TWI607926B - 位移設備及動力輔助系統 - Google Patents

Description

位移設備及動力輔助系統

本發明係有關於一種動力系統，尤指一種位移設備之動力輔助系統。

一般位移設備如腳踏車、輪椅、嬰兒車或手推車等，原本是以腳或手的人力方式移動該位移設備，在承載重量較重或是上斜坡時需耗費極大體力，致使過度使用下肢或手臂，而在下坡時則以機械方式煞車將機械動能轉換成無法回收的熱能。因此，該位移設備在這些使用情境常有效能不佳與能量浪費的缺點。

於是，遂發展出如電動輔助腳踏車或電動輔助輪椅之輔助動力位移設備。在此類設備中，改以電動馬達取代其驅動輪，藉由感測器偵測腳踏或手推的作用力，再命令該驅動器經由馬達驅動放大倍數之作用力，進而達到輔助推進之效果，特別是上斜坡的狀況。再者，該輔助動力位移設備可經由連接電腦，以自由調整作用力放大的倍數。又，可利用開關或加入電子油門，以隨時轉變為一般人力式或全電力式位移設備，而節省電力或人力。

惟，習知電動輔助腳踏車與電動輔助輪椅中，多使用力量/扭力感測器感測人力之作用，不僅器材昂貴，且不易有效轉換作用力(即誤差大)，校正困難不易量產，並且需耗費工程資源，例如，需要變更位移設備機構以安置該力量/扭力感測器，才能作有效地人力作用偵測。

另外，習知電動輔助腳踏車或輪椅等位移設備亦有利用單軸加速規作為水平儀，以偵測輪椅之水平傾斜角度。使用時，該加速規輸出訊號至該電動馬達，故可針對不同的坡度以提供一輔助動力而抵消重力，故可使該位移設備於斜坡使用時的人力要求與平地相同。

惟，加速規係以重力加速度於斜坡上的分量用以偵測水平傾斜角度時，若位移設備處於加減速狀態或有路面顛坡時，所導致的加速度亦會被加速規所量測到，造成水平傾斜角度訊號與加速度訊號之間的混淆。一般的應用多假設加速度的頻率較高而水平傾斜角度較低，而以低通濾波的訊號處理器將水平傾斜角度個別濾出，但濾出之水平傾斜角度會有時間延遲導致延遲取得角度之訊號，以致於電動輔助腳踏車或輪椅等位移設備輪椅剛進入上坡路段時沒有輔助效果，且輪椅剛進入或離開下坡路段時會發生暴衝情況。

再者，雖有他人提出以訊號融合的方式結合單軸加速規的加速度輸出與單軸陀螺儀之絕對角速度來降低水平傾斜角度感測的時間延遲，但此種方式仍無法完全消除位移設備前進加時之減速度的干擾，且在位移設備有大角度變 化或進行多自由度運動(如輪椅/腳踏車在行進時兼有側傾或轉彎)時，訊號融合會因非線性與動態耦合的影響呈現頗大的誤差。

因此，如何避免習知技術之種種問題，實已成目前亟欲解決的課題。

鑑於上述習知技術之缺失，本發明係提供一種動力輔助系統，其利用動力學之動態分析進行慣量補償、阻尼補償及重力補償，以達成省力之目的，且只需運用如馬達轉速感測裝置以及廣泛應用於消費電子產品的多軸加速規與多軸陀螺儀等裝置，而此類感測裝置不僅易於獲得且不需做任何機構改裝即可直接固定擺放於位移設備上，價格亦較便宜。因此，當該動力輔助系統應用至如輪椅、腳踏車、嬰兒車與手推車等位移設備時，該位移設備不需使用力量感測器，即可達到優異的電動輔助效果。

本發明係提供一種動力輔助系統，係包括：至少一動力裝置，係包含相連動之馬達與驅動器；感測裝置，係包含馬達轉速感測裝置，多軸加速規與多軸陀螺儀，以偵測馬達轉速度、位移設備的加速度(包含重力加速度)與絕對角速度；以及訊號處理裝置，係連接該動力裝置與感測裝置，以處理該感測裝置之訊號，計算得精準且低延遲的位移設備速度、加減速度(不包含重力加速度)與水平絕對傾角，而由該動力裝置對位移設備產生阻尼補償、慣量補償與重力補償。

再者，本發明復提供一種位移設備，係包括：位移裝置，係具有至少一輪體；至少一動力裝置，係連接該輪體，且該動力裝置係包含相連動之馬達與驅動器；感測裝置，係包含馬達轉速感測裝置，多軸加速規與多軸陀螺儀，以偵測馬達轉速度、位移設備的加速度(包含重力加速度)與絕對角速度；以及訊號處理裝置，係連接該動力裝置與感測裝置，以處理該感測裝置之訊號，計算得精準且低延遲的位移設備速度、加減速度(不包含重力加速度)與水平絕對傾角，而由該動力裝置對位移設備產生阻尼補償、慣量補償與重力補償。

前述之位移設備中，該感測裝置所偵測之加速度係為該位移裝置於位移時之含重力加速度的整體加速度，而該訊號處理裝置處理該感測裝置之訊號以計算該位移裝置於位移時之不含重力加速度的運動加速度。

前述之位移設備中，該位移裝置主要由人力手動或腳踏推動輪體式，動力輔助來自電動馬達且該馬達係設於該輪體上，以使該馬達與輪體構成輪鼓馬達。

前述之動力輔助系統及位移設備中，該訊號處理裝置係連接該驅動器，且該訊號處理裝置係為數位型。

前述之動力輔助系統及位移設備中，復包括至少一電源裝置，係電性連接該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置，以作為該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置之電源。

由上可知，本發明之動力輔助系統及位移設備係藉由人力手動或腳踏方式轉動該輪鼓馬達以達成移動之目的，且利用對感測裝置的訊號處理，來控制馬達的輸出力矩，藉以達到慣量、阻力與重力的補償，進而達到輔助力量之目的。

舉例而言，本發明之位移設備可應用於習知手動式輪 椅或腳踏車之輪體改良為輪鼓馬達，以成為電動輔助輪椅或電動輔助腳踏車。當使用者在推動輪椅或腳踏車行進時，可對多軸加速規、(多軸)陀螺儀與輪轂馬達中之轉速感測裝置(通常為磁性霍爾感測器)的訊號作處理，計算得精準且低延遲的速度、加減速度與水平絕對傾角，再對該輪鼓馬達施以控制，以於平地上進行慣量補償及阻尼補償，於斜坡增加重力補償。相較於習知手動式輪椅或腳踏車，由於電動馬達進行慣性補償之故，使用者可感覺較低的慣性而能以省力的方式對輪椅或腳踏車作加減速；由於阻力補償之故，其感受到的地面阻力也較低，故使用時不會感到費力；再者，由於重力補償之故，輪椅或腳踏車在斜坡上總重所受之重力分力可被精準算出，透過馬達力矩的控制可使爬坡時，使用者會感到非常省力，且於下坡路段時，該重力補償因可提供阻力而使位移設備不會產生太快的加速度。

又，應用本發明之輪椅或腳踏車於下坡路段時所產生之阻力的電流回充，可將輪椅或腳踏車的動能轉化為電能，而將電能回收，以供給所需動力輔助之電能，使該電動輔助輪椅或電動輔助腳踏車之使用時間更長。

另外，本發明可應用於輔助任何以人力作動的輪式位移設備，不限於上述。

2,3‧‧‧位移設備

20,30‧‧‧位移裝置

200,300‧‧‧輪體

201‧‧‧椅座

202‧‧‧椅背

203‧‧‧把手

21‧‧‧動力裝置

210‧‧‧馬達

210’‧‧‧輪鼓馬達

220‧‧‧驅動器

23‧‧‧感測裝置

24‧‧‧訊號處理裝置

25‧‧‧電源裝置

301‧‧‧車體

34‧‧‧模組

36‧‧‧調整器

第1圖係為本發明之位移設備之立體前視圖；第2圖係為本發明之位移設備之後視圖； 第3圖係為習知技術之無阻尼補償之角速度與時間之曲線圖；第4圖係為本發明之有阻尼補償之角速度與時間之曲線圖；第5A圖係為習知技術之無慣量補償之角速度與時間之曲線圖；第5B圖係為本發明之有慣量補償之角速度與時間之曲線圖；第6圖係為本發明之有阻尼補償與慣量補償與習知技術之無阻尼補償與慣量補償的角速度與時間之曲線圖；第7A及7B圖係為第1圖之訊號處理裝置利用雙軸加速規與單軸陀螺儀訊號進行計算之示意圖；第8圖係為本發明之訊號處理裝置的訊號處理方法；第9圖係為本發明之訊號處理方法的數據與習知訊號處理方法的數據之曲線圖；第10A圖係為本發明之位移設備之另一實施例之立體圖；第10B及10C圖係為第10A圖之訊號處理裝置利用三軸加速規與雙軸陀螺儀訊號進行計算之示意圖；以及第11圖係為本發明之訊號處理裝置的另一訊號處理方法。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地 瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上”、“左”、“右”、及“一”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

第1及2圖係為本發明之位移設備2之立體前視圖及後視圖。如第1及2圖所示，所述之位移設備2係為電動輔助輪椅，其包括：一位移裝置20以及一動力輔助系統。

所述之位移裝置20係具有一椅座201、設於該椅座201左、右兩側之兩輪體200、立設於該椅座201後方之椅背202，以形成一習知輪椅構造。

於本實施例中，該位移裝置20係為人力式輪椅，故於該椅背202之左、右兩側分別設有一把手203，以供使用者推動該位移裝置20；於其它實施例中，患者亦可自行轉動該些輪體200，以令該位移裝置20運動。

所述之動力輔助系統係包括：兩組馬達210、兩組驅動器220、一組感測裝置23、一組訊號處理裝置24、以及 一組電源裝置25。

所述之馬達210係設於該輪體200之軸心上，使單一該馬達210與單一該輪體200構成單一輪鼓馬達210’。

於本實施例中，該馬達210係具有霍爾感測器，且該輪鼓馬達210’係為輪鼓馬達。

所述之驅動器220係電性連接該馬達210，以驅動該馬達210，且該馬達210與驅動器220係構成一動力裝置21。

於本實施例中，該驅動器220係為具有電流感測器之直流無刷馬達驅動器，其設於該椅座201下方，且該驅動器220係用以提供該馬達210之轉速與力矩之控制、及該馬達210之轉子角度與電流之量測。

所述之感測裝置23係包含多軸加速規與陀螺儀(可為單軸或多軸)，以作為慣性感測器，其可偵測該位移裝置20於位移時之加速度(包含重力加速度)與絕對角速度訊號，這些訊號經該訊號處理裝置24運算後傳回有關該位移裝置20即時的加減速度與水平傾斜角度資訊，以供該馬達210控制之用。

於本實施例中，該感測裝置23係設於該椅座201下方。當該位移設備2運動時，利用該感測裝置23量測資訊連同該馬達210之霍爾感測器訊號經該訊號處理裝置24計算後回授至該馬達210，以提供額外力矩作為輔助動力源而輔助人力，使輪椅不論於平地或斜坡上運動時，由於該輪鼓馬達210’亦提供額外力矩，以達到省力之目的。

所述之訊號處理裝置24係電性連接該驅動器220與感測裝置23，以處理該感測裝置23與該馬達210之霍爾感測器之訊號而調整該輪鼓馬達210’之運動。

於本實施例中，該訊號處理裝置24係包含一組數位訊號處理器，以控制主要運作單元及訊號處理、擷取等，且該訊號處理裝置24係設於該椅座201下方。

所述之電源裝置25係電性連接該驅動器220、訊號處理裝置24及感測裝置23，以作為該驅動器220、訊號處理裝置24及感測裝置23之電源。

於本實施例中，該電源裝置25係包含充電電池，且該電源裝置25係設於該椅背202之後面，例如，設於該椅背202之後面之置物袋中。

另外，有關本發明之動力輔助系統所需使用之電線係可依需求佈設與牽引，故於圖式中不再繪示，特此述明。

本發明之動力輔助系統及位移設備2係利用感測裝置23中的多軸加速規及陀螺儀以及該驅動器220所提供的馬達210之霍爾感測器之轉速訊號，藉由該訊號處理裝置24計算出精確且延遲低的位移設備加速度、水平傾斜角度，搭配該馬達210之霍爾感測器之轉速訊號可提供慣性、阻力與重力的補償。具體地，從動力學分析出本發明之位移裝置2於動作時的動態方程式，如下：ma=F_m+F_ext-F_f-Bv-F_g

m：位移設備(含乘坐者)質量

a：位移設備加速度

F_m：馬達所提供的推力

F_ext：使用者所施的力

F_f：摩擦造成的力

B：阻尼常數

ν：輪體角速度

F_g=mgsin θ：重力在位移設備前進方向的分力

g：重力加速度

θ：斜坡角度

有關阻尼補償方面，藉由該馬達之210霍爾感測器之轉速訊號之感測回授，以提供輔助力，而抵抗阻力，藉以避免過度使用人力。由該動態方程式可知，針對Bv之變化，藉由回傳車速(由馬達轉速量得)ν使得F_m=Kν，以抵銷由Bv所造成的阻力，而達成前進時間持續較久，其中，K係為增益常數(gain constant)，其數值略小於B。如第3及4圖之比較，第3圖係習知技術之無阻尼補償之輪體角速度與時間之曲線圖，第4圖係本發明之有阻尼補償之角速度與時間之曲線圖，故明顯可知，於相同使用者人力F_ext下，本發明之位移設備前進時間約多了一倍。

有關慣量補償方面，係利用該訊號處理裝置24計算出精確且延遲低的位移設備加速度資訊回授至該馬達210以提供輔助，此方式如同降低輪椅本身的慣量，以用較少的力量達到相同的速度。由該動態方程式可知，藉由回傳位移設備加速度資訊a，並使F_m=½ma，則該動態方程式可改寫成(½m)a=F_ext-F_f-Bv-F_g，相當於慣性減半，故 當施以相同力量時可達到兩倍的速度。如第5A及5B圖之比較，第5A圖係習知技術之無慣量補償之輪體角速度與時間之曲線圖，第5B圖係本發明之有慣量補償之輪體角速度與時間之曲線圖，故明顯可知，於相同F_ext下，本發明之位移設備2之角速度增加較快且前進時間較久。

再者，第6圖係本發明之同時有阻尼補償與慣量補償之曲線S1與習知技術之無阻尼補償與慣量補償的角速度與時間之曲線S2的比較，明顯可知，於相同F_ext下，本發明之位移設備2之角速度較快且前進時間較久。

又，有關重力補償方面，該訊號處理裝置24計算出精確且延遲低的位移設備水平傾斜角度資訊後，回授至該馬達210以提供輔助，以便於該位移設備2進行上坡運動時，可提供使用者助力，令使用者推動該位移設備2較輕鬆，且於該位移設備2進行下坡運動時，可提供使用者阻力，以降低危險。由該動態方程式可知，藉由加速規及陀螺儀回傳斜坡角度θ，使得F_m=F_g=mgsin θ，以抵銷在斜坡上由重力所造成的阻力，令使用者於斜坡上可較輕鬆的前進。

下表係為本發明與習知電動輔助位移設備之比較：

第7A及7B圖說明訊號處理裝置24如何利用雙軸加速規與單軸陀螺儀訊號計算出精確且延遲低的位移設備加速度、水平傾斜角度。第7A圖顯示當輪椅在斜坡(水平傾斜角度θ)以加速度a前進時，雙軸加速規分別對正相對應輪椅(即該位移設備2)的前進方向X_m與垂直方向Z_m。由第7B圖可得X_m方向與Z_m方向之加速規訊號分別為：a_Xm=gsin θ+a；a_Zm=gcos θ；此時，再搭配單軸陀螺儀所量測的絕對角速度ω_Ym=θ^’，利用第8圖所示的訊號處理方法即可從a_Xm、a_Zm與ω_Ym得出精確且延遲低的位移設備加速度與水平傾斜角度之訊號。基本上，第8圖所示的訊號處理方法為一非線性多軸 的互補濾波器(complimentary filter)。先將a_Zm與ω_Ym相乘後，將此訊號乘以一增益(即1/α)，再與a_Xm作互補低通濾波(即訊號α/(s+α))，之後以非線性幾何轉換(Nonlinear Geometry Computation)分別獲得位移設備加速度與水平傾斜角度，可使所得結果時間延遲低並降低幾何非線性所導致的誤差。第9圖的實驗數據顯示本方法所量得的水平傾斜角(訊號g)、與直接用單一加速規所量得的角度(訊號b)、及將單一加速規所量得的角度作低通濾波降低雜訊(訊號r)相比較後，本方法的水平傾斜角之訊雜比高且時間延遲低。

又，本發明可應用於輔助任何以人力作動的輪式位移設備如腳踏車、手推車與嬰兒車等，不限於電動輔助輪椅。第10A圖係為本發明之位移設備3之另一實施例。

於本實施例中，該位移設備3係為電動腳踏車，該位移裝置30係具有一車體301、及設於該車體301前、後兩側之兩輪體300，以形成一習知腳踏車構造。再者，該動力輔助系統係包括：兩組輪鼓馬達210’、設於該車體301上之一模組34(含有馬達驅動器、訊號處理裝置與控制器)、一感測裝置23及電源裝置25，且該電源裝置25係為磷酸鋰鐵電池。另外，有關本發明之動力輔助系統所需使用之電線係可依需求佈設與牽引，故於圖式中不再繪示，特此述明。

於使用時，由於腳踏車有較劇烈的側傾動態，如第10B及10C圖所示，需使用三軸加速規量測加速度a_Xm、a_Zm與 a_Ym，且使用雙軸陀螺儀量測縱搖(pitch)的絕對角速度ω_Ym與側滾(roll)的絕對角速度ω_Zm。再者，三軸加速規分別對正相對應腳踏車的前進方向X_m、垂直方向Z_m與側方向Y_m。當腳踏車側傾角度ψ且在斜坡(水平傾斜角度θ)移動時，並以加速度a前進，角速度ψ^’作轉彎時，由第10B圖可得三軸加速規之訊號分別為：a_Xm=gsin θ+a；a_Ym=gsin ψ；a_Zm=gcos θ；而雙軸陀螺移量測之絕對角速度分別為：ω_Ym=θ cos ψ+ψ sin ψ；ω_Zm=-θ sin ψ+ψ cos ψ；之後，利用第11圖所示的訊號處理方法即可從a_Xm、a_Zm、a_Ym、ω_Ym與ω_Zm等數值得出精確且延遲低的位移設備3之加速度、水平傾斜角度與側傾角度之訊號。基本上，第11圖所示的訊號處理方法為第8圖的應用，係將互補濾波器擴展至三度空間，再經過非線性幾何轉換分別獲得位移設備之加速度、水平傾斜角度與側傾角度，可使所得結果時間延遲低並降低幾何非線性所導致的誤差。

因此，若位移設備於轉彎時不易側傾(如輪椅、嬰兒車)，則採用如第8圖之訊號處理方法；若於轉彎時易側傾(如腳踏車)，則採用如第11圖之訊號處理方法。

另外，本發明復包括調整器36(如第10A圖所示)，係將電子訊號藉由有線或無線方式傳送至該訊號處理裝置 24，以調整該阻尼補償、慣量補償與重力補償，例如，轉動(如第10A圖所示之箭頭方向S)電位計旋紐或握把產生電子訊號傳送至該訊號處理裝置24。因此，所產生之阻尼補償、慣量補償與重力補償的多寡，可由使用者以有線或無線方式將電子訊號傳送至該訊號處理裝置調整之。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

2‧‧‧位移設備

20‧‧‧位移裝置

200‧‧‧輪體

201‧‧‧椅座

202‧‧‧椅背

203‧‧‧把手

210‧‧‧馬達

210’‧‧‧輪鼓馬達

23‧‧‧感測裝置

Claims (14)

1. 一種動力輔助系統，係提供輔助動力至一人力式位移裝置，該動力輔助系統包括：至少一動力裝置，係包含相連動之馬達與驅動器；感測裝置，係包含轉速感測器、多軸加速規與陀螺儀，以偵測該位移裝置之加速度、該位移裝置之角速度與該馬達之轉速；以及訊號處理裝置，係連接該動力裝置與感測裝置，以處理該感測裝置之訊號，以將處理後之訊號對該動力裝置產生阻尼補償、慣量補償與重力補償。
2. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，其中，該訊號處理裝置係連接該驅動器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，其中，該訊號處理裝置係為數位型，以轉換該感測裝置之訊號為數位訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，其中，該訊號處理裝置係利用該多軸加速規與該陀螺儀以非線性互補濾波方法計算得傾斜角度之訊號與另一加速度之訊號。
5. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，復包括調整器，係將電子訊號藉由有線或無線方式傳送至該訊號處理裝置，以調整該阻尼補償、慣量補償與重力補償。
6. 如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，復包括 至少一電源裝置，係電性連接該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置，以作為該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置之電源。
7. 一種位移設備，係包括：人力式位移裝置，係具有至少一輪體；以及如申請專利範圍第1項所述之動力輔助系統，其動力裝置係連接該輪體，且該感測裝置所偵測之速度、角速度與加速度係為該位移裝置於位移時之速度、絕對角速度與加速度，而該訊號處理裝置處理該感測裝置之訊號以計算該位移裝置於位移時之速度、傾斜角度與加速度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，其中，該感測裝置所偵測之加速度係為該位移裝置於位移時之含重力加速度的整體加速度，而該訊號處理裝置處理該感測裝置之訊號以計算該位移裝置於位移時之不含重力加速度的運動加速度。
9. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，其中，該訊號處理裝置係連接該驅動器，以對該位移裝置進行阻尼補償、慣量補償與重力補償。
10. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，其中，該馬達設於該輪體上，以使該馬達與輪體構成輪鼓馬達。
11. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，其中，該訊號處理裝置係為數位型。
12. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，其中，該訊 號處理裝置係利用該多軸加速規與該陀螺儀以非線性互補濾波方法計算得另一傾斜角度之訊號與另一加速度之訊號。
13. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，復包括調整器，係將電子訊號藉由有線或無線方式傳送至該訊號處理裝置，以調整該阻尼補償、慣量補償與重力補償。
14. 如申請專利範圍第7項所述之位移設備，復包括至少一電源裝置，係電性連接該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置，以作為該動力裝置、訊號處理裝置及感測裝置之電源。