以人机位置为基础之电动步行辅具及该辅具之控制方法与流程

本发明涉及电动步行辅具之领域。

背景技术：

步行障碍是临床常见的功能障碍之一，脊髓损伤、脑血管意外、脑外伤、或中枢神经系统疾病在发病后会遗留不同程度的截瘫、偏瘫、下肢骨关节和肌肉病变、关节功能活动障碍、关节稳定性破坏、肌力减退、肌群间力量失衡等影响患者的步行能力的问题。步行能力受损表现为不能行走、行走困难或步态异常，因此而影响患者日常生活中的活动能力，所以提高步行能力是步行能力受损之患者最迫切的需求。

电动步行辅具是提高步行能力的辅助工具，目前电动步行辅具只着重于如何让患者跟着电动步行辅具移动，却无法按照患者的个案状况提供有效的支撑，以至于出现患者步行速度不及于电动步行辅具的移动速度，患者与电动步行辅具之间产生过大间距的不安全状态。反之，也可能出现电动步行辅具的移动速度不及于患者步行速度，以至于患者与电动步行辅具之间呈距离不足状态。前者过大间距的状态，使患者产生不当前倾的姿势，容易产生仆倒的意外。后者距离不足的状态，使患者产生跨步距离不足，跨幅太小或碎步的情形，而一些有身躯后倾的患者更可能发生向后倾跌的意外。

因此，使电动步行辅具能按照患者的个案状况自动调整与患者之间的距离，以提供患者有效支撑是非常重要的。所谓的有效支撑，是指患者需要时提供支撑，而非无时无刻的支撑使用者。有效支撑可以让患者以己身之能力来进行步态控制和训练，当患者的步态或姿态发生显著的不当变化时则由辅具提供支撑，并进一步调整其步态和姿态。有效支撑一方面可以增加患者使用安全，一方面调整患者的姿态，并依照患者的状态提供适当的跨步空间供其跨步行走。然而，现有电动步行辅具并不具有这样的功能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种以人机位置为基础之电动步行辅具及该辅具之控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种以人机位置为基础之电动步行辅具，包括：

一主要架构，包括一底座和一对扶手以及连接在底座和扶手之间的支架；该主要架构包括一用户区域，该用户区域容纳一名用户；

移动装置，设于该主要架构，用以控制该辅具移动；

用户步态感测装置，设于该主要架构，通过非接触式感测手段感测使用者双脚并输出用户之步态特征讯息；该步态特征讯息包括步频、步幅、步速、步位、及一第一人机距离d1；所述该第一人机距离d1是使用者双足心间距中间点至主要架构之特定点的直线距离；

用户腹位感测装置，设于该主要架构，用以感测用户的腹部位置并且输出腹位特征讯息，该腹位特征讯息包括由腹部特定点至主要架构特定点直线距离所定义的一第二人机距离d2；

用户肩位感测装置，设于该主要架构，用以感测用户的肩膀位置；

分析运算模块，用以收集、统合该步态感测装置、腹位感测装置、肩位感测装置三者所取得之讯息参数，经分析计算后获取并输出用户重心位置、支撑底面积、使用者是否位于该辅具的用户区域、用户上半身前倾、用户上半身后仰之特征讯息；

控制系统，与该马达、步态感测装置、腹位感测装置、肩位感测装置、分析运算模块电性连接；该控制系统获取上述的特征讯息，利用上述至少一个特征讯息以及控制系统的默认参数，通过程序演算而输出一演算结果，该控制系统按照该演算结果控制马达，从而使辅具受控移动。

一种以人机位置为基础之电动步行辅具的控制方法，该控制方法使该辅具实现第一支撑模式、第二支撑模式、实时追踪模式、用户双脚稳定模式、及用户姿势矫正模式。

本发明主要通过控制及调整人机位置的方式，使电动步行辅具与使用者之间具有符合使用者站态、步态的合宜位置，辅具相对于用户发挥静态和动态支撑功能，用户在步态训练的过程中行走和站立交互的动静态情况下均获得辅具支持。

本发明之辅具通过移动装置而驱移辅具向前、向后移动，所述的向前是指以离开用户的直线方向，所述的向后是指靠近用户的直线方向。该辅具具备了用户步态感测装置、用户腹位感测装置、用户肩位感测装置、分析运算模块。步态感测装置通过非接触式感测手段感测使用者双脚并输出用户之步态特征讯息；用户腹位感测装置感测用户的腹部位置并且输出腹位特征讯息；用户肩位感测装置用以感测用户的肩膀位置；分析运算模块，收集、统合该步态感测装置、腹位感测装置、肩位感测装置三者所取得之讯息参数，经分析计算后获取并输出用户重心位置、支撑底面积、上半身前倾讯息、上半身后仰讯息、用户是否位于该辅具的用户区域中…等进一步的特征信息；

该辅具更具备了控制系统，与该马达、步态感测装置、腹位感测装置、肩位感测装置、分析运算模块电性连接。该控制系统获取上述的特征讯息，利用上述至少一个特征讯息以及控制系统内建的参数，通过程序演算而输出一演算结果，该控制系统按照该演算结果控制该辅具移动，使该辅具实现两种支撑模式以及三种移動模式。

所述的支撑模式包括第一支撑模式(以下简称r1模式)、第二支撑模式(以下简称r2模式)。辅具在支撑模式中对用户的站立提供静态支持。

所述的移动模式包括实时追踪模式(以下简称m3a模式、m3b模式)、双脚稳定模式(以下简称m4a模式、m4b模式)、以及姿势矫正模式(以下简称ppc模式)。辅具在移动模式中对用户的步行活动提供动态支持。

该支撑模式和移动模式被以选项方式提供于该控制系统的操作接口，供治疗师通过该操作接口选取。治疗师按照使用者目前的站立和步行状况或所欲达到的治疗目标选择一种静态支撑及一种动态支撑。让用户在行走和站立交互的动静态情况下均获得辅具支持。

r1模式，适用于用户站立时所需的人机距离与行走时所需的人机距离趋于一致且伴随上半身前倾现象的使用者，例如帕金森氏症使用者。通过辅具自动调整人机相对距离，使辅具以符合使用者站立时的需求提供用户静态支撑。

r2模式，适用于用户行走时的人机距离需大于站立时的人机距离的状态，例如步幅趋近于正常的轻微中风者或处于中风恢复期的使用者。通过辅具自动位移适当的增加人机距离，让使用者有方便的跨步空间。当使用者站立时辅具自动位移靠近用户提供静态支撑。

m3a及m3b模式，以用户行进中实时的人机距离为控制及调整辅具移动速度之依据。适用于可连续步行的使用者。

m4a及m4b模式，辅具在用户行进中保持不动，在使用者行进中双脚落地时站稳时辅具始移动一预定距离，适用于无法连续步行且需要高稳定支撑的使用者。

ppc模式：依据使用者前倾或后仰的姿态调整辅具位置，调整位置的辅具不仅支撑着使用者，且能进一步矫正使用者前倾或后仰的姿态使其趋向正常直立姿态。

附图说明

图1为本发明辅具之配置示意图。

【符号说明】

10-主要架构11-底座12-扶手

13-支架15-使用者16-方向轮

17-主动轮171-马达18-用户步态感测装置

19-用户腹位感测装置20-用户肩位感测装置30-控制系统

40-分析运算模块

具体实施方式

为便于说明本创作于上述发明内容一栏中所表示的中心思想，兹以具体实施例表达。实施例中各种不同对象系按适于说明之比例、尺寸、变形量或位移量而描绘，而非按实际组件的比例予以绘制，合先叙明。

如图1所示，本发明电动步行辅具(以下简称辅具)包括：

一主要架构10，包括一底座11和一对扶手12以及连接在底座11和扶手12之间的支架13；该主要架构10还包括一用户区域，该用户区域供一名用户15位于其中。

移动装置，设于该主要架构，用以控制该辅具移动；在本发明实施例中，该移动装置为方向轮16和主动轮17，分别设于该底座11的前、后位置；该主动轮17受一马达171之控制；该方向轮16和主动轮17之数量比例可为1:2、2:1、或2:2，但不以此为限。在本发明实施例中，为使辅具执行稳定的移动，将该主动轮17设为辅具的后轮。方向轮和主动轮之揭露是用以具体描述本发明，但并非用以限制本发明的权利范围。

用户步态感测装置18，设于该主要架构10，通过非接触式感测手段感测使用者双脚并输出用户之步态特征讯息。该步态特征讯息包括但不限于步频、步幅、步速、步位、双足心间距中间点与主要架构10之特定点的直线距离(以下简称第一人机距离d1)等。该非接触式感测手段包括但不限于影像、激光、红外线或超音波。

用户腹位感测装置19，设于主要架构10，用以感测用户的腹部位置并且输出腹位特征讯息。腹位特征讯息包括但不限于腹部位置、腹部特定点与主要架构10特定点的直线距离，以下简称一第二人机距离d2。

用户肩位感测装置20，设于主要架构10，用以感测用户的肩膀位置。

分析运算模块40，用以收集、统合步态感测装置18、腹位感测装置19、肩位感测装置20三者所取得之讯息参数，经分析计算后获取并输出用户重心位置、支撑底面积、上半身前倾讯息、上半身后仰讯息、用户是否位于辅具的用户区域中…等进一步的特征信息。

控制系统30，与马达171、步态感测装置18、腹位感测装置19、肩位感测装置20、分析运算模块40电性连接。控制系统30获取上述的特征讯息，利用上述至少一个特征讯息以及控制系统30内建的或治疗师经由控制系统之操作接口预先输入之参数，通过程序演算而输出一演算结果，控制系统按照演算结果控制马达171之启动、转速、正转、反转、停止等作动。马达171控制主动轮17运转，从而使辅具受控移动。

本发明之辅具于使用状态中通过控制系统30的控制产生以下两种支撑模式以及三种移動模式。使用状态之成立在本发明中是指使用者位于辅具的用户区域中。若使用状态不成立，控制系统30及辅具均不动作或暂停动作。

前述的支撑模式包括第一支撑模式(r1模式)、第二支撑模式(r2模式)。前述的移動模式包括实时追踪模式(m3a模式、m3b模式)、双脚稳定模式(m4a模式、m4b模式)、以及姿势矫正模式(ppc模式)。辅具在移动模式中对用户的步行活动提供动态支持。支撑模式和移動模式被以选项方式提供于控制系统30的操作接口，供治疗师通过操作接口选取。治疗师按照使用者目前的站立和步行状况或所欲达到的治疗目标选择一种支撑模式及一种移動模式。让用户在行走和站立交互的动静态情况下均获得辅具支持。

r1模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，于辅具暂停移动且使用者为站立状态，控制系统获取前述的该第一人机距离d1；

步骤二，控制系统将该第一人机距离d1与系统所设定的人机标准距离(neutraldistance,dzn)进行|d1-dzn|是否大于dε之比较运算；dε为容许误差值，dε及dzn为系统内建或治疗师通过控制系统之操作接口预先输入；若|d1-dzn|>dε，控制系统命令辅具移动，直到比较运算的结果为|d1-dzn|<dε时停止；

步骤三，控制系统控制辅具执行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一种移动模式。

r1模式，适用于用户站立时所需的人机距离与行走时所需的人机距离趋于一致且伴随上半身前倾现象的使用者，例如帕金森氏症使用者。通过辅具自动调整人机相对距离和位置，使辅具以符合使用者站立與行走时的需求提供用户支撑。

设定r1模式，当辅具执行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一种移动模式，于辅具暂停移动且使用者站立时，控制系统执行上述r1控制方法，辅具自动调整人机相对距离和位置，使辅具以符合使用者站立與行走时的需求提供用户支撑。

r2模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，控制系统将中性区域(neutralzone,zn)往离开使用者的方向挪移(shiftznaway)一预设距离，形成一前移的中性区域；原始的中性区域zn为系统内建或是治疗师通过控制系统的操作接口通过坐标设定预先输入；中性区域zn代表用户的位置范围；默认距离为系统内建或是治疗师通过控制系统的操作接口通过坐标设定预先输入；

步骤二，控制系统控制辅具移动至步骤一前移的中性区域zn范围内；据此，辅具与使用者之间产生了一个方便使用者跨步的空间以便使用者步行；

步骤三，控制系统控制辅具执行上述m3a、m3b、m4a、m4b其中一种移动模式；

步骤四，当辅具暂停移动且使用者站立时，控制系统将前移的中性区域往靠近用户的方向挪移(shiftznback)一预设距离，以回復先前的中性区域；默认距离为系统内建或是治疗师通过控制系统的操作接口通过坐标设定预先输入；

步骤五，控制系统控制辅具移动至步骤四移回的中性区域范围内；据此，辅具靠近用户方便提供静态支撑。

r2模式，适用于用户行走时的人机距离需大于站立时的人机距离的状态，例如步幅趋近于正常的轻微中风者或处于中风恢复期的使用者。通过辅具自动位移适当的增加人机距离，让使用者有方便的跨步空间。当使用者站立與行走时辅具自动位移靠近用户提供支撑。

m3a模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，控制系统获取前述的该第一人机距离d1；

步骤二，控制系统将该第一人机距离d1与中性区域上限距离dznu(upperlimitofneutralzone)及中性区域下限距离dznl(lowerlimitofneutralzone)进行比较运算；dznu及dznl为系统内建或治疗师通过控制系统之操作接口预先输入；

步骤三，当d1>dznu，表示用户步行速度变慢或退后，控制系统以d1为参考，命令马达缓减速或反转，使辅具靠近使用者，直到d1<dznu及d1>dznl的条件满足；当d1<dznl，表示用户步行速度加快或前行，控制系统以d1为参考，命令马达正转或缓增速，缓增辅具与使用者距离，直到d1<dznu及d1>dznl的条件满足；当d1<dznu及d1>dznl，表示辅具与用户位置匹配；以及

重复步骤一、二、三，直到结束训练或因紧急状况被迫停机时。

m3b模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，控制系统通过前述用户步态感测装置18获取该第一人机距离d1、max(d1-left,d1-right)、及min(d1-left,d1-right)；其中，d1-left为左脚与前述主要架构特定点(亦即辅具特定点)之直线距离，d1-right为右脚与前述主要架构特定点(亦即辅具特定点)之直线距离；

步骤二，控制系统将该第一人机距离d1与中性区域上限距离dznu(upperlimitofneutralzone)及中性区域下限距离dznl(lowerlimitofneutralzone)进行比较运算；dznu及dznl为系统内建或治疗师通过控制系统之操作接口输入；控制系统将該第二人机距离d2与max(d1-left,d1-right)及min(d1-left,d1-right)进行比较运算；

步骤三，当d1>dznu且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用户腹部特征位置在两脚之间，表示用户步行速度变慢或后退，控制系统以d2为参考，命令马达缓减速或反转，缓降辅具移动速度并减少辅具与使用者之距离，直到d2<dznu及d2>dznl的条件满足；当d1<dznl且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用户腹部特征位置仍然在两脚之间，表示用户步行速度加快或前进，控制系统以d2为参考，命令马达缓增速或正转，缓增辅具移动速度并增加辅具与使用者之距离，直到d2<dznu及d2>dznl的条件满足；以及

步骤四，重复步骤一、二、三，直到结束训练或因紧急状况被迫停机时。

m3a及m3b模式，以用户行进中实时的人机距离为控制及调整辅具移动速度和位置之依据。适用于可连续步行的使用者。

m4a模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，控制系统使辅具保持静止；

步骤二，控制系统通过前述的用户步态感测装置获取用户的跨步速度；

步骤三，控制系统通过前述的用户步态感测装置判断用户双脚是否已平稳落地；若否，则回到步骤一；若是，进行步骤四；

步骤四，控制系统获取前述的该第一人机距离d1；

步骤五，控制系统将该第一人机距离d1与中性区域上限距离dznu(upperlimitofneutralzone)及中性区域下限距离dznl(lowerlimitofneutralzone)进行比较运算；dznu及dznl为系统内建或治疗师通过控制系统之操作接口预先输入；

步骤六，当d1>dznu，控制系统控制辅具以相当于用户跨步的速度或默认速度往用户方向移动，达到d1<dznu及d1>dznl的条件时，控制系统命令辅具停止移动；当d1<dznl，控制系统控制辅具相当于用户跨步的速度或默认速度往离开用户的方向移动，达到d1<dznu及d1>dznl的条件时，控制系统命令辅具停止移动；以及

重复步骤二至六，直到结束训练或因紧急状况被迫停机时。

m4b模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法，包括：

步骤一，控制系统使辅具保持静止；

步骤二，控制系统通过前述的用户步态感测装置获取用户的跨步速度；

步骤三，控制系统通过前述的用户步态感测装置判断用户双脚是否已平稳落地；若否，则回到步骤一；若是，进行步骤四；

步骤四，控制系统通过前述用户步态感测装置18获取该第一人机距离d1、max(d1-left,d1-right)、及min(d1-left,d1-right)；其中，d1-left为左脚与前述主要架构特定点(亦即辅具特定点)之直线距离，d1-right为右脚与前述主要架构特定点(亦即辅具特定点)之直线距离；

步骤五，控制系统将该第一人机距离d1与中性区域上限距离dznu(upperlimitofneutralzone)及中性区域下限距离dznl(lowerlimitofneutralzone)进行比较运算；dznu及dznl为系统内建或治疗师通过控制系统之操作接口输入；控制系统将該第二人机距离d2与max(d1-left,d1-right)及min(d1-left,d1-right)进行比较运算；

步骤六，当d1>dznu且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用户腹部特征位置在两脚之间，控制系统控制辅具以相当于用户跨步速度或默认速度往用户方向移动，达到d2<dznu及d2>dznl的条件时，控制系统命令辅具停止移动；当d1<dznl且min(d1-left,d1-right)<d2<max(d1-left,d1-right)，亦即用户腹部特征位置在两脚之间，控制系统控制辅具以相当于用户跨步速度或默认速度往离开用户的方向移动，达到d2<dznu及d2>dznl的条件时，控制系统命令辅具停止移动；以及

步骤七，重复步骤二至六，直到结束训练或因紧急状况被迫停机时。

m4a及m4b模式，辅具在用户行进中保持不动，在使用者行进中双脚落地时站稳时辅具始移动一预定距离，适用于无法连续步行且需要高稳定支撑的使用者。

ppc模式，辅具及其控制系统执行以下之控制方法：

步骤一，辅具以上述m3a、m3b、m4a、或m4b模式移动；

步骤二，控制系统若获取用户上半身前倾讯息，进行步骤三；控制系统若获取用户身躯后仰讯息，进行步骤四；

步骤三，控制系统命令辅具往后(相对于使用者的方向)移动或减速，使用者的上半身被辅具从前倾趋向直立，直至控制系统未获取上半身前倾讯息及上半身后仰讯息；

步骤四，控制系统命令辅具往前(离开使用者的方向)移动或增速，使用者的身躯被辅具从后仰趋向直立；直至控制系统未获取上半身前倾讯息及上半身后仰讯息。

ppc模式：依据使用者前倾或后仰的姿态调整辅具位置与速度，调整位置的辅具不仅支撑着使用者，且能进一步矫正使用者前倾或后仰的姿态使其趋向正常直立姿态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。