TWI552743B - Inductive force feedback mechanism - Google Patents

Description

感應式力量回饋機構

本發明與復健輔具有關，尤指一種感應式力量回饋機構。

對於中風、腦部損傷或受到其他神經傷害之病患來說，通常都需要經由長時間的復健來恢復原本肌肉與關節的功能，以避免日後產生肌肉萎縮及關節退化的問題。

為了讓病患能夠不需要依賴他人協助而自行進行復健，目前已經研發出許多復健輔具供病患使用，例如美國第8,211,042號專利案是藉由磁流變阻尼器與摩擦式制動器的搭配來達到復健或產生如同義肢關節的功效，然而在此習用專利案中因為缺乏驅動源的設計，所以使用者實際上能夠獲得的效果相當有限。此外，美國第2008/0071386號專利案是利用肌電訊號感應器的判斷來作為驅動裝置提供驅動力量的依據，但是此一驅動力量的大小需要透過虛擬彈簧係數與虛擬阻尼係數之間的數學運算來加以控制，除了容易在訊號傳遞上出現時間延遲的問題之外，亦很容易受到外在因素的干擾而影響訊號處理上的精確度。

本發明之主要目的在於提供一種感應式力量回饋機構，其操作方便且反應迅速，並具有良好的穩定性。

為了達成前述目的，本發明之感應式力量回饋機構包含有一固定座、一驅動單元、一關節座、一彈性單元、一第一肢體承靠單元，以及一第二肢體承靠單元。該驅動單元具有一設於該固定座之馬達、一設於該固定座且連接該馬達之減速機，以及一連接該減速機之輸出軸；該關節座具有一套環部與一支撐臂，該套環部可轉動地接設於該驅動單元之減速機且套設於該驅動單元之輸出軸，該支撐臂自該套環部之外環面徑向地往外延伸；該彈性單元具有一安裝座與多數設於該安裝座之彈性件，該安裝座套接於該驅動單元之輸出軸且連接於該關節座之套環部的內環面，使得該彈性單元能受到該輸出軸之驅動而帶動該關節座同步轉動；該第一肢體承靠單元具有一設於固定座之第一承靠件與一設於第一承靠件之第一肌電訊號感應器；該第二肢體承靠單元具有一設於第二承靠件與一第二肌電訊號感應器，該第二承靠件設於該關節座之支撐臂，該第二肌電訊號感應器設於該第二承靠件。

由上述可知，藉由該第一、第二肌電訊號感應器所感應的肌電訊號來判斷肌肉的動作，使該馬達能夠輸出適當的輔助動力至該彈性單元，接著該彈性單元之安裝座會帶動該關節座同步作動，同時該彈性單元之各該彈性件會產生變形來達到力量控制的效果，藉此，該第二承載件即能確實且穩定地相對該第一承載件作動，以提升使用者的復健效果。

較佳地，該關節座之套環部的端面設有一旋轉阻尼器，該旋轉阻尼器藉由一連接軸連接該固定座，用以對該 關節座提供阻尼效果而提升作動的穩定性。

較佳地，該驅動單元之馬達設有一旋轉編碼器，用以量測該馬達之一驅動軸的旋轉量，而且，該驅動單元之輸出軸內穿設有一旋轉電位計，該旋轉電位計之一端固定於該減速機之一轉軸內，該旋轉電位計之另一端固定於該連接軸內，用以量測該轉軸與該連接軸之間的角度變化量。

較佳地，該第一承靠件具有一第一承架與一第一夾環，該第一承架設於該固定座且可依據實際需要相對該固定座作三軸式的位置調整，該第一夾環之外環面設於該第一承架，該第一夾環之內環面設有該第一肌電訊號感應器。

較佳地，該第二承靠件具有一第二承架與一第二夾環，該第二承架設於該關節座之支撐臂且可依據實際需要相對該固定座作三軸式的位置調整，該第二夾環之外環面設於該第二承架，該第二夾環之內環面設有該第二肌電訊號感應器。

10‧‧‧感應式力量回饋機構

20‧‧‧固定座

21‧‧‧第一固定板

22‧‧‧第二固定板

23‧‧‧X軸調整槽

24‧‧‧矩形孔

25‧‧‧桿件

30‧‧‧驅動單元

31‧‧‧馬達

312‧‧‧驅動軸

32‧‧‧減速機

33‧‧‧第一傳動輪

34‧‧‧轉軸

35‧‧‧第二傳動輪

36‧‧‧傳動帶

37‧‧‧輸出軸

40‧‧‧關節座

41‧‧‧套環部

42‧‧‧支撐臂

50‧‧‧彈性單元

51‧‧‧安裝座

52‧‧‧第一架體

53‧‧‧第二架體

532‧‧‧軸孔

54‧‧‧彈性件

60‧‧‧第一肢體承靠單元

61‧‧‧第一承靠件

62‧‧‧第一承架

63‧‧‧第一橫板

632‧‧‧第一Y軸調整槽

64‧‧‧第一橫板固定件

65‧‧‧第一立板

652‧‧‧Z軸定位孔

654‧‧‧第一固定孔

66‧‧‧第一立板固定件

67‧‧‧第一夾環

70‧‧‧第二肢體承靠單元

71‧‧‧第二承靠件

72‧‧‧第二承架

73‧‧‧延伸臂

74‧‧‧握柄

75‧‧‧L形立板

752‧‧‧第二Y軸調整槽

754‧‧‧Z軸調整槽

76‧‧‧第二立板固定件

77‧‧‧第二橫板

772‧‧‧X軸定位孔

774‧‧‧第二固定孔

78‧‧‧第二橫板固定件

79‧‧‧第二夾環

80‧‧‧旋轉阻尼器

82‧‧‧連接軸

84‧‧‧第一肌電訊號感應器

86‧‧‧第二肌電訊號感應器

90‧‧‧旋轉編碼器

92‧‧‧旋轉電位計

第1圖為本發明之立體圖。

第2圖為本發明之局部立體分解圖。

第3圖為本發明之關節座與彈性單元之組合平面圖。

第4圖為本發明之第一肢體承靠單元的立體分解圖。

第5圖為本發明之第二肢體承靠單元之立體分解圖。

第6圖為本發明之側視圖。

第7圖為第6圖沿7-7剖線之局部剖視圖。

第8圖為本發明之方塊圖。

請再參閱第1及2圖，本發明之感應式力量回饋機構10包含有一固定座20、一驅動單元30、一關節座40、一彈性單元50、一第一肢體承靠單元60，以及一第二肢體承靠單元70。

固定座20具有一第一固定板21與一第二固定板22，其中在第二固定板22之頂端具有二相互平行之X軸調整槽23，第二固定板22之底端具有一矩形孔24。在組裝時，第一、第二固定板21、22係藉由三根桿件25而連接在一起。

驅動單元30具有一馬達31與一減速機32，馬達31固定於固定座20之第一固定板21的內側面且具有一驅動軸312，驅動軸312穿過第一固定板21而與一第一傳動輪33連接，減速機32藉由一轉軸34設於固定座20之第一固定板21的內側面，轉軸34之一端穿過第一固定板21而與一第二傳動輪35連接，第一、第二傳動輪33、35之間繞設有一傳動帶36，此外，驅動單元30更具有一輸出軸37，輸出軸37之一端連接減速機32而能與減速機32同步作動。藉此，當馬達31開始啟動時，馬達31之驅動軸312會先帶動第一傳動輪33轉動，接著第一傳動輪33會透過傳動帶36帶動第二傳動輪35轉動，接著第二傳動輪35會再透過轉軸34驅動減速機32，使輸出軸37能隨著減速機32一同作動。

關節座40具有一套環部41與一支撐臂42，套環部41可轉動地接設於減速機32之一端且將輸出軸37套設在 內，支撐臂42自套環部41之外環面徑向地往外延伸而出。

如第2及3圖所示，彈性單元50具有一安裝座51，安裝座51具有二第一架體52與一第二架體53，各第一架體52固定於關節座40之套環部41的內環面，第二架體53介於該二第一架體52之間且具有一套接輸出軸37之軸孔532，此外，第二架體53的高度大於各第一架體52的高度，而且，第二架體53之頂端與各第一架體52之頂端之間連接有一彈性件54，第二架體53之底端與各第一架體52之底端之間連接有一彈性件54。藉此，安裝座51之第二架體53會受到輸出軸37之驅動而開始轉動，並在轉動的過程中透過該些彈性件54而帶動安裝座51之第一架體52，如此即能使關節座40隨著安裝座51一起轉動。

為了維持關節座40在轉動時的穩定性，本發明更提供一旋轉阻尼器80，由於旋轉阻尼器80為習知技術，為了節省篇幅，在此容不贅述其細部結構與動作原理。再如第2及7圖所示，旋轉阻尼器80在安裝時係鎖設於關節座40之套環部41的端面且藉由一連接軸82插接於固定座20之第二固定板22的矩形孔24內，以完成安裝而能對關節座40提供阻尼效果，其中的連接軸82同軸對應於減速機32之轉軸34。

如第2及4圖所示，第一肢體承靠單元60具有一第一承靠件61，第一承靠件61具有一第一承架62，第一承架62具有一第一橫板63、二第一橫板固定件64、一第一立板65，以及一第一立板固定件66，其中：第一橫板63具有一第一Y軸調整槽632，第一橫板固定件64可滑移地設於固定座 20之第二固定板22的X軸調整槽23內且固定於第一橫板63之一端，使得第一橫板63能進行前後方向的位置調整；第一立板65具有呈交錯排列之多數Z軸定位孔652與多數第一固定孔654，第一立板固定件66可滑移地設於第一橫板63之第一Y軸調整槽632內且可選擇地固定於第一立板65之其中一個Z軸定位孔652內，使得第一立板65能進行左右方向與上下方向的位置調整。此外，第一承靠件61更具有供上臂承靠之一第一夾環67，第一夾環67之內環面佈設有多數第一肌電訊號感應器84，各第一肌電訊號感應器84之一端穿過第一夾環67而固定於第一立板65之第一固定孔654內，以完成第一夾環67與第一立板65之間的固定。藉此，第一夾環67能夠配合使用者的需求而進行三軸式的位置調整。

如第2及5圖所示，第二肢體承靠單元70具有一第二承靠件71，第二承靠件71具有一第二承架72，第二承架72具有一延伸臂73、一握柄74、一L形立板75、二第二立板固定件76、一第二橫板77，以及一第二橫板固定件78，其中：延伸臂73之一端連接於關節座40之支撐臂42的末端，延伸臂73之另一端連接有一握柄74；L形立板75具有一第二Y軸調整槽752與二Z軸調整槽754，各第二立板固定件76可滑移地設於L形立板75之Z軸調整槽754內且固定於延伸臂73，使得L形立板75能進行上下方向的位置調整；第二橫板77具有呈交錯排列之多數X軸定位孔772與多數第二固定孔774，第二橫板固定件78可滑移地設於L形立板75之第二Y軸調整槽752內且可選擇地固定於第二橫板77之其中一 個X軸定位孔772內，使得第二橫板77能進行前後方向與左右方向的位置調整。此外，第二承靠件71更具有供前臂承靠之一第二夾環79，第二夾環79之內環面佈設有多數第二肌電訊號感應器86，各第二肌電訊號感應器86之一端穿過第二夾環79而固定於第二橫板77之第二固定孔774內，以完成第二夾環79與第二橫板77之間的固定。藉此，第二夾環79能夠配合使用者的需求而進行三軸式的位置調整。

若是針對前臂完全喪失功能的使用者來說，如第6至8圖所示，可以先藉由一控制器12控制馬達31進行正轉，此時馬達31的動力會經由減速機32傳遞至輸出軸37，再由輸出軸37傳遞至彈性單元50之安裝座51，使關節座40藉由彈性單元50之驅動而帶動第二肢體承靠單元70相對第一肢體承靠單元60往上抬升，在第二肢體承靠單元70將前臂抬升一段高度之後再控制馬達31進行反轉，使第二肢體承靠單元70將前臂放下，如此控制馬達31進行連續的正反轉即能對喪失功能的前臂達到復健效果。

假如前臂仍保有些微運動能力，使用者可以選擇對控制器12執行一助力模式或一阻力模式。在助力模式中，使用者需要自行施力將第二肢體承靠單元70往上抬升，此時的第一、第二肌電訊號感應器84、86會開始擷取上臂及前臂的肌電訊號，並將所擷取到的肌電訊號傳遞至控制器12內進行判斷，一旦控制器12判斷使用者的前臂力量不足時會控制馬達31進行正轉，使馬達31的動力能夠透過彈性單元50之彈性件54來幫助使用者的前臂將第二肢體承靠單元70順利 往上抬升，如此的反覆操作即能改善前臂的運動功能。

另外在阻力模式中，控制器12會控制馬達31進行反轉，使馬達31的輸出動力透過彈性單元50之彈性件54對第二肢體承靠單元70施予一定程度的阻力，此時的使用者必須要克服此一阻力才能順利完成前臂的抬升，以達到復健運動的效果。然而控制器12亦會隨時根據第一、第二肌電訊號感應器84、86所擷取到的肌電訊號來調整馬達31之輸出動力，以提供適當的阻力大小。

在此需要加以補充說明的是，為了讓馬達31所輸出的動力能夠精確地傳遞至關節座40，本發明更提供一旋轉編碼器90與一旋轉電位計92，如第2及7圖所示，其中的旋轉編碼器90安裝於馬達31，用以量測馬達31之驅動軸312的旋轉量，旋轉電位計92穿經輸出軸37，而且，旋轉電位計92之一端固定於轉軸34內，旋轉電位計92之另一端固定於連接軸82內，用以量測轉軸34與連接軸82之間的角度變化量。藉此，控制器12會針對旋轉編碼器90的量測結果與旋轉電位計92的量測結果進行比較，並根據兩者之間的差異而對馬達31之驅動軸312的旋轉量進行修正，以提升整體機構的運轉精度。

綜上所陳，本發明之感應式力量回饋機構10藉由馬達31所輸出之輔助動力至彈性單元50，使各彈性件54利用本身的變形來達到力量控制的效果，並配合第一、第二肌電訊號感應器84、86所感應的肌電訊號來判斷肌肉的動作，同時整合旋轉阻尼器80的阻尼效果，以提升復健效果與 維持作動穩定性。

21‧‧‧第一固定板

22‧‧‧第二固定板

23‧‧‧X軸調整槽

24‧‧‧矩形孔

25‧‧‧桿件

31‧‧‧馬達

312‧‧‧驅動軸

32‧‧‧減速機

33‧‧‧第一傳動輪

34‧‧‧轉軸

35‧‧‧第二傳動輪

36‧‧‧傳動帶

37‧‧‧輸出軸

40‧‧‧關節座

41‧‧‧套環部

42‧‧‧支撐臂

50‧‧‧彈性單元

63‧‧‧第一橫板

64‧‧‧第一橫板固定件

65‧‧‧第一立板

67‧‧‧第一夾環

73‧‧‧延伸臂

74‧‧‧握柄

75‧‧‧L形立板

79‧‧‧第二夾環

80‧‧‧旋轉阻尼器

82‧‧‧連接軸

84‧‧‧第一肌電訊號感應器

90‧‧‧旋轉編碼器

92‧‧‧旋轉電位計

Claims (10)

1. 一種感應式力量回饋機構，包含有：一固定座；一驅動單元，具有一設於該固定座之馬達、一設於該固定座且連接該馬達之減速機，以及一連接該減速機之輸出軸；一關節座，具有一套環部與一支撐臂，該套環部可轉動地接設於該驅動單元之減速機且套設於該驅動單元之輸出軸，該支撐臂自該套環部之外環面徑向地往外延伸；一彈性單元，具有一安裝座與多數設於該安裝座之彈性件，該安裝座套接於該驅動單元之輸出軸且連接於該關節座之套環部的內環面；一第一肢體承靠單元，具有一第一承靠件與至少一第一肌電訊號感應器，該第一承靠件設於該固定座，該第一肌電訊號感應器設於該第一承靠件；以及一第二肢體承靠單元，具有一第二承靠件與至少一第二肌電訊號感應器，該第二承靠件設於該關節座之支撐臂，該第二肌電訊號感應器設於該第二承靠件。
2. 如請求項1所述之感應式力量回饋機構，其中該馬達具有一驅動軸，該減速機藉由一轉軸設於該固定座，該驅動單元更具有一第一傳動輪、一第二傳動輪，以及一傳動帶，該第一傳動輪連接該馬達之驅動軸，該第二傳動輪連接該傳動軸之一端，該傳動帶繞設於該第一、第二傳動輪。
3. 如請求項2所述之感應式力量回饋機構，更包含有一旋轉電位計，該旋轉電位計穿經該驅動單元之輸出軸，該旋轉電位計之一端固定於該減速機之轉軸內，該旋轉電位計之另一端固定於該連接軸內。
4. 如請求項1所述之感應式力量回饋機構，其中該彈性單元之安裝座具有二第一架體與一第二架體，各該第一架體固定於該關節座之套環部的內環面，該第二架體介於該二第一架體之間且具有一套接該輸出軸之軸孔，該第二架體的高度大於各該第一架體的高度，該第二架體之頂端與各該第一架體之頂端之間連接有一該彈性件，該第二架體之底端與各該第一架體之底端之間連接有一該彈性件。
5. 如請求項1所述之感應式力量回饋機構，其中該第一承靠件具有一第一承架與一第一夾環，該第一承架設於該固定座，該第一夾環之外環面設於該第一承架，該第一夾環之內環面設有該第一肌電訊號感應器。
6. 如請求項5所述之感應式力量回饋機構，其中該固定座具有一X軸調整槽，該第一承架具有一第一橫板、一第一橫板固定件、一第一立板，以及一第一立板固定件，該第一橫板具有一Y軸調整槽，該第一橫板固定件可滑移地設於該固定座之X軸調整槽內且固定於該第一橫板之一端，該第一立板連接於該第一夾環之外環面且具有多數Z軸定位孔，該第一立板固定件可滑移地設於該第一橫板之Y軸調整槽內且可選擇地固定於該第一立板之其中一該Z軸定位孔內。
7. 如請求項6所述之感應式力量回饋機構，其中該第一立板更具有多數第一固定孔，該些第一固定孔與該些Z軸定位孔之間呈交錯排列，該第一夾環之內環面設有多數該第一肌電訊號感應器，各該第一肌電訊號感應器之一端穿經該第一夾環且固定於該第一立板之一該第一固定孔內。
8. 如請求項1所述之感應式力量回饋機構，其中該第二承靠件具有一第二承架與一第二夾環，該第二承架設於該關節座之支撐臂，該第二夾環之外環面設於該第二承架，該第二夾環之內環面設有該第二肌電訊號感應器。
9. 如請求項8所述之感應式力量回饋機構，其中該第二承架具有一延伸臂、一握柄、一L形立板、一第二立板固定件、一第二橫板，以及一第二橫板固定件，該延伸臂之一端連接於該關節座之支撐臂的末端，該延伸臂之另一端設有該握柄，該L形立板具有一Y軸調整槽與一Z軸調整槽，該第二立板固定件可滑移地設於該L形立板之Z軸調整槽內且固定於該延伸臂，該第二橫板連接於第二夾環之外環面且具有多數X軸定位孔，該第二橫板固定件可滑移地設於該L形立板之Y軸調整槽內且可選擇地固定於該第二橫板之其中一該定位孔內。
10. 如請求項9所述之感應式力量回饋機構，其中該第二橫板更具有多數第二固定孔，該些第二固定孔與該些X軸定位孔之間呈交錯排列，該第二夾環之內環面設有多數該第二肌電訊號感應器，各該第二肌電訊號感應器之一端穿經該第二夾環且固定於該第二橫板之一該第二固定孔內。