【技術領域】【0001】 本發明係有關於一種可供進行復健及輔助行走之電動助行車構造。
【先前技術】【0002】 目前用以幫助行動不便者行走之助行器，只有輔助行動功能，沒有支撐身體功能，只限腿部有力且可以行走的使用者使用。而且只有支撐身體的功能，沒有動力輔助行走，使得使用者推行過程中較為吃力，使用時間久較容易感到疲憊。又市面上常見的電動助行器(車)，通常體積大，大多具單一功能，其支撐性不足，活動範圍較為受限，而且售價昂貴。又沒有提供手部施力測量和測量步行距離來驅動電動助行車的設計。此外，也沒有輔助評估使用者行走復健情況的工具。
【0003】 有中華民國100年8月11日所公告之發明第I701533號「控制方法以及電動助行器」專利案，主要係揭露：一種電動助行器，包含有：一角度量測器，用來隨時間依序量測出複數個斜坡角度值；一第一計算電路，用來根據該複數個斜坡角度值決定出一校正參數值；以及一第二計算電路，用來根據該校正參數值與一原始驅動力量值產生一校正驅動力量值；其中，該第一計算電路根據該複數個斜坡角度值計算出該複數個斜坡角度值之一第一四分位數以及一第三四分位數並計算出該第一四分位數以及該第三四分位數之一平均值，該第一計算電路計算出該複數個斜坡角度值中之一最後量測到之斜坡角度值與該第一四分位數以及該第三四分位數之該平均值之一差值並將該差值之絕對值除以該第一四分位數以及該第三四分位數之該平均值以產生一誤差比值以及該第一計算電路根據該誤差比值決定出該校正參數值。
【0004】 該專利前案雖然可以對於助行車上坡時提供一助力，而於下坡時則提供一阻力。惟其並無法根據不同使用者的不同步距大小，而隨時調整上坡之助力或下坡之阻力，因此，對於行走緩慢的使用者而言，提供過大的助力或過小的阻力，將會存在有潛藏的危險性。
【0005】 又有中華民國108年5月1日所公告之發明第I657812號「助行裝置」專利案，主要係揭露：助行裝置更包括分別設置於兩握把的兩壓力感測元件，以及設置於座椅的壓力感測元件。兩壓力感測元件可為應變規或壓力感測器，並電性耦接處理器。藉由改變施加於兩壓力感測元件上的壓力，處理器可依據預設值進行判斷，以控制運動本體前進或後退，或者是使兩驅動總成產生轉速差而讓運動本體轉向。
【0006】 該專利前案根據該等壓力感測元件所偵測到的壓力不同，以判斷使用者是站立行走、坐下休息或是想要轉向，藉以控制助行裝置行走、停止或轉向。因此該專利前案並非是用以偵測使用者的疲勞度，藉以調整改變助行裝置的行走速度，因此與本案的技術特徵有著明顯的差異。
【發明內容】【0007】 爰此，有鑑於目前習知的電動助行車具有上述的缺點。故本發明提供一種智慧型電動助行車，以供輔助一使用者行走，該智慧型電動助行車包含有：一車體；一輪具單元，係設於該車體，該輪具單元係包含有二自由輪、二動力輪、二剎車元件、二驅動器及複數霍爾感測器，該二自由輪係設於該車體底部的前方處，該二動力輪則設於該車體底部的後方處，該二驅動器係設於該車體上，而分別驅動該二動力輪旋轉，每一該動力輪內係設有三個該霍爾感測器，又該車體的二側分別設有一肋架，該二肋架的前方位置處分別設有一握把，該二動力輪對應設有該剎車元件；一控制單元，係設於該車體，該控制單元係訊號連接至該二動力輪，藉以控制該二動力輪的轉速；一傾斜偵測單元，係設於該車體，該傾斜偵測單元係訊號連接至該控制單元，藉以量測該車體之一角度值，以獲得一第一訊號，並將該第一訊號傳輸至該控制單元；至少一壓力感測器，係設於該車體，該壓力感測器係訊號連接至該控制單元，藉以偵測該使用者施加於該車體上的一施力，以獲得一第二訊號，並將該第二訊號傳輸至該控制單元；該控制單元藉由該第一訊號與該第二訊號，控制該二動力輪的轉速，使該智慧型電動助行車輔助該使用者行走。
【0008】 上述控制單元係設定該智慧型電動助行車的一助行模式，該助行模式係包含定速模式及智慧輔助模式，該定速模式是控制該二動力輪的轉速固定，該智慧輔助模式係依照該第一訊號與該第二訊號，控制該二動力輪的轉速改變。
【0009】 上述傾斜偵測單元係為一傾斜角感測器或一加速度規，藉以量測該角度值，該角度值為正時，該控制單元控制該二動力輪增加助力，該角度值為負時，該控制單元控制該二動力輪增加阻力。
【0010】 進一步設有一攝影單元，該攝影單元係設於該車體上，並訊號連接至該控制單元，該攝影單元設有一鏡頭，該鏡頭朝向該使用者的一步行區域，藉以擷取該使用者行走的步距，並傳輸一步距信號至該控制單元，以控制該二動力輪的轉速。
【0011】 上述攝影單元係為一步態攝影機，該步距較小時，該控制單元控制該二動力輪的轉速變慢，該步距較大時，該控制單元控制該二動力輪的轉速加快。
【0012】 上述壓力感測器係包含有複數第一壓力感測器，該等第一壓力感測器係設於該車架與該二自由輪、該二動力輪之間的接觸位置。
【0013】 上述壓力感測器係包含有複數第二壓力感測器，該等第二壓力感測器係設於該二肋架的底部。
【0014】 上述車體包含有一車架及一台座組合而成，該台座係可拆地結合於該車架的上方，該車架係包含有二側架及一連結架組合而成，該連結架係透過複數快拆元件，可拆地結合於該二側架之間，該二側架之間樞接有一連桿，該連桿相對於該二側架樞轉，使該二側架相對靠攏收合，又該二側架的頂部設有複數固定孔，該台座的底部對應設有複數固定部，該等固定部對應該等固定孔分別設入有一固定螺栓，藉以將該台座固定於該二側架上，又該二側架上分別設有一組致動器，以供帶動該台座上、下移動。
【0015】 進一步設有一軀幹穩定器，該軀幹穩定器係設於該車體上，該軀幹穩定器係包含二支撐體、一防跌倒安全帶及一防後傾安全帶，該二支撐體上設有複數掛鉤，該防跌倒安全帶的二端係活動的選擇掛設於該二支撐體上的任一該掛鉤上，該防後傾安全帶則固定於該二支撐體之間。
【0016】 上述技術特徵具有下列之優點：
【0017】 1.兼具復健的動力輔助之助行車，可協助肢體障礙者、高齡者或行動不便者進行復健和輔助行動，協助使用者恢復其行走能力，提升使用者的行動便利性。
【0018】 2.車架的二側架及連結架可以任意折解、靠攏收合，藉以縮小體積、不占空間及方便攜帶。
【0019】 3.可以配合不同使用者的速度，將助行模式調整為定速模式或智慧輔助模式，藉由控制單元可自動控制動力輪的轉速，使動力輪得以符合所設定的助行模式之速度，以輔助使用者安全及穩定的行走，達到輔助行走及復健的目的。
【0020】 4.可選擇設定一定速模式，以輔助使用者依照設定的速度行走；又設定智慧輔助模式，則可依照使用者步距或不同的速度來輔助使用者行走，以訓練使用者行走達到復健之目的。
【0021】 5.配合攝影單元可擷取一使用者行走的步距，以供該控制單元透過該使用者步距的變化，做為輔助控制動力輪轉速之參考，並根據步距的大小，對應調整動力輪的轉速大小，並且可供護理人員隨時掌握使用者的復健情形是否有改善。
【0022】 6.在行走訓練過程中，可根據車體角度值的變化來判別車體處於平地、上坡或下坡的狀態，於上坡時可提高動力輪的轉速，以減輕使用者在上坡的負擔，降低受傷的風險；於下坡時可降低動力輪的轉速，具有緩速功能，防止下坡速度過快，造成使用者受傷，達到安全輔助行走的效果。
【0023】 7.透過壓力感測器可以測量使用者的體重和使用者施加於車體的壓力，以及測量使用者手部施加於肋架之壓力的變化，藉以調整改變車體的行進速度，同時可供醫護相關人員判斷使用者的復建情況。
【0024】 8.利用軀幹穩定器可以保持使用者的身體平衡，而防跌倒安全帶及防後傾安全帶可以防止使用者跌倒或後仰跌倒，藉以達到安全輔助行走的效果。
【圖式簡單說明】【0056】 [第一圖]係為本發明實施例之立體分解圖。
【0057】 [第二圖]係為本發明實施例之立體組合圖。
【0058】 [第三圖]係為本發明實施例車體之收合示意圖。
【0059】 [第四圖]係為本發明實施例傾斜偵測單元及攝影單元安裝位置之示意圖。
【0060】 [第五圖]係為本發明實施例車體位於上坡狀態之示意圖。
【0061】 [第六圖]係為本發明實施例第一壓力感測器設於動力輪上之示意圖。
【0062】 [第七圖]係為本發明實施例第二壓力感測器設於肋架底部之示意圖。
【0063】 [第八圖]係為本發明實施例軀幹穩定器之構造示意圖。
【0064】 [第九圖]係為本發明實施例設定助行模式之控制流程圖。
【0065】 [第十圖]係為本發明實施例控制單元之控制架構方塊圖。
【0066】 [第十一圖]係為本發明實施例控制演算法之演算流程圖。
【0067】 [第十二圖]係為本發明實施例電動助行車電控系統之架構圖。
【0068】 [第十三圖]係為本發明實施例控制演算法之類神經網路架構的流程圖。
【0069】 [第十四圖]係為本發明實施例評估使用者復健情形之流程圖。
【實施方式】【0070】 請參閱第一圖及第二圖所示，本發明實施例係包含有：車體1、輪具單元2、控制單元3、傾斜偵測單元4、攝影單元5、壓力感測器6及軀幹穩定器7，其中：車體1，係包含有一車架11及一台座12組合而成。該台座12係可拆地結合於該車架11的上方。該車架11係包含有二側架111及一連結架112。該連結架112係透過複數快拆元件113，可拆地結合於該二側架111之間。又該二側架111之間樞接有一連桿114。藉由鬆開該等快拆元件113，於該二側架111之間取下該連結架112，然後將該連桿114相對於該二側架111樞轉，則可使該二側架111相對靠攏收合〔如第三圖所示〕，藉以縮小體積、不占空間及方便攜帶。該台座12的二側分別設有一肋架13，以供使用者的手肘承靠，該二肋架13的前方位置處分別設有一握把14，以供使用者的手掌握持。該二側架111分別設有一組致動器15，該台座12活動結合於該二側架111後，利用該二組致動器15得以帶動該台座12上、下移動，藉以調整至合適的高度。又該二側架111的頂部外側設有複數固定孔115，該台座12的底部對應設有複數固定部121，該等固定部121對應該等固定孔115設入有一固定螺栓122，藉以將該台座12固定於該二側架111上。
【0071】 輪具單元2，係設於該車體1的底部。該輪具單元2包含有二自由輪21、二動力輪22、二剎車元件23、二驅動器24及複數霍爾感測器25〔如第十圖所示〕。該二自由輪21係設於該二側架111底部的前方處，該二動力輪22則設於該二側架111底部的後方處，該二動力輪22係為一輪體直接結合於一直流無刷馬達上之構造。該二動力輪22係受到該二剎車元件23之控制剎車，又該二動力輪22係受到該二驅動器24之控制，而分別旋轉帶動該車體1前進。該二驅動器24及係設於該車架11上，每一該動力輪22內係設有三個該霍爾感測器25。又該等霍爾感測器25係對於該二動力輪22進行訊號處理，以供將該動力輪22的馬達轉角，透過該二驅動器24回饋到一控制單元3。
【0072】 控制單元3，係設於該車體1之該側架111上，藉以可供設定該車體1的助行模式，該助行模式係包含定速模式及智慧輔助模式，其中該定速模式是輔助一使用者依照設定的速度來行走；該智慧輔助模式可依照偵測該使用者的步距或不同的速度，藉以輔助該使用者行走，以訓練該使用者行走達到復健的目的。又該控制單元3係訊號連接至該二驅動器24，藉以控制該二動力輪22的轉速，使該二動力輪22得以符合該定速模式或該智慧輔助模式所設定的速度，而調整輸出相對應的該轉速。
【0073】 傾斜偵測單元4，係設於該車體1之該連桿114上〔如第四圖所示〕，藉以偵測該車體1的一角度值。該傾斜偵測單元4係為一傾斜角感測器或一加速度規，並訊號連接至該控制單元3，藉以量測該車體1之角度值〔如第五圖所示〕，以獲得一第一訊號，並將該第一訊號傳輸至該控制單元3。該角度值為正時，該控制單元3控制該二動力輪22增加助力；該角度值為負時，該控制單元3控制該二動力輪22增加阻力，藉以可供該控制單元3用來判別該車體1是處於平地狀態(角度值為0)、上坡狀態(角度值為正)或下坡狀態(角度值為負)，藉以於助行模式設定為智慧輔助模式時，可以自動控制該二動力輪22的轉速，得以於上坡時提高輔助動力、下坡時降低轉速，使該二動力輪22於上坡時可以增加助力，而於下坡時增加阻力，藉以輔助該使用者安全又穩定的行走，達到輔助行走及復健的目的。
【0074】 攝影單元5，係設於該車體1之該連桿114上〔如第四圖所示〕。該攝影單元係為一步態攝影機，並訊號連接至該控制單元3，該攝影單元5設有一鏡頭51，該鏡頭51恆朝向該使用者的一步行區域，藉以擷取該使用者行走時步距的影像，並傳輸一步距信號至該控制單元3，以供該控制單元3透過該使用者步距的變化，以控制該二動力輪22輸出轉速的快慢，例如該使用者的步距較小時，控制該二動力輪22的轉速變慢，若該使用者的步距較大時，則控制該二動力輪22的轉速加快。同時可以根據該使用者步距的變化，以供護理人員隨時掌握使用者的復健情形是否有改善。
【0075】 壓力感測器6，係包含有複數第一壓力感測器61及第二壓力感測器62。其中該等第一壓力感測器61係設於該車架11與該二自由輪21、該二動力輪22之間的接觸位置〔如第六圖所示〕。該等第二壓力感測器62係設於該二肋架13的底部〔如第七圖所示〕，該等第一壓力感測器61及第二壓力感測器62分別訊號連接至該控制單元3，藉以測量該使用者的體重和該使用者施加於該車體1的壓力變化，以及測量該使用者手部施加於該二肋架13之壓力變化，以獲得一第二訊號，並將該第二訊號傳輸至該控制單元3，透過該使用者施加於該車體1的壓力和手部施加於該肋架13之壓力變化，以判斷該使用者之疲勞度，當所測量的壓力變大時，表示該使用者疲勞度增大，因此大部分的重量均施加於該車體1上；而所測量的壓力變小時，表示該使用者疲勞度減小，因此僅小部分的重量施加於該車體1上，如此，可根據該使用者施加於該等第一壓力感測器61及第二壓力感測器62的壓力變大時，輔助控制該二動力輪22的轉速變慢，於施加的壓力變小時，輔助控制該二動力輪22的轉速變快。並且進一步可供醫護相關人員判斷該使用者的復建狀況。
【0076】 軀幹穩定器7，係設於該車體1的該台座12上。該軀幹穩定器7係包含二支撐體71、一防跌倒安全帶72及一防後傾安全帶73〔如第八圖所示〕，該二支撐體71上設有複數掛鉤711，該防跌倒安全帶72的二端係活動的選擇掛設於該二支撐體71上的任一該掛鉤711上，該防後傾安全帶73則固定於該二支撐體71之間。利用該二支撐體71係支撐於使用者之兩側腋下，使該二支撐體71可以保持該使用者的身體平衡外，該防跌倒安全帶72及該防後傾安全帶73可以防止該使用者跌倒或後仰跌倒，藉以達到安全輔助行走的效果。同時藉由該防跌倒安全帶72可以支撐負荷該使用者的體重所產生之壓力，並透過該軀幹穩定器7將該壓力傳遞到該等第一壓力感測器61，以供偵測該使用者的壓力變化，以判斷該使用者的疲勞度。
【0077】 使用時，如第五圖及第九圖所示，使用者係可根據自身輔助行走的需求，選擇設定該車體1的助行模式係為定速模式或智慧輔助模式。然後啟動該控制單元3。當選擇定速模式時，該控制單元3則會依照使用者所設定的速度，以控制二動力輪22的轉速固定，使該二動力輪22保持定速，藉以輔助該使用者行走。如第十圖所示，如果是設定智慧輔助模式，該控制單元3則會根據該傾斜偵測單元4所量測該車體1之角度值，並經由一控制演算法來判別該車體1是處於平地狀態、上坡狀態或下坡狀態，同時也會擷取該攝影單元5之該鏡頭51所拍攝到的行走影像，以計算其步距，藉以做為輔助控制該二動力輪22的轉速之參考。在上坡時，如第五圖所示，根據控制演算法和設定的助行模式來輔助使用者上坡，以減輕使用者在上坡的負擔，降低受傷的風險。在下坡時，具有緩速功能，防止下坡速度過快，造成使用者受傷，達到安全輔助行走的效果。經由控制演算法演算後，透過左、右該二驅動器24分別控制左、右該二動力輪22的轉速。並經由該等霍爾感測器25進行訊號處理，並感知該二動力輪22的馬達轉角，同時將左、右馬達轉角轉換成為左、右輪位移，而回饋到該控制單元3，以判斷該二動力輪22的轉速是否正確。
【0078】 如第十一圖所示，上述控制演算法之演算流程，首先，建立電動助行車的動態模型(dynamic model)，接著根據李亞普諾夫定理(Lyapunov theorem)去推導強健性控制法則(Robust control law)。依據使用者設定的助行模式(定速模式或智慧輔助模式)去計算左、右二驅動器24的控制信號，並加入補償信號克服系統的不確定性干擾和摩擦阻力，做為左右的二驅動器24的控制信號，輸出該控制信號以控制該二動力輪22轉動。
【0079】 本發明電動助行車上述的控制演算，經由建立該電動助行車動態模型(以二輪車驅動模型近似)，該電動助行車的整個電控系統架構，如第十二圖所示，其動態模型表示如下：
【0080】 其中，△G是未知且有上界的干擾信號，UP是控制信號，Td是外加扭力。
【0081】 
，Td=[TdL TdR]T，
【0082】 
【0083】 
，
：分別是電動助行車的左動力輪和右動力輪角速度；iL，iR：分別是左直流無刷馬達和右直流無刷馬達的控制信號；r：電動助行車動力輪的等效(equivalent)半徑；d：動力輪到電動助行車中點的距離；M：電動助行車的等效質量；mw：電動助行車的動力輪和直流無刷馬達的有效質量；JM：不包含動力輪和直流無刷馬達的電動助行車質量慣性矩(mass moment of inertia)；Jw：動力輪和直流無刷馬達的質量慣性矩；KtL，KtR：分別是左、右兩直流無刷馬達的扭力常數；BL，BR：分別是左、右動力輪的阻尼係數；TdL，TdR：分別是左、右動力輪的干擾扭。
【0084】 又該控制演算法之UP(控制信號)演算法如下：UP=Unn+Us+Uref (2)
【0085】 UP的各項變數敘述如下：(A)Uref是參考控制；
【0086】 其中，
是參考狀態(Reference state)，
；
是Bp的偽逆(pseudo-inverse)矩陣。
【0087】 (B)Us是切換控制；
【0088】 其中，P2是正定矩陣(Positive definite matrix)，Ep是誤差狀態，
【0089】 △F=Bp(δ-h.o.t.)-BdTd-△G (5)
【0090】 GU>∥△F∥ (6)
【0091】 △F是代表未知干擾量和誤差的總和，(δ-h.o.t.)是類神經控制的近似誤差和近似函數高次項的差異，GU是增益向量。
【0092】 (C)Unn是類神經網路控制；Unn=W2TW1X (7)
【0093】 其中，Unn=[unn1 unn2]T，X=[x1 x2 x3 x4]T。W1和W2是類神經網路的加權值矩陣，如第十三圖所示。
【0094】 (D)W1和W2的調整律(Tuning law)：
【0095】 
【0096】 其中，X=Ep，η1和η2是正的常數。
【0097】 如第十四圖所示，在輔助行走的過程中，利用設於該二自由輪21及該二動力輪22上的該等第一壓力感測器61〔如第六圖所示〕，計算負載支撐壓力的變化量。以及利用設於該二肋架13底部的該等第二壓力感測器62〔如第七圖所示〕，計算使用者手部施力的壓力變化量。以及利用該攝影單元5之該鏡頭51擷取步行影像，以計算步距，進一步計算步行速率變化量及步距變化量，藉以做為評估使用者之復健改善情形。
【0098】 綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。