基礎之電動步行輔具，包括：

一主要架構，包括一底座和一對扶手以及連接在底座和扶手之間的支架；該主要架構包括一用戶區域，該用戶區域容納一名用戶；

移動裝置，設于該主要架構，用以控制該輔具移動；

用戶步態感測裝置，設于該主要架構，通過非接觸式感測手段感測使用者雙腳并輸出用戶之步態特征訊息；該步態特征訊息包括步頻、步幅、步速、步位、及一第一人機距離d1；所述該第一人機距離d1是使用者雙足心間距中間點至主要架構之特定點的直線距離；

用戶腹位感測裝置，設于該主要架構，用以感測用戶的腹部位置并且輸出腹位特征訊息，該腹位特征訊息包括由腹部特定點至主要架構特定點直線距離所定義的一第二人機距離d2；

用戶肩位感測裝置，設于該主要架構，用以感測用戶的肩膀位置；

分析運算模塊，用以收集、統合該步態感測裝置、腹位感測裝置、肩位感測裝置三者所取得之訊息參數，經分析計算后獲取并輸出用戶重心位置、支撐底面積、使用者是否位于該輔具的用戶區域、用戶上半身前傾、用戶上半身后仰之特征訊息；

控制系統，與該馬達、步態感測裝置、腹位感測裝置、肩位感測裝置、分析運算模塊電性連接；該控制系統獲取上述的特征訊息，利用上述至少一個特征訊息以及控制系統的默認參數，通過程序演算而輸出一演算結果，該控制系統按照該演算結果控制馬達，從而使輔具受控移動。

一種以人機位置為基礎之電動步行輔具的控制方法，該控制方法使該輔具實現第一支撐模式、第二支撐模式、實時追蹤模式、用戶雙腳穩定模式、及用戶姿勢矯正模式。

本發明主要通過控制及調整人機位置的方式，使電動步行輔具與使用者之間具有符合使用者站態、步態的合宜位置，輔具相對于用戶發揮靜態和動態支撐功能，用戶在步態訓練的過程中行走和站立交互的動靜態情況下均獲得輔具支持。

本發明之輔具通過移動裝置而驅移輔具向前、向后移動，所述的向前是指以離開用戶的直線方向，所述的向后是指靠近用戶的直線方向。該輔具具備了用戶步態感測裝置、用戶腹位感測裝置、用戶肩位感測裝置、分析運算模塊。步態感測裝置通過非接觸式感測手段感測使用者雙腳并輸出用戶之步態特征訊息；用戶腹位感測裝置感測用戶的腹部位置并且輸出腹位特征訊息；用戶肩位感測裝置用以感測用戶的肩膀位置；分析運算模塊，收集、統合該步態感測裝置、腹位感測裝置、肩位感測裝置三者所取得之訊息參數，經分析計算后獲取并輸出用戶重心位置、支撐底面積、上半身前傾訊息、上半身后仰訊息、用戶是否位于該輔具的用戶區域中…等進一步的特征信息；

該輔具更具備了控制系統，與該馬達、步態感測裝置、腹位感測裝置、肩位感測裝置、分析運算模塊電性連接。該控制系統獲取上述的特征訊息，利用上述至少一個特征訊息以及控制系統內建的參數，通過程序演算而輸出一演算結果，該控制系統按照該演算結果控制該輔具移動，使該輔具實現兩種支撐模式以及三種移動模式。

所述的支撐模式包括第一支撐模式(以下簡稱r1模式)、第二支撐模式(以下簡稱r2模式)。輔具在支撐模式中對用戶的站立提供靜態支持。

所述的移動模式包括實時追蹤模式(以下簡稱m3a模式、m3b模式)、雙腳穩定模式(以下簡稱m4a模式、m4b模式)、以及姿勢矯正模式(以下簡稱ppc模式)。輔具在移動模式中對用戶的步行活動提供動態支持。

該支撐模式和移動模式被以選項方式提供于該控制系統的操作接口，供治療師通過該操作接口選取。治療師按照使用者目前的站立和步行狀況或所欲達到的治療目標選擇一種靜態支撐及一種動態支撐。讓用戶在行走和站立交互的動靜態情況下均獲得輔具支持。

r1模式，適用于用戶站立時所需的人機距離與行走時所需的人機距離趨于一致且伴隨上半身前傾現象的使用者，例如帕金森氏癥使用者。通過輔具自動調整人機相對距離，使輔具以符合使用者站立時的需求提供用戶靜態支撐。

r2模式，適用于用戶行走時的人機距離需大于站立時的人機距離的狀態，例如步幅趨近于正常的輕微中風者或處于中風恢復期的使用者。通過輔具自動位移適當的增加人機距離，讓使用者有方便的跨步空間。當使用者站立時輔具自動位移靠近用戶提供靜態支撐。

m3a及m3b模式，以用戶行進中實時的人機距離為控制及調整輔具移動速度之依據。適用于可連續步行的使用者。

m4a及m4b模式，輔具在用戶行進中保持不動，在使用者行進中雙腳落地時站穩時輔具始移動一預定距離，適用于無法連續步行且需要高穩定支撐的使用者。

ppc模式：依據使用者前傾或后仰的姿態調整輔具位置，調整位置的輔具不僅支撐著使用者，且能進一步矯正使用者前傾或后仰的姿態使其趨向正常直立姿態。

附圖說明

圖1為本發明輔具之配置示意圖。

【符號說明】

10-主要架構11-底座12-扶手

13-支架15-使用者16-方向輪

17-主動輪171-馬達18-用戶步態感測裝置

19-用戶腹位感測裝置20-用戶肩位感測裝置30-控制系統

40-分析運算模塊

具體實施方式

為便于說明本創作于上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同對象系按適于說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際組件的比例予以繪制，合先敘明。

如圖1所示，本發明電動步行輔具(以下簡稱輔具)包括：

一主要架構10，包括一底座11和一對扶手12以及連接在底座11和扶手12之間的支架13；該主要架構10還包括一用戶區域，該用戶區域供一名用戶15位于其中。

移動裝置，設于該主要架構，用以控制該輔具移動；在本發明實施例中，該移動裝置為方向輪16和主動輪17，分別設于該底座11的前、后位置；該主動輪17受一馬達171之控制；該方向輪16和主動輪17之數量比例可為1:2、2:1、或2:2，但不以此為限。在本發明實施例中，為使輔具執行穩定的移動，將該主動輪17設為輔具的后輪。方向輪和主動輪之揭露是用以具體描述本發明，但并非用以限制本發明的權利范圍。

用戶步態感測裝置18，設于該主要架構10，通過非接觸式感測手段感測使用者雙腳并輸出用戶之步態特征訊息。該步態特征訊息包括但不限于步頻、步幅、步速、步位、雙足心間距中間點與主要架構10之特定點的直線距離(以下簡稱第一人機距離d1)等。該非接觸式感測手段包括但不限于影像、激光、紅外線或超音波。

用戶腹位感測裝置19，設于主要架構10，用以感測用戶的腹部位置并且輸出腹位特征訊息。腹位特征訊息包括但不限于腹部位置、腹部特定點與主要架構10特定點的直線距離，以下簡稱一第二人機距離d2。

用戶肩位感測裝置20，設于主要架構10，用以感測用戶的肩膀位置。

分析運算模塊40，用以收集、統合步態感測裝置18、腹位感測裝置19、肩位感測裝置20三者所取得之訊息參數，經分析計算后獲取并輸出用戶重心位置、支撐底面積、上半身前傾訊息、上半身后仰訊息、用戶是否位于輔具的用戶區域中…等進一步的特征信息。

控制系統30，與馬達171、步態感測裝置18、腹位感測裝置19、肩位感測裝置20、分析運算模塊40電性連接。控制系統30獲取上述的特征訊息，利用上述至少一個特征訊息以及控制系統30內建的或治療師經由控制系統之操作接口預先輸入之參數，通過程序演算而輸出一演算結果，控制系統按照演算結果控制馬達171之啟動、轉速、正轉、反轉、停止等作動。馬達171控制主動輪17運轉，從而使輔具受控移動。

本發明之輔具于使用狀態中通過控制系統30的控制產生以下兩種支撐模式以及三種移動模式。使用狀態之成立在本發明中是指使用者位于輔具的用戶區域中。若使用狀態不成立，控制系統30及輔具均不動作或暫停動作。

前述的支撐模式包括第一支撐模式(r1模式)、第二支撐模式(r2模式)。前述的移動模式包括實時追蹤模式(m3a模式、m3b模式)、雙腳穩定模式(m4a模式、m4b模式)、以及姿勢矯正模式(ppc模式)。輔具在移動模式中對用戶的步行活動提供動態支持。支撐模式和移動模式被以選項方式提供于控制系統30的操作接口，供治療師通過操作接口選取。治療師按照使用者目前的站立和步行狀況或所欲達到的治療目標選擇一種支撐模式及一種移動模式。讓用戶在行走和站立交互的動靜態情況下均獲得輔具支持。

r1模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，于輔具暫停移動且使用者為站立狀態，控制系統獲取前述的該第一人機距離d1；

步驟二，控制系統將該第一人機距離d1與系統所設定的人機標準距離(neutraldistance,dzn)進行|d1-dzn|是否大于dε之比較運算；dε為容許誤差值，dε及dzn為系統內建或治療師通過控制系統之操作接口預先輸入；若|d1-dzn|>dε，控制系統命令輔具移動，直到比較運算的結果為|d1-dzn|<dε時停止；

步驟三，控制系統控制輔具執行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一種移動模式。

r1模式，適用于用戶站立時所需的人機距離與行走時所需的人機距離趨于一致且伴隨上半身前傾現象的使用者，例如帕金森氏癥使用者。通過輔具自動調整人機相對距離和位置，使輔具以符合使用者站立與行走時的需求提供用戶支撐。

設定r1模式，當輔具執行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一種移動模式，于輔具暫停移動且使用者站立時，控制系統執行上述r1控制方法，輔具自動調整人機相對距離和位置，使輔具以符合使用者站立與行走時的需求提供用戶支撐。

r2模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，控制系統將中性區域(neutralzone,zn)往離開使用者的方向挪移(shiftznaway)一預設距離，形成一前移的中性區域；原始的中性區域zn為系統內建或是治療師通過控制系統的操作接口通過坐標設定預先輸入；中性區域zn代表用戶的位置范圍；默認距離為系統內建或是治療師通過控制系統的操作接口通過坐標設定預先輸入；

步驟二，控制系統控制輔具移動至步驟一前移的中性區域zn范圍內；據此，輔具與使用者之間產生了一個方便使用者跨步的空間以便使用者步行；

步驟三，控制系統控制輔具執行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一種移動模式；

步驟四，當輔具暫停移動且使用者站立時，控制系統將前移的中性區域往靠近用戶的方向挪移(shiftznback)一預設距離，以回復先前的中性區域；默認距離為系統內建或是治療師通過控制系統的操作接口通過坐標設定預先輸入；

步驟五，控制系統控制輔具移動至步驟四移回的中性區域范圍內；據此，輔具靠近用戶方便提供靜態支撐。

r2模式，適用于用戶行走時的人機距離需大于站立時的人機距離的狀態，例如步幅趨近于正常的輕微中風者或處于中風恢復期的使用者。通過輔具自動位移適當的增加人機距離，讓使用者有方便的跨步空間。當使用者站立與行走時輔具自動位移靠近用戶提供支撐。

m3a模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，控制系統獲取前述的該第一人機距離d1；

步驟二，控制系統將該第一人機距離d1與中性區域上限距離dznu(upperlimitofneutralzone)及中性區域下限距離dznl(lowerlimitofneutralzone)進行比較運算；dznu及dznl為系統內建或治療師通過控制系統之操作接口預先輸入；

步驟三，當d1>dznu，表示用戶步行速度變慢或退后，控制系統以d1為參考，命令馬達緩減速或反轉，使輔具靠近使用者，直到d1<dznu及d1>dznl的條件滿足；當d1<dznl，表示用戶步行速度加快或前行，控制系統以d1為參考，命令馬達正轉或緩增速，緩增輔具與使用者距離，直到d1<dznu及d1>dznl的條件滿足；當d1<dznu及d1>dznl，表示輔具與用戶位置匹配；以及

重復步驟一、二、三，直到結束訓練或因緊急狀況被迫停機時。

m3b模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，控制系統通過前述用戶步態感測裝置18獲取該第一人機距離d1、max(d1-left,d1-right)、及min(d1-left,d1-right)；其中，d1-left為左腳與前述主要架構特定點(亦即輔具特定點)之直線距離，d1-right為右腳與前述主要架構特定點(亦即輔具特定點)之直線距離；

步驟二，控制系統將該第一人機距離d1與中性區域上限距離dznu(upperlimitofneutralzone)及中性區域下限距離dznl(lowerlimitofneutralzone)進行比較運算；dznu及dznl為系統內建或治療師通過控制系統之操作接口輸入；控制系統將該第二人機距離d2與max(d1-left,d1-right)及min(d1-left,d1-right)進行比較運算；

步驟三，當d1>dznu且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用戶腹部特征位置在兩腳之間，表示用戶步行速度變慢或后退，控制系統以d2為參考，命令馬達緩減速或反轉，緩降輔具移動速度并減少輔具與使用者之距離，直到d2<dznu及d2>dznl的條件滿足；當d1<dznl且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用戶腹部特征位置仍然在兩腳之間，表示用戶步行速度加快或前進，控制系統以d2為參考，命令馬達緩增速或正轉，緩增輔具移動速度并增加輔具與使用者之距離，直到d2<dznu及d2>dznl的條件滿足；以及

步驟四，重復步驟一、二、三，直到結束訓練或因緊急狀況被迫停機時。

m3a及m3b模式，以用戶行進中實時的人機距離為控制及調整輔具移動速度和位置之依據。適用于可連續步行的使用者。

m4a模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，控制系統使輔具保持靜止；

步驟二，控制系統通過前述的用戶步態感測裝置獲取用戶的跨步速度；

步驟三，控制系統通過前述的用戶步態感測裝置判斷用戶雙腳是否已平穩落地；若否，則回到步驟一；若是，進行步驟四；

步驟四，控制系統獲取前述的該第一人機距離d1；

步驟五，控制系統將該第一人機距離d1與中性區域上限距離dznu(upperlimitofneutralzone)及中性區域下限距離dznl(lowerlimitofneutralzone)進行比較運算；dznu及dznl為系統內建或治療師通過控制系統之操作接口預先輸入；

步驟六，當d1>dznu，控制系統控制輔具以相當于用戶跨步的速度或默認速度往用戶方向移動，達到d1<dznu及d1>dznl的條件時，控制系統命令輔具停止移動；當d1<dznl，控制系統控制輔具相當于用戶跨步的速度或默認速度往離開用戶的方向移動，達到d1<dznu及d1>dznl的條件時，控制系統命令輔具停止移動；以及

重復步驟二至六，直到結束訓練或因緊急狀況被迫停機時。

m4b模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法，包括：

步驟一，控制系統使輔具保持靜止；

步驟二，控制系統通過前述的用戶步態感測裝置獲取用戶的跨步速度；

步驟三，控制系統通過前述的用戶步態感測裝置判斷用戶雙腳是否已平穩落地；若否，則回到步驟一；若是，進行步驟四；

步驟四，控制系統通過前述用戶步態感測裝置18獲取該第一人機距離d1、max(d1-left,d1-right)、及min(d1-left,d1-right)；其中，d1-left為左腳與前述主要架構特定點(亦即輔具特定點)之直線距離，d1-right為右腳與前述主要架構特定點(亦即輔具特定點)之直線距離；

步驟五，控制系統將該第一人機距離d1與中性區域上限距離dznu(upperlimitofneutralzone)及中性區域下限距離dznl(lowerlimitofneutralzone)進行比較運算；dznu及dznl為系統內建或治療師通過控制系統之操作接口輸入；控制系統將該第二人機距離d2與max(d1-left,d1-right)及min(d1-left,d1-right)進行比較運算；

步驟六，當d1>dznu且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用戶腹部特征位置在兩腳之間，控制系統控制輔具以相當于用戶跨步速度或默認速度往用戶方向移動，達到d2<dznu及d2>dznl的條件時，控制系統命令輔具停止移動；當d1<dznl且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用戶腹部特征位置在兩腳之間，控制系統控制輔具以相當于用戶跨步速度或默認速度往離開用戶的方向移動，達到d2<dznu及d2>dznl的條件時，控制系統命令輔具停止移動；以及

步驟七，重復步驟二至六，直到結束訓練或因緊急狀況被迫停機時。

m4a及m4b模式，輔具在用戶行進中保持不動，在使用者行進中雙腳落地時站穩時輔具始移動一預定距離，適用于無法連續步行且需要高穩定支撐的使用者。

ppc模式，輔具及其控制系統執行以下之控制方法：

步驟一，輔具以上述m3a、m3b、m4a、或m4b模式移動；

步驟二，控制系統若獲取用戶上半身前傾訊息，進行步驟三；控制系統若獲取用戶身軀后仰訊息，進行步驟四；

步驟三，控制系統命令輔具往后(相對于使用者的方向)移動或減速，使用者的上半身被輔具從前傾趨向直立，直至控制系統未獲取上半身前傾訊息及上半身后仰訊息；

步驟四，控制系統命令輔具往前(離開使用者的方向)移動或增速，使用者的身軀被輔具從后仰趨向直立；直至控制系統未獲取上半身前傾訊息及上半身后仰訊息。

ppc模式：依據使用者前傾或后仰的姿態調整輔具位置與速度，調整位置的輔具不僅支撐著使用者，且能進一步矯正使用者前傾或后仰的姿態使其趨向正常直立姿態。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。