一种手持工具，其包括用于由用户保持的手柄、构造成连接到用户辅助装置的从该手柄延伸的连接臂，安装到连接臂上的第一惯性测量单元(“IMU”)以获取用于辅助装置的动作或取向的一个或多个的测量值并产生表示该测量值的反馈数据，连接的致动器组件以通过该连接臂在至少两个正交维度上操纵该用户辅助装置，以及连接的动作控制系统，以接收来自第一IMU的反馈数据并连接以向致动器组件提供指令以在用户操纵该手持工具时提供用户辅助装置对参考框架的自动调平。
自该手柄延伸的连接臂，该连接臂适于机械耦接到用户辅助装置；
第一惯性测量单元(“IMU”)，其安装在所述连接臂上以获取用户辅助装置的动作或取向的一个或多个测量值并产生表示该测量值的反馈数据；
致动器组件，其适于机械连接到所述用户辅助装置以通过该连接臂在至少两个维度上操纵该用户辅助装置，其中，所述致动器组件包括：第一致动器；以及
第二致动器，其中，所述第一致动器设置在手柄中，而所述第二致动器设置在所述手柄的外部；以及动作控制系统，其被连接以接收来自第一IMU的反馈数据并被连接以向致动器组件提供指令以在用户操作该手持工具时提供用户辅助装置对参考系的自动调平。
2.根据权利要求1所述的手持工具，其中所述致动器组件被连接以相对于手柄围绕两个旋转轴操作该用户辅助装置。
4.根据权利要求1所述的手持工具，其中，所述第一IMU刚性安装到所述连接臂。
5.根据权利要求3所述的手持工具，其中所述致动器组件进一步包括：第一连接部，其将来自第一致动器的翻转动作输出机械连接到第二致动器，其中第一致动器被连接以通过经由第一连接部翻转第二致动器而翻转所述连接臂；以及第二连接部，其将来自第二致动器的俯仰动作输出机械连接到连接臂。
6.根据权利要求5所述的手持工具，其中，所述第二连接部在所述手柄的外部。
第一位置传感器，其连接以监控第一致动器的第一输出的第一相对位置；以及第二位置传感器，其连接以监控第二致动器的第二输出的第二相对位置，其中第一和第二位置传感器连接以将位置信息反馈给动作控制系统。
系统控制器，该系统控制器设置在手柄内并连接以从第一和第二位置传感器收集位置信息并将该位置信息记录到日志中；以及通信接口，该通信接口连接到系统控制器以输出来自手持工具的日志。
9.根据权利要求2所述的手持工具，其中动作控制系统进一步连接到致动器组件以围绕两个旋转轴操纵致动器组件以对用户辅助装置提供人类颤抖稳定。
10.根据权利要求1所述的手持工具，进一步包括电源，该电源连接成给致动器组件和动作控制系统供电，其中该电源、动作控制系统、以及致动器组件的至少一部分设置在手柄内。
11.根据权利要求1所述的手持工具，其中该用户辅助装置包括吃饭器具或喝水器具中的任一个。
12.根据权利要求1所述的手持工具，其中该用户辅助装置包括指示装置、修饰工具、个人卫生工具、或职业工具中的一个。
第二IMU，该第二IMU刚性连接到手柄上以在用户保持并使用该手持工具时测量人类颤抖。
14.至少一个机器可存取存储介质，其提供指令，当该指令被手持工具执行时，将促使手持工具执行如下操作，包括：使用惯性测量单元(“IMU”)测量安装在手持工具远端的用户辅助装置的动作或取向的至少一个；
利用至少部分设置在手持工具手柄内的动作控制系统实时监控该反馈数据；以及利用动作控制系统控制致动器组件，其中该致动器组件连接以在至少两个正交维度上操纵该用户辅助装置以在用户操纵手持工具时，提供用户辅助装置对参考系的自动调平，其中，所述致动器组件包括第一致动器和第二致动器，且其中所述第一致动器设置在所述手柄内，而所述第二致动器设置在所述手柄的外部。
15.根据权利要求14所述的至少一个机器可存取存储介质，其中该至少两个正交维度包括两个旋转轴，其包括俯仰轴和翻转轴。
16.根据权利要求15所述的至少一个机器可存取存储介质，其中利用动作控制系统控制致动器组件以提供自动调平包括：基于参考系产生误差矢量，其表示用户辅助装置距参考矢量的位置偏差；
至少部分基于该误差矢量，产生围绕俯仰轴操纵致动器组件的俯仰指令以及围绕翻转轴操纵致动器组件的翻转指令。
17.根据权利要求16所述的至少一个机器可存取存储介质，其中该IMU包括陀螺仪以及加速度计，其中该反馈数据包括陀螺仪反馈数据以及加速度计反馈数据，且其中利用动作控制系统控制致动器组件以提供自动调平进一步包括：利用陀螺仪反馈数据更新所述误差矢量；以及
在利用加速度计反馈数据更新所述误差矢量之前，低通滤波该加速度计反馈数据。
18.根据权利要求15所述的至少一个机器可存取存储介质，进一步提供指令，当该指令被手持工具执行时，将促使手持工具执行进一步的操作，包括：利用动作控制系统围绕两个旋转轴控制致动器组件以提供用户辅助装置的人类颤抖稳定。
19.根据权利要求18所述的至少一个机器可存取存储介质，其中利用动作控制系统围绕所述两个旋转轴控制致动器组件以提供人类颤抖稳定包括：在没有低通滤波加速度计反馈数据的情况下使用从IMU的加速度计输出的加速度计反馈数据为人类颤抖稳定提供反馈控制。
20.根据权利要求15所述的至少一个机器可存取存储介质，进一步提供指令，当该指令被手持工具执行时，将促使该手持工具执行进一步的操作，包括：从连接的一个或多个位置传感器收集位置信息以监控致动器组件相对于该两个旋转轴的位置；
21.根据权利要求14所述的至少一个机器可存取存储介质，进一步提供指令，当该指令被手持工具执行时，将促使手持工具执行进一步的操作，包括：随着时间调节由致动器组件提供的用户辅助装置的自动调平的量，作为训练计划或治疗计划的一部分用于治疗用户。
22.根据权利要求21所述的至少一个机器可存取存储介质，其中由致动器组件提供的自动调平的量随着时间减小，作为治疗计划的一部分。
23.根据权利要求14所述的至少一个机器可存取存储介质，其中电源设置在该手持工具的手柄内并连接以对致动器组件以及动作控制系统供电且其中该用户辅助装置包括吃饭器具或杯子保持器中的任一个。
用于调平不协调动作的手持工具
技术领域
[0001] 本申请一般地涉及用于调平(leveling)或稳定肌肉运动的工具。
背景技术
[0002] 行动不良是身体部分，通常是肢体的部分或全部功能丧失。这通常由肌肉虚弱、持久力贫乏、或缺乏行动控制引起。其通常是诸如帕金森病、ALS、中风、多发性硬化或大脑麻痹的神经紊乱的征兆。可用的技术(如果有效的话)很少以帮助行动不良或行动受限。作为结果，很多个人不能进行诸如自己喂饭的简单任务，迫使他们依赖护工。
附图说明
[0003] 参考以下附图描述非限定或不排他的实施例，其中除非另外说明，相似的附图标记在所有各个附图中指代相似的部件。附图不必须成比例，相反，重点放在举例说明描述的原理上。
[0004] 图1A为根据本公开的实施例的手持工具的透视图，其为用户辅助装置提供自动调平。
[0005] 图1B为根据本公开的实施例的手持工具的部分切掉透视图，其为用户辅助装置提供自动调平。
[0006] 图1C为根据本公开的实施例的手持工具的平面图，其为用户辅助装置提供自动调平。
[0007] 图1D为根据本公开的实施例的手持工具的侧视图，其为用户辅助装置提供自动调平。
[0008] 图2为根据本公开的实施例的功能结构图，其示出为用户辅助装置提供自动调平的手持工具的系统电路的部件。
[0009] 图3为根据本公开的实施例的功能结构图，其示出为手持工具的用户辅助装置提供自动调平的动作控制系统的部件。
[0010] 图4为根据本公开的实施例的手持工具的透视图，带有制作(fashioned)成保持用于喝水的杯子的用户辅助装置。
具体实施方式
[0011] 这里描述用于提供手持工具的用户辅助装置自动调平的装置、系统以及操作方法的实施例。在下面的描述中，提供很多特定细节以提供对多个实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员能够认识到，这里描述的技术可在不具有一个或多个特定细节，或使用其他方法、部件、材料等的情况下实施。在其他情况下，没有示出或详细描述熟知的结构、材料、或操作，以避免使某些方面不明显。
[0012] 在本申请全文中，提及“一个实施例”或“实施例”指与该实施例相关地描述的特定的特征、结构、或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，术语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本申请中通篇不同地方的出现不必须指同一个实施例。此外，特定的特征、结构或特性可在一个或多个实施例中以任意合适的方式合并在一起。
[0013] 对人类颤抖起帮助的技术已经发展，但它们不适合于人类颤抖在量级上过于极端，或由于缺乏肌肉控制行动不良导致踮脚走或跌倒的多种情况。使用惯性测量单元(“IMU”)的稳定平台已经为在军用和用于爱好者两者的相机(例如无刷云台(gimbal)控制器)研发。稳定的飞行控制器类似地在三维空间内稳定移动平台。然而，没有发现这些方案可行以结合进小型轻型手持工具，以帮助具有肌肉强度或肌肉控制限制的人们执行诸如吃饭、喝水、或其他的日常任务。此外，某些职业(例如外科手术领域)可从工具调平和/或稳定中获利，特别在高压力环境下，例如手术室或甚至移动的军队外科医院。
[0014] 附图1A-D图示了手持工具100，根据本申请的实施例，其能够自动调平，且在某些实施例中稳定，连接到手持工具100的端部的用户辅助装置105。图1A为手持工具100的透视图而图1B为部分切除透视图，图1C为平面图，而图1D为侧视图，所有均为手持工具100的同一实施例。手持工具100示出的实施例包括用户辅助装置105、连接臂110、致动器组件115、手柄120、以及系统电路。致动器组件115的示出的实施例包括致动器125、致动器130、连接部135、以及连接部140。系统电路包括调平IMU145、动作控制系统150、电源155、位置传感器(在图1A-D中未示出)、系统控制器160、系统存储器165、以及通信接口170。在一个实施例中，手持工具100也可包括颤抖IMU175。
[0015] 手持工具100为自动调平(且在一些实施例中颤抖稳定)平台，其可适于保持各种不同的用户辅助装置105。手持工具100使用电子致动器以及反馈控制系统提供了有效的调平。图1A-D以勺子示出用户辅助装置105，然而，用于辅助装置105可实施为很多不同的吃饭器具、喝水器具(例如在图4中见杯子保持装置400)、敷化妆品器、指示装置、多种职业工具(例如外科手术工具)，或其他。
[0016] 手持工具100的示出实施例包括设置在连接臂145上的调平IMU145，其刚性连接到用户辅助装置105以测量用户辅助装置105的动作及取向。调平IMU145向动作控制系统150输出代表测量到的动作以及取向的反馈数据。调平IMU145可利用陀螺仪以及加速度计实现，或甚至额外包括磁力计。在一个实施例中，调平IMU145为固态装置。
[0017] 在一个实施例中，动作控制系统150查询调平IMU145在给定时刻相对于用户辅助装置105的参考系(例如重力矢量)的线性加速度、角速度以及取向。然后动作控制系统150执行算法以评估用户辅助装置105在三维空间内(3D)相对于参考系的取向。重力相对于调平IMU(以及用户辅助装置105)主体框架的这个评估或评估矢量实时连续更新并用于产生用于实时驱动及控制致动器组件115的指令信号。在一个实施例中，指令信号包括翻转指令以及俯仰指令。
[0018] 致动器组件115连接到用户辅助装置105以在至少两个正交维度上操作用户辅助装置105。在这个示出的实施例中，该两个正交维度包括围绕俯仰轴180的旋转以及围绕翻转轴185的旋转。俯仰轴180正交于翻转轴185，其纵向延伸贯穿手柄120。在其他实施例中，该两个动作维度不需要正交。此外，在更另外的实施例中，可给致动器组件115增加额外的自由度，例如线性动作以及甚至横摆旋转。
[0019] 致动器组件115存在于手持工具100中以移动连接臂110并通过相对于手柄120延伸用户辅助装置105以自动调平，且在某些情况下，震颤稳定。如果用户辅助装置105相对于固定参考系(例如重力矢量)俯仰或翻转，动作控制系统150将指令致动器组件115在相反的方向移动用户辅助装置105以补偿并保持调平取向或甚至提供偏移取向以抵消震颤。整体效果是用户辅助装置105在取向上保持固定(或甚至稳定)，不管手柄在致动器组件115的物理极限内如何取向。
[0020] 致动器组件115的示出的实施例包括致动器125，其提供围绕翻转轴185的输出转动动作。这个翻转动作经由连接部135连接到致动器130，使得致动器125围绕翻转轴185物理旋转致动器130。致动器130的示出的实施例提供了围绕俯仰轴180的输出旋转动作。俯仰和翻转动作连接到连接臂，并通过延伸用户辅助装置105，经由连接部140，使得致动器130俯仰用户辅助装置105，而致动器125翻转用户辅助装置105。这些正交的旋转动作独立控制。
[0021] 在一个实施例中，手持工具100进一步包括两个位置传感器，其向动作控制系统150提供表示致动器125和130的输出相对于手柄120的旋转位置的反馈位置信息。换句话说，位置传感器表示连接部135和140相对于手柄120的位置。在一个实施例中，每一位置传感器为霍尔传感器，其监视其相应的连接部135或140的位置。包括电位计、编码器等的其他位置传感器也可实施。
[0022] 传统的稳定装置试图使用重摆(weighted pendulum)提供稳定。然而，需要较重的质量以迫使平台置在水平状态。这样的实现方式的缺点包括要求的体积和质量以及钟摆在其自然频率的潜在的摆动和振荡。用户辅助装置的设定点(平衡点)受机械组件的限制并不能便利地调整。此外，和用户相关的数据不能通过这些纯粹的机械装置收集。相反，在手持工具100中使用的反馈控制系统能够以明显更小的规格达到好得多的性能。不要求重的质量，且动作控制系统150可特别地调谐以对各种无意识动作(例如震颤稳定)反应。实际上，动作控制系统150可编程以响应不协调的动作(低频)用于自动调平以及响应无意识的动作(高频)以稳定人类颤抖。
[0023] 此外，系统控制器160可被编程以监控并收集关于用户健康状况的严重程度的数据(例如保持水平取向的能力，需要的反作用控制辅助的量，无意识颤抖动作的量，等等)并将这个数据存储进系统存储器165内的日志中用于最终经由通信接口170输出。日志可被分析并提供给医护人员以诊断并治疗用户/病人的健康状况。动作控制系统150提供的主动控制可进一步编程以作为治疗计划的一部分随着时间以较小的增加量调整。该治疗计划可使用日志监控并通过参考该日志以每一个病人为基础定制。例如，作为治疗或训练的一种，主动调平/稳定的量以预定的速率递增地减小，而结果参考该日志阶段性地监控。
[0024] 在一个实施例中，连接臂110实施为永久的、固定连接到单一用户辅助装置105。在其他实施例中，连接臂110可便于非永久性连接以去除或替代用户辅助装置105。使用非永久连接使用户能够将不同类型的用户辅助装置105插入或连接到手持工具100。例如，用户辅助装置105可作为多种不同的吃饭或喝水器具(例如勺子、刀、茶、杯子保持器)，个人卫生工具(例如牙刷、牙线棒)，梳妆工具(例如敷化妆品器、梳子)，职业工具(例如外科手术工具)，指示装置(例如激光笔或教鞭)或其他实施。该自动调平(以及可选的震颤稳定)功能上可帮助具有不协调的(或无意识的)肌肉运动的用户以通过提供对日常任务的更大的独立以及自我控制，具有改善的生活质量。此外，手持工具100可具有职业用途，其帮助不遭受不协调/无意识肌肉运动的那些人。
[0025] 图2为根据本发明的实施例的功能结构图，其示出系统电路200的功能部件。系统电路200示出用于手持工具100操作的示例功能控制部件。系统电路200的该示出的实施例包括动作控制系统205、系统存储器210、系统控制器215、通信接口220、电源225、调平IMU230、位置传感器235以及震颤IMU240。
[0026] 如上所述，动作控制系统205接收(例如查询)来自调平IMU230的反馈数据以确定用户辅助装置105的取向和动作。这个反馈数据使用控制算法分析以产生用于操纵致动器组件115的指令。在一个实施例中，动作控制系统205执行为数字信号处理(“DSP”)电路。在另一实施例中，动作控制系统205为在系统控制器215上执行并存储在系统存储器210中的软件/固件逻辑。在一个实施例中，系统控制器215实现为微处理器而系统存储器210为非易失性存储器(例如闪存)。可使用其他类型的存储器和控制器。
[0027] 在一个实施例中，通信接口220通信连接到系统控制器215上以输出存储在系统存储器210内的数据(例如使用日志)。通信接口220可实现为有线或无线接口，例如通用串联接口(“USB”)、无线蓝牙接口、WIFI接口、蜂窝接口、或其他。
[0028] 如上所述，调平IMU230设置成监控用户辅助装置105的取向和动作。在图1A-D示出的实施例中，调平IMU145设置在连接臂145上。在用户辅助装置105永久固定在手持工具100上的实施例中，调平IMU230也可刚性安装到用户辅助装置105自身上或连接臂110可考虑为用户辅助装置105的延伸体。调平IMU230可实施为固态传感器，包括一个或多个加速度计、陀螺仪、或磁力仪。
[0029] 位置传感器235为相对传感器，其测量致动器组件115的输出相对于手柄120的相对位置。在一个实施例中，位置传感器235为霍尔传感器，其通过测量连接部135和140的位置监控致动器125和130的输出的位置。位置传感器235输出的相对位置信息可记录到系统存储器210内的日志中以确定用户需要多大的自动调平且因此诊断给定用户的严重性及发展。
[0030] 在一个实施例中，手持工具100可进一步包括颤抖IMU240，其刚性连接到手柄120上以测量手柄120的动作/取向。颤抖IMU240需要的颤抖反馈信息也可记录到系统存储器210内的日志文件中以帮助用户病情的诊断和治疗。在一些实施例中，来自颤抖IMU240的反馈信息也可用于反馈稳定，虽然来自调平IMU230的反馈信息充分且甚至优选用于用户辅助装置105的自动调平和稳定两者。
[0031] 在示出的实施例中，系统电路200的功能部件可由电源225供电。在一个实施例中，电源225为设置在手持工具100的手柄120内的可再充电电池(例如锂离子电池)。系统电路200的很多其他功能部件也可设置在手柄120内以提供紧凑的、用户友好的形状因数。例如，在多个实施例中，动作控制系统205、系统存储器210、系统控制器215、通信接口220、电源
225、以及颤抖IMU240的一些或全部设置在手柄120内。如图1A-D所示，致动器125和连接部
135至少部分设置在手柄120内。
[0032] 图3为根据本申请的实施例的功能结构图，示出动作控制系统300的功能部件，该动作控制系统用于向手持工具100的用户辅助装置105提供自动调平。动作控制系统300为动作控制系统150或205的一个可能实现方式。动作控制系统300可实现为软件逻辑/指令，为固件逻辑/指令，为硬件逻辑，或其组合。在一个实施例中，动作控制系统300为DSP电路。
[0033] 动作控制系统300的该示出的实施例包括旋转矢量模块305、低通滤波器(“LPF”)310、补偿滤波器模块315、评估矢量模块320、反向运动模块325、以及动作控制器330。动作控制系统300被连接以接收来自调平IMU335和位置传感器340的反馈数据。调平IMU335示出的实施例包括陀螺仪345和加速度计350。
[0034] 在操作期间，陀螺仪345输出陀螺仪数据ΔG而加速度计350输出加速数据ΔA。陀螺仪数据ΔG被旋转矢量模块305使用以调整之前的误差矢量Sn－1以产生当前误差矢量Sn。然后当前误差矢量Sn提供给补偿滤波器模块315。补偿滤波器模块315使用加速度计数据ΔA的低通滤波形式Δ，A调节当前误差矢量以产生调节后的误差矢量S，n。该调节误差矢量S，n回送到评估矢量模块320，在该处其锁止或暂时存储并提供给旋转矢量模块305，作为之前误差矢量Sn－1，用于操作的下一循环。
[0035] 该调节的误差矢量S，n代表参考系(例如重力矢量)和代表用户辅助装置105当前位置的矢量之间的差矢量。例如，代表用户辅助装置105当前位置的矢量可为自调平IMU145设置在其上的一个表面延伸的法向矢量。当然，可使用用于描述用户辅助装置105的其他矢量方向。
[0036] 陀螺仪345为快速操作传感器，其快速输出角速度数据，但遭受随着时间的漂移。相反，加速度计350为慢速传感器，其输出精确的读数，该读数由补偿滤波器315使用以更新当前的误差矢量Sn并消除所有漂移。加速度计数据ΔA低通滤波以去除由于突然痉挛导致的高频改变，例如颤抖动作，该高频改变对低频自动调平功能无用。
[0037] 然后该调节的误差矢量S，n提供给反向运动模块325。反向运动模块325获得该调节的错误矢量S，n与致动器组件115的当前位置信息并产生限定致动器125和130的位置参数的误差信号(例如俯仰误差以及翻转误差)，以得到用户辅助装置105的想要的位置。动力学方程的使用在机器人控制系统是已知的。
[0038] 然后误差信号输入到动作控制器330内，其确定如何实施用于控制致动器组件115的实际的指令(例如俯仰指令以及翻转指令)。在一个实施例中，动作控制器330实施为比例－积分－微分(“PID”)控制器。动作控制器330试图减小误差信号(例如俯仰误差和翻转误差)，同时也减小纠正过冲量和振荡。
[0039] 在示出的实施例中，动作控制系统300还包括用于加速度计数据ΔA的高频路径360以到达动作控制器330。高频路径360允许未滤波的高频加速度计数据ΔA被动作控制器
330分析以实施颤抖稳定控制。
[0040] 上面解释的一些功能逻辑/软件根据计算机软件和硬件描述。描述的技术可构成在有形或非瞬态机器(例如计算机)可读存储介质内实施的机器可执行指令，其当由机器执行时将促使机器实施描述的操作。此外，该过程可在硬件内实施，例如专用集成电路(“ASIC”)或其他。
[0041] 有形机器可读存储介质包括任意机制，其以非瞬态形式提供(例如存储)机器(例如计算机、互联网装置、个人数字助理、制造工具、具有一个或多个处理器的任意装置、等等)可存取的信息。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存、等等)。
[0042] 上述对本发明示例实施例的描述，包括在摘要中描述的那些，不用于穷举或将本发明限定在描述的精确形式内。虽然在这里描述了用于解释目的的本发明的特定实施例以及示例，如本领域技术人员能够意识到的，在本发明范围内可有多种改进。
[0043] 根据上述详细说明书可对本发明作出这些改进。下面权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限定在本说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围整体由下面的权利要求确定，其根据所建立的权利要求解释原则来解释。
