阅读说明：本技术 具有行为控制模式的手持式铰接用户辅助设备 (handheld articulating user-assistive device with behavior control mode ) 是由 A.J.帕塔克 D.欧文斯 于 2018-03-22 设计创作，主要内容包括：一种手持式工具包括：手柄；器具安装座,其配置成可拆卸地容纳和牢固地保持用户辅助器具；致动器组件,其安装在手柄上,以相对于手柄物理地操纵器具安装座；第一传感器,其设置为感测手柄的取向；第二传感器,其设置为感测用户辅助器具的取向；控制器,其设置在手柄中或手柄上并且联接到致动器组件以及第一传感器和第二传感器；和存储器,其联接到控制器。该存储器存储指令,用于识别附接到器具安装座上的用户辅助器具的类型、基于所识别的用户辅助器具的类型来选择行为例程、以及根据行为例程相对于手柄操纵用户辅助器具以帮助利用手持式工具执行任务。(A hand-held tool comprising: a handle; an appliance mount configured to removably receive and securely hold a user-assistive appliance; an actuator assembly mounted on the handle for physically manipulating the implement mount relative to the handle; a first sensor arranged to sense an orientation of the handle; a second sensor arranged to sense an orientation of the user-assistive device; a controller disposed in or on the handle and coupled to the actuator assembly and the first and second sensors; and a memory coupled to the controller. The memory stores instructions for identifying a type of user-assistive implement attached to the implement mount, selecting a behavior routine based on the identified type of user-assistive implement, and manipulating the user-assistive implement relative to the handle in accordance with the behavior routine to assist in performing a task with the handheld tool.)

具有行为控制模式的手持式铰接用户辅助设备

技术领域

本公开总体上涉及用于上肢活动能力受限的人的手持式工具。

背景技术

数百万人患有可能限制其上肢活动能力的各种病症。这些病症包括诸如脑瘫、脊髓损伤、亨廷顿舞蹈病等其他疾病。当前，针对患有这些病症的人的解决方案有限。许多人依靠外部援助来进行日常生活的活动，包括进食、烹饪或美容。迫切需要为这些人提供援助，以改善他们的整体独立性。独立性的提高降低了护理人员的成本，并带来了更积极的长期健康成果。

发明内容

附图说明

参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷举的实施例，其中，除非另外指明，否则贯穿各个视图，相同的附图标记指代相同的部分。并非必须标记元素的所有实例，以免在适当的地方使附图混乱。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明所描述的原理上。

图1A是根据本公开实施例的手持式工具的透视图，其辅助具有活动能力问题的用户执行一个或多个任务。

图1B是根据本公开实施例的用户辅助器具的安装端的图示，其将用户辅助器具可拆卸地连接到手持式工具。

图1C是根据本公开实施例的用于可拆卸地连接不同的用户辅助器具的手持式工具上的器具安装的图示。

图2A是根据本公开实施例的手持式工具的透视图和手持式工具各部分的参考取向。

图2B是根据本公开实施例的手持式工具的第一类型运动的透视图。

图2C是根据本公开实施例的手持式工具的第二类型运动的透视图。

图3A是根据本公开实施例的用于在刷牙时辅助用户的牙刷器具的透视图。

图3B是根据本公开实施例的用于在烹饪时辅助用户的炊具器具的透视图。

图3C是根据本公开实施例的用于在饮用时辅助用户的饮料保持器器具的透视图。

图4是示出根据本公开实施例的手持式工具的子系统的功能框图。

图5是示出根据本公开实施例的手持式工具的一般操作的流程图。

图6是示出根据本公开实施例的化妆器行为例程的流程图。

图7是示出根据本公开实施例的牙刷行为例程的流程图。

图8是示出根据本公开实施例的炊具行为例程的流程图。

图9是示出根据本公开实施例的饮料保持器行为例程的流程图。

具体实施方式

本文描述了具有行为控制模式的手持式工具的系统、装置及操作方法的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者在其他方法、部件、材料等的情况下实践。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免使某些方面模糊。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指的是同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。

图1A是根据本公开实施例的手持式工具100的透视图。手持式工具100是铰接用户辅助设备，其具有与不同用户辅助器具相关的不同行为控制模式(在图1A中示出了示范性化妆器器具)。每种行为控制模式均具有存储在手持式工具100中的单独行为例程，该例程可帮助上肢活动能力受限的用户执行某些日常任务。例如，这些任务可以包括个人美容(例如化妆、刷牙等)、烹饪、吃饭、饮用等。手持式工具100的所示实施例包括用户辅助器具102(例如示出了化妆器)、器具安装座104、手柄106、致动器组件107、传感器114和116、控制模块120以及电源122。致动器组件107的图示实施例包括马达108和138。

图3A至3C示出了可拆卸用户辅助器具的各种其他示例。例如，图3A示出了牙刷器具305，图3B示出了炊具器具310，图3C示出了饮料保持器器具315。

在所示实施例中，器具安装座104为各种类型的用户辅助器具102提供了可拆卸的安装位置。在一实施例中，手柄106和器具安装座104是通过致动器组件107的旋转接头连接的手持式工具100的离散刚性主体，该旋转接头使器具安装座104以及因此用户辅助器具102能够相对于手柄106以两个旋转自由度运动。

手持式工具100能够使用传感器116和114分别独立地检测和跟踪手柄106和用户辅助器具102的绝对位置(相对于地球参考系)。控制模块120使用从传感器114和116输出的实时位置/取向数据来控制致动器组件107，以操纵用户辅助器具102并帮助用户执行上述一项或多项任务，尽管用户的活动能力有限。在一些实施例中，手持式工具100甚至能够检测和补偿(例如稳定)意外的肌肉运动(例如震颤)。

手持式工具100包括手柄106，其也用作容纳手持式工具100的各种其他子部件的壳体，比如电源122、控制模块120和致动器组件107的至少一部分。手持式工具100也包括通过致动器组件107联接到壳体106的器具安装座104，如下面更详细地讨论。器具安装座104配置成在其远离手柄106的端部接纳不同的用户辅助器具102(例如化妆器、牙刷、炊具、饮料保持器等)。

在一实施例中，器具安装座104使用摩擦、按扣、磁体、螺钉或其他形式锁定机构中的一种来为用户辅助器具102提供可拆卸且刚性的安装点。图1B示出了用户辅助器具102的安装端140，而图1C示出了器具安装座104的安装接口145。如图所示，安装接口145和安装端140均包括触点150，在将安装端140***安装接口145中时触点150彼此对齐并形成电触点。在一实施例中，安装接口145的电触点150是弹簧加载的弹簧针，它们与用户辅助器具102的安装端140内的电触点150物理接触。所示实施例包括三个电触点150：电源触点、接地触点和标识符(ID)触点。电源和接地触点为机械器具(例如电动牙刷器具)供电。在一实施例中，用户辅助器具102的ID触点联接到电阻器，该电阻器的电阻值被控制模块120询问以识别当前附接的用户辅助器具102的类型。例如，控制模块120可以存储与各种不同类型的用户辅助器具端部102相关的多个行为例程。通过测量ID触点的电阻值并将该电阻值与电阻值表进行比较，正确的行为例程可被加载并执行。可以使用其他数量的触点(或多或少)及触点的物理形状因数。

如图所示，器具安装座104经由致动器组件107的马达108和138联接到手柄106。马达108刚性地安装到手柄106上，并且定向成以绕旋转轴线Z的第一自由度旋转马达138和器具安装座104，如图2C中的运动205所示。马达138将马达108的输出连接到器具安装座104，并且以绕旋转轴线Y的第二自由度控制器具安装座104的运动210，如图2A和2B所示。

手持式工具100的所示实施例还包括至少两个传感器(例如沿手柄106或在其内放置的传感器116和沿器具安装座104或在其内放置的传感器114)。在一实施例中，传感器116和114中的每一个都是惯性测量单元(IMU)，其能够提供对其所放置的物体的取向、运动的角速度、力等的测量。在一实施例中，每个IMU是具有至少一个加速度计和陀螺仪的六自由度IMU。在一实施例中，传感器116和114在使用手持式工具100期间分别收集测量值，以独立地确定手柄106和器具安装座104的取向。

在实施例中，手持式工具100可以进一步包括便携式电源122，以为控制模块120、致动器组件107和电动用户辅助器具(例如图3A中的牙刷器具305)供电。电源122可以利用多种选择，包括但不限于可再充电电池、太阳能电池板等。

传感器114和116进行测量以确定手柄106的取向以及器具安装座104和/或器具102的取向。控制模块120基于这两个取向可以确定手持式工具100的各个部分的相对取向。此外，各个部分的相对取向可用于确定将手柄106与器具安装座104联接的接头的位置以及用户辅助器具102相对于手柄106的当前取向。如将在下面更详细地讨论，基于测得的取向和手持式工具100的各部分之间的预期取向，控制模块120生成用于致动器组件107的控制信号(例如马达命令)，该控制信号校正和/或维持手持式工具100的不同部分之间的预期相对取向或维持用户辅助器具102的绝对取向。这些控制信号可以根据各种行为例程进行操纵以帮助用户执行与给定类型的用户辅助器具102相关的各种任务。在一实施例中，控制信号可以包括由控制模块120生成的电压命令，该电压命令驱动致动器组件107的马达以期望的取向、期望的速度、期望的加速度等使它们各自的齿轮旋转。

本领域普通技术人员容易认识到，根据本公开的系统和方法可以利用在本公开的精神和范围内的控制模块120、传感器114和116、致动器组件107等的各种实施方式。在一实施例中，控制模块120包括电气系统，该电气系统能够从传感器输入产生电响应，比如可编程微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(“ASIC”)等。在一实施例中，控制模块120包括由Atmel制造的8位ATMEGA8A可编程微控制器，这是由于其总体上的低成本、低功耗以及在大批量应用中的利用能力。

图4是根据本公开实施例的手持式工具100的各种子系统的功能框图。手持式工具100的所示实施例包括致动器组件107(包括马达108和138)、传感器114和116、电源122和控制模块120。控制模块120的所示实施例包括控制器405、存储行为例程415的存储器410、通信接口420和用户接口425。

如上所述，控制器405联接到传感器114和116，以接收取向/运动信息并输出用于操纵马达108和138的控制信号。利用来自传感器114和116的反馈，根据存储在存储器410中的行为例程415的指令来生成控制信号。通信接口420可以包括有线连接(例如USB接口)或无线连接(例如WiFi、蓝牙等)。在一实施例中，通信接口420提供到移动设备430(例如智能电话)的无线连接。无线连接可用于在执行行为例程415时接收用户命令，向控制器405提供软件更新，或更新行为例程415。用户命令可以是经由移动设备430的屏幕的触觉输入或语音命令。通信接口420也可以用于将操作调整传达给手持式工具100。例如，在移动设备430上运行的应用可以在用户重新获得其上肢灵活性/活动能力时调整应用于致动器组件107的辅助级别。医生或理疗师可以通过云连接监视辅助级别，并远程调整辅助级别设置。

在一实施例中，控制模块120还提供集成的用户接口425以接收直接用户命令。用户接口425可以包括用于语音命令的麦克风或用于触摸命令的触觉接口(例如按钮、触敏屏幕、用于测量挤压命令的压力传感器等)中的一个或多个。

图5是示出根据本公开实施例的手持式工具100的一般操作的过程500的流程图。参照图1和4所示的手持式工具100的功能元件来描述过程500。一些或所有过程框在过程500中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行地执行。

在过程框505中，用户将所需的用户辅助器具附接到安装端140。所选的用户辅助器具可包括用户辅助器具102、305、310、315中的任何一个等。在过程框510中，控制器405询问所附接的用户辅助器具以确定其类型。在一实施例中，询问包括通过ID触点(例如电触点150之一)测量设置在用户辅助器具内的电阻器的电阻值。然后将测得的电阻值与电阻值表进行比较，电阻值表将电阻值或范围与不同类型的用户辅助器具相关联。一旦控制器405确定所连接的用户辅助器具的类型，就通过加载并执行相关的行为例程使手持式工具100进入相应的行为控制模式(过程框515)。

在过程框520中，致动器组件107的铰接机构将用户辅助器具移动到与所选行为控制模式相关的默认位置/取向。在各个实施例中，默认位置可以是初始位置/取向，可以取决于手柄106的当前取向(例如手柄直立、倒置、接近水平等)，和/或可以包括主动反馈控制(例如自动调平、自动取向控制等)。在过程框530中，执行与用户辅助器具的类型相关的特定行为例程。图6至9描述了与不同类型的用户辅助器具相关的行为例程的各种示例。然而通常，每个行为例程都包括某种形式的自动取向控制，其根据给定用户辅助器具的特定使用情况进行定制。自动取向控制可以包括自动调平、相对于地球参考系的一个或多个自由度中的绝对取向控制和/或相对于手柄106的相对取向控制。

在判定框535中，控制器405连续监视用户锁定/解锁命令。锁定命令的确认使致动器组件107将用户辅助器具锁定(过程框540)在其相对于手柄106的当前取向，或者移动到默认锁定位置并相对于手柄106保持该位置。解锁命令的确认(判定框535)使致动器组件107解锁用户辅助器具(过程框540)并恢复执行所加载的行为例程(过程框525)。用户命令可能会被确认为有意摇动。传感器405和/或传感器114的输出可以由控制器405监视并过滤以识别有意摇动。在另一实施例中，可以采用集成到手持式工具100(例如用户接口425)中的麦克风或者使用无线连接的移动设备430的麦克风，以语音命令的形式接收命令。在其他实施例中，移动设备430的任何本机接口可用于接收用户命令。

图6是示出根据本公开实施例的与化妆器器具一起使用的化妆器行为例程600的流程图。一些或所有过程框在例程/过程600中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行地执行。

在过程框605中，控制器405读取输出传感器116以连续监视手柄106的取向。在判定框610中，如果确定手柄106在水平位置和接近竖直阈值位置之间，则控制器405操作致动器组件107以主动地调平用户辅助器具102。在一实施例中，参照沿手柄106的中心线向下延伸的纵向轴线101来测量手柄106的取向。接近竖直阈值位置可以具有预定值(例如距竖直15度)或者是用户定义的值。因此，尽管手柄106在水平位置和接近竖直阈值位置之间的运动范围有限，但是控制器405操作致动器组件107以确保用户辅助器具102的中心轴线103保持水平或接近水平。然而，如果手柄106不在水平位置和接近竖直阈值位置之间，则过程600继续到判定框620。

在判定框620中，如果控制器405确定手柄106在接近竖直阈值位置和绝对竖直位置之间，则锁定手柄106和用户辅助器具102之间的相对位置(过程框625)。换句话说，在手柄106越过接近竖直阈值位置的时刻手柄106与用户辅助器具102之间的相对位置被保持或锁定达手柄106保持在绝对竖直与接近竖直阈值位置之间的时间。然而，如果手柄106不在水平位置和绝对竖直位置之间，则过程600继续到判定框630。

在判定框630中，如果将手柄106浸入水平位置以下的倒置位置(即用户辅助器具102指向下方)，则控制模块120操作致动器组件107以使用户辅助器具102伸直(过程框635)。换句话说，中心轴线101和103彼此平行地对准。一旦伸直，致动器组件107就牢固地保持伸直位置，直到手柄106上升到高于水平位置(过程框640)。在过程框635中提供的伸直有助于用户将用户辅助器具102浸入化妆瓶中，在过程框615中提供的主动调平有助于水平化妆到身体(例如睫毛、眉毛、眼睑、嘴唇等)上，并且在过程框625中保持锁定位置能够进行非水平化妆。

图7是示出根据本公开实施例的与牙刷器具305一起使用的牙刷行为例程700的流程图。一些或所有过程框在例程/过程700中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行地执行。

在过程框705中，控制器405激活牙刷器具305上的刷毛307(参见图3A)的清洁运动。在一实施例中，功率通过电触点150传递到刷毛307。在过程框710中，牙刷器具305被移动到与第一牙齿排相关的位置以进行清洁。牙齿排是一组牙齿的一侧，这些牙齿使用基本相同的手柄取向进行清洁。例如，左上排牙齿的外部(例如左上磨牙、双尖牙、侧向和中央)可以对应于一排牙齿。在过程框715中，控制器405操作致动器组件107以在清洁当前排牙齿的同时保持牙刷器具305的正确取向。在过程框720中，用户沿着当前牙齿排移动刷毛307以进行清洁。在清洁了当前牙齿排之后(判定框725)，控制器405将牙刷器具305移动到与下一牙齿排相关的下一位置/取向(过程710)。给定牙齿排的完成可以发生在固定时间段(例如定时器)期满之后或者在接收到用户命令以移动到下一牙齿排之后。用户命令可以作为语音命令、手持式工具100的有意摇动或通过其他方式被接收。继续清洁和重新定位，直到所有牙齿排都被清洁(判定框730)。一旦清洁了所有牙齿排，控制器405就将牙刷器具305返回其默认位置并禁用刷毛运动。

应当理解，牙刷行为例程700可以包括用于多个牙齿排位置的取向设置。例如，左上、右上、左下和右下排牙齿(每排都包括臼齿、双尖牙、侧向牙齿和中央牙齿)可以分别具有内侧和外侧排牙齿，对应于总数八排牙齿。在其他实施例中，前齿的外侧可以对应于第九排牙齿，而上前和下前牙齿的内侧可以各自对应于总共十一排牙齿的其他排。可以根据需要定制或调整牙齿排的具体数量。

图8是示出根据本公开实施例的与炊具器具310一起使用的炊具行为例程800的流程图。一些或所有过程框在例程/过程800中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行地执行。

在过程框805中，控制器405使用传感器114和116的输出来监视手柄106和炊具器具310的取向。基于来自传感器114和116的反馈，控制器405操作致动器组件107以保持炊具器具310的稍微向下的俯仰取向(例如低于水平15度)作为例程800的默认位置(过程框810)。在一实施例中，尽管手柄106的取向有相对较大的偏差，但仍保持炊具器具310的稍微向下的俯仰取向。这使得具有相对较低上肢的用户能够进行马达控制来实现炊具器具310的正确定向以在食物下滑动或舀取。虽然图3B示出了作为锅铲的炊具器具310，但是预期炊具器具310可以是汤匙或瓢、叉子、钳子等。

在炊具器具310的端部具有食物的情况下，用户可以发出翻转/旋转命令以翻转食物。该命令可以经由移动设备430等作为语音命令、摇动或挤压手柄106来发出。在判定框815中，控制器405监视翻转命令。在接收到翻转命令时(判定框815)，控制器405操作致动器组件107以旋转炊具器具310(过程框820)并翻转食物。在旋转炊具器具310之后，控制器405使炊具器具310返回其默认位置。

图9是示出根据本公开实施例的与饮料保持器器具315一起使用的饮料保持器行为例程的流程图。一些或所有过程框在例程/过程900中出现的顺序不应被认为是限制性的。相反，受益于本公开的本领域普通技术人员将理解，一些过程框可以以未示出的各种顺序或者甚至并行地执行。

在过程框905中，控制器405和传感器116连续监视手柄106的取向。在判定框910中，如果手柄106旋转小于旋转阈值并且倾斜小于倾斜阈值，则控制器405操作致动器组件107在旋转轴线和倾斜轴线上主动地调平饮料保持器器具315(过程框915)。换句话说，尽管上肢受限的用户将旋转或倾斜的手柄106控制在规定的阈值内，但是控制器405仍然用于保持饮用杯水平。在一些实施例中，旋转轴线和倾斜轴线是相对于手柄106的正交旋转轴线。在其他实施例中，旋转轴线和倾斜轴线是相对于饮料保持器器具315的正交旋转轴线。

然而，如果用户将手柄106旋转超过旋转阈值(判定框920)，则控制器405操作致动器组件107以锁定饮料保持器器具315相对于手柄106的旋转位置(过程框925)。因此，旋转运动是朝向用户嘴的旋转。在一实施例中，旋转轴线是朝向用户嘴的15度旋转。因此，如果用户将手柄106朝向用户嘴旋转超过15度，则控制器405停止主动地调平饮料保持器器具315，在超过阈值时锁定其当前旋转位置，并允许用户旋转饮料保持器器具315以进行饮用。在一实施例中，仅旋转位置被锁定，同时继续主动地调平任何倾斜旋转。在另一实施例中，旋转位置和倾斜位置都被锁定。

然而，如果用户将手柄106倾斜超过接近竖直的倾斜阈值(例如在竖直的15度以内或其他阈值，无论更大或更小)，则控制器405操作致动器组件107以锁定旋转位置和倾斜位置。可替代地，用户可以发出锁定命令，如结合一般操作过程500中的判定块535和过程框540所讨论的。

根据计算机软件和硬件描述了上述过程。所描述的技术可以构成体现在有形或非暂时性机器(例如计算机)可读存储介质中的机器可执行指令，其在由机器执行时将使机器执行所描述的操作。另外，这些过程可以体现在硬件内，比如专用集成电路(“ASIC”)等。

有形的机器可读存储介质包括以机器(例如计算机、网络设备、个人数字助理、制造工具、具有成组的一个或多个处理器的任何设备等)可访问的非暂时形式提供(即存储)信息的任何机制。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、闪存设备等)。

包括摘要中描述的内容的本发明的示例性实施例的以上描述并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了本发明的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种修改。

可以根据以上详细描述对本发明进行这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制为说明书中公开的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由以下权利要求确定，权利要求将根据权利要求解释的既定原则来阐释。