行动辅助机器人的姿态估测方法技术

本发明专利技术公开了一种行动辅助机器人的姿态估测方法，其包含：于一行动辅助机器人的左右腿髋关节与膝关节分别设置马达控制器、马达编码器与马达，于行动辅助机器人的上身躯干设置惯性传感器，马达控制器、马达编码器、马达及惯性传感器与控制单元连接；将行动辅助机器人配置于用户身上；将构成行动辅助机器人的上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌的长度输入控制单元，由上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌构成多个端点；利用惯性传感器计算上身躯干相对于一参考坐标的夹角；利用该多个马达编码器计算该多个关节的角度；以及搭配一运动模型计算各端点的空间坐标。

【技术实现步骤摘要】
行动辅助机器人的姿态估测方法
本专利技术为一种行动辅助机器人的姿态估测方法，尤指一种利用姿态估测以进行远程服务的行动辅助机器人的姿态估测方法。
技术介绍
在全球人口老年化及少子化的趋势下，许多国家因劳动力不足而延长劳动年龄，欧美日先进国家均投入机器人技术与资通讯技术整合，开发自动化应用相关工业机器人以解决缺工问题，亦开发提供动力辅助的行动辅助机器人(其中又以外骨骼机器人最为常见)，以降低劳动负担及提供老年人口更好的照护质量及行动辅助。行动辅助机器人透过感测用户的肢体动作或意向，驱动其动力系统以提供人体行动时的动力辅助，增强用户的行动力量，甚至协助肢体瘫痪者重新站立行动。目前行动辅助机器人以下肢行动辅助机器人的发展及商品化最为普及，例如ArgoMedicalTechnologies(以色列)所开发的RewalkTM、EksoBionics(美国)所开发的EksoTM、Cyberdyne(日本)所开发的HAL、ITRI(台湾)所开发的ITRI-EXO、Honda(日本)所开发的StrideManagementAssistDevice，用户穿戴行动辅助机器人，可搭配拐杖或其他助行装置，完成日常生活中的起身、坐下、行走、上下坡、上下楼梯等行动辅助。这类装置的用户多为行动不便的身障人士或是银发族群，在单独使用这类行动装置时，使用安全性最为重要，然而使用安全性亦是这类装置目前仍不足的技术项目。此外，就现有专利而言，例如一种用于判断用户安全状态以驱动下一步的安全机制，其系以设置于小腿的惯性感测元件量测小腿相对于重力方向的绝对角度，结合膝关节、髋关节角度信息，获得用户姿态，并搭配设置于脚底的压力感测元件判断用户的压力中心，以用户姿态及压力中心作为判断用户是否处于安全状态以进行下一步行走。或者，另可见一种用于判断用户安全状态以驱动下一步的安全机制，其系以设置于上身躯干的角度计量测上身躯干相对于重力方向的绝对角度，以此角度判断重心是否前移以驱动下一步。并且，于现有专利主张或公开文献中，皆未见以其所侦测的该些信息提供包括地形控制回馈、危险提示、跌倒警报/求救、运动量纪录、步行距离估测、行为监控、生活圈习惯纪录、复健策略回馈等远程服务的应用及服务。据此可知，现有行动辅助机器人仍有许多不足尚待改善。
技术实现思路
在一实施例中，本专利技术提出一种行动辅助机器人的姿态估测方法，其包含：于一行动辅助机器人的右腿髋关节、左腿髋关节、右腿膝关节与左腿膝关节分别设置一马达控制器、一马达编码器与一马达，于该行动辅助机器人的上身躯干设置一惯性传感器，陔多个马达控制器、该多个马达编码器、该多个马达、以及该惯性传感器与一控制单元连接；将该行动辅助机器人配置于一用户身上；配置于该用户身上的该行动辅助机器人的该上身躯干相对一参考坐标形成一夹角，且各该关节分别形成一角度；将构成该行动辅助机器人的该上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌的长度输入该控制单元，该上身躯干、该二大腿、该二小腿、该二脚掌构成多个端点；利用该惯性传感器计算该上身躯干相对于该参考坐标的夹角；利用该多个马达编码器计算该多个关节的角度；以及搭配一运动模型计算该各端点的空间坐标。附图说明图1为本专利技术的行动辅助机器人的姿态估测方法流程图。图2为应用本专利技术的行动辅助机器人的实施例架构示意图。图3为本专利技术的行动辅助机器人的数学模型定义图。图4为本专利技术的判断姿态与重心坐标是否异常的方法流程图。【符号说明】1-行动辅助机器人10-骨盆11-第一连杆12-第二连杆20-右腿21-第三连杆22-第四连杆23-第五连杆30-左腿31-第六连杆32-第七连杆33-第八连杆40-上身躯干41-第九连杆50-马达控制器60-惯性传感器70-马达71-马达编码器80-控制单元90-行动通讯装置120-数据库130-云端技术100-行动辅助机器人的姿态估测的方法流程102～114-行动辅助机器人的姿态估测的方法流程的步骤400-判断姿态与重心坐标是否异常的方法流程402～412-判断姿态与重心坐标是否异常的方法流程的步骤B-支撑平面P1～P9-第一端点～第九端点Pb-上身躯干端点具体实施方式请参阅图1所示，本专利技术所提出的一行动辅助机器人的姿态估测方法100，其包含：步骤102：于一行动辅助机器人的右腿髋关节、左腿髋关节、右腿膝关节与左腿膝关节分别设置一马达控制器、一马达编码器与一马达，于该行动辅助机器人的上身躯干设置一惯性传感器，该多个马达控制器、该多个马达编码器、该多个马达、以及该惯性传感器与一控制单元连接；步骤104：将行动辅助机器人配置于一用户身上；步骤106：配置于该用户身上的该行动辅助机器人的该上身躯干相对一参考坐标形成一夹角，且各该关节分别形成一角度步骤108：将构成行动辅助机器人的该上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌的长度输入控制单元，上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌构成多个端点；步骤110：利用该惯性传感器计算上身躯干相对于参考坐标的夹角；步骤112：利用该多个马达编码器计算该多个关节的角度；以及步骤114：搭配一运动模型计算各端点的空间坐标。请参阅图2所示关于上述有关行动辅助机器人的具体实施例结构示意图，行动辅助机器人1包括一骨盆10、一右腿20、一左腿30与一上身躯干40。骨盆10由相互串联的一第一连杆11与一第二连杆12构成。右腿20设置于骨盆10的其中一端，右腿20由相互串联的一第三连杆21、一第四连杆22与一第五连杆23构成，第三连杆21为右大腿，第四连杆22为右小腿，第五连杆23为右脚掌，右腿20与骨盆10的连接处为右腿髋关节，第三连杆21与第四连杆22的连接处为右腿膝关节。左腿30连接于骨盆10未与右腿20连接的一端，左腿30由相互串联的一第六连杆31、一第七连杆32与一第八连杆33构成，第六连杆31为左大腿，第七连杆32为左小腿，第八连杆33为左脚掌，左腿30与骨盆10的连接处为左腿髋关节，第六连杆31与第七连杆32的连接处为左腿膝关节。上身躯干40由一第九连杆41构成，代表行动辅助机器人1的上身躯干，其一端连接于第一连杆11与第二连杆12的串联处。除了马达以外，上述各关节皆可搭配设置液压或人工肌肉致动。于行动辅助机器人1的右腿髋关节、左腿髋关节、右腿膝关节与左腿膝关节分别设置一马达控制器50、一马达编码器71与一马达70，于该行动辅助机器人1的上身躯干40设置一惯性传感器60，该马达控制器50、马达编码器71、马达70、以及该惯性传感器60与一控制单元80连接。行动辅助机器人1连接于一行动通讯装置90，行动通讯装置90与控制单元80藉由云端技术130连接。该行动通讯装置90为具行动通讯的智能型手机、平板计算机、智能手表其中之一，且行动通讯装置90具有GPS定位功能，可提供该用户的GPS坐标，以作为该用户的行为监控，或可结合以惯性传感器60发展的室内定位技术，以作为用户行为监控。控制单元80连接一数据库120，行动辅助机器人1与数据库120之间可透过行动通讯装置90、云端技术130、控制单元80进行信息传输，可提供用户行为监控、实时救援、行走距离估测、运动量估测服务。将行动辅助机器人1配置于一用户身上并驱动，即可辅助用户行走。此外，设置一电源系统(图中未示出)以提供行动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种行动辅助机器人的姿态估测方法，其包含：于一行动辅助机器人的右腿髋关节、左腿髋关节、右腿膝关节与左腿膝关节分别设置一马达控制器、一马达编码器与一马达，于该行动辅助机器人的上身躯干设置一惯性传感器，该多个马达控制器、该多个马达编码器、该多个马达、以及该惯性传感器与一控制单元连接；将该行动辅助机器人配置于一用户身上；配置于该用户身上的该行动辅助机器人的该上身躯干相对一参考坐标形成一夹角，且各该关节分别形成一角度；将构成该行动辅助机器人的该上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌的长度输入该控制单元，该上身躯干、该二大腿、该二小腿、该二脚掌构成多个端点；利用该惯性传感器计算该上身躯干相对于该参考坐标的夹角；利用该多个马达编码器计算该多个关节的角度；以及搭配一运动模型计算该各端点的空间坐标。

【技术特征摘要】
2015.11.27 TW 1041397171.一种行动辅助机器人的姿态估测方法，其包含：于一行动辅助机器人的右腿髋关节、左腿髋关节、右腿膝关节与左腿膝关节分别设置一马达控制器、一马达编码器与一马达，于该行动辅助机器人的上身躯干设置一惯性传感器，该多个马达控制器、该多个马达编码器、该多个马达、以及该惯性传感器与一控制单元连接；将该行动辅助机器人配置于一用户身上；配置于该用户身上的该行动辅助机器人的该上身躯干相对一参考坐标形成一夹角，且各该关节分别形成一角度；将构成该行动辅助机器人的该上身躯干、二大腿、二小腿、二脚掌的长度输入该控制单元，该上身躯干、该二大腿、该二小腿、该二脚掌构成多个端点；利用该惯性传感器计算该上身躯干相对于该参考坐标的夹角；利用该多个马达编码器计算该多个关节的角度；以及搭配一运动模型计算该各端点的空间坐标。2.如权利要求1所述的行动辅助机器人的姿态估测方法，于搭配该运动模型计算该各端点的空间坐标后，更包括一计算该用户的重心坐标的方法，其包括：计算该上身躯干、该二大腿、该二小腿、该二脚掌的质量；藉由该各端点的空间坐标与该上身躯干、该二大腿、该二小腿、该二脚掌的质量，计算该行动辅助机器人的重心的空间坐标。3.如权利要求2所述的行动辅助机器人的姿态估测方法，其中计算出该行动辅助机器人的重心的空间坐标后，更包括判断该用户的重心坐标是否异常的方法，其包括：利用各该脚掌的二端点建构出一支撑平面；将该重心的空间坐标投影至该支撑平面；以及判断该重心的空间坐标是否超出该支撑平面；若超出，则判断为异常，并发出警示或驱使该行动辅助机器人静止；若未超出，则返回该利用该惯性传感器计算该上身躯干的夹角的步骤。4.如权利要求1所述的行动辅助机器人的姿态估测方法，其中定义该行动辅助机器人为多个连杆所构成，该多个连杆包括：一第一连杆与一第二连杆，其相互串联构成一骨盆；一第三连杆、一第四连杆与一第五连杆，其相互串联构成一右腿，该右腿连接于该骨盆的其中一端，该右腿与该骨盆的连接处为该右腿髋关节，该第三连杆与该第四连杆的连接处为该右腿膝关节，该第五连杆为一右脚掌；一第六连杆、一第七连杆与一第八连杆，其相互串联构成一左腿，该左腿连接于该骨盆未与该右腿连接的一端，该左腿与该骨盆的连接处为该左腿髋关节，该第六连杆与该第七连杆的连接处为该左腿膝关节，该第八连杆为一左脚掌；以及一第九连杆，构成该上身躯干，其一端连接于该第一连杆与该第二连杆的串联处。5.如权利要求4所述的行动辅助机器人的姿态估测方法，其中该多个连杆构成该多个端点，其包括：一第一端点，位于该第九连杆与该第一连杆及该第二连杆相连接的一端；一上身躯干端点，位于该第九连杆相对于该第一端点的一端；一第二端点，位于该第三连杆与该第一连杆连接的一端；一第三端点，位于该第三连杆与该第四连杆连接的一端；一第四端点，位于该第四连杆与该第五连杆连接的一端；一第五端点，位于该第五连杆相对于该第四端点的一端；一第六端点，位于该第六连杆与该第二连杆连接的一端；一第七端点，位于该第六连杆与该第七连杆连接的一端；一第八端点，位于该第七连杆与该第八连杆连接的一端；以及一第九端点，位于该第八连杆相对于该第八端点的一端。6.如权利要求5所述的行动辅助机器人的姿态估测方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冠群，蔡宜政，巫震华，胡竹生，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71